BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tempurung Kelapa
Menurut Food and Agriculture Organization (FAO) Asia Pasifik mampu menghasilkan 82 % dari produk kelapa di dunia, sedangkan 18 % sisanya diproduksi atau dihasilkan oleh negara di Afrika dan Amerika Selatan. Penghasil kelapa di dunia adalah 12 negara yaitu: India (13,01%), Indonesia (33,94%), Malaysia (3,93%), Papua New Guinea (2,72%), Philipina (36,25%), Solomons Insland (0,70%), Sri Langka (4,72%), Thailand (3,17%), Vanuatu (0,78%), Western Samoa (0,47%), F.S Micronesia (0,16%), dan Palau (0,16%) [12]. Penggunaan arang tempurung kelapa telah lama dilakukan dan telah menjadi bahan kajian lanjut untuk penelitian. Dari kompossi kimia tempurung kelapa itu sendiri yang terdiri dari 74,3% C, 21.9%O, 0.2% Si, 1.4% K, 0.5% S, 1.7%P [13] menjadikannya berpeluang sebagai bahan bakar dan sumber karbon aktif.
Tempurung kelapa memiliki kandungan atom-atom C, O, H, dan N. Material-material organik ini mengandung gugus fungsional seperti hidroksil (R-OH), alkana (R-(CH2)n-R’), karboksil (R-COOH), karbonil (R-CO-R’), ester (R-CO-O-R’), gugus eter linear dan siklik (R-O-R’) dengan variasi jumlah [41].
Sebagian besar di pedesaan sabut dan tempurung kelapa dimanfaatkan untuk bahan bakar, baik dalam bentuk tempurung kering atau arang tempurung. Beberapa tahun terakhir ini tempurung kelapa juga sering digunakan sebagai alat peraga edukatif (APE) seperti pada pelajaran biologi, matematika dan fisika, atau juga bisa dipakai sebagai bahan pembuatan suvenir [15] Selain itu, kelapa menjadi produk pertanian yang penting bagi negara-negara tropis di seluruh dunia sebagai sumber energi baru - biofuel [6] .
2.2 Karbon aktif
atau uap. Arang aktif dapat dibuat dari bahan yang mengandung karbon baik organik atau anorganik, tetapi yang biasa beredar di pasaran berasal dari tempurung kelapa, kayu dan batubara. Pada umumnya arang aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan penjernih [15]. Menurut Yin dan Wan daud dalam Asriningtyas (2014) beberapa dekade terakhir, berbagai macam karbon aktif dibuat dari berbagai limbah pertanian dan digunakan sebagai adsorben dengan harga yang murah untuk menghilangkan jenis polutan yang berbeda dari limbah cair [16].
Karbon aktif memiliki daya adsorpsi tinggi dan spesifik, luas permukaan yang
besar, dan ukuran pori karbon aktif yang beraneka ragam [13]. Akan tetapi, ketahanan
mekanik dari karbon aktif relative rendah dibandingkan γ-alumina. Menurut Nailasa
dalam Hartini (2015), Berbagai bahan baku dari limbah pertanian dapat digunakan untuk
menghasilkan arang aktif yaitu bahan yang mengandung karbon, antara lain berbagai
jenis kayu, serbuk gergaji, kulit atau biji buah-buahan, tongkol jagung, tempurung
kelapa, sekam padi dan lain-lain [17].
Karbon aktif dapat dipergunakan untuk berbagai industri, antara lain yaitu industri obat-obatan, makanan, minuman, pengolahan air (penjernihan air) dan lain-lain. Hampir 70% produk karbon aktif digunakan untuk pemurnian dalam sektor minyak kelapa, farmasi dan kimia [18]. Bahan baku yang dapat dibuat menjadi karbon aktif adalah semua bahan yang mengandung karbon, baik yang berasal dari tumbuh-tumbuhan, binatang ataupun barang tambang. Bahan-bahan tersebut adalah berbagai jenis kayu, sekam padi, tulang binatang, batu-bara, tempurung kelapa, kulit biji kopi. Bila bahan-bahan tersebut dibandingkan, tempurung kelapa merupakan bahan terbaik yang dapat dibuat menjadi karbon aktif karena karbon aktif yang terbuat dari tempurung kelapa memiliki mikropori yang banyak, kadar abu yang rendah, kelarutan dalam air yang tinggi dan reaktivitas yang tinggi [19].
Untuk ukuran mikropori < 2 nm, mesopori 2 nm – 5 nm , dan makropori >50 nm [21]. Selain itu, lebih jauh terdapat pula ukuran supermikropori dengan ukuran 0,7 nm – 2 nm.
2.1 Skema Struktur Pori Karbon Aktif (a) Granular (b) Serat [22]
Karbon aktif dapat di sintesis dengan dua metode, dengan pengaktifan secara kimia dan secara fisika. Dalam proses aktivasi secara kimia, bahan baku di impregnasi dengan pengaktivasi kemudian diikuti dnegan proses pirolisis pada suhu tinggi. Sedangkan metode fisika yaitu,metode aktivasi yang terdiri dari karbonisasi bahan baku dalam keadaan inert [23].
Tabel 2.1 Standar Kualitas Karbon Aktif Menurut SNI 06-3730-1995
Uraian
Prasyarat kualitas (%)
Butiran Serbuk
Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C
Maks. 15 Maks. 25
Konsentrasi air Maks. 4,5 Maks. 15
Konsentrasi abu Maks. 2,5 Maks. 10
Karbon aktif murni Min. 80 Min. 65
Daya serap terhadap larutan I2 Min. 20 Min. 20
2.3 Proses Aktivasi
Proses aktifasi merupakan hal yang penting diperhatikan disamping bahan baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul- molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifilt, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi [23]
Dasar dari proses aktivasi adalah memperesar ukuran pori-pori yang telah terbentuk pada tahap karbonisasi, serta pembentukan pori-pori baru. Proses aktivasi dibadi menjadi dua tahapan. Tahap pertama adalah menghilangkan karbon yang tidak terorganisasi, dan sisa tar yang ada dalam pori-pori yang tidak hilang pada tahap karbonisasi karena temperatur yang rendah. Karbon yang tidak terorganisasi dan tar terdevolatilisasi bersama dengan gas pengaktif sehingga permukaan karbon aromatik (permukaan luar dan permukaan pori-pori) bisa kontak langsung dengan gas pengaktif. Pada tahap kedua, permukaan karbon aromatrikyang telah terekspos terbakar oleh gas pengaktif sehingga pori-pori membesar, dan disertai dengan pembentukan pori-pori baru [20].
Metoda aktifasi yang umum digunakan dalam pembuatan arang aktif adalah: a. Aktifasi kimia: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organic
denganpemakian bahan-bahan kimia
b. Aktifasi fisika: proses pemutusan rantai karbon dari senyawa organik denganbantuan panas, uap dan CO2 [23]
Dalam aktifasi kimia, aktifator yang digunakan adalah bahan-bahan kimia seperti: hidroksida ligam alkali garam-garam karbonat, klorida, sulfat, fosfat dari logam alkali tanah dan khususnya ZnCl2 , asam-asam anorganik seperti H2SO4 dan
H3PO4 [25]
Untuk aktifasi fisika, biasanya arang dipanaskan didalam furnace pada temperatur 800-900°C. Oksidasi dengan udara pada temperatur rendah, merupakan reaksi eksoterm sehingga sulit untuk mengontrolnya. Sedangkan pemanasan dengan uap atau CO2 pada temperatur tinggi merupakan reaksi endoterm, sehingga lebih
2.4 Pirolisis
Pirolisis yaitu pemanasan pada kondisi bebas oksigen. Dalam proses pirolisis umumnya adalah mendegradasi suatu senyawa-senyawa yang terdapat dalam suatu material untuk memecahnya menjadi senyawa-senyawa parsial. Proses pirolisis dapat dilakukan dengan reaktor pirolisis, furnace, dan microwave. Dalam suatu penelitian yang sudah sering dilakukan adalah bertujuan untuk mengambil senyawa hidrokarbon dalam suatu bentuk ikatan plastik. Senyawa turunan hidrokarbon mempunyai kegunaan yang sangat banyak dan mencakup semua bidang kehidupan. Hidrokarbon (minyak dan gas) mayoritas digunakan sebagai bahan bakar untuk menghasilkan energi dan untuk memanaskan ruangan [7]. Proses pirolisis secara umum sebagai berikut:
Biomaterial + pemanasan arang + gas [6]
Pada proses pirolisis menghasilkan arang atau karbon dan gas, secara umum gas yang terbentuk antara lain H2, CO, H2O, dan CH4. Biomaterial mengandung senyawa
selulosa. Reaksi pirolisis pada selulosa yaitu : (C6H10O5)n 6nC + 5(H2O).
Sehingga dihasilkan arang atau karbon [8]. 2.5 Microwave pirolisis
Pirolisis dapat digambarkan sebagai proses kimia dan termal dekomposisi komponen organik dalam suasana bebas oksigen untuk menghasilkan char, minyak dan gas. Pemanasan microwave telah digunakan untuk pirolisis biomassa , ban bekas, kayu, karet, serpih minyak, kopi dan produksi bahan kimia lainnya. Aplikasi microwave sangat luas. Oleh karena itu, banyak penelitian telah dilakukan dengan desain yang berbeda untuk menyelidiki proses hasil dalam berbagai aplikasi kimia [26].
Pada tahun 2000 Esveld dkk (dalam Farid,2013), merancang skala pilot terus menerus (10 sampai 100kg/h) reaktor multimode microwave dan memodelkan unit untuk bahan kering dan kimia bebas pelarut dalam reaksi esterifikasi (asam stearat dengan stearil alkohol). Dalam studi mereka penyerapan microwave ditingkatkan dengan menambahkan tanah liat (50 % berat) untuk sampel [26].
2.6 Sorpsi ( Daya Serap)
ion atau senyawa yang diserap tertahan pada permukaan partikel penyerap dan proses pengikatan berlangsung sampai di dalam partikel penyerap disebut sebagai proses absorpsi [20].
Adsorpsi adalah molekul-molekul pada permukaan zat padat atau zat cair, mempunyai gaya tarik ke arah dalam, karena tidak ada gaya-gaya lain yang mengimbangi. Adanya gaya-gaya ini menyebabkan zat padat dan zat cair, mempunyai gaya adsorpsi [21].
Pada adsorpsi gas di permukaan zat padat, terjadi kesetimbangan antara gas yang terjerap dengan gas sisa. Daya serap zat padat terhadap gas tergantung dari jenis adsorben, jenis gas, luas permukaan adsorben, temperatur gas dan tekanan gas. Makin luas permukaan adsorben, makin banyak gas yang dapat diserap. Luas permukaan sukar ditentukan, hingga biasanya daya serap dihitung tiap satuan massa adsorben [27].
Beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi, yaitu : [23] a. Sifat Adsorben
Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing-masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Jumlah atau dosis arang aktif yang digunakan juga diperhatikan.
b. Sifat Serapan
c. Temperatur
Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk menyelidiki temperatur pada saat berlangsungnya proses. Karena tidak ada peraturan umum yang bias diberikan mengenai temperatur yang digunakan dalam adsorpsi. Faktor yang mempenggaruhi temperatur proses adsorpsi adalah vikositas dan stabilitas thermal senyawa serapan. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih kecil.
d. pH (Derajat Keasaman)
Untuk asam-asam organik adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila pH asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.
e. Waktu Kontak
Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk mencapaikesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah arang yangdigunakan. Selain ditentukan oleh dosis arang aktif, pengadukan juga mempengaruhi waktu kontak. Pengadukan dimaksudkan untuk memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan senyawa serapan. Untuk larutan yang mempunyai vikositas tinggi dibutuhkan waktu kontak yang lebih lama [23].
Adsorpsi ada dua jenis, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. Pada adsorpsifisika, adsorpsi disebabkan oleh gaya Van der Waals yang ada pada permukaan adsorben.Sedangkan pada adsorpsi kimia, terjadi reaksi antara zat yang diserap dan adsorben [28].
2.7 Pengaktifan dengan Asam Fosfat (H3PO4)
Bahan kimia asam posfat (H3PO4) atau yang biasa dikenal dengan asam
Ca3(PO4)2, NaOH, Na2(SO)4, SO2, ZnCl2, Na2CO3 dan uap air pada suhu tinggi [29].
Pada penelitian ini digunakan H3PO4 sebagai pengaktivasi sampel. Aktivasi kimia
dari bahan karbon oleh H3PO4 adalah teknik yang berguna untuk memperoleh karbon
aktif dengan distribusi ukuran pori yang diinginkan pada suhu rendah [30].
Menurut Girgis, dkk dalam Rajheswar (2012), pembuatan karbon aktif dengan menggunakan aktivator asam fosfat akan menghasilkan karbon aktif yang lebih baik dibandingkan dengan menggunakan asam yang lain [31].
Pembuatan karbon aktif dengan proses impregnasi H3PO4 menggunakan
microwave telah banyak digunakan, diantaranya ialah : Yacob, dkk (2013) dengan
menggunakan bahan baku kelapa sawit dan impregnasi asam fosfat (H3PO4) pada
konsentrasi 10-80%. Pada percobaan tersebut didapat hasil terbaik bahwa pada konsentrasi asam fosfat 60%, dimana pada konsentrasi tersebut didapat luas permukaan yang tinggi yaitu 630 m2 / g [11]. Hesas, dkk (2013) melakukan percoban menggunakan sampel apel dan pulp apel dengan impregnasi H3PO4pada konsentrasi
85% dan menggunakan microwave dengan daya 550, 700, dan 1000 W, hasil yang diperoleh dari percobaan tersebut di dapat bahwa pada daya microwave 700 W perolehan BET yang di dapat lebih besar yaitu pada apel 1552 m2/g dan 1103 m2/g pada pulp apel [32].
2.8 Pengujian Karakteristik Karbon Aktif
2.8.1 Karakterisasi Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
2.8.2 Uji SEM
Scanning Electron Microscopy (SEM), digunakan untuk mengamati morfologi fisik permukaan sampel [32]. Selain itu analisis SEM digunakan untuk mengetahui topografi arang aktif meliputi analisis permukaan dan tekstur arang aktif yang terbentuk [36].
Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun terkondensasi di lensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objektif. Scanning coil yang diberi energy menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan elektron sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau detektor backscatter. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai intensitas di permukaan Cathode Ray Tube (CRT) sebagai topografi Gambar. [37].
2.8.3 Analisis Bilangan Iodine
