III-78 SENTRA
PEMBUATAN KARBON AKTIF DARI TEMPURUNG
KELAPA SAWIT DENGAN BAHAN PENGAKTIF KOH DAN
GAS N
2/CO
2Tujuan dari penelitian ini adalah menghasilkan karbon aktif yang memenuhi Standar Industri Indonesia. Tahapan pembuatan karbon aktif meliputi karbonisasi, aktivasi kimia dan fisika. Karbonisasi karbon aktif dilakukan pada suhu 400oC dilanjutkan dengan aktivasi kimia dengan bahan pengaktif KOH dengan konsentrasi 75%. Aktivasi fisika dilakukan dengan mengalirkan gas N2 selama 1 jam pada suhu 850 ºC dan dilanjutkan dengan mengaliri gas CO2 selama 1 jam pada suhu 850 ºC. Penelitian ini menghasilkan karbon aktif yang memenuhi Standar Nasional Indonesia. Rendemen karbon aktif yang dihasilkan sebesar 38%, nilai kadar air 13,6 %, kadar abu 9,4 % dan kadar yang hilang pada pemanasan sebesar 23,1%. Proses aktivasi memiliki pengaruh yang signifikan terhadap perolehan bilangan iod dan luas permukaan dari karbon aktif. Hal ini ditunjukan dengan perolehan bilangan iod dan luas permukaan karbon yang tidak diaktivasi sebesar 352 mg/g dan luas permukaan 279 m2/g sedangkan untuk karbon yang diaktivasi memiliki bilangan iod sebesar 884 mg/g dan luas permukaan 1115 m2/g. . Luas permukaan paling tinggi yang dimiliki karbon aktif berada pada ukuran 50-37 μm yaitu sebesar 1295 m2/gram.
Kata kunci: karbon aktif, tempurung kelapa sawit, KOH, gas N2 dan CO2
Pendahuluan
Karbon aktif merupakan salah satu adsorben yang paling sering digunakan pada proses adsorpsi. Hal ini disebabkan karena karbon aktif mempunyai daya adsorpsi dan luas permukaan yang lebih baik dibandingkan adsorben lainnya. Karbon aktif yang baik haruslah memiliki luas area permukaan yang besar sehingga daya adsorpsinya juga akan besar [1].
Karbon aktif adalah senyawa karbon yang telah ditingkatkan daya adsorpsinya dengan melakukan proses karbonisasi dan aktivasi. Pada proses aktivasi ini terjadi penghilangan hidrogen, gas-gas, dan air dari permukaan karbon sehingga terjadi perubahan fisik pada permukaannya. Aktivasi ini terjadi karena terbentuknya gugus aktif akibat adanya interaksi radikal bebas pada permukaan karbon dengan atom-atom seperti oksigen dan nitrogen. Pada proses aktivasi juga terbentuk pori-pori baru karena adanya pengikisan atom karbon melalui oksidasi ataupun pemanasan.
Pembuatan karbon aktif dapat menggunakan bahan baku berbeda-beda sesuai dengan aplikasi yang diinginkan. Bahan baku konvensional yang paling sering digunakan adalah kayu, batubara, lignit, tempurung kelapa, gambut, dan lain-lain. Pembuatan karbon aktif dari bahan dasar diantaranya dari sekam padi menghasilkan luas permukaan 438,9 m2/g [3]. Pembuatan karbon aktif dari tongkol jagung menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan 406,9 m2/g [4]. Sementara itu karbon aktif dari tempurung kelapa sawit menghasilkan luas permukaan 1100 m2/g [5].
SENTRA III-79 lignoselulosa yang berkadar karbon tinggi [2]. Tempurung kelapa sawit mengandung selulosa sebesar 26,6% dan hemiselulosa 27,7% yang baik untuk pembuatan karbon aktif.
Tempurung kelapa sawit merupakan salah satu limbah pengolahan minyak kelapa sawit yang cukup besar, yaitu mencapai 12% dari bobot buah kelapa sawit. Rata-rata produksi buah kelapa sawit per tahun adalah sebesar 5,6 juta ton, maka berarti terdapat sekitar 672 ribu ton tempurung yang dihasilkan. Jumlah ini akan terus meningkat seiring dengan peningkatan produksi minyak sawit. Dengan ketersediaan limbah tersebut, maka diperlukan suatu proses lanjutan untuk mengubah limbah tempurung kelapa sawit menjadi suatu poduk yang memiliki nilai ekonomis tinggi seperti kabon aktif.
Berbagai metode pengaktifan dapat dilakukan untuk meningkatkan luas permukaan karbon aktif. Setiap metode tersebut akan menghasilkan luas permukaan karbon aktif yang berbeda. Berbagai penelitian pembuatan karbon aktif dengan berbagai metode peaktivasi kimia maupun fisika dan activating agent telah banyak dilakukan diantaranya adalah pengaktifan karbon aktif berbahan baku bagas tebu dengan aktivasi kimia menggunakan activating agent ZnCl2 dan dihasilkan permukaan
seluas 632 m2/g [3], pengaktifan karbon aktif bahan baku bituminous coal yang diaktivasi kimiawi menggunakan activating agent KOH dengan atmosfer N2 [4], pengaktifan karbon berbahan baku
tempurung kemiri dengan aktivasi fisika menggunakan aliran CO2 dan dihasilkan permukaan seluas
1050 m2/g (Turmuzi et al., 2003), dan pengaktifan karbon berbahan baku ampas tebu dengan aktivasi fisika menggunakan aliran N2 dan dihasilkan permukaan seluas 293 m
2
/g [6].
Sejauh ini, belum ada ditemukan pengaruh laju alir gas pada aktivasi fisika terhadap luas permukaan karbon aktif yang telah diaktivasi kimia sebelumnya. Dengan melihat hasil dari penelitian-penelitian sebelumnya yang telah dipaparkan di atas, terlihat bahwa metode aktivasi kimia dengan menggunakan KOH lebih baik dibandingkan dengan ZnCl2, sedangkan untuk aktivasi fisika yang
paling baik didapatkan dengan mengalirkan gas CO2.
Oleh karena itu penelitian ini dibuat dua tahapan aktivasi. Tahapan aktivasi yang pertama adalah dengan merendam sekam padi yang telah dikarbonisasi, dengan KOH (aktivasi kimia). Tahapan aktivasi yang kedua adalah dengan mengalirkan gas N2 dan CO2 (karbon dioksida) pada karbon aktif
hasil tahapan aktivasi pertama dengan variasi laju alir gas CO2. Dengan penggunaan dua tahapan
aktivasi ini, diharapkankarbon aktif yang dihasilkan dalam penelitian ini nantinya bisa menghasilkan luas permukaan yang besar yang direpresentasikan dari bilangan iodnya.
Penilitian ini bertujuan untuk membuat karbon aktif dari tempurung kelapa sawit menjadi karbon aktif berbahan baku murah yang memiliki kualitas memenuhi SII No. 0258-79. Aktifasi yang dilakukan adalah aktifasi kimia menggunakan larutan KOH dan aktifasi fisika pada suhu tinggi
tahapan-tahapan dari penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 1.
Penelitian ini didahului dengan melakukan karbonisasi pada tempurung kelapa pada temperatur 400 oC. Hasil dari karbonisasi adalah krbon tempurung kelapa sawit yang telah hilang kadar air dan zat yang mudah menguap (volatile matter) [6]. Karbon tempurung kelapa sawit kemudian dihancurkan hingga ukurannya 1-2 mm. Dengan ukuran partikel lebih kecil maka akan semakin memperluas area permukaan arang tempurung kelapa sawit sehingga diharapkan semakin banyak pori-pori yang terbentuk pada proses aktivasi.
Karbon yang sudah berukuran 1-2 mm diaktivasi kimia dengan activating agent KOH (larutan KOH 75%) dengan karbon. Komposisi pencampuran activating agent dan karbon adalah 1:4 (karbon:KOH). Karbon aktif dari aktivasi kimia tersebut kemudian diaktivasi fisika dengan menggunakan gas Nitrogen (N2) pada suhu 850
o
C selama 1 jam. Aktivasi dilakukan dengan pemanasan bertahap untuk mencapai temperatur aktivasi yang dinginkan dengan kondisi dialirkan gas N2 100 cc/menit. Setelah 1 jam aktivasi fisika dilanjutkan dengan mengalirkan gas CO2 selama 1 jam
pada suhu 850 oC. Setelah proses aktivasi selesai karbon aktif didinginkan dengan tetap mengalirkan gas CO2 ke dalam reaktor bertujuan untuk menghilangkan oksigen bebas pada reaktor sehingga
III-80 SENTRA
Setelah didinginkan, karbon aktif yang didapat kemudian dicuci dengan larutan HCl 0,1 N secara bertahap sampai didapat pH netral. Saat pH sudah mencapai netral, karbon aktif tersebut dicuci dengan aquadest untuk menghilangkan sisa kloridanya [7].
Kemudian, karbon aktif yang telah kering dikarakterisasi berdasarkan Standar Industri Indonesia. Karakterisasi tersebut meliputi perolehan rendemen karbon aktif, uji bilangan iod, uji kadar air, uji kadar abu dan zat yang hilang pada pemanasan. Karbon aktif kemudian ukurannya diperkecil menjadi 212-150 μm, 150-106 μm, 106-50 μm, 50-37 μm dan -37 μm (ukuran partikel dibawah 37 μm).
Gambar 1 Diagram alir penelitian
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Karbonisasi Tempurung Kelapa Sawit
Dari proses karbonisasi tempurung kelapa sawit didapatkan data persen yield menghasilkan produk berupa arang dengan persen yield rata-rata sebesar 38%. Perolehan arang tersebut menandakan bahwa volatile matter yang terdapat pada tempurung kelapa sawit cukup tinggi, sehingga terjadi kehilangan massa yang banyak ketika proses karbonisasi berlangsung. Perolehan arang yang dihasilkan dapat diindikasikan juga sebagai jumlah fixed carbon yang terdapat pada tempurung kelapa
PERSIAPAN ALAT DAN BAHAN DASAR
Pengarangan furnace pada suhu 400°C, 2 jam
Gas N2, 1 jam pertama
Gas CO2, 1 jam berikutnya
Laju alir 100 mL / menit Pendinginan dengan CO2, 30 menit
Pengeringan dalam oven pada suhu 100 °C hingga mencapai bobot konstan
Karakterisasi
Pengeringan produk karbon aktif dalam oven 100 °C, 24 jam Aktivasi pada suhu 850 °C, 2 jam
Pencucian dengan menggunakan HCl dan aquades hingga pH 6.5 – 7.5 Pengeringan slurry pada suhu 100 °C selama 24 jam
Pengadukan pada 100 rpm pada suhu 85 °C selama 2 jam Pencampuran dengan bahan pengaktif (KOH) 75 %
SENTRA III-81 sawit. Persen yield pada penelitian ini lebih besar dibandingkan dengan hasil yang didapat penelitian sebelumnya oleh Qibtiyah (2011) yaitu sebesar 27,5%.
Aktivasi Kimia
Pada proses aktivasi kimia Larutan KOH dan karbon diaduk pada kondisi proses 85°C selama 2 jam. Massa dari karbon aktif tempurung kelapa sawit yang dihasilkan dan jumlah air yang teruapkan dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Hasil aktivasi kimia karbon tempurung kelapa sawit dengan bahan pengaktif KOH
Massa (gram)
Proses pengadukan dan pemanasan ini bertujuan agar karbon terimpregnasi oleh KOH dan kandungan air pada larutan KOH dapat menguap sehingga KOH dapat bereaksi dengan karbon.
Aktivasi Fisika
Aktivasi fisika berlangsung pada temperatur yang 850°C. Pada penelitian sebelumnya dengan suhu proses 850°C, aktivasi berjalan dengan optimum. Perolehan rata-rata persen yield yang dihasilkan sebesar 94,3%. Persen yield tersebut menyatakan banyaknya karbon aktif yang terbentuk dari proses aktivasi fisika. Kandungan karbon aktif yang tinggi disebabkan bahan baku mengalami proses karbonisasi terlebih dahulu, sehingga sebagian besar senyawa volatile sudah terurai. Proses aktifasi fisika bahan terisolasi cukup baik dari udara sehingga perolehan persen yield nya cukup besar.
Karakterisasi Karbon Aktif
Karakteristik karbon aktif pada penelitian ini berdasarkan SII No. 0258-79, yaitu uji bilangan iodin, kadar air, kadar abu, dan kadar bagian yang hilang pada suhu 950oC.
Uji Bilangan Iod
Sampel yang diuji bilangan iod nya antara lain karbon hasil karbonisasi (Arang), karbon aktif hasil aktivasi kimia (KA kimia), karbon aktif hasil aktivasi fisika (KA fisika) dan karbon aktif yang di aktivasi kimia dan fisika (KA full). Hal ini bertujuan untuk melihat perbandingan bilangan iod untuk masing-masing sampel serta pengaruh aktivasi terhadap bilangan iod. Dari Gambar 2 dapat dilihat bilangan iod yang didapat untuk sampel arang adalah sebesar 352 mg/g, sedangkan standar bilangan iod untuk karbon aktif adalah 750 mg/g, artinya arang tersebut masih belum memenuhi Standar Industri Indonesia. Selain itu arang yang dihasilkan belum terbentuk struktur pori yang sempurna sehingga arang belum mampu menyerap zat warna dari iodine.
Sedangkan untuk KA full nilai bilangan iod nya telah memenuhi Standar Industri Indonesia, yaitu sebesar 884 mg/g. Karbon aktif yang mengalami aktivasi fisika dan kimia memiliki nilai bilangan iod yang paling besar diantara lainnya karena karbon tersebut mengalami mekanisme pembentukan pori yang lebih kompleks dibandingkan dengan karbon yang diaktivasi secara kimia/fisika saja. Selain perlakuan aktivasi, faktor lain yang mempengaruhi perolehan bilangan iod adalah ukuran partikel dari karbon aktif. Karbon aktif yang diaktivasi fisika dan kimia ukurannya dibagi menjadi 5 distribusi ukuran yaitu 212-150 µm, 150-106 µm, 106-50 µm, 50-37 µm, dan < 37 µm.
Gambar 3 menunjukan grafik bilangan iod semakin meningkat seiring pengecilan ukuran karbon aktif. Dapat dilihat pada saat perolehan bilangan iod tertinggi ada pada ukuran partikel 50-37
μm yaitu sebesar 999 mg/g. Pada saat ukuran < 37 μm bilangan iod nya tidak bertambah besar, tetapi
III-82 SENTRA
Sehingga jumlah zat iod yang terserap menjadi berkurang. Maka ukuran yang optimum pada uji bilangan iod adalah ukuran partikel 50-37 μm dengan rata-rata bilangan iod sebesar 999 mg/gram. Bilangan iod yang dihasilkan merupakan gambaran terhadap luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan. Luas permukaan didapat dari persamaan regresi linear yang merujuk pada ASTM D-4607-94.
Gambar 2 Bilangan iod berdsarkan perlakuan aktivasi
Gambar 3 Hubungan ukuran partikel dengan bilangan iod
Dari Gambar 4 dapat dilihat proses aktivasi sangat berpengaruh terhadap pembentukan luas permukaan karbon aktif, semakin kompleks proses aktivasi yang dialami oleh karbon aktif akan menyebabkan jumlah pori yang terbentuk semakin banyak sehingga karbon aktif mampu menyerap zat iod lebih banyak dan luas permukaan spesifik yang terbentuk akan semakin besar. Hubungan Luas permukaan spesifik yang terbentuk pada variasi ukuran partikel karabon aktif dapat dilihat pada Gambar 5.
SENTRA III-83 Gambar 5 Hubungan Luas permukaan spesifik yang terbentuk pada variasi ukuran partikel karbon aktif
Pada variasi ukuran karbon aktif, luas permukaan spesifik yang terbentuk tidak terlalu berbeda jauh. Hal ini disebabkan karena pori sudah terbentuk pada saat proses aktivasi fisika dan kimia sehingga pada variasi ukuran jumlah pori nya sudah seragam seluruhnya.
Uji Kadar Air
Persen kadar air yang terkandung dalam karbon aktif adalah sebesar 13.6%. Berdasarkan Standar Industri Indonesia, kadar air minimum yang terkandung dalam karbon aktif sebesar 15 %. Sedangkan kadar air dari karbon aktif pada penelitian ini adalah sebesar 13,6%. Maka untuk kriteria kadar air karbon aktif dari tempurung kelapa sawit pada penelitian ini memenuhi Standar Industri Indonesia.
Uji Kadar Abu
Prinsip penentuan kadar abu pada penelitian ini mengikuti Standar Industri Indonesia yaitu pemanasan pada suhu 650 oC selama 2 jam. Jumlah karbon aktif yang akan diabukan adalah sebesar 1,1 gr. Berat yang dihasilkan setelah di furnace adalah sebesar 0,1 gr , jumlah tersebut mengindikasikan banyaknya residu yang tersisa ketika karbon dibakar. Dari data tersebut persen kadar abu dari karbon aktif pada penelitian ini memenuhi Standar Industri Indonesia yaitu sebesar 9,4 % sedangkan nilai kadar abu berdasarkan SII sebesar 10%.
Uji Kadar Bagian yang Hilang pada Pemanasan
Prinsip uji karakterisasi ini didasari pada proses pemanasan sampel pada 950 oC dalam cawan yang tertutup rapat. Jumlah karbon aktif yang akan diabukan adalah sebesar 1,0 gr. Berat yang dihasilkan setelah di furnace adalah sebesar 0,8 gr , jumlah tersebut mengindikasikan banyaknya kandungan senyawa (kecuali kelembaban/air) dalam karbon aktif yang dibebaskan pada suhu tinggi dalam kondisi tanpa udara. Dari data tersebut persen kadar zat mudah menguap dari karbon aktif pada penelitian ini memenuhi Standar Industri Indonesia yaitu sebesar 23,1% sedangkan nilai kadar abu berdasarkan SII sebesar 25%.
Kesimpulan
1.
Adsorben yang dihasilkan memenuhi Standar Industri Indonesia2.
Karbon aktif berbahan dasar tempurung kelapa sawit memiliki rendemen karbon sebanyak 38%. Karakteristik yang dihasilkan proses aktivasi pada suhu 850oC memiliki bilangan iod sebesar 884 mg/g dengan luas permukaan spesifik 1115 m2/g, kadar air 13,6%, kadar abu 9,4 % dan kadar yang hilang pada pemanasan sebesar 23,1%.3.
Karbon aktif hasil penelitian ini memiliki luas permukaan paling tinggi pada ukuran 50-37 µm yaitu sebesar 1295.20 m2/gram.Referensi
[1] Qibtiyah, Mariatul. Uji Performa TiO2 Karbon Aktif Berbahan Dasar Tempurung Kelapa Sawit sebagai Adsorben Gas Karbon Monoksida dari Asap Kebakaran. Teknik kimia, Universitas Indonesia; 2012.
[2] Lydia. Skripsi Pembuatan Karbon Aktif dari Ampas Tebu dengan Aktivasi Menggunakan KOH dan ZnCl2. Departemen Teknik Kimia, Faklutas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta; 2012 [3] Pujiyanto. (2010). Pembuatan Karbon Aktif Super dari Batubara dan Tempurung Kelapa.
III-84 SENTRA
[4] Sudibandriyo, M. & Mulyati S 327 (2008). PotensiBatu Bara Lokal Teraktivasi untuk Pengujian Limbah Air Benzene dan Toulune. Jurnal Teknologi. Depok. Edisi No. 4 tahun XXII Hal. 319 [5] Lillo-Rodenas, M.A(2003). Cazorla-Amoros, D.; Linares-Solano, A. Understanding Chemical
Reaction between carbon and NaOH and KOH. Carbon, 41; 2003.
[6] Hsu, L.Y., Teng, H. Influence of Different Chemical Reagents on the Preparation of Activated Carbons from Bituminous Coal. Fuel Processing Technology, 64; 2000.
