PENGARUH DAYA IRRADIASI MICROWAVE TERHADAP BEBERAPA KARAKTER KARBON AKTIF BIOMASSA PELEPAH KELAPA SAWIT
REPOSITORI
OLEH:
MARTIA WIRANDA 1803125154
PROGRAM STUDI S1 KIMIA JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS RIAU
PEKANBARU 2022
2
PENGARUH DAYA IRRADIASI MICROWAVE TERHADAP BEBERAPA KARAKTER KARBON AKTIF BIOMASSA PELEPAH KELAPA SAWIT
Martia Wiranda1, Muhdarina2
1Mahasiswa Program S1 Kimia
2Kelompok Jabatan Fungsional Dosen (KJFD) Material dan Energi Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Binawidya, Pekanbaru, 28293, Indonesia
martia.wiranda5154@student.unri.ac.id
ABSTRACT
Palm frond (PS) biomass has been extensively studied as a precursor of activated carbon with wide choice of chemical and physical activation methods. This research aimed to study the characters of activated carbon obtained from the physical activation process below the effect of microwave irradiation power to oil palm frond biomass. Activated carbon was synthesized by carbonization of PS in the muffle furnace at a temperature of 600oC for 60 minutes at the first, to obtain palm frond charcoal (APS). The APS was crushed and sieved with a particle size of 100≤ x ≤ 200 (mesh), followed at second step by chemical activation using KOH with a weight ratio of charcoal and KOH (g/g) 1:1 in 100 mL demineralized water at 100oC of temperature for 6 hours and rotation speed of 300 rpm. Activation proceeded physically in the microwave for 5 minutes with various power of 100 W (A5D100), 200 W (A5D200) and 300 W(A5D300), respectively. All of the samples were neutralized using 1 M HCl to pH 7, and excess of chloride anion were washed by demineralized water. Activated carbon is characterized based on SNI No. 06- 3730-1995 includes: water content, ash content and iodine adsorption capacity. At the same time the yield of activated carbon was also determined. The results showed that the relationship between APS and the variation of microwave power was obtained by decreasing the yield and adsorption capacity of iodine while the moisture and ash content increased. Variations in microwave power affect the quality of activated carbon, the higher the microwave power given, the lower the yield, water content and iodine absorption, but the ash content increases. Overall the water content, ash and adsorption capacity of iodine in A5D100, A5D200 and A5D300 met the quality requirements of activated carbon according to SNI 06-3730-1995. Based on the carbon samples that have been characterized, it shows that A5D100 is the best activated carbon because it has all the maximum test characters.
Keywords: activation, microwave, palm fronds.
ABSTRAK
Biomassa pelepah kelapa sawit (PS) telah banyak dikaji sebagai prekursor karbon aktif dengan berbagai pilihan metode aktivasi kimia maupun fisika. Penelitian ini bertujuan
3 untuk mempelajari karakter karbon aktif yang diperoleh dari proses aktivasi fisika di bawah pengaruh daya irradiasi microwave dari biomassa pelepah kelapa sawit. Sintesis karbon aktif dimulai dari karbonisasi PS di dalam furnace pada suhu 600oC selama 60 menit, sehingga diperoleh arang pelepah kelapa sawit (APS). Sampel APS digerus dan diayak dengan ukuran partikel 100≤ x ≤ 200 (mesh), dilanjutkan dengan aktivasi kimia menggunakan KOH dengan perbandingan berat arang dan KOH (g/g) 1:1 dalam 100 mL aqua DM (T=100oC, t= 6 jam, kecepatan 300 rpm). Aktivasi dilanjutkan secara fisika di dalam microwave selama 5 menit dengan variasi daya 100 W (A5D100), 200 W(A5D200) dan 300 W(A5D300). Sampel dinetralkan menggunakan HCl 1 M hingga pH 7 dan kelebihan ion klorida dicuci dengan air demineral. Karbon aktif dikarakterisasi berdasarkan SNI No. 06-3730-1995 meliputi: kadar air, kadar abu dan daya jerap iodium. Pada saat yang sama rendemen karbon aktif juga ditentukan. Hasil penelitian menunjukkan hubungan APS dan variasi daya microwave diperoleh rendemen dan kapasitas adsorpsi iodium menurun sedangkan kadar air dan abu meningkat. Variasi daya microwave mempengaruhi kualitas karbon aktif, semakin tinggi daya microwave yang diberikan maka semakin rendah rendemen, kadar air dan daya serap iodium, namun kadar abu mengalami kenaikan. Secara keseluruhan kadar air, abu dan daya jerap iodium pada A5D100, A5D200 dan A5D300 telah memenuhi syarat mutu karbon aktif menurut SNI 06-3730-1995. Berdasarkan pada sampel karbon yang telah dikarakterisasi menunjukkan bahwa A5D100 merupakan karbon aktif yang terbaik karena memiliki semua karakter uji maksimum.
Kata kunci: aktivasi, microwave, pelepah sawit.
PENDAHULUAN
Pelepah kelapa sawit memiliki jumlah dan kesinambungan pasokan yang berkelanjutan, sehingga pelepah kelapa sawit berpeluang untuk dimanfaatkan.
Pelepah kelapa sawit mengandung selulosa 36,33±4,54%, hemiselulosa 30,34 ± 4,54, lignin 16,77±0,30% dan lainnya 6,66% (Maulina dan Mentari, 2019). Berdasarkan teoritis kandungan karbon (C) yang cukup tinggi telah banyak dikembangkan menjadi karbon aktif dan dapat diaplikasikan sebagai adsorben.
Proses pembuatan karbon aktif dilakukan melalui tahap dehidrasi, karbonisasi dan proses aktivasi. Pelepah kelapa sawit diubah menjadi arang melalui proses karbonisasi di dalam furnace.
Proses aktivasi bertujuan untuk memperbesar diameter pori karbon, volume ruang pori dan membuka pori- pori baru. Aktivator KOH merupakan aktivator yang efektif untuk pembentukan struktur karbon aktif berukuran mikropori menghasilkan luas permukaan sebesar 1523,2 m2g-1 dan volume pori mikro karbon aktif sebesar 0,533 cm3g-1 dari karbon aktif sumber kacang tanah (Wang et al, 2020). Aktivasi fisika dilakukan untuk memperluas pori karbon aktif dengan dorongan uap, panas serta karbon dioksida . Salah satu aktivasi fisika adalah pemanasan energi microwave, mengurangi konsumsi energi dengan mempersingkat lamanya proses sintesis, menghasilkan material yang lebih seragam, proses pemanasan lebih merata
4 dan tingkat keamanan yang lebih tinggi
(Zulaechah et al, 2017). Aktivasi menggunakan microwave berhasil meningkatkan luas permukaan, pembentukan jumlah dan ukuran pori karbon dibandingkan pemanasan secara konvensional.
Daya irradiasi microwave memiliki pengaruh yang cukup besar terhadap karbon aktif yang dihasilkan.
Hasil penelitian oleh Kartikasari et al (2018), dari biomassa sekam padi yang diaktivasi secara kimia dengan aktivator KOH dan aktivasi secara fisika menggunakan microwave daya 450 W selama 15 menit, didapatkan bahwa morfologi permukaan karbon aktif dengan struktur pori yang lebih teratur dan daya serap logam berat terbesar yaitu Ni sebesar 92,40%; logam Pb 91,31% dan logam Zn 70,24%. Pada Penelitian Abdulsalam et al (2018), karbon aktif tempurung kelapa yang diaktivasi secara fisika di dalam microwave daya 100 W selama 5 menit mampu menghilangkan warna pada limbah cair pabrik kelapa sawit (POME) sebesar 95%..
Pemanasan menggunakan microwave yang menginduksi reaksi kimia dapat dimanfaatkan sebagai salah satu pemecah masalah dalam menghasilkan karbon aktif. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan gabungan aktivasi kimia dan aktivasi fisika menggunakan daya pemanasan microwave dari sumber pelepah kelapa sawit dengan memvariasikan daya microwave dari 100 W, 200 W dan 300 W selama 5 menit. Karakteristik karbon aktif yang dihasilkan dianalisis melalui
penentuan rendemen dan standar baku mutu karbon aktif berdasarkan SNI 06- 3730-1995 meliputi: kadar air, kadar abu dan daya serap iodium. Beberapa hasil analisis tersebut dibandingkan tiap perlakuan sehingga dapat diketahui karakteristik karbon aktif yang dihasilkan.
METODOLOGI PENELITIAN a. Alat dan bahan
Adapun alat-alat yang digunakan adalah pisau, ayakan ukuran 100 dan 200 (mesh), neraca analitik (ABJ-320-4NM), desikator, magnetic stirrer, hotplate stirrer (REXIM RSH-1DR L120), lumpang dan alu, oven (Memmert UNB 400 (53L), microwave (Panasonic Convection Microwave Oven), furnace (Nabertherm), pH meter (Hanna Instruments), centrifuge (Oregon Electric Centrifuge) dan peralatan gelas yang biasa digunakan di laboratorium kimia disesuaikan dengan prosedur kerja.
Bahan-bahan yang digunakan adalah pelepah yang diambil di Jl. Suka Karya (Desa Tuah Karya, Kec. Tampan, Kota Pekanbaru, Provinsi Riau), pelet KOH (Kalium Hidroksida) (Merck), larutan (HCl (Asam Klorida) (Merck), larutan buffer pH 7 (Merck), kertas saring Whatman No.42, padatan Natrium tiosulfat (Na2S2O3), (Merck), padatan iodium (I2) (Merck), serbuk amilum (Merck), padatan kalium iodida (KI) (Merck), larutan asam sulfat (H2SO4) 10%
(Merck), serbuk kalium iodat (KIO3) (Merck), akuades, dan akua DM.
5 b. Aktivasi karbon aktif pelepah
kelapa sawit
Pelepah sawit dipotong dengan ukuran ±2x2 cm kemudian dicuci dengan akuades dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Selanjutnya dikeringkan di dalam oven pada suhu 105°C selama 24 jam.
PS dikarbonisasi di dalam furnace pada suhu 600℃ selama 60 menit. Arang pelepah sawit (APS) yang sudah terbentuk kemudian digerus dan diayak dengan rentang ukuran ayakan partikel 100 ≤ x ≤ 200 (mesh).
APS diaktivasi secara kimia menggunakan larutan kalium hidroksida (KOH) dengan cara merendam larutan KOH pada perbandingan berat arang pelepah kelapa sawit dan KOH (g/g) 1:1 dalam 100 mL akua DM. Campuran dipanaskan diatas hotplate dengan kecepatan 300 rpm pada suhu 100oC selama 6 jam. Selanjutnya campuran disaring menggunakan kertas saring Whatman No. 42 dan dikeringkan dalam oven pada suhu 105oC.
Sampel kemudian diaktivasi fisika menggunakan microwave pada variasi daya 100 W, 200 W dan 300 W selama 5 menit. Lalu dinetralkan dengan larutan HCl 1 M dan akua DM sampai filtrat mencapai netral (pH =7) dan dimasukkan dalam oven pada suhu 105oC selama 24 jam. Sampel kemudian disimpan dalam desikator.
Karakterisasi dilakukan pada APS dan karbon aktif yaitu rendemen dan standar baku mutu karbon aktif berdasarkan SNI No. 06-3730-1995 yang
meliputi: kadar air, kadar abu, uji daya serap terhadap iodium sebagai berikut:
1. Rendemen
PS dimasukkan ke dalam krusibel yang telah diketahui beratnya selanjutnya dilakukan proses karbonisasi. APS yang diperoleh ditimbang kembali. APS selanjutnya diaktivasi kimia dan fisika sehingga didapatkan A5D100, A5D200 dan A5D300 kemudian ditimbang kembali. Rendemen arang dihitung berdasarkan persamaan berikut:
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛=Berat arang × 100% (1) Berat sampel
2. Kadar air (SNI 06-3730-1995) APS, A5D100, A5D200 dan A5D300 ditimbang seberat 0,1 g dan dimasukkan dalam cawan yang telah dikeringkan dan diketahui berat konstannya, setelah itu dimasukkan ke dalam oven pada temperatur 105℃ selama 1 jam. APS dan karbon aktif variasi daya microwave didinginkan dalam desikator selama 30 menit dan ditimbang sampai berat konstan. Kadar air dapat dihitung dengan persamaan berikut:
𝐾𝑎𝑑𝑎𝑟 𝑎𝑖𝑟 = a - b × 100% (2) c
Keterangan:
a = Berat cawan konstan + sampel, sebelum pemanasan (g)
b = (Berat cawan + sampel) konstan, setelah pemanasan (g)
c = Berat sampel (g)
3. Kadar abu (SNI 06-3730-1995) APS, A5D100, A5D200 dan A5D300 ditimbang seberat 0,5 g dimasukkan dalam krusibel yang diketahui beratnya. Sampel diabukan
6 0
50 100
Rendemen (%)
Variasi daya microwave (W)
APS A5D100 A5D200 A5D300
0 100 200 300
dalam furnace pada temperatur 900℃
selama 1 jam. Abu yang terbentuk dalam krusibel didinginkan lalu ditempatkan dalam desikator. Krusibel ditimbang hingga diperoleh bobot tetapnya. Kadar abu dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Kadar abu= Berat abu x 100% (3) Berat sampel
4. Pengujian daya serap iodium (SNI 06-3730-1995)
Sampel ditimbang sebanyak 0,5 g dan ditambahkan 50 mL larutan iodium 0,1 N, diaduk selama 15 menit. Sampel disentrifugasi selama 15 menit. Sampel di diamkan hingga turun dan diambil 5 mL larutan tersebut kemudian dititrasi dengan larutan Na2S2O3 0,1 N yang sudah terstandarisasi. Jika warna kuning pada larutan mulai samar, ditambahkan larutan amilum 1% sebagai indikator. Larutan dititrasi kembali menjadi larutan tidak berwarna. Volume hasil titrasi dicatat dan dihitung daya serap iodium dengan persamaan:
I= (V1N1-V2N2) x BM x fk (4) W
Keterangan :
I = Iodium terserap (mg g-1) V1= Volume iodium (mL)
V2= Volume natrium tiosulfat terpakai (mL)
N1= Normalitas iodium (N)
N2= Normalitas natrium tiosulfat (N) BM= Berat molekul iodium
(126,9 g mol-1)
fk= faktor kelipatan dari iodium yang dititrasi
W = Berat sampel (g)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi sampel bertujuan untuk menentukan kondisi optimum dari APS dan variasi daya aktivasi fisika daya microwave. Karakterisasi yang dilakukan yaitu menghitung rendemen dan standar bahan baku karbon aktif berdasarkan SNI No. 06-3730-1995 yang meliputi kadar air, kadar abu dan uji daya serap iodium.
a. Rendemen
Penetapan rendemen karbon aktif bertujuan untuk mengetahui jumlah karbon aktif yang dihasilkan dari proses karbonisasi dan aktivasi kimia-fisika.
Gambar 1. Grafik hubungan daya microwave dengan rendemen karbon aktif.
Gambar 1 menunjukkan persentase (%) rendemen yang paling rendah pada arang pelepah kelapa sawit (APS) sebesar 21,18%. Hal ini dikarenakan temperatur karbonisasi yang tinggi yaitu 600oC dapat mengakibatkan rendemen APS menurun. Menurut Wahyuni (2021) semakin tinggi suhu karbonisasi maka semakin banyak senyawa-senyawa organik teroksidasi dan terurai menghasilkan tar, kokas, CO, CH4, H2 lebih banyak dan karbon yang dihasilkan sedikit sehingga rendemen
menurun.
Tingginya daya microwave pada proses aktivasi secara fisika dapat menurunkan persentase rendemen yang dihasilkan. Persentase rendemen tertinggi
7 0
5 10 15
Kadar abu (%)
Variasi daya microwave (W)
APS A5D100 A5D200 A5D300
0 2 4
Kadar air (%)
Variasi daya microwave (W)
APS A5D100 A5D200 A5D300
pada karbon aktif dengan pemanasan microwave selama 5 menit berturut-turut A5D100, A5D200 dan A5D300 sebesar 94,19%, 91,32% dan 65,81%. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi daya pemanasan microwave maka semakin besar dekomposisi material karbon yang dihasilkan sehingga semakin banyak pelepasan senyawa volatil yang masih terkandung dalam bahan selama aktivasi.
b. Karbon aktif menurut standar baku mutu SNI 06-3730-1995 1. Kadar air
Penentuan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat higroskopis dari karbon aktif.
Gambar 2. Grafik hubungan daya microwave dengan kadar air karbon aktif.
Gambar 2 menunjukkan bahwa kadar air paling tinggi pada APS sebesar 3,26% dan terendah terdapat pada karbon aktif dengan daya pemanas microwave A5D200. Kadar air yang tinggi pada APS menunjukkan bahwa masih banyak terdapat air yang masih terjebak pada rongga atau pori-pori permukaan APS.
Variasi daya microwave, semakin meningkat daya maka kadar air semakin rendah. Tingginya daya iradiasi pemanasan microwave dapat meningkatkan proses dehidrasi dalam arang, komponen air yang terkandung
dalam arang menguap sehingga kadar air rendah. Tingginya kadar air yang dihasilkan menandakan bahwa sampel bersifat lebih higroskopis. Nilai kadar air pada sampel setelah diaktivasi fisika lebih kecil daripada nilai kadar air pada sampel APS. Hal ini dapat disebabkan oleh paparan panas akibat proses radiasi daya microwave yang tinggi sehingga menyebabkan kandungan air rendah (Foo dan Hameed, 2012). Secara keseluruhan dapat dilihat dalam APS, A5D100, A5D200 dan A5D300 telah memenuhi syarat mutu kadar air dalam karbon aktif menurut SNI 06-3730-1995 dengan jumlah sesuai dari batas yang diperbolehkan maksimal 15% untuk serbuk.
2. Kadar abu
Penentuan kadar abu bertujuan untuk mengetahui banyak nya abu berupa oksida logam yang terkandung dalam karbon aktif setelah tahap karbonisasi dan aktivasi.
Gambar 3. Grafik hubungan daya microwave dengan kadar abu karbon aktif.
Gambar 3 menunjukkan bahwa APS memiliki kadar abu tertinggi sebesar 12,89% hal ini dikarenakan pada saat karbonisasi tidak dalam keadaan bebas oksigen, sehingga semakin tinggi temperatur mengakibatkan karbon aktif
0 100 200 300 0 100 200 300
8
0 200 400 600 800 1000
Daya serap iodium
APS dan variasi daya microwave (W) APS A5D100 A5D200 A5D300
lebih banyak terbakar hingga menghasilkan abu yang tinggi. Kadar abu yang tinggi dapat menyumbat pori-pori karbon sehingga menurunkan kapasitas daya adsorpsi.
Variasi daya microwave meningkat seiring dengan peningkatan daya microwave. Semakin tinggi daya iradiasi, maka semakin tinggi pula temperatur iradiasi daya microwave, senyawa organik seperti senyawa aromatik dan senyawa hidrokarbon dalam karbon aktif sebagian besar menguap dan jumlah sisa pembakaran meningkat sehingga nilai kadar abu yang dihasilkan lebih tinggi (Syaripuddin et al, 2019).
Pada proses pengeringan, semakin lama waktu yang dibutuhkan dan semakin tinggi daya yang digunakan maka kadar abu akan meningkat. Secara keseluruhan pada A5D100, A5D200 dan A5D300 telah memenuhi syarat mutu kadar abu dalam karbon aktif menurut SNI 06-3730-1995 dengan kadar dari batas yang diperbolehkan maksimal 10% untuk serbuk, namun hasil berbeda kadar abu pada APS yang tidak memenuhi persyaratan baku mutu karbon aktif.
3. Uji daya serap iodium
Daya serap iodium bertujuan untuk mengetahui kemampuan karbon aktif dalam menyerap adsorbat dan merupakan parameter utama dalam menentukan kualitas karbon aktif.
Gambar 4. Grafik hubungan daya microwave dengan daya serap iodium karbon aktif.
Gambar 4 kemampuan daya jerap karbon aktif terhadap iodium optimal dari arang aktivasi fisika variasi daya microwave pada daya A5D100 sebesar 829,8440 mg g-1. Peningkatan bilangan iodium terjadi karena akibat semakin banyaknya pengotor-pengotor yang terdapat pada bagian pori dan menutupi pori namun ikut terlepas atau teruapkan sehingga dapat meningkatkan luas permukaan karbon aktif dan kapasitas daya adsorpsi (Laos, 2016).
Secara keseluruhan pada A5D100, A5D200 dan A5D300 telah memenuhi syarat mutu daya serap iodium dalam karbon aktif berdasarkan SNI 06-3730- 1995 minimal 750 mg g-1, namun hasil berbeda pada APS yang tidak memenuhi persyaratan baku mutu karbon aktif.
KESIMPULAN
Karbon aktif telah berhasil disintesis dari sumber daya alam berbasis lokal biomassa pelepah kelapa sawit. Hasil hubungan APS dan variasi daya microwave diperoleh rendemen dan kapasitas adsorpsi iodium menurun sedangkan kadar air dan abu meningkat.
Variasi daya microwave mempengaruhi kualitas karbon aktif, semakin tinggi daya microwave yang diberikan maka semakin
0 100 200 300
9 rendah rendemen, kadar air dan daya serap
iodium, namun kadar abu mengalami kenaikan. Daya yang tidak terlalu tinggi dan waktu yang optimal merupakan kondisi terbaik dilihat dari hubungan parameter pengujian karakter karbon aktif pelepah kelapa sawit pada A5D100.
DAFTAR PUSTAKA
Abdulsalam, M., Hasfalina, C.M., Mohamed, H.A., Abd Karim., S.F dan Faiez, M.S. 2018. Microwave irradiated coconut shell-activated carbon for decolourisation of palm oil mill effluent (POME). Food research. 2(6):526- 534.
Foo, K.Y dan Hameed, B. H. 2012.
Coconut husk derived activated carbon via microwave induced activation: effects of activation agents, preparation parameters and adsorption performance.
Chemical Engineering Journal.184:57-65.
Kartikasari, N,.Farma, R,. Awitdrus. 2018.
Pengaruh aktivasi kimia dengan bantuan iradiasi gelombang mikro terhadap sifat fisis karbon aktif dari sekam padi sebagai adsorben.
Komunikasi fisika indonesia.
15(1):1-6.
Maulina, S dan Mentari, V. A. 2019.
Comparison of functional group and morphological surface of activated carbon from oil palm fronds using phosphoric acid (H3PO4) and nitric acid (HNO3) as an activator. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 505:1-4.
Syaripuddin, M.S., Harjanto dan Cahyo, S.B. 2019. Pembuatan dan
Karakterisasi Karbon Aktif Dari Bonggol Singkong Dengan Aktivasi Fisika. Prosiding Seminar Nasional Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat.
Wahyuni, S, U,. 2021. Karbonisasi- Aktivasi KOH/Microwave Pelepah Kelapa Sawit Menjadi Karbon Aktif Untuk Mengurangi TDS dari Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit.
Skripsi. Pekanbaru: Universitas Riau.
Wang, S., Nam, H dan Nam, H. 2020.
Preparation of activated carbon from peanut shell with KOH activation and its application for h2s adsorption in confined space.
Journal of Environmental Chemical Engineering. 8 (2).
