PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG
TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI
DENGAN H3PO4
Skripsi
Oleh :
I Putu Adi Surya Mahardika
NIM. 1208105002
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS UDAYANA
BUKIT JIMBARAN
ii
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG
TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI
DENGAN H3PO4
Skripsi
Skripsi ini diajukan sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si) di Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Udayana
Oleh :
I Putu Adi Surya Mahardika NIM. 1208105002
Disetujui untuk disidangkan tanggal : 16 Mei 2016
Menyetujui
Pembimbing I Pembimbing II
Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas, M.Kes.
NIP. 196506161991032002 NIP. 195909191985032002
Mengesahkan Ketua Jurusan Kimia
TEAM PENGUJI SIDANG SKRIPSI
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI ARANG AKTIF DARI BATANG TANAMAN GUMITIR (Tagetes erecta) YANG DIAKTIVASI
DENGAN H3PO4
Oleh :
I Putu Adi Surya Mahardika NIM. 1208105002
Skripsi ini disidangkan di Bukit Jimbaran Pada hari Senin, 16 Mei 2016
Penguji Sidang Skripsi
Ketua Sekretaris
Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas, M.Kes.
NIP. 196506161991032002 NIP. 195909191985032002
Anggota
Drs. I Wayan Suarsa, M.Si. NIP. 196504191991031001
Anggota
Drs. I Wayan Suirta, M.Si. NIP. 196507191992031002
Anggota
iv
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi arang aktif dari batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) dengan aktivator H3PO4. Penelitian ini bertujuan untuk membuat dan menentukan karakteristik arang aktif dari limbah batang tanaman gumitir serta menentukan konsentrasi optimum H3PO4 yang dibutuhkan untuk mendapatkan arang aktif dengan karakteristik yang baik ditinjau dari kadar air, kadar zat mudah menguap, kadar abu total, kadar karbon, daya serap terhadap metilen biru, dan daya serap terhadap iod. Selain itu, dilakukan juga analisis spektra secara FTIR terhadap arang aktif dengan karakteristik yang terbaik.
Secara umum, bila dibandingkan dengan standar mutu SNI 06-3730-1995 tentang arang aktif teknis maka aktivasi dengan berbagai konsentrasi H3PO4 dalam penelitian ini menghasilkan arang aktif dengan karakteristik yang baik, dimana aktivasi dengan asam fosfat sebesar 15% menunjukkan karakteristik yang terbaik yaitu: kadar air 4,67 ± 0,33%, kadar zat mudah menguap 5,59 ± 0,33%, kadar abu 5,67 ± 0,33%, kadar karbon 84,33%, daya serap terhadap metilen biru sebesar 162,84 ± 0,50 mg/g dan daya serap terhadap I2 sebesar 759,62 ± 3,07 mg/g. Hasil identifikasi dengan spektrofotometer FTIR menunjukkan bahwa arang aktif tersebut mengandung gugus fungsi OH, C-H alifatik, P=O dan P-OH.
ABSTRACT
This paper discusses the manufacture and characterization of activated carbon made from the stems of marigold plants (Tagetes erecta) with H3PO4 as the chemical activator. This research was aimed to create and determine the characteristics of the activated carbon from the waste of marigold plant as well as to determine the optimum concentration of H3PO4 required to obtain the activated carbon with good characteristics in terms of water, volatile substance, total ash, and carbon contents, as well as the absorption capacities of methylene blue and iodine. In addition, the analysis of FTIR spectra of the activated carbon with the best characteristics was also carried out.
In general, compared to the quality standards of SNI 06-3730-1995 about the technical activated carbon, activation with various concentrations of H3PO4 produced activated carbon with good characteristics, but most of all activation with phosphoric acid at the concentration of 15% produced the activated carbon showing the best characteristics as follows: water content of 4.67 ± 0,33%, volatile substance content of 5.59± 0,33%, ash content of 5.67 ± 0,33%, and carbon content of 84.33%. The absorption capacity of methylene blue was 162.84 ± 0,50 mg/g while the absorption capacity of I2 was 759, 62 ± 3,07 mg/g. The FTIR identification showed that the activated carbon contains the functional groups of OH, C-H aliphatic, P=O and P-OH.
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa, karena berkat rahmat-Nya akhirnya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pembuatan dan Karakterisasi Arang Aktif dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) yang Diaktivasi dengan H3PO4” tepat pada waktunya sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si.) di Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana.
Penulisan dan penyusunan skripsi ini tidak terlepas dari bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Dr. I Nengah Wirajana, S.Si., M.Si selaku Ketua Jurusan Kimia Fakultas
MIPA Universitas Udayana yang telah memberikan petunjuk dan saran. 2. Dra. Emmy Sahara, M.Sc.(Hons.) dan Ir. Wahyu Dwijani Sulihingtyas,
M.Kes. selaku pembimbing I dan pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan dukungan dalam penyusunan skripsi ini.
3. Ayah I Nyoman Sutamba dan Ibu Ni Wayan Suatri yang telah memberi doa, semangat, dukungan dan bantuan dalam menyelesaikan skripsi ini.
4. Ni Putu Diah Pithaloka Dewani, Amd.Gz untuk doa, semangat, dukungan
dan bantuannya selama proses penelitian dan penyusunan skripsi.
5. Seluruh teman-teman Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Udayana
dan semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
Penulis sangat mengharapkan kritik dan saran konstruktif dari semua pihak sehingga dapat menjadi evaluasi dan penyempurnaan skripsi ini. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pembaca dan pihak yang membutuhkan.
Bukit Jimbaran, 29 April 2016
DAFTAR ISI
Halaman
Halaman Judul ... i
Lembar Pengesahan ... ii
Team Penguji Sidang Skripsi ... iii
Abstrak ... iv
Abstract ... v
Kata Pengantar ... vi
Daftar Isi ... vii
Daftar Tabel ... x
Daftar Gambar ... xi
Daftar Lampiran ... xii
BAB I Pendahuluan 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah... 4
1.3 Tujuan ... 4
1.4 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II Tinjauan Pustaka 2.1 Tagetes sp. ... 5
2.2 Biomassa ... 9
2.2.1 Pengertian biomassa ... 9
2.2.2 Biomassa sebagai sumber energi ... 10
2.2.3 Konversi biomassa ... 11
viii
2.3 Arang Aktif ... 14
2.3.1 Bahan baku arang aktif ... 15
2.3.2 Pembuatan arang aktif ... 16
2.3.3 Kualitas arang aktif ... 19
2.4Spektroskopi ... 22
2.4.1 Spektroskopi inframerah ... 24
2.4.2 Spektroskopi ultraviolet dan cahaya tampak (UV-Vis) ... 26
BAB III Metode Penelitian 3.1 Tempat Penelitian ... 29
3.2 Alat dan Bahan ... 29
3.2.1 Peralatan penelitian... 29
3.2.2 Bahan penelitian ... 29
3.3 Prosedur Kerja ... 29
3.3.1 Penyiapan bahan ... 29
3.3.2 Pirolisis batang gumitir (Tagetes erecta) menjadi arang ... 30
3.3.3 Aktivasi arang ... 30
3.3.4 Karakterisasi arang aktif ... 30
BAB IV Hasil dan Pembahasan 4.1 Pembuatan Arang dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) 33 4.2 Aktivasi Arang ... 33
4.3 Karakterisasi Arang Aktif ... 35
4.3.1 Kadar air ... 35
4.3.2 Kadar zat mudah menguap ... 38
4.3.4 Kadar karbon ... 42
4.3.5 Daya serap metilen biru ... 44
4.3.6 Daya serap iodin ... 46
4.3.7 Gugus fungsi ... 48
Bab V Simpulan dan Saran 5.1 Simpulan ... 53
5.2 Saran ... 53
Daftar Pustaka ... 54
Lampiran... 57
x
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SII. 0258-79. ... 19
Tabel 2.2 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SNI 06 – 3730 – 1995 dtrefsfsd tentang Arang Aktif Teknis. ... 19
Tabel 4.1 Rendemen Hasil Aktivasi Arang Batang Gumitir Menggunakan berbagai Konsentrasi Asam Fosfat ... 34
Tabel 4.2 Hasil Penentuan Kadar Air Arang Aktif ... 36
Tabel 4.3 Hasil Penentuan Kadar Zat Mudah Menguap Arang Aktif ... 38
Tabel 4.4 Kadar Abu Total Arang Aktif ... 40
Tabel 4.5 Kadar Karbon Arang Aktif ... 42
Tabel 4.6 Hasil Penentuan Daya Serap Metilen Biru ... 45
Tabel 4.7 Hasil Penentuan Daya Serap Iodin ... 47
Tabel 4.8 Data Spektrum Inframerah Arang... 50
Tabel 4.9 Data Spektrum Inframerah Arang Aktif ... 51
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Tanaman Gumitir ... 7
Gambar 2.2 Limbah Biomassa ... 10
Gambar 2.3 Struktur Pori Arang (a) dan Arang Aktif (b) ... 15
Gambar 2.4 Diagram Alir Pembuatan Arang Aktif ... 17
Gambar 2.5 Absorpsi dalam Spektrum Inframerah... 25
Gambar 2.6 Contoh Spektrum Inframerah Biokarbon yang Berasal dari Daun Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) ... 26
Gambar 4.1 Hubungan Konsentrasi Asam Fosfat dan Rendemen Arang Aktif ... 35
Gambar 4.2 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Air Arang Aktif ... 37
Gambar 4.3 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Zat Mudah Menguap Arang Aktif ... 39
Gambar 4.4 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Abu Total Arang Aktif ... 41
Gambar 4.5 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Kadar Karbon Arang Aktif ... 43
Gambar 4.6 Kurva Kalibrasi Larutan Standar Metilen Biru ... 44
Gambar 4.7 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Daya Serap Arang Aktif terhadap Metilen Biru ... 45
Gambar 4.8 Grafik Hubungan antara Konsentrasi Asam Fosfat dan Daya Serap Arang Aktif terhadap Iodin ... 48
Gambar 4.9 Spektra Inframerah Arang ... 49
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1Skema Kerja
1.1 Diagram alur penelitian ... 57
1.2 Pirolisis batang gumitir (Tagetes erecta) menjadi arang ... 58
1.3 Aktivasi arang ... 59
1.4 Karakterisasi arang aktif ... 60
1.5 Analisis gugus fungsi ... 63
Lampiran 2Pembuatan Larutan 2.1 Pembuatan larutan asam fosfat (H3PO4) ... 64
2.2 Pembuatan larutan iodium (I2) 0,125 N ... 65
2.3 Pembuatan larutan natrium tiosulfat (Na2S2O3) 0,1 N ... 65
2.4 Pembuatan larutan kalium dikromat (K2Cr2O7) 0,05 N ... 65
2.5 Pembuatan larutan metilen biru ... 65
2.6 Pembuatan indikator amilum 1% ... 66
Lampiran 3 Pembuatan dan Karakterisasi Arang Aktif 3.1 Pirolisis batang tanaman gumitir menjadi arang ... 67
3.2 Aktivasi arang dengan variasi konsentrasi asam fosfat ... 68
3.3 Penentuan kadar air arang aktif ... 69
3.4 Penentuan kadar zat mudah menguap arang aktif ... 70
3.5 Penentuan kadar abu total arang aktif ... 72
3.6 Penentuan kadar karbon arang aktif ... 73
3.7 Penentuan daya serap arang aktif terhadap metilen biru ... 74
Lampiran 4 Dokumentasi
4.1 Preparasi sampel ... 81
4.2 Pirolisis sampel ... 81
4.3 Aktivasi arang ... 82
4.4 Karakterisasi arang aktif ... 82
4.5 Penentuan absorbansi filtrat metilen biru ... 83
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tanaman gumitir (Tagetes erecta) merupakan salah satu tanaman yang
banyak dikembangkan di Indonesia, khususnya di Bali. Gumitir merupakan
tanaman yang biasa dimanfaatkan untuk menghias kebun. Bunga tanaman gumitir
biasanya berwarna kuning atau oranye dan memiliki bau yang menyengat.
Bagian bunga tanaman gumitir biasa digunakan sebagai sarana
persembahyangan ataupun sebagai hiasan guna menambah nilai estetika. Tanaman
gumitir dibudidayakan secara luas untuk mendapatkan ekstrak lutein yang
merupakan suatu suplemen makanan, dan sebagai pewarna makanan (Qin et al.,
2014). Selain itu, tanaman gumitir juga dapat dimanfaatkan sebagai bahan anti
nyamuk (Patel et al., 2012), anti nematoda (Wang et al., 2007), insektisida
(Parugrug dan Aurea, 2008), dan juga sebagai antioksidan (Gong et al., 2012).
Dalam budidaya tanaman gumitir, setelah masa panen selesai, tanaman ini
akan menyisakan limbah pertanian yang melimpah. Sampai saat ini batang
tanaman gumitir belum dimanfaatkan secara maksimal. Untuk menanggulangi
masalah, biasanya petani membakar limbah tanaman ini atau dijadikan pakan
ternak. Pembakaran limbah tanaman gumitir ataupun limbah pertanian lainnya
secara terus menerus akan menimbulkan pencemaran udara.
Limbah tanaman gumitir ini merupakan suatu biomassa yang dapat dirubah
menjadi materi yang bernilai ekonomis lebih tinggi dan lebih bermanfaat daripada
Biomassa merupakan keseluruhan materi yang berasal dari makhluk hidup,
termasuk bahan organik baik yang hidup maupun yang ada di bawah permukaan
tanah. Contoh dari biomassa adalah pohon, hasil panen, rumput, hewan dan
sisa/kotoran hewan (Sutaryo, 2009). Salah satu pemanfaatan biomassa adalah
sebagai bahan dasar produksi arang aktif. Pemanfaatan biomassa seperti limbah
tanaman gumitir untuk produksi arang aktif memiliki dampak yang positif sebagai
pengurangan limbah pertanian dalam hal ini limbah padat organik.
Arang aktif merupakan padatan dengan bahan dasar karbon berpori yang
memiliki luas permukaan sangat tinggi yaitu diatas 600 m2/gram. Biomassa dapat
digunakan sebagai bahan untuk pembuatan arang melalui pemanasan pada suhu
tinggi. Setelah itu arang diubah menjadi arang aktif melalui proses aktivasi.
Proses aktivasi merupakan proses untuk menghilangkan hidrokarbon yang
melapisi permukaan arang sehingga dapat meningkatkan porositas karbon
(Cooney, 1980). Aktivasi arang aktif dapat dilakukan melalui proses aktivasi
secara fisik dan proses kimia. Proses aktivasi secara fisik dapat dilakukan dengan
pemberian uap air atau gas CO2, sedangkan secara kimia dilakukan dengan
penambahan zat kimia tertentu (Jamilatun et al., 2014). Aktivasi secara kimia
dapat dilakukan dengan penambahan zat kimia sekaligus pada saat pirolisis
ataupun penambahan zat kimia setelah arang terbentuk.
Aktivasi secara kimia memberikan beberapa keuntungan karena dapat
dilakukan dalam satu langkah, dengan mengkombinasikan pirolisis dan aktivasi
yang dilakukan pada suhu yang lebih rendah maka akan dihasilkan struktur pori
arang aktif yang lebih baik (Ioannidou dan Zabanitou, 2007). Aktivator kimia
3
garam. Qin (2014) melaporkan bahwa arang aktif yang dihasilkan dari batang
tanaman gumitir (Tagetes erecta) yang aktivasinya menggunakan asam fosfat
(H3PO4) yang dilakukan sekaligus saat pirolisis menghasilkan arang aktif dengan
struktur pori yang lebih baik.
Berdasarkan SNI 06-3730-1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif
berbentuk serbuk yang berkualitas baik memiliki kadar air maksimal sebesar 15%,
kadar zat mudah menguap maksimal 25%, kadar abu maksimal 10% dan kadar
karbon minimal 65%. Untuk daya serapnya, arang aktif yang baik memiliki daya
serap terhadap I2 minimal sebesar 750 mg/g dan daya serap terhadap metilen biru
minimal sebesar 120 mg/g (Sudrajat dan Pari, 2011).
Arang aktif banyak dimanfaatkan oleh pabrik-pabrik untuk berbagai tujuan,
diantaranya sebagai pembersih air, pemurnian gas, atau pengolahan limbah cair.
Dalam perindustrian, arang aktif sangat berguna karena dapat mengadsorpsi bau,
warna, gas serta logam. Maraknya perkembangan proses industri akan
meningkatkan resiko pencemaran lingkungan sehingga meningkatkan pula
kebutuhan akan arang aktif (Sidiq, 2014).
Berdasarkan latar belakang di atas, maka perlu dilakukan penelitian tentang
aktivasi arang dari batang tanaman gumitir dengan berbagai konsentrasi aktivator
H3PO4 dan karakterisasinya sehingga diperoleh arang aktif yang berkualitas sesuai
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, dapat dirumuskan masalah yaitu :
1.2.1 Bagaimanakah karakteristik arang aktif yang dihasilkan dari batang tanaman
gumitir (Tagetes erecta) yang diaktivasi dengan berbagai konsentrasi
H3PO4?
1.2.2 Berapakah konsentrasi H3PO4 yang dibutuhkan untuk membuat arang aktif
yang memenuhi standar SNI?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:
1.3.1 Membuat arang aktif dari limbah batang tanaman gumitir (Tagetes erecta)
dengan aktivator asam fosfat (H3PO4).
1.3.2 Menentukan konsentrasi optimum asam fosfat (H3PO4) yang dibutuhkan
untuk mendapatkan arang aktif yang baik ditinjau dari kadar air, kadar zat
mudah menguap, kadar abu total, kadar karbon terikat, daya serap terhadap
iod, daya serap terhadap metilen biru, dan gugus fungsinya.
1.4 Manfaat Penelitian
Dari penelitian yang dilakukan akan diperoleh informasi ilmiah mengenai
pemanfaatan limbah batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) sebagai bahan
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Tagetes sp.
Genus Tagetes merupakan subfamili Asteroideae dari famili asteraceae.
Tanaman jenis ini merupakan tanaman budidaya yang memiliki bau menyengat
dan dapat tumbuh di hampir semua jenis tanah (Shahzadi, 2012). Spesies dari
Tagetes dikenal dengan nama Inggris marigold, tumbuh sebagai tanaman hias
tahunan. Varietas spesies dari Tagetes digunakan secara luas sebagai tanaman
hias, namun pada banyak negara di bagian timur, bunganya digunakan sebagai
sarana persembahyangan (Vasudevan et al., 1997).
Spesies dari Tagetes berkembang di seluruh dunia, tanaman ini merupakan
tanaman yang kokoh serta bercabang dan tingginya bervariasi dari 0,01 hingga 2,2
meter. Spesies-spesiesnya memiliki daun yang tersegmentasi, menyirip, berwarna
hijau gelap dan beraroma, sedangkan bunganya memiliki warna yang bervariasi
dari kuning, jingga, hingga kemerahan (Shahzadi, 2012). Berikut ini adalah
varietas utama yang merupakan spesies dari genus Tagetes (Priyanka et al., 2013):
1. Marigold Amerika atau Afrika (Tagetes Erecta):
Marigold jenis ini dapat tumbuh lebih tinggi dibandingkan dengan spesies
lainnya. Bunganya berbentuk bulat dan dapat tumbuh besar hingga
mencapai 5 inchi. Bunga dari marigold jenis ini berwarna kuning hingga
jingga. Jenis marigold Afrika memerlukan waktu yang lebih lama untuk
2. Marigold Prancis (Tagetes patula)
Jenis marigold ini dapat tumbuh tinggi dari 5 hingga 18 inchi. Bunganya
dapat berwarna merah, jingga dan kuning. Bunga dari marigold jenis ini
lebih kecil daripada jenis lain yaitu sekitar 2 inchi.
3. Marigold Signet (Tagetes signata)
Jenis marigold signet tumbuh lebat dengan bunga tunggal yang kecil.
Bunganya berwarna kuning hingga jingga dan dapat dimakan. Bunga dari
marigold signet memiliki aroma yang pedas dan daunnya memiliki bau
seperti lemon. Tanaman ini sangat baik untuk ditanam pada pot sebagai
hiasan jendela.
Marigold Afrika atau Amerika (Tagetes Erecta) di Indonesia khususnya di
Bali banyak dibudidayakan dan dinamakan sebagai tanaman gumitir. Sistem
botani dari tanaman gumitir adalah sebagai berikut (Priyanka et al., 2013):
Kingdom : Plantae
Order : Asterales
Family : Asteraceae
Genus : Tagetes
Species : erecta
Berdasarkan kebutuhannya, bunga gumitir hampir setiap hari digunakan
khususnya untuk keperluan upacara keagamaan di Bali. Secara umum bunga
gumitir banyak digunakan untuk membuat sesajen sehingga pada saat menjelang
hari raya keagamaan, kebutuhan terhadap bunga gumitir akan meningkat. Selain
7
kalung bunga bagi pengunjung, dan dekorasi lainnya guna menambah nilai
estetika. Gambar tanaman gumitir (Tagetes erecta) ditunjukkan dalam Gambar 2.1
berikut ini:
Gambar 2.1 Tanaman Gumitir (Tagetes erecta)
Tanaman ini selain dibudidayakan secara khusus, sering juga ditanam
sebagai penghias halaman rumah dan tentunya juga bisa sebagai penambah
pendapatan keluarga tani. Akibat kebutuhan yang meningkat, maka semakin
marak pula pembudidayaan tanaman gumitir ini (Artanaya dan Widiada, 2013).
Tanaman gumitir merupakan tanaman perdu dengan bentuk daun lancip
bergerigi, kecil-kecil berwarna hijau. Secara morfologi tinggi tanaman gumitir
kurang lebih 50 – 60 cm tergantung kesuburannya. Apabila sudah cukup umur
( + 50 hari) tanaman gumitir akan berbunga yang berwarna kekuningan, dengan
ini dapat tumbuh di daerah dataran tinggi maupun daerah dataran rendah
(Artanaya dan Widiada, 2013).
Tanaman gumitir digunakan secara besar-besaran tidak hanya di Bali,
melainkan di seluruh bagian dunia. Hal ini diakibatkan karena tanaman gumitir
merupakan tanaman yang multifungsi (Vasudevan et al., 1997). Telah dilakukan
studi untuk mengamati aktifitas insektisida dari tanaman gumitir (Tagetes erecta)
terhadap kumbang jagung (Sitophilus zeamais), yang merupakan hama tumbuhan,
dimana serbuk daun dari tanaman gumitir dapat berfungsi sebagai penolak
kumbang jagung. Aktifitas insektisida dari tanaman ini tergolong baik karena
tidak menghambat pertumbuhan tanaman sampel (Parugrug et al., 2008).
Nematisida kimiawi diketahui terbatas keberadaannya sehingga membuat
harganya tidak terjangkau. Selain itu banyak nematisida sintetis mempengaruhi
organisme non-target seperti mikroorganisme tanah yang bermanfaat. Tanaman
gumitir (Tagetes erecta) dilaporkan dapat mengurangi populasi nematoda serta
lebih ramah lingkungan daripada nematisida kimiawi karena tidak menekan
pertumbuhan mikroorganisme tanah yang lain. Aktifitas anti nematoda dari
tanaman gumitir (Tagetes erecta) yang memberikan efek menguntungkan untuk
produk organik dan meminimalisir pencemaran lingkungan membuat tanaman ini
berpotensi sebagai pengganti nematisida kimiawi (Wang et al., 2007).
Bunga gumitir juga dapat digunakan sebagai sumber karotenoid. Karotenoid
yang berasal dari ekstrak bunga gumitir secara komersial digunakan sebagai
pewarna dan suplemen makanan. Salah satu karotenoid yang sering dijumpai
adalah lutein. Ekstrak bunga gumitir yang dianalisis dengan LC-MS telah
9
Sampai sejauh ini, pemanfaatan tanaman gumitir masih terbatas bagian
bunganya saja, sedangkan penggunaan bagian lainnya seperti daun, batang, serta
akarnya belum dimanfaatkan dengan baik. Setelah masa panen selesai, budidaya
tanaman gumitir akan menyisakan limbah pertanian. Untuk menanggulangi
limbah, biasanya petani membakar limbah tanaman ini atau menjadikannya pakan
ternak. Pembakaran limbah tanaman gumitir ataupun limbah pertanian lainnya
secara terus menerus akan menimbulkan pencemaran udara.
2.2 Biomassa
2.2.1 Pengertian biomassa
Menurut kementrian pertanian, kehutanan dan perikanan Jepang, biomassa
merupakan bahan yang dapat diperoleh dari tanaman baik secara langsung
maupun tidak langsung dan dimanfaatkan sebagai energi atau bahan dalam
jumlah yang besar. Biomassa disebut juga sebagai “fitomassa” dan seringkali
diterjemahkan sebagai bioresource atau sumber daya yang diperoleh d a r i
b a h a n hayati (Yokayama dan Matsumura, 2008). Menurut Sutaryo (2009)
biomassa merupakan keseluruhan materi yang berasal dari makhluk hidup,
termasuk bahan organik baik yang hidup maupun yang mati, baik yang ada di
atas permukaan tanah maupun yang ada di bawah permukaan tanah, misalnya
pohon, hasil panen, rumput, serasah, akar, hewan dan kotoran hewan.
Biomassa secara spesifik merujuk pada limbah pertanian seperti jerami,
sekam padi, limbah perhutanan seperti serbuk gergaji, tinja, kotoran hewan,
sampah dapur, lumpur kubangan, dan sebagainya. Dalam kategori jenis
rumput, rumput laut, dan lain-lain. Beberapa contoh biomassa ditampilkan pada
Gambar 2.2 berikut ini:
Sisa pemotongan kayu Ranting kayu
Sekam Bonggol Jagung
Gambar 2.2 Limbah Biomassa
2.2.2 Biomassa sebagai sumber energi
Potensi biomassa di Indonesia yang bisa digunakan sebagai sumber energi
jumlahnya sangat melimpah. Limbah yang berasal dari hewan maupun tumbuhan
semuanya potensial untuk dikembangkan. Tanaman pangan dan perkebunan
menghasilkan limbah yang cukup besar, yang dapat dipergunakan untuk
keperluan lain seperti bahan bakar nabati. Pemanfaatan limbah sebagai bahan
bakar nabati memberi tiga keuntungan langsung. Pertama, peningkatan efisiensi
energi secara keseluruhan karena kandungan energi yang terdapat pada limbah
cukup besar dan akan terbuang percuma jika tidak dimanfaatkan. Kedua,
penghematan biaya, karena seringkali membuang limbah bisa lebih mahal dari
pada memanfaatkannya. Ketiga, mengurangi keperluan akan tempat penimbunan
sampah karena penyediaan tempat penimbunan akan menjadi lebih sulit dan
11
Selain pemanfaatan limbah, biomassa sebagai produk utama untuk sumber
energi juga akhir-akhir ini dikembangkan secara pesat. Kelapa sawit, jarak,
kedelai merupakan beberapa jenis tanaman yang produk utamanya sebagai bahan
baku pembuatan biodiesel. Ubi kayu, jagung, sorghum, sago merupakan
tanaman-tanaman yang produknya sering ditujukan sebagai bahan pembuatan bioetanol
(Teknik Pertanian IPB, 2006).
2.2.3 Konversi biomassa
Untuk pemanfaatan biomassa, bahan baku hayati yang dipilih dari berbagai
jenis biomassa harus mempertimbangkan tujuan pemanfaatan, permintaan dan
ketersediaannya. Setelah itu, barulah bahan baku ini bisa diubah menjadi bahan
yang baru atau dikonversi menjadi energi.
Biomassa yang ditanam di ladang atau yang diperoleh dari hutan untuk
tujuan tertentu disebut sebagai biomassa asli, sedangkan bahan hayati yang
terbuang dari hasil proses produksi, konversi dan pemanfaatan dinamakan
sebagai biomassa limbah dan digunakan untuk tujuan lain. Pemanfaatan
biomassa limbah juga penting untuk menghindari konflik antara penggunaan
bioenergi untuk makanan dan pakan ternak.
Pengangkutan dan penyimpanan biomassa tidaklah mudah karena
ukurannya yang terlalu besar dan mudah terurai. Oleh karena itu, biomassa layak
untuk digunakan di daerah dimana biomassa tersebut diproduksi. Berdasarkan
alasan ini, biomassa sering digunakan di dalam daerah atau daerah dimana
pasokan dan permintaan biomassa seimbang. Akan tetapi, jika biomassa diubah
menjadi bentuk yang mudah untuk diangkut seperti pelet atau bahan bakar cair,
Ada berbagai teknologi konversi yang bisa digunakan untuk merubah
kualitas biomassa sesuai dengan tujuan penggunaannya. Ada teknik fisika,
kimia dan biologi. Konversi fisika termasuk penggerusan, penggerindaan, dan
pengukusan untuk mengurai struktur biomassa dengan tujuan meningkatkan
luas permukaan sehingga proses selanjutnya, yaitu kimia, termal dan biologi
bisa dipercepat. Proses ini juga meliputi pemisahan, ekstraksi, penyulingan dan
sebagainya untuk mendapatkan bahan berguna dari biomassa serta proses
pemampatan, pengeringan atau kontrol kelembaban dengan tujuan membuat
biomassa lebih mudah diangkut dan disimpan. Teknologi konversi fisika
sering digunakan pada perlakuan pendahuluan untuk mempercepat proses
utama.
Konversi kimia meliputi hidrolisis, oksidasi parsial, pembakaran,
karbonisasi, reaksi hidrotermal untuk penguraian biomassa, serta sintesis,
polimerisasi, hidrogenasi untuk membangun molekul baru atau pembentukan
kembali biomassa. Penghasilan elektron dari proses oksidasi biomassa dapat
digunakan pada sel bahan bakar untuk menghasilkan listrik.
Konversi biologi umumnya terdiri atas proses fermentasi seperti
fermentasi etanol, fermentasi metana, fermentasi aseton-butanol, fermentasi
hidrogen, dan perlakuan enzimatis yang berperan penting pada penggunaan
bioetanol. Aplikasi d a r i proses fotosintesis dan fotolisis akan menjadi lebih
penting untuk memperbaiki sistem biomassa (Yokayama dan Matsumura, 2008).
2.2.4 Pemanfaatan energi biomasa
Menurut Departemen Teknik Pertanian Institut Pertanian Bogor,
13
1. Biobriket
Briket adalah salah satu cara yang digunakan untuk mengkonversi sumber
energi biomassa ke bentuk biomassa lain dengan cara dimampatkan
sehingga bentuknya menjadi lebih teratur. Briket yang terkenal adalah briket
batubara namun tidak hanya batubara saja yang bisa dikonversi menjadi
briket. Biomassa lain seperti sekam, arang sekam, serbuk gergaji, serbuk
kayu, dan limbah-limbah biomassa yang lainnya dapat dimanfaatkan
menjadi briket.
2. Gasifikasi
Secara sederhana, gasifikasi biomassa dapat didefinisikan sebagai proses
konversi bahan selulosa dalam suatu reaktor gasifikasi (gasifier) menjadi
bahan bakar. Gas tersebut dipergunakan sebagai bahan bakar motor untuk
menggerakan generator pembangkit listrik. Gasifikasi merupakan salah satu
alternatif dalam rangka program penghematan dan diversifikasi energi.
Selain itu gasifikasi akan membantu mengatasi masalah penanganan dan
pemanfaatan limbah pertanian, perkebunan serta kehutanan.
3. Pirolisis
Pirolisis adalah penguraian biomassa (lysis) karena panas (pyro) pada suhu
yang lebih dari 150oC. Pada proses pirolisis terdapat beberapa tingkatan
proses, yaitu pirolisis primer dan pirolisis sekunder. Pirolisis primer adalah
pirolisis yang terjadi pada bahan baku, sedangkan pirolisis sekunder adalah
pirolisis yang terjadi atas partikel dan gas/uap hasil pirolisis primer. Pirolisis
adalah penguraian karena panas, sehingga keberadaan O2 dihindari pada
4. Likuifikasi
Likuifikasi merupakan proses perubahan wujud dari gas ke cairan dengan
proses kondensasi, biasanya melalui pendinginan, atau perubahan dari padat
ke cairan dengan peleburan, bisa juga dengan pemanasan atau penggilingan
dan pencampuran dengan cairan lain untuk memutuskan ikatan. Pada bidang
energi, likuifikasi terjadi pada batubara dan gas menjadi bentuk cairan untuk
memudahkan dalam transportasi serta pemanfaatannya.
5. Biokimia
Pemanfaatan energi biomassa yang lain adalah dengan proses biokimia.
Contoh proses yang termasuk ke dalam proses biokimia adalah hidrolisis,
fermentasi dan anaerobic digestion. Anaerobic digestion adalah penguraian
bahan organik atau selulosa menjadi CH4 dan gas lain melalui proses
biokimia.
Selain anaerobic digestion, proses pembuatan etanol dari biomassa
tergolong dalam konversi biokimiawi. Biomassa yang kaya dengan
karbohidrat atau glukosa dapat difermentasi sehingga terurai menjadi etanol
dan CO2. Akan tetapi, karbohidrat harus mengalami hidrolisis terlebih
dahulu menjadi glukosa. Etanol hasil fermentasi pada umumnya mempunyai
kadar air yang tinggi dan tidak sesuai untuk pemanfaatannya sebagai bahan
bakar pengganti bensin. Etanol ini harus didistilasi sedemikian rupa
mencapai kadar etanol di atas 99.5% (Teknik Pertanian IPB, 2006).
2.3 Arang Aktif
Arang aktif yang sering disebut juga karbon aktif, adalah arang yang
dimurnikan yaitu konfigurasi atom karbonnya dibebaskan dari ikatan dengan
15
kotoran, sehingga permukaan karbon atau pusat aktif menjadi bersih dan lebih
luas. Keluasan area pusat aktif ini yang menentukan efektifitas kegunaannya
sebagai adsorben (penyerap) cairan atau gas.
Arang aktif memiliki pori-pori mikro dan makro yang jumlah, bentuk dan
ukurannya bervariasi. Bentuk pori bisa berupa silinder, empat persegi panjang
atau tidak beraturan dengan ukuran diameter antara 10 – 100.000 Å (Sudrajat dan
Pari, 2011). Perbedaan mendasar antara arang dengan arang aktif adalah pada
struktur pori-porinya seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.3 :
Gambar 2.3 Struktur Pori Arang (a) dan Arang Aktif (b) (Sumber: Harsanti, 2011)
2.3.1 Bahan baku arang aktif
Arang aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon
organik maupun anorganik, asal saja bahan tersebut memiliki struktur berpori.
Kayu dan batubara biasa digunakan untuk membuat arang aktif sebagai bahan
pemucat minyak makan. Arang aktif yang terbuat dari kayu kini telah
menggantikan tulang yang dulu digunakan untuk proses pemurnian gula.
Demikian pula limbah pertanian dapat dibuat arang aktif seperti tempurung
kelapa, tempurung kelapa sawit, kulit buah kopi, sekam padi, tempurung biji
karet, tempurung biji jarak, tempurung kemiri dan lain-lain. Dari sektor
potongan kayu dan lain-lain. Dari peternakan, bahan arang aktif umumnya tulang
sisa dari pejagalan dan dari pertambangan adalah batu bara muda (kokas)
(Sudrajat dan Pari, 2011).
Hasil penelitian menunjukkan bahwa bahan baku keras seperti tempurung
kelapa, kelapa sawit dan batubara akan menghasilkan arang aktif dengan berat
jenis tinggi yang penggunaannya sesuai untuk penyerapan gas. Kayu atau limbah
pertanian dengan kadar selulosa dan hemiselulosa tinggi serta teksturnya lunak
lebih sesuai untuk tujuan penyerapan cairan.
Struktur anatomi bahan baku juga menentukan karakteristik arang aktif yang
dihasilkan. Bahan baku yang memiliki pori dengan diameter kecil dan jumlah
banyak serta tekstur keras artinya memiliki permukaan aktif yang luas akan
menghasilkan arang aktif dengan daya adsorpsi tinggi, contohnya adalah kayu
keras berberat jenis tinggi, tunggak, tempurung kelapa, kelapa sawit dan batubara.
Namun secara umum, kayu dengan kadar karbon tinggi (kadar selulosa dan
lignin), kadar abu dan bahan ekstraktif rendah, banyak mengandung pori dan
tekstur keras, cenderung akan menghasilkan arang aktif berkualitas tinggi
(Sudrajat dan Pari, 2011).
2.3.2 Pembuatan arang aktif
Proses pebuatan arang aktif terdiri dari tiga tahapan utama yaitu perlakuan
bahan baku, pembuatan arang dan pembuatan arang aktif. Diagram alir tahapan
17
Gambar 2.4 Diagram Alir Pembuatan Arang Aktif (Sumber: Sudrajat dan Pari, 2011)
1. Pemotongan Bahan Baku
Sebelum dibuat menjadi arang, bahan baku terlebih dahulu dibuat potongan
kecil agar pada tahapan proses aktivasi akan terjadi proses pemurnian yang
sempurna.
2. Pembuatan Arang
Arang adalah produk setengah jadi dalam pembuatan arang aktif. Kualitas
arang aktif yang dihasilkan dipengaruhi oleh kesempurnaan proses pengarangan.
Cara pembuatan arang berbeda-beda tergantung jenis bahan baku yang digunakan,
keadaan, kondisi sarana prasarana yang tersedia, serta tingkat teknologi atau
efisiensi proses yang ditargetkan. Retor dan tanur merupakan alat yang digunakan
pada proses pembuatan arang yang memerlukan efisiensi proses yang tinggi.
3. Pengolahan Arang Menjadi Arang Aktif (Proses Aktivasi)
Arang aktif disusun oleh atom karbon yang terikat secara kovalen dalam kisi
heksagonal dimana molekulnya berbentuk amorf yaitu merupakan pelat-pelat
datar. Mengolah arang menjadi arang aktif pada prinsipnya adalah membuka
juga bertujuan untuk menambahkan gugus aktif pada arang sehingga dapat
meningkatkan kemampuan adsorpsi dari arang tersebut. Gugus aktif yang
terbentuk pada arang aktif tergantung dari aktivator yang digunakan pada saat
aktivasi.
Ada dua cara mengaktifkan arang yaitu melalui reaksi oksidasi lemah
menggunakan uap air pada suhu 900 – 1.000oC atau dengan cara dehidrasi
menggunakan bahan kimia atau garam-garam CaCl2, ZnCl2, H3PO4, NaOH,
Na2SO4 dan lain-lainnya. Perendaman dengan bahan kimia dapat dilakukan
sebelum proses karbonisasi, atau setelah proses karbonisasi. Berikut merupakan
prosedur pembuatan arang aktif :
1. Pembuatan arang granular
Arang yang dihasilkan dari proses karbonisasi atau pengarangan
dipecah-pecah menjadi bentuk granular kira-kira berukuran sebesar kerikil (diameter 2- 3
cm) dengan menggunakan alat pemukul (hammer mill). Apabila bahan baku
berupa kayu bulat atau tempurung kelapa, maka digunakan alat pencacah
(crusher). Hal ini dilakukan dengan maksud memperbesar bidang kontak antara
bahan baku dengan bahan pengaktif.
2. Perendaman dalam bahan kimia
Arang dimasukkan ke dalam wadah yang berisi larutan bahan kimia seperti
ZnCl2, CaCl2, MgCl2, NaOH atau H3PO4 dalam konsentrasi yang berbeda-beda
tergantung jenis bahan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa ZnCl2, NaOH, dan
H3PO4 merupakan bahan kimia yang cukup baik untuk digunakan dalam aktivasi
arang. Lama perendaman sekitar 12-24 jam dan kemudian ditiriskan dengan
19
3. Pengemasan
Arang aktif yang telah kering dikemas di dalam kantung plastik yang
terlindung dari udara. Pengemasan dalam ukuran besar dapat menggunakan
karung plastik yang didalamnya dilapisi lembaran plastik (Sudrajat dan Pari,
2011).
2.3.3 Kualitas arang aktif
Kualitas arang aktif tergantung dari jenis bahan baku, teknologi pengolahan,
cara pengerjaan, dan ketepatan penggunaannya. Standar mutu arang aktif di
Indonesia mengacu pada Standar Industri Indonesia SII 0258 – 79 yang kemudian
direvisi menjadi SNI 06 – 3730 – 1995 seperti yang ditampilkan dalam Tabel 2.1
[image:32.595.115.513.378.498.2]dan Tabel 2.2 berikut :
Tabel 2.1 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SII. 0258-79
Uraian Prasyarat Kualitas
Bagian yang hilang pada pemanasan 950oC (%) Maksimal 15
Kadar air (%) Maksimal 10
Kadar abu (%) Maksimal 2.5
Bagian yang mengarang -
Daya serap terhadap I2 (%) Minimal 20
Sumber: Sudrajat dan Pari, 2011
Tabel 2.2 Standar Kualitas Arang Aktif Menurut SNI 06 – 3730 – 1995
Uraian Butiran Prasyarat Kualitas Serbuk
Bagian yang hilang pada pemanasan 900oC
(%) Maksimal 15 Maksimal 25
Kadar air (%) Maksimal 4.5 Maksimal 15
Kadar abu (%) Maksimal 2.5 Maksimal 10
Bagian tidak mengarang - -
Daya serap terhadap I2 (mg/g) Minimal 750 Minimal 750
Karbon aktif murni (%) Minimal 80 Minimal 65
Daya serap terhadap benzena (%) Minimal 25 -
Daya serap terhadap biru metilen (mg/g) Minimal 60 Minimal 120
Berat jenis curah (g/ml) 0.45 – 0.55 0.3 – 0.35
Lolos mesh 325 (%) - Minimal 90
Jarak mesh (%) 90 -
[image:32.595.116.517.521.745.2]1. Kadar air
Prinsip dalam penentuan kadar air adalah pemanasan pada suhu 105oC
selama 4 jam sehingga tercapai massa konstan. Berdasarkan SNI 06 – 3730 –
1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik
memiliki kadar air maksimal 15%.
Penetapan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat higroskopis arang
aktif yang dihasilkan (Kurniawan dan Sutapa, 2009). Penentuan kadar air dapat
dilakukan dengan asumsi bahwa dalam karbon aktif tersebut hanya air yang
merupakan senyawa mudah menguap. Pada dasarnya penentuan kadar air adalah
dengan menguapkan air dari arang aktif dengan pemanasan 105oC hingga
diperoleh berat konstan. Penetapan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat
higroskopis arang aktif, dimana arang aktif mempunyai sifat salinitas yang besar
terhadap air (Jankowska et al., 1991).
2. Kadar zat mudah menguap
Prinsip dalam penentuan kadar zat mudah menguap adalah pemanasan pada
suhu 900oC selama 15 menit sehingga tercapai berat konstan. Berdasarkan SNI
06 – 3730 – 1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang
baik memiliki kadar mudah menguap maksimal 25%.
3. Kadar abu total
Prinsip dalam penentuan kadar abu adalah pemanasan pada suhu 650oC
hingga diperoleh abu. Berdasarkan SNI 06 – 3730 – 1995 tentang arang aktif
teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar abu maksimal
21
4. Kadar karbon
Fraksi karbon dalam arang aktif adalah hasil dari proses pengarangan selain
air, abu, dan zat-zat mudah menguap. Sehingga dalam perhitungannya kadar
karbon dapat ditentukan melalui selisih persentase total dengan jumlah persentase
kadar air, kadar zat mudah menguap, dan kadar abu dari arang aktif (Sudrajat dan
Pari, 2011). Berdasarkan SNI 06 – 3730 – 1995 tentang arang aktif teknis, arang
aktif dalam bentuk serbuk yang baik memiliki kadar karbon aktif murni minimal
65%.
5. Daya serap terhadap metilen biru
Metilen biru merupakan salah satu zat warna thiazin yang sering digunakan
dalam proses pewarnaan karena harganya ekonomis dan mudah diperoleh. Zat
warna metilen biru merupakan zat warna dasar yang penting dalam proses
pewarnaan kulit, kain mori, kain katun serta bahan pakaian lainnya. Penggunaan
metilen biru dapat menimbulkan beberapa efek seperti iritasi saluran pencernaan
jika tertelan, menimbulkan gangguan pernafasan jika terhirup, dan iritasi jika
tersentuh pada kulit (Hamdaoui, dan Chiha, 2006). Berdasarkan SNI 06 – 3730 –
1995 tentang arang aktif teknis, arang aktif dalam bentuk serbuk yang baik
memiliki daya serap terhadap metilen biru minimal 120 mg/g.
6. Daya serap terhadap iodin
Adsorpsi iodin dilakukan untuk menentukan kapasitas adsorpsi arang aktif.
Angka iodin didefinisikan sebagai jumlah miligram iodin yang diadsorpsi oleh
satu gram arang aktif (Jankowska et al., 1991). Menurut Pari, 2009 penentuan
daya serap terhadap iodin bertujuan untuk mengetahui kemampuan arang aktif
dalam bentuk serbuk yang baik memiliki daya serap terhadap iodin minimal 750
mg/g.
2.4 Spektroskopi
Spektroskopi adalah pengukuran serapan dari interaksi antara radiasi
elektromagnetik dengan zat-zat. Spektroskopi penting sekali bagi ahli kimia
karena absorpsi energi dari spektrum elektromagnetik dapat dikorelasikan dengan
struktur dari senyawanya. Pengetahuan ini dapat digunakan untuk mendapatkan
informasi mengenai ikatan suatu senyawa untuk menentukan rumus bangun suatu
senyawa yang tak diketahui atau untuk mengukur banyaknya senyawa tertentu.
Sehingga dengan mengetahui struktur dari suatu senyawa, seorang ahli kimia
dapat meramalkan sifat-sifat dari suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden,
2010).
Warna adalah salah satu kriteria untuk mengidentifikasi suatu objek. Pada
analisis spektrokimia, spektrum radiasi elektromagnetik digunakan untuk
menganalisis spesies kimia dan menelaah interaksinya dengan radiasi
elektromagnetik. Persamaan Planck menunjukkan bahwa E = hƲ, dimana E
adalah energi foton, Ʋ adalah frekuensinya, sedangkan h adalah tetapan Planck
(6,624 x 10-27 J detik). Suatu foton memiliki energi tertentu dan dapat
menyebabkan transisi tingkat energi suatu atom atau molekul. Karena tiap spesies
kimia mempunyai tingkat-tingkat energi yang berbeda, maka transisi perubahan
energinya juga berbeda (Khopkar, 2014).
Radiasi elektromagnetik adalah energi yang dipancarkan dari suatu sumber
lalu diteruskan melalui ruang angkasa atau suatu zat dalam bentuk gelombang
(Fessenden dan Fessenden, 2010). Radiasi berinteraksi dengan spesies kimia, dan
23
berupa refleksi, refraksi, dan difraksi. Cara interaksi dengan suatu sampel dapat
dilakukan dengan absorpsi, pemendaran (luminenscence), emisi dan
penghamburan (scattering), tergantung dari sifat materi (Khopkar, 2014).
Apabila suatu senyawa mengabsorpsi energi, ia akan mengalami keadaan
transisi ke berbagai tingkat energi. Misalnya, semua ikatan kovalen dari suatu
senyawa akan terus-menerus bergetar dan berputar. Ikatan yang sedang bergetar
dapat mengabsorpsi energi dan akan bergerak ke arah tingkat getaran energi yang
lebih tinggi. Keadaan getar suatu ikatan terbatas. Suatu ikatan hanya dapat
bergetar pada suatu tingkat energi. Oleh sebab itu, suatu ikatan hanya dapat
mengabsorpsi foton dari energi tertentu untuk mengeksitasi ikatan tersebut
bergetar ke tingkat energi lebih tinggi (Fessenden dan Fessenden, 2010). Biasanya
spektra absorpsi atom merupakan puncak yang sempit. Sedangkan absorpsi
molekul, molekul poliatom dalam keadaan terkondensasi akan membutuhkan
energi yang lebih besar. Energi total adalah jumlah dari energi elektronik, vibrasi,
dan rotasi suatu molekul (Khopkar, 2014).
Panjang gelombang (λ) atau frekuensi (Ʋ) yang diabsorpsi senyawa dapat
diukur menggunakan alat yang disebut spektrofotometer. Radiasi elektromagnetik
dari sumber radiasi akan melewati sampel, dan ditangkap lalu dicatat oleh
detektor. Pengukuran menggunakan spektrofotometer menghasilan spektrum yang
merupakan grafik dari panjang gelombang dan energi yang diabsorpsi oleh suatu
senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010). Pada penelitian ini digunakan
spektrofotometer FTIR sehingga spektrum inframerah yang didapat akan
spektrofotometer UV-Vis digunakan untuk analisis kuantitatif daya serap arang
aktif terhadap metilen biru.
2.4.1 Spektroskopi Inframerah
Spektroskopi inframerah membantu dalam mengidentifikasi jenis ikatan
yang terdapat dalam suatu senyawa. Dengan mengetahui jenis ikatan kovalen
yang ada dan mana yang tidak, kita dapat memperkirakan gugus fungsi yang ada
atau tidak ada dalam suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden, 2010).
Dalam spektrofotometer FTIR, radiasi inframerah yang panjang
gelombangnya makin besar dialirkan melalui sampel, lalu persentase transmisinya
diukur. Persentase transmisi berbanding terbalik dengan ukuran absorpsi dari
radiasi inframerah. Secara teoritis apabila suatu senyawa tak mengabsorpsi radiasi
pada suatu panjang gelombang, berarti transmisinya 100%. Apabila semua radiasi
diabsorpsi oleh sampel maka transmisinya 0% (Fessenden dan Fessenden, 2010).
Spektrum inframerah adalah grafik dari persentase transmitan dengan
kenaikan panjang gelombang atau penurunan frekuensi. Puncak dalam spektrum
inframerah menunjukkan absorpsi dari radiasi inframerah oleh sampel pada
frekuensi tersebut. Intensitas relatif dari tiap kumpulan frekuensi adalah khas
untuk setiap jenis ikatan, misalnya C-H atau C=O (Fessenden dan Fessenden,
2010). Gambar 2.5 menggambarkan absorpsi-absorpsi beberapa gugus fungsi
25
Gambar 2.5 Absorpsi dalam Spektrum Inframerah (Sumber: Fessenden dan Fessenden, 2010)
Daerah spektrum inframerah antara 4000 – 1400 cm-1 disebut daerah gugus
fungsi. Bagian dari spektrum ini menunjukkan absorpsi yang timbul karena ikatan
dan gugus fungsi. Kebanyakan puncak absorpsi dalam daerah spektrum ini dengan
mudah dikenal berasal dari gugus fungsi yang khas. Daerah spektrum inframerah
antara 1400 – 600 cm-1 dinamakan daerah sidik jari. Absorpsi dari
bermacam-macam perubahan menyebabkan daerah spektrum ini manjadi kompleks dan
umumnya sukar diartikan. Akan tetapi, kita dapat mengenal suatu senyawa
dengan membandingkan spektrum tersebut dengan spektrum senyawa yang ada
dalam literatur. Apabila spektrum suatu sampel mempunyai pola yang sama baik
dalam daerah gugus fungsi ataupun dalam daerah sidik jari, berarti senyawa
tersebut sejenis (Fessenden dan Fessenden, 2010). Hal penting yang perlu diingat
saat menginterpretasikan spektrum IR adalah lebih baik untuk meneliti semua
spektrum daripada melihat bagian demi bagian (Khopkar, 2014). Gambar 2.6
berikut adalah contoh spektrum yang dihasilkan spektrofotometer FTIR terhadap
Gambar 2.6 Contoh Spektrum Inframerah Biokarbon yang Berasal dari Daun Tanaman Gumitir (Tagetes erecta)(Sumber: Singanan dan Peters, 2013)
2.4.2 Spektroskopi Ultraviolet dan Cahaya Tampak (UV-Vis)
Radiasi foton ultraviolet dan cahaya tampak mempunyai energi yang lebih
tinggi dari foton inframerah. Baik radiasi UV atau cahaya tampak apabila
diabsorpsi oleh suatu senyawa, hasilnya adalah transisi elektron dari keadaan
dasar (keadaan energi terendah) suatu senyawa ke keadaan energi yang lebih
tinggi karena tereksitasi. Transisi elektronik ini dapat dikorelasikan dengan
panjangnya penyatuan ikatan π dari suatu senyawa (Fessenden dan Fessenden,
2010).
Pengukuran absorbansi atau transmitansi dalam spektroskopi ultraviolet dan
daerah tampak digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif spesies kimia.
Absorbansi spesies ini berlangsung dalam dua tahap, yang pertama yaitu M + hƲ
= M*, merupakan eksitasi spesies akibat absorpsi foton (hƲ) dengan waktu hidup
terbatas (10-8-10-9detik). Tahap kedua adalah relaksasi dengan berubahnya M*
menjadi spesies baru dengan reaksi fotokimia. Absorpsi dalam daerah ultraviolet
27
dapat dihubungkan dengan jenis ikatan-ikatan yang ada dalam spesies.
Spektroskopi absorpsi berguna untuk mengkarakterisasikan gugus fungsi dalam
suatu molekul dan untuk analisis kuantitatif (Khopkar, 2014).
Panjang gelombang dari ultraviolet dan cahaya tampak diukur dalam
nanometer (nm) dengan 1 nm = 10-9 m. Ada juga dengan satuan angstrom dengan
1 Å = 10-10 m. Panjang gelombang dari radiasi cahaya tampak yang dapat kita
lihat antara 400 nm (sinar violet) dan 750 nm (sinar merah). Panjang gelombang
tersebut di antaranya memberikan warna biru, hijau, kuning, oranye, dan
warna-warna antara. Radiasi UV tak terlihat oleh mata, tetapi dapat menyebabkan luka
bakar (misalnya luka bakar karena matahari) dengan kisaran panjang gelombang
(100-400 nm) (Fessenden dan Fessenden, 2010).
Dalam spektrum UV dan cahaya tampak, dibuat perbandingan panjang
gelombang dengan absorpsi. Untuk analisis kuantitatif dalam spektroskopi
absorpsi, digunakan hukum Lambert-Beer dimana absorpsi (A) merupakan
logaritma dari perbandingan antara intensitas radiasi sinar yang masuk pada
sampel (I0) dengan radiasi sinar yang keluar (It) sehingga dapat ditunjukkan dalam
persamaan berikut:
(a) adalah absorptivitas molar (absorpsi/M), (b) adalah panjang sel pada sampel
(cm), dan (c) adalah konsentrasi sampel (M). Berdasarkan persamaan di atas,
dapat ditinjau bahwa intensitas sinar monokromatis berkurang secara eksponensial
bila konsentrasi zat pengabsorpsi bertambah. Sehingga jika suatu sistem
mengikuti hukum Lambert-Beer, maka grafik antara absorbansi terhadap
konsentrasi akan menghasilkan garis lurus melalui (0,0). Kurva linier akan
(Y) adalah absorbansi, (X) adalah konsentrasi zat pengabsorpsi, (b) adalah slope,
dan (a) adalah intersep. Nilai absorbansi larutan sampel kemudian diekstrapolasi
hingga memotong garis regresi linier, kemudian ditarik garis tegak lurus hingga
memotong sumbu X, dan konsentrasi sampel dapat ditentukan. Sehingga hukum
Lambert-Beer diatas merupakan persamaan mendasar untuk spektroskopi absorpsi
