TINJAUAN PUSTAKA
Sludge
Sludge adalah istilah umum yang digunakan untuk residu atau limbah yang dihasilkan dari proses pembuatan pulp dan kertas. Mengetahui lebih jelas tentang sludge, penting untuk mengetahui bagaimana sludge terbentuk. Secara umum, sludge merupakan residu padat yang diperoleh dari aliran air limbah proses pembuatan pulp dan kertas. Sludge dihasilkan pada dua tahapan proses. Sludge primer didapat dari tahap pertama proses pada bagian pencucian atau penjernihan awal serat. Pencucian awal biasanya terbawa oleh proses sedimentasi. Proses sedimentasi limbah cair tersebut dipompa ke tangki penampungan besar, dimana bahan-bahan padatnya diloloskan melalui bagian dasar tangki. Bahan-bahan padat berkisar 1,5 - 6,5% dari jumlah limbah bergantung pada karakteristik materialnya. Air sisa pencucian dilewatkan ke tahapan kedua (Scott dan Smith, 1995).
Sludge adalah larutan berbentuk lumpur yang terdiri dari serat-serat kayu berukuran kecil yang tak layak mutu untuk dijadikan kertas bercampur dengan filler yaitu kalsium karbonat (CaCO) dan air (H2O). Limbah padat berserat industri kertas dihasilkan dari pemisahan serat yang lolos pada pembuangan limbah cair mesin kertas. Limbah padat ini jumlah dan karakteristiknya sangat bervariasi tergantung dari bahan baku, proses pembuatan dan produk yang dihasilkan (Haroen dkk., 2007).
Industri kertas menghasilkan beberapa jenis limbah padat antara lain sludge, biosludge, dan pith. Di antara limbah padat tersebut, sludge merupakan limbah dengan volume terbesar. Semakin meningkatnya kebutuhan kertas, semakin tinggi pula limbah sludge yang dihasilkan. Karakteristik sludge industri
kertas antara lain lembek, strukturnya lunak seperti bubur, berwarna abu-abu keruh atau kehitaman, dan berbau tidak sedap. Seperti halnya limbah agroindustri lainnya, sludge merupakan limbah dengan kandungan senyawa karbon yang sangat tinggi. Limbah padat pabrik kertas juga mengandung unsur-unsur lain yaitu kalium, kalsium, magnesium, besi, dan sulfida yang merupakan hara untuk tanaman. Selain itu, limbah pabrik kertas umumnya mengandung logam-logam berbahaya seperti merkuri (Hg), tembaga (Cu), crom (Cr), timbal (Pb), seng (Zn), dan nikel (Ni) (Arisandi, 2002). Berdasarkan aspek nutrisi tanaman, aplikasi kompos sludge memperbaiki medium tumbuh karena kompos merupakan sumber hara makro dan mikro bagi tanaman (Widyati, 2006). Namun demikian, karakteristik limbah sangat dipengaruhi oleh bahan baku dan proses produksi kertas.
Sludge merupakan limbah padat pabrik kertas yang terdiri dari padatan 90% dan air 10% yang didapat dari proses pengendapan pada Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL). Selain itu limbah padat kertas juga menghasilkan sludge sekunder yang merupakan hasil sampingan dari pengendapan air (biological aeration) limbah yakni dengan penambahan mikroorganisme untuk menetralisir bahan kimia yang terkandung pada air limbah sebelum dialirkan, sludge sekunder tersusun dari bahan baku pulp yang mengandung mikroorganisme sebagai efek dari biological aeration, limbah padat kertas juga menghasilkan pith yang berupa bahan dari proses depething plant yaitu pemisahan secara mekanik bahan baku pulp yaitu bahan serat dan bahan bukan serat (Hastutik dkk., 2006).
Sludge merupakan limbah industri pulp dan kertas yang dihasilkan dalam kuantitas yang besar setiap harinya. Sebagian besar sludge ditumpuk oleh perusahan, sehingga menghasilkan masalah finansial dan masalah lingkungan. Umumnya industri kertas menghasilkan sekitar 900 ton sludge per hari. Biaya harian untuk penumpukan sludge yaitu sebesar $2.250 ($2,50/ton). Peraturan yang berkembang di beberapa negara saat ini adalah dengan membatasi jenis dan jumlah sludge yang dapat dikubur di tanah. Hal ini dapat membatasi cara pembuangan sludge di masa depan. Menemukan cara baru adalah cara yang tepat untuk menyalurkan limbah sludge akan menguntungkan industri pulp dan kertas secara finansial dan juga memberikan pengaruh positif pada lingkungan yaitu mengurangi pencemaran tanah (Karcher dan Baser, 2001).
Umumnya sumber limbah padat yang dihasilkan dari industri pulp atau kertas berasal dari reject proses penyediaan stok, unit pemulihan serat dan hasil akhir instalasi pengolahan limbah cair berupa sludge yang keluar dari belt press. Komponen dari limbah padat terdiri dari serat pendek, serta bahan pengisi, plastik, logam, wax dan pengotor lainnya. Limbah padat berserat yang berasal dari keluaran belt press umumnya masih mengandung 60% serat pendek, sedangkan sisanya berupa bahan pensisi. Limbah padat ini biasanya dibuang sebagai tanah urugan, masih mengandung air sekitar 60 - 80% (Haroen dkk., 2007).
Sludge kertas pada dasarnya terdiri atas serat-serat kayu dan berbagai materi inorganik, seperti lumpur kaolin dan kalsium karbonat. Penggunaan sludge kertas dapat dijadikan cara yang inovatif untuk mendaur ulang sludge kertas. Industri kertas menghasilkan sekitar 4 juta ton sludge setiap tahunnya, dimana sebagian besar mengandung sejumlah serat bermutu tinggi. Kandungan sludge
berbeda-beda pada tiap industri tergantung proses pengerjaan yang digunakan. Hal ini mengakibatkan tantangan besar dalam teknologi pemanfaatan sludge. Sludge yang berasal dari proses pulping murni mengandung serat kayu yang berpotensi. Akan tetapi sludge juga mengandung kontaminan seperti chip kayu dan kotoran berupa tanah. Di sisi lain, sludge yang berasal dari daur ulang kertas biasanya mengandung sedikit serat dan lebih banyak filler (pengisi) serta berbagai kontaminan termasuk plastik, bahan baku serta kotoran (tanah). Sulit untuk mengenali dan mengelompokkan kandungan beragam dari sludge yang dihasilkan tersebut. Seiring dengan bertambahnya proses daur ulang kertas yang dilakukan dan permintaan terhadap kertas daur ulang, maka otomatis volume sludge yang dihasilkan oleh industri juga meningkat (Scott dan Smith, 1995).
Komposisi kimia limbah padat banyak dipengaruhi oleh komponen kimia yang tergantung dari sumber limbah tersebut berasal. Limbah padat berserat yang dihasilkan dari produk kertas mempunyai kandungan senyawa organik dengan komponen utamanya adalah serat selulosa sebanyak ± 60% dan sisanya senyawa anorganik. Pemanfaatan limbah padat ini menjadi bahan untuk pembuatan papan serat ditentukan oleh jumlah dan kualitas serat yang terkandung didalamnya. Bila fraksi serat masih cukup tinggi maka mutu papan serat sebagai salah satu komponen bahan bangunan akan terpenuhi (Haroen dkk., 2007).
Defenisi dan Klasifikasi Papan Serat
Papan serat (fiberboard) merupakan produk panel kayu yang baru dikembangkan pada tahun 1960-an. Bentuk papan serat mirip dengan papan keras dan papan partikel, tetapi cara pembuatannya berbeda dengan keduanya. Sifat-sifat papan serat adalah:
1) tidak ada keteguhan dalam arah panjang dan lebarnya, 2) dapat menghasilkan lembaran yang lebar,
3) permukaannya licin dan cukup keras, 4) tidak mudah pecah dan retak, dan 5) mudah dilengkungkan
(Kollman dkk., 1975).
Papan serat merupakan panel yang dihasilkan dari pengempaan serat kayu atau bahan berlignoselulosa lain dengan ikatan utama berasal dari bahan baku yang bersangkutan (khususnya lignin) atau bahan lain (khusus perekat) untuk memperoleh sifat khusus. Papan serat merupakan produk panel yang berupa serat sehingga pembuatannya didahului dengan pembuatan pulp sebagai bahan dasarnya. Proses pembuatan selanjutnya dilakukan dengan membentuk lembaran dan pengempaan (pengepresan). Proses pembuatannya mirip pembuatan papan
keras dan papan partikel dengan penambahan sedikit modifikasi (Kollman dkk., 1975).
Papan serat adalah papan tiruan dengan ketebalan melebihi 1,5 mm yang terbuat dari serat berlignoselulosa yang kekuatannya berasal dari ikatan primer antar serat masing-masing serta daya rekatnya sendiri (International Standar Organization atau ISO, dalam Adnan, 1994). Klasifikasi papan serat dibedakan atas dasar tipe bahan baku, metode pembuatan lembaran, kerapatan, dan fungsi atau kegunaan (Kollman dkk., 1975).
Tabel 1. Klasifikasi papan serat berdasarkan kerapatan
No. Jenis Papan Serat Kerapatan (g/cm3) 1
2
Non Compressed Fiberboard (Insulation board) a. Semi Rigid Insulation
b. Rigid Insulation Board
Compressed Fiberboard
a. Intermediate/Medium Dencity Fiberboard b. Hardboard
c. Special Dencity Hardboard
0,02 – 0,15 0,15 – 0,40 0,40 – 0,80 0,80 – 1,20 1,20 – 1,45 Sumber : Kollmann dkk., (1975)
Papan Serat Berkerapatan Tinggi (Hardboard)
Hardboard yang juga dikenal sebagai papan serat berkerapatan tinggi adalah salah satu tipe produk hasil pendaurulangan. Secara prinsip, hardboard sama saja dengan papan partikel dan MDF, hanya saja lebih keras dan lebih rapat. Hardboard memiliki kerapatan antara 0,8 - 1,2 g/cm3. Sehingga hardboard ini
memiliki kestabilan tinggi untuk digunakan sebagai material lantai laminasi dan bahan kontruksi. Apabila hardboard dibuat dengan proses basah (wet process) atau tanpa menggunakan perekat, yaitu hanya menggunakan ikatan lignin dan ikatan H2O maka hardboard yang dihasilkan tidak dapat digunakan untuk
eksterior karena akan menyerap air. Sebaliknya, jika hardboard dibuat dengan proses kering (dry process) maka papan yang dihasilkan lebih tahan terhadap air dan pengaruh cuaca dan kelembaban. Sehingga hardboard ini dapat dimanfaatkan untuk dinding, lantai maupun pelapis kontruksi (Builddirect, 2009).
Hardboard adalah produk papan komposit yang pada dasarnya berasal dari serat berlignoselulosa yang dikombinasikan dengan perekat sintetis atau dengan sistem ikatan lainnya yang diproses dengan tekanan dan suhu tinggi.
Hardboard memiliki permukaan yang rata, kaku, rapat, dan halus. Mudah dikerjakan dengan mesin dan dapat dipotong tanpa merusak permukaannya. Hardboard juga dapat dikombinasikan dengan vinir ataupun pelapis plastik sebagai penambah nilai estetika maupun nilai ekonominya (Maloney, 1993).
Cara pembuatan hardboard mirip dengan papan partikel. Hardboard merupakan material olahan yang tidak tahan terhadap air dan kelembapan. Daerah-daerah yang memiliki kelembaban tinggi, sebaiknya tidak menggunakan hardboard. Produk-produk jadinya bisa berbentuk mebel (furniture), rak televisi, kabinet televisi, piano, organ, loudspeaker, moulding, meja bahkan lemari dan barang dekoratif lainnya (Bowyer dkk., 2003).
Hardboard memiliki banyak keunggulan diantaranya yaitu dapat diatur ketebalannya, dapat dibentuk, permukaannya licin dan cukup keras, dan tidak ada keteguhan dalam arah panjang dan lebarnya. Secara konvensional papan serat dapat diproduksi dengan proses kering yaitu dengan serat-serat ditambahkan perekat, dimana perekat yang digunakan selama ini berdasarkan formaldehida adalah perekat UF dan PF, yang berefek emisi formaldehida. Karena UF dan PF memiliki efek emisi formaldehida. Kemudian dicoba dengan menggunakan perekat yang non-formaldehida yang bertipe baru yaitu perekat isosianat.
Asetat anhidrida (CH3CO2)O
Senyawa ini tidak berwarna, dan berbau cuka karena reaksinya dengan kelembapan di udara membentuk asam asetat. Penggunaan asetat anhidrida pada pembuatan hardboard dari sludge berfungsi untuk memekarkan selulosa sludge, sehingga serat sludge lebih mudah dibentuk dan disatukan. Pemekaran selulosa
sludge juga dapat mendorong terjadinya ikatan antar serat-serat sludge (Maloney, 1993) .
Asetat anhidrida melebur pada suhu 73oC, dan mendidih pada suhu 139oC
dan memiliki kerapatan 1,080 g/mL pada suhu 15oC. Asetat anhidrida dapat
terbakar dengan titik pembakaran 54oC. Larutan ini dapat langsung terbakar dan
menghasilkan api besar. Asetat anhidrida dapat dihasilkan dari dehidrasi asam asetat pada suhu 800oC. Reaksi antara asam klorida dan sebuah atom asam asetat
(contohnya sodium asetat) menghasilkan asetat anhidrida dan sebuah garam
(Shakhashiri, 2008).
Menurut IOSHIC (2006) asetat anhidrida merupakan senyawa korosif, iritan, dan mudah terbakar. Asetat anhidrida memiliki sifat yang reaktif terhadap air. Air tidak cocok digunakan untuk memadamkan api yang disebabkan asetat anhidrida, sebaiknya digunakan karbondioksida. Asetat anhidrida dengan nama IUPAC adalah etanoil etanoat disingkat sebagai Ac2O merupakan salah satu
anhidrida asam paling sederhana. Rumus kimianya adalah (CH3CO)2O. Asetat
anhidrida dihasilkan melalui reaksi kondensasi asam asetat, sesuai persamaan reaksi: Asam asetat → Asetat anhidrida
Asetat anhidrida dapat meningkatkan ketahanan terhadap jamur, serangga, degradasi ultraviolet, stabilitas pada kondisi panas, stabilitas dimensi, kekakuan, kekerasan, kesesuaian dengan bahan lain, dan penyerapan kelembaban. Proses terjadinya asetilisasi pada serat kayu dapat dilihat pada reaksi di bawah ini:
(Rowell, 2004).
Pengaruh buruk dari asetat anhidrida adalah dapat menyebabkan iritasi. Asetat anhidrida bersifat korosif dan mengiritasi mata, kulit, pernafasan sehingga penggunaan asetat anhidirida sangat dianjurkan untuk di tempat-tempat tertentu yang jauh dari jangkauan. Proses pembuatan asetat selulosa, satu grup asetil dari setiap molekul asetat anhidrida bereaksi dengan selulosa dan grup asetil lainnya diubah menjadi asam asetat yang dapat didaur kembali untuk menghasilkan lebih banyak asetat anhidrida atau digunakan untuk menghasilkan asam asetat lainnya (Lewis, 1997).
Perekat
ASTM (American Society for Testing and Materials) mendefinisikan bahwa perekat adalah suatu bahan yang mampu mengikat material secara bersama-sama melalui hubungan permukaan. Perekatan adalah suatu keadaan dimana dua permukaan diikat bersama-sama melalui kekuatan interfasial, mungkin daya valensi, aksi bersikunci, atau keduanya. Daya valensi adalah daya tarik-menarik yang dihasilkan dari interaksi atom, ion-ion, dan molekul-molekul yang ada pada perekat dan sirekat. Aksi bersikunci disebut juga sebagai ikatan mekanik, yang berarti permukaan diikat bersama-sama dengan perekat. Perekat menjangkarkan diri pada sirekat selama proses pematangan (solidification) (Vick, 1999).
Secara kimiawi, polimer sintetik dirancang dan dirumuskan dalam perekat untuk menunjukkan variasi yang besar dari fungsi ikatannya. Apakah itu berbahan
perekat dalam aplikasinya. Thermoplastik adalah polimer rantai panjang yang mencair pada saat dipanaskan, kemudian mengeras kembali saat pendinginan. Contohnya adalah PVAc (polyvinyl acetate), elastomer, dan lain-lain. Polimer thermosetting memiliki reaksi kimia yang bersifat irreversible, artinya pada saat pemanasan kembali, perekat tidak bisa mencair lagi. Polimer ini mempunyai kekuatan yang tinggi, ketahanan terhadap kelembaban, cukup kaku, dan memiliki kemampuan jangka pembebanan yang lama tanpa mengalami perubahan bentuk. Jenis perekat yang tergolong kategori polimer ini adalah fenol, resorsinol, melamin, isosianat, urea, dan epoksi (Vick, 1999).
Perekat Isosianat
Isosianat dikenal sebagai diphenylmethane di-isocyanate (MDI) biasanya digunakan dalam pembuatan produk papan komposit. MDI secara utama digunakan dalam pembuatan OSB (Oriented Strands Board). Perekat ini dipilih berdasarkan pada kesesuaiannya untuk produk khusus dengan pertimbangan bahan-bahan yang direkatkan, kadar air saat perekatan, sifat mekanis, dan ketahanannya, serta biayanya (Vick, 1999).
Salah satu perekat kayu yang tidak menghasilkan emisi formaldehida adalah perekat poliisosianat atau yang lebih dikenal dengan sebutan API (Aqueous Polymer Isocyanate). Perekat ini dapat digunakan baik untuk proses kempa panas maupun kempa dingin. Perekat API pada dasarnya terdiri dari polimer larut air dan emulsi, yaitu poli vinil alkohol (PVOH) dan emulsi lateks seperti SBR (Styrene Butadiene Rubber) dengan senyawa isosianat sebagai crosslinking agent
Perekat poliisosianat ini mempunyai sifat daya rekat yang baik pada suhu ruang dan sangat tahan terhadap air panas atau air mendidih serta bersifat ramah lingkungan (Taki 1998; Hongjiu dkk., 2006). Hanya saja, perekat ini masih sangat mahal sehingga berpengaruh terhadap harga kayu olahan di tingkat produksi.
Pembuatan hardboard ini menggunakan bahan perekat yaitu perekat PI-120 berbasis isosianat. PI-120 adalah salah satu jenis perekat dari bahan dasar polimer isosianat dengan pelarut air yang ditujukan untuk perekatan kayu lamina dari bahan kayu daun lebar menggunakan kempa dingin. PI-120 bersama dengan bahan pengerasnya H-3 dapat digunakan sebagai perekat struktural dengan sifat ketahanan yang sangat baik terhadap air. Pot life-nya cukup panjang, sekitar 120 menit pada suhu 20oC. Sifat perekat ini sangat baik dan mudah dalam
pemanfaatannya. Perekat ini berupa cairan berwarna putih kental dengan kandungan total padatan 40 - 44%, viskositas 40 - 80 poise (4 - 8 Pa.s) dan pH 6,0 - 8,0. Bahan pengerasnya berupa cairan berwarna coklat gelap dengan
kandungan total padatan minimum 98% dan viskositas 1,5 - 2,0 poise (0,15 - 0,2 Pa.s). Perekat berbasis isosianat ini tidak mengandung senyawa
formaldehida dan tidak menggunakan hardener yang mengandung senyawa formaldehida (Maloney, 1993).
Pencapaian keberhasilan proses perekatan salah satu faktor yang perlu diperhatikan adalah waktu pengempaan. Pengempaan produk perekatan atau rakitan perekatan bertujuan untuk menempelkan lebih rapat sehingga garis perekat dapat terbentuk serata mungkin dengan ketebalan yang setipis mungkin. Pengempaan di dalam proses perekatan dibagi ke dalam dua tipe, (1) pengempaan dingin (repressing atau cold pressing), (2) pengempaan panas (hot pressing) yang
dijalankan dengan suhu dan tekanan tertentu. Beberapa faktor lain yang perlu diperhatikan dalam proses pengempaan adalah lama waktu kempa (lama waktu tekan), tekanan spesifik, dan suhu pengempaan (Yulianto dkk., 2007).
Waktu kempa tergantung dari beberapa faktor antara lain: tipe atau jenis perekat yang dipergunakan. Prinsip yang dipakai untuk menentukan lama waktu pengempaan adalah perilaku jenis perekat dan kondisi adonan perekat yang dipakai sewaktu dikenai tekanan. Waktu kempa juga dipengaruhi oleh ketebalan
bahan yang direkat dan komposisi adonan atau larutan perekat (Ruhendi dkk., 2007).
Tekanan spesifik berfungsi sebagai pembatas kemungkinan terjadinya pecah pada venir panel karena tegangan yang dapat diterima oleh jenis kayu atau venir dan bahan yang direkat kayu terlewati. Tekanan spesifik untuk rakitan perekatan didasarkan pada berat jenis kering tanur dari panel yang sedang dikerjakan atau berdasarkan jenis kayu yang dipergunakan (Ruhendi dkk., 2007).
Suhu pengempaan berhubungan dengan waktu pengempaan. Suhu yang tinggi diperlukan untuk mematangkan perekat dengan cepat tetapi kurang ekonomis karena diperlukan biaya yang tinggi untuk membawa suhu kempa ke suhu yang lebih tinggi dari suhu kamar. Suhu yang rendah dipakai untuk mematangkan perekat tetapi diperlukan waktu yang lebih lama. Kompromi antara biaya dan waktu pengempaan berarti membentuk kombinasi keduanya yang selanjutnya akan menentukan kapasitas pabrik berjalan untuk memproduksi produk perekatan (Ruhendi dkk., 2007).
Spesifikasi hardboard berdasarkan Jappanesse industrial Standart (JIS) A 5905 (2003) berdasarkan sifat fisis dan mekanisnya papan serat berkerapatan tinggi antara lain
- Kerapatan : 0,8 - 1,2 g/cm3
- Kadar air : 5-13%
- Daya serap air : maksimum 25% - Pengembangan tebal : maksimum12% - Keteguhan rekat : minimum 4,08 kgf/cm2
- MOR : minimum 357 kgf/cm2
- MOE : minimum 25500 kgf/cm2
