PEMANFAATAN JERAMI PADI UNTUK PRODUKSI KARBON …

PEMANFAATAN JERAMI PADI UNTUK PRODUKSI KARBON AKTIF DENGAN AKTIVASI KIMIA MENGGUNAKAN

KALIUM KARBONAT

Muhammad Ikhsan Asy’ari1 dan Mahmud Sudibandriyo2

1Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 2Riset Grup Energi Berkelanjutan, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas

Indonesia, Depok 16424, Indonesia

Email: [email protected]

ABSTRAK Pada penelitian ini dilakukan produksi karbon aktif berbahan baku jerami padi dengan karbonisasi dan

dilanjutkan dengan aktivasi kimia menggunakan K2CO3. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh lama waktu dan suhu aktivasi pada tahap aktivasi kimia terhadap luas permukaan karbon aktif. Proses aktivasi dilakukan pada variasi suhu 700°C, 800°C, 900°C dan lama waktu aktivasi divariasikan selama 60 menit, 90 menit, dan 120 menit. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa peningkatan suhu dan lama waktu aktivasi menyebabkan luas permukaan terus mengalami peningkatan hingga suhu aktivasi 900oC dan lama waktu selama 90 menit. Luas permukaan karbon aktif tertinggi sebesar 1.003 m2/g diperoleh dengan aktivasi pada suhu 900oC dan lama waktu selama 90 menit.

ABSTRACT

Utilization of Rice Straw Waste to Produce Activated Carbon with Chemical Activation using Potassium Carbonate. Activated carbon from rice straw waste is produced in this research with carbonization and followed by chemical activation using potassium carbonate. This research aims to analyze the effect of duration and temperature in activation process. The activation process is held in 700°C, 800°C, 900°C of temperature and 60, 90 and 120 minutes of duration. It shows that surface area is increased by the increasing of activation temperature and duration except the activated carbon with 900°C of activation temperature and 120 minutes of activation duration. Highest surface area is 1,003 m2/g from activated carbon with 900°C of activation temperature and 90 minutes of activation duration

Keywords: Activated carbon , Adsorption, Rice straw and Potassium carbonate.

1. Pendahuluan

Karbon aktif adalah karbon yang diaktivasi pada suhu tinggi sehingga pori-porinya terbuka

dan dapat digunakan sebagai bahan penyerap atau adsorben. Karbon aktif memiliki daya serap

yang sangat besar yaitu sekitar 25% hingga 1000% dari berat karbon aktif tersebut (S. Meilita &

S.Tuti.2003). Karbon aktif dapat digunakan dalam berbagai proses industri sebagai molekul

penyaring, pemurnian cairan dan gas, pemurnian dan penjernihan air, proses pembuatan makanan,

katalis, penghilangan sulfur dan nitrogen, serta pemurnian emas.

Hingga saat ini telah dilakukan pengembangan pembuatan karbon aktif dengan menggunakan

Pemanfaatan Jerami..., Muhammad Ikhsan Asy'ari, FT UI, 2014

berbagai bahan dengan kandungan karbon yang tinggi, seperti tempurung kelapa, bagas tebu, batu

bara dan sebagainya. Salah satu material yang juga dapat digunakan adalah jerami padi. Jerami

padi memiliki kandungan unsur karbon sebanyak 40-43% massa (Makarim, et al. 2007). Jerami

padi yang banyak mengandung unsur karbon ini dapat menjadi salah satu alternatif sebagai bahan

baku untuk peningkatan produksi karbon aktif.

Ketersediaan jerami padi di Indonesia cukup melimpah karena Indonesia merupakan negara

agraris Menurut data BPS tahun 2013, luas sawah di Indonesia adalah 13,7 juta ha dengan

kapasitas produksi padi sebesar 70,87 juta ton sehingga potensi jerami padi yang dimiliki Indonesia

adalah sekitar 99,22 juta ton (Kim & Dale. 2003). Namun, jerami padi masih belum dapat

digunakan secara optimal bahkan menjadi limbah pertanian yang selama ini menjadi masalah

daerah persawahan. Saat ini sebagian jerami padi dijadikan sebagai pakan ternak dan sisanya

dibakar sehingga dapat merusak lingkungan dan keseimbangan hayati..

Cara yang dapat dilakukan untuk menghasilkan karbon yang berpori adalah dengan

dekomposisi termal material organik yang melalui tiga tahapan, yaitu dehidrasi, karbonisasi, dan

aktivasi. Pengembangan penelitian pembuatan karbon aktif telah banyak dilakukan untuk

mendapatkan luas permukaan yang optimal. Saat ini, pembuatan karbon aktif dari jerami padi telah

dilakukan dengan menggunakan aktivasi kimia, yaitu jerami padi dicampur dengan larutan KOH

lalu dipanaskan di dalam reaktor hingga suhu 800oC serta dialiri dengan gas nitrogen mampu

menghasilkan luas permukaan karbon aktif sebesar 900 m2/gram (Oh & Park 2001). Selain itu

jerami padi juga dicampurkan dengan H3PO4 lalu dipanaskan hingga suhu 500oC mampu

menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan 786 m2/gram (Fierro, et al. 2001).

Pada penelitian ini metode aktivasi yang dilakukan adalah aktivasi kimia karena aktivasi kimia

dapat menghasilkan luas permukaan karbon aktif per satuan massa yang lebih besar daripada

menggunakan aktivasi fisika (Stals, et al. 2013). Aktivasi kimia dilakukan dengan menggunakan

K2CO3 sebagai activating agent karena dari penelitian sebelumnya dengan bahan baku yang lain,

penggunaan activating agent K2CO3 dapat menghasilkan luar permukaan karbon aktif per satuan

massa yang lebih besar daripada activating agent lainnya seperti ZnCl2 atau H3PO4 (Chen, et al.

2012). Dengan penelitian menggunakan jerami padi yang memiliki kandungan karbon yang cukup

tinggi, yakni sekitar 40-43%, dan metode aktivasi kimia dengan K2CO3 diharapkan dapat

menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan yang tinggi.


2. Tinjauan Teoritis

2.1 Karbon aktif

Karbon aktif adalah karbon amorf berwujud padat yang terbentuk dari proses karbonisasi dan

aktivasi sehingga memiliki pori atau rongga dan luas permukaan internal yang tinggi. Hal ini

meyebabkan karbon aktif memiliki daya serap yang besar terhadap gas, uap dan zat yang berada

dalam larutan. Karbon aktif mempunyai luas permukaan hingga lebih dari 3.000 m2/g (Robau-

Sanchez et al., 2005).

Karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon. Bahan-bahan

diantaranya berasal dari tumbuh-tumbuhan, binatang maupun bahan tambang seperti berbagai jenis

kayu, batubara, sekam padi, tulang binatang, tongkol jagung, tempurung kelapa, tempurung kelapa

sawit, ampas tebu, kulit biji kopi, dan lain-lain. (Manocha Satish, 2003). Karbon aktif ini diperoleh

melalui proses aktivasi terhadap arang karbon. Aktivasi karbon menyebabkan terjadinya

pengembangan struktur pori-pori yang bergantung pada metode aktivasi yang digunakan.

Karbon aktif digunakan pada berbagai bidang aplikasi. Kegunaan karbon aktif dapat berupa

pemurnian gas, katalisator, penyaring bau dan rasa pada industri obat dan makanan, penghilang

bau, warna dan resin pada industri pengolahan air, pelarut yang dapat digunakan kembali, dan

penyimpan energi (gas adsorptive storage) (Sembiring & Sinaga, 2003).

Ukuran pori-pori karbon aktif dapat diklasifikasikan dalam tiga jenis yaitu micropore,

mesopore dan macropore (Marsh and Reinoso. 2006). Struktur ukuran pori-pori karbok aktif dapat

dilihat pada Gambar 2.2 di bawah ini.

1. Micropores adalah pori-pori dengan ukuran diameter lebih kecil dari 2 nm. Area ini merupakan

area dimana adsorpsi dominan terjadi. Volume pori-pori ini berkisar antara 0,15 – 0,5 mL/g.

Selanjutnya Micropore diklasifikasikan menjadi dua jenis yaitu wider micropores dengan

ukuran diameter 0,7-2 nm dan narrow micropores dengan ukuran diameter lebih kecil dari 0,7

nm.

2. Mesopores adalah pori-pori dengan ukuran diameter 2 – 50 nm. Area ini merupakan area

adsorpsi dominan kedua setelah micropores. Mesopores sering juga disebut transitional pore

atau area transisi. Volume pori-pori ini berkisar antara 0,02 – 10 mL/g.

3. Macropores adalah pori-pori dengan ukuran diameter lebih besar dari 50 nm dan berfungsi

sebagai pintu masuk adsorbat menuju ke dalam micropores.


Gambar 1. Ilustrasi Skema Struktur Pori Karbon Aktif (Manocha Satish, 2003)

2.2 Struktur Fisika dan Kimia Karbon Aktif

Struktur molekul karbon aktif tersusun atas atom-atom karbon yang membentuk kristalin kecil.

Atom-atom karbon tersebut terikat secara kovalen dan membentuk tatanan heksagonal. Setiap

karbon berikatan dengan tiga karbon yang lain dengan ikatan σ, pada orbital pz terdiri dari satu

elektron dari delokalisasi ikatan π. Perbedaan ikatan pada permukaan lapisan dihubungkan oleh

ikatan van der waals.

Daerah kristalin memiliki ketebalan 0,7-1,1 nm. Pada kristalin tersebut terdapat 3 atau 4

lapisan atom karbon dengan kurang lebih terisi 20-30 heksagon di tiap lapisannya. Rongga antara

kristal-kristal karbon diisi oleh karbon-karbon yang berikatan secara tiga dimensi dengan atom-

atom lainnya terutama oksigen. Susunan karbon yang tidak teratur ini diselingi oleh retakan-

retakan dan celah yang disebut pori dan kebanyakan berbentuk silindris.

Kemampuan karbon aktif mengadsorpsi ditentukan oleh struktur kimianya, yaitu atom C, H,

dan O yang terikat secara kimia membentuk gugus fungsional, misalnya karboksil, fenol, dan eter.

Gugus fungsi ini dapat berasal dari bahan baku karbon aktif. Selain itu, gugus fungsi pada karbon

aktif juga terbentuk selama proses aktivasi oleh karena adanya interaksi radikal bebas permukaan

karbon dengan oksigen atau nitrogen yang berasal dari atmosfer. Gugus fungsi ini membuat

permukaan karbon aktif reaktif secara kimiawi dan mempengaruhi sifat adsorpsinya (Pujiyanto,

2010). Struktur Kimia Permukaan Karbon Aktif dapat dilihat pada Gambar 2.


Gambar 2 Struktur Kimia Permukaan Karbon Aktif (Mochida et al., 2006)

Karbon aktif yang telah melalui proses aktivasi akan memiliki afinitas yang sangat kuat dan

memiliki daya serap yang tinggi terhadap zat-zat kimia tertentu. Untuk membuat karbon aktif,

maka suatu gugus karbon harus melalui proses aktivasi terlebih dahulu. Proses aktivasi akan

mengakibatkan terjadinya perubahan fisik pada karbon dimana pada permukaan karbon aktif akan

terbentuk pori-pori dan luas permukaan yang baru. Pembentukan pori baru terjadi karena

pengikisan atom karbon yang terjadi pada proses pemanasan. 2.3 Proses pembuatan karbon aktif

Proses pembuatan karbon aktif terdiri atas tiga tahapan yaitu proses persiapan, karbonisasi dan

aktivasi. Proses tersebut bertujuan untuk menghasilkan pori-pori pada karbon aktif yang akan

dihasilkan sehingga diperoleh karbon aktif dengan luas permukaan yang tinggi.

1. Proses Persiapan

Proses persiapan terdiri atas proses pengecilan ukuran bahan baku dan pencampuran bahan

baku. Proses pengecilan ukuran bahan baku jerami padi bertujuan untuk menambah luas

permukaan jerami padi sehingga pencampuran antara jerami padi dan activating agent dapat

berlangsung dengan lebih efektif. Setelah proses pengecilan ukuran jerami padi dilakukan proses

pencampuran antara bahan baku karbon aktif dengan senyawa kimia yang akan menjadi activating

agent.

2. Proses Karbonisasi

Karbonisasi atau pengarangan adalah proses pemanasan bahan baku karbon aktif yang telah

melalui proses dehidrasi. Proses karbonisasi ini berlangsung pada suhu 400oC. Proses ini bertujuan


untuk menguraikan bahan-bahan organik yang terkandung dalam bahan baku untuk membentuk

tar, asam asetat dan karbon. Penguraian unsur non karbon tersebut akan menyebabkan struktur

pori-pori bahan baku menjadi berubah dan mulai terbuka. Ketika proses karbonisasi berakhir, maka

material yang terbentuk adalah karbon dalam bentuk arang dengan dengan pori-pori yang sempit

(Cheremisinoff, 1993).

Selama karbonisasi banyak elemen non karbon, hidrogen dan oksigen diubah menjadi gas oleh

dekomposisi pirolisis dari bahan mula-mula, dan atom-atom karbon bebas mengelompok dalam

formasi kristalografis yang dikenal sebagai kristal grafit. Susunan kristal ini tidak beraturan,

sehingga celah-celah bebas tetap ada diantaranya. Selanjutnya, hasil dari penumpukan dan

dekomposisi non karbon ini mengotori atau paling sedikit memblokir karbon yang tidak

terorganisasi (amorph). Bahan karbon yang demikian kemudian dapat diaktivasi dengan

memanaskannya dalam aliran gas inert, atau dengan mengekstraksinya menggunakan pelarut yang

sesuai, atau dengan reaksi kimia (A. Martin-Guillon, et al., 1993).

Faktor-faktor yang mempengaruhi karbonisasi adalah kadar air, ketebalan bahan baku,

kekerasan bahan baku, udara sekeliling dapur pembakaran (furnace), waktu pemanasan dan suhu

pemanasan. Proses karbonisasi dilakukan pada suhu 400 oC agar unsur non karbon dapat terurai.

Namun suhu dari proses karbonisasi ini juga harus dibatasi karena suhu yang terlalu tinggi dapat

menyebabkan terbentuknya sejumlah abu yang dapat menutupi pori-pori karbon aktif sehingga

akan mengurangi luas permukaan dari karbon aktif tersebut. Untuk meningkatkan daya serap

karbon aktif yang terbentuk perlu dilakukan tahapan selanjutnya, yaitu proses aktivasi.

3. Proses Aktivasi

Proses aktivasi merupakan proses penghilangan zat-zat hasil proses karbonisasi yang menutupi

pori-pori permukaan karbon aktif. Proses eleminasi zat-zat tersebut dilakukan dengan cara proses

oksidasi menggunakan oksidator lemah (CO2 dan uap air) agar atom karbon yang lain tidak turut

teroksidasi. Selain itu, proses aktivasi juga dapat dilakukan dengan menggunakan senyawa garam.

Unsur mineral akan masuk di antara plat-plat heksagonal dan membuka permukaan yang mula-

mula tertutup, sehingga jumlah permukaan karbon aktif bertambah besar (Diao et al., 2002). Proses

aktivasi dibedakan menjadi dua bagian, yaitu: proses aktivasi fisika dan proses aktivasi kimia.

Pada aktivasi secara fisika, karbon dipanaskan pada suhu sekitar 800-1.000°C dan dialirkan

gas pengoksidasi, seperti uap air dan CO2. Proses oksidasi ini akan menghilangkan zat-zat pengotor


dari proses karbonisasi dan memperbesar pori-pori karbon aktif. Namun, pada suhu aktivasi yang

terlalu tinggi beresiko terjadinya oksidasi lebih lanjut pada karbon sehingga merusak ikatan C-C

dalam bidang lempeng heksagonal karbon yang akan menurunkan luas permukaan internal (Diao

et al., 2002).

Pada aktivasi kimia, karbon dicampur dengan larutan kimia yang berperan sebagai activating

agent. Larutan kimia yang dipakai biasanya adalah garam dari logam alkali dan alkali tanah serta

zat asam maupun basa, seperti KOH, K2CO3, NaOH, ZnCl2, H3PO4, dan H2SO4. Activating agent

akan memasuki pori-pori permukaan karbon aktif yang telah terbentuk dari proses karbonisasi dan

selanjutnya mengikis permukaan bagian dalam karbon aktif. Hal ini menyebabkan zat-zat hasil

proses karbonisasi akan mudah terlepas sehingga meningkatkan luas permukaan karbon aktif.

Selanjutnya pada penelitian ini proses aktivasi yang diterapkan adalah aktivasi kimia.

Pemilihan ini didasarkan pada hasil penelitian-penelitian yang telah dilakukan dimana proses

aktivasi kimia cenderung menghasilkan luas permukaan karbon aktif yang lebih luas dibandingkan

dengan menggunakan proses aktivasi fisika (Stals, et all, 2013). Pada aktivasi secara kimia, karbon

dipanaskan pada suhu sekitar 500-900°C. Peningkatan suhu aktivasi kimia dapat menyebabkan

semakin banyak activating agent yang akan masuk di antara sela-sela lapisan heksagonal arang.

Selanjutnya, activating agent ini akan membuka permukaan arang yang tertutup untuk membentuk

sejumlah pori-pori.

Pada penelitian ini jenis activating agent yang digunakan adalah larutan K2CO3. Pemilihan

K2CO3 sebagai activating agent dikarenakan larutan K2CO3 memiliki potensi untuk menghasilkan

luas permukaan yang tinggi pada pembuatan karbon aktif. Pada proses aktivasi kimia ini, larutan

K2CO3 akan mengikis permukaan karbon aktif sehingga membentuk pori pada karbon aktif

tersebut. Pengikisan ini disebabkan oleh terjadinya reaksi antara larutan K2CO3 dengan ikatan –

CH- dan –CH2- yang terkandung dari bahan baku karbon aktif. Mekanisme reaksi antara larutan

K2CO3 dengan kandungan bahn baku karbon aktif tersebut adalah sebagai berikut (Chunlan Lu, et

al., 2010):

K2CO3 + -CH2- → K2O + 2CO + H2 (1) K2CO3+ 2-CH- → 2K + 3CO + H2 (2)

K2O + -CH2- → 2K + CO + H2 (3)

2K2O + 2-CH- → 4K + 2CO + H2 (4)


3. Metode Penelitian

3.1. Alat dan bahan penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada tabel 1 di bawah ini.

Tabel 1. Alat yang Digunakan dalam Penelitian dan Kegunaannya

Alat Kegunaan Oven Alat untuk memanaskan bahan Penyaring Mesh no.100 dan 120 Alat untuk mengecilkan dan menyamakan ukuran

karbon aktif Reaktor Alat untuk proses aktivasi kimia dengan suhu tinggi Hot plate Alat untuk memanaskan bahan dan pengadukan

larutan Pengaduk (magnetic stirrer) Alat untuk mengaduk larutan Beaker Glass Wadah untuk membuat larutan Timbangan Labu Erlenmeyer

Alat untuk mengukur massa bahan Alat untuk membuat larutan dan proses titrasi

Cawan Petri Wadah untuk menimbang Ejektor Alat untuk proses pemisahan karbon aktif dan air

distilasi Spatula Alat untuk mengaduk larutan Kertas Saring Alat untuk memisahkan karbon aktif dan air distilasi Pipet Alat untuk memindahkan larutan Labu Ukur Alat untuk membuat dan menyimpan larutan

ini.

Sedangkan bahan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada tabel 2 di bawah

Tabel 2. Bahan yang Digunakan dalam Penelitian dan Kegunaannya

Bahan Fungsi Jerami Padi Sebagai bahan baku yang akan diproses untuk

menghasilkan karbon aktif Larutan K2CO3 Sebagai activating agent pada proses aktivasi kimia

untuk membentuk pori-pori pada permukaan arang. Air distilasi Sebagai bahan untuk membuat larutan dan untuk

proses pencucian karbon aktif yang telah diaktivasi HCl 5N Sebagai bahan untuk menghilangkan zat pengotor

yang mampu menutupi pori-pori pada permukaan karbon aktif sebelum proses pencucian


Bahan Fungsi HCl 5% Sebagai bahan untuk menghilangkan zat pengotor

yang mampu menutupi pori-pori pada permukaan karbon aktif sebelum proses titrasi

Gas N2 Sebagai gas inert untuk menghilangkan kandungan oksigen di dalam reaktor

Padatan KI Sebagai bahan baku larutan penguji untuk pengukuran bilangan iod

Padatan I2 Sebagai bahan baku larutan penguji untuk pengukuran bilangan iod

Padatan Natrium Tio-Sulfat Padatan KIO3

Sebagai bahan baku larutan penguji untuk pengukuran bilangan iod Sebagai bahan baku larutan penguji untuk standarisasi larutan iodin

Kanji Sebagai bahan baku larutan indikator untuk proses titrasi pada pengukuran bilangan iod

3.2 Rangkuman kegiatan penelitian

Pada bab metode penelitian ini akan dibahas mengenai peralatan dan bahan yang akan

digunakan, variabel penelitian, diagram alir proses penelitian, dan prosedur penelitian. Tahapan-

tahapan yang dilakukan secara rinci dapat dilihat pada diagram alir penelitian keseluruhan (Gambar

3).


Persiapan alat dan bahan baku

Pencampuran bahan baku dan

Activating Agent pada suhu 200oC

Karbonisasi pada Suhu 400oC

Gas inert N2 dengan laju alir =150 mL/menit

Aktivasi di dalam reaktor pada suhu 700oC, 800oC dan 900oC dan durasi

selama 60 menit, 90 menit dan 120 menit.

Pencucian dengan HCl 5N dan air distilasi

Pengeringan

Karakterisasi luas permukaan

3.3 Variabel Penelitian

Gambar 3. Rangkuman kegiatan penelitian

Berikut adalah variabel yang terkait pada penelitian ini :

• Variabel Bebas

1. Suhu aktivasi kimia


2. Lama waktu aktivasi • Variabel Kontrol

1. Jenis activating agent

2. Rasio massa activating agent/massa jerami padi

3. Laju alir gas nitrogen • Variabel Terikat

Luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan

4. Hasil Penelitian

4.1 Yield karbonisasi

Data yield arang yang diperoleh dari proses karbonisasi jerami padi dapat dilihat pada tabel 3. Tabel 3. Yield Arang jerami padi

Massa jerami

padi (gram)

Massa arang

(gram)

Massa arang dari

jerami padi (gram)

Yield

(%)

25 46,85 9,35 37,40

25 49,92 12,42 49,68

25 46,85 9,35 37,40

25 50,31 12,81 51,24

25 48,61 11,11 44,44

25 48,70 11,20 44,80

25 47,92 10,42 41,68

25 46,11 8,61 34,44

25 45,63 8,13 32,52

4.2 Yield aktivasi

Data yield karbon yang diperoleh dari proses aktivasi kimia dapat dilihat pada tabel 4.


Tabel 4. Yield karbon aktif hasil aktivasi

Sampel Suhu aktivasi Lama waktu

aktivasi Yield perolehan karbon aktif

1

700 oC

60 menit 85,36%

2 90 menit 82,59%

3 120 menit 82,34%

4

800 oC

60 menit 81,36%

5 90 menit 79,82%

6 120 menit 78,52%

7

900 oC

60 menit 78,49%

8 90 menit 77,90%

9 120 menit 76,11% 4.3 Burn off

Burn off adalah persentase pengurangan massa bahan baku jerami padi selama proses aktivasi

dan pencucian hingga didapat produk karbon aktif. Nilai persentase burn off ini dapat dijadikan

sebagai pendekatan secara makro untuk mengkarakterisasi hasil pembuatan karbon aktif, dimana

nilai burn off yang tinggi menunjukkan bahwa volume pori akan bertambah. Perhitungan untuk

mendapatkan persentasi burn off dapat dilakukan dengan persamaan (6) dan hasil perhitungan burn

off pada penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 5.

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! 1−! ! 2 ! ! 100% (6)

! ! 1

Tabel 5. Persentase burn off

Sampel Suhu aktivasi

(oC)

Lama waktu

aktivasi

(menit)

Persentase Burn off

(%)

1

700

60 66,60

2 90 74,20

3 120 76,56

4 800 60 70,28


5 90 75,36

6 120 78,64

7

900

60 77,28

8 90 80,32

9 120 85,08

4.4 Bilangan iod dan luas permukaan

Data bilangan iod dan luas permukaan sampel karbon aktif dapat dilihat pada Tabel 6 dan

Gambar 2.

Tabel 6. Bilangan iod dan luas permukaan karbon aktif

Suhu aktivasi (oC)

Lama waktu (menit)

Bilangan iod (mg/gr)

Luas permukaan

( m2/gr )

700 60 397 352 90 414 376 120 430 401

800

60 445 425 90 570 621 120 617 695

900

60 636 725 90 813 1.003 120 700 837

Gambar 4. Hubungan suhu aktivasi dan lama waktu aktivasi terhadap luas permukaan karbon aktif


5. Pembahasan

5.1. Yield karbonisasi

Dari tabel 3 diketahui bahwa yield arang dari jerami padi berkisar pada persentase 32-51%.

Hasil ini cukup kecil dan menandakan bahwa pada proses karbonisasi, kandungan volatile matter

yang terdapat pada jerami padi telah berkurang sehingga meningkatkan presentase kandungan

karbon pada arang yang dihasilkan.

5.2. Yield aktivasi

Berdasarkan tabel 4 diketahui terjadi pengurangan massa arang yang diaktivasi secara

kimia. Pengurangan ini merepresentasikan hasil reaksi antara karbon dan activating agent. Semakin

kecil persentase yield karbon aktif yang diperoleh maka semakin banyak pula jumlah zat dari reaksi

yang dihasilkan.

Pada reaksi tersebut dihasilkan sejumlah gas CO dan H2 yang selanjutnya mengalir

meninggalkan reaktor sementara zat padatan hasil reaksi masih menempel pada arang aktif hasil

aktivasi kimia. Dari tabel 4, kenaikan suhu aktivasi menyebabkan penurunan yield arang aktif yang

dihasilkan. Berdasarkan azas Le Chatelier, kenaikan suhu menyebabkan reaksi bergeser ke arah

endoterm atau ke kanan sehingga semakin banyak produk yang dihasilkan dan semakin banyak

reaktan yang bereaksi. Hal ini menyebabkan semakin tinggi suhu aktivasi maka semakin banyak

pengurangan reaktan yang terjadi. Kenaikan lama waktu aktivasi juga menyebabkan penurunan

yield arang aktif yang dihasilkan. Hal ini disebabkan oleh semakin lama terjadinya proses aktivasi

kimia maka semakin lama reaksi kimia yang berlangsung dan semakin banyak pula reaktan yang

bereaksi sehingga terjadi penurunan hasil karbon aktif yang dihasilkan.

5.3. Burn off

Berdasarkan tabel 5, persentase burn off untuk sampel karbon aktif dari jerami padi berkisar

pada 66,60-85,08%. Nilai persentase ini merepresentasikan hasil penguapan zat volatile, hasil

penghilangan abu dan hasil reaksi antara karbon dengan activating agent K2CO3 selama proses

karbonisasi dan aktivasi. Analisis proximate pada bab sebelumnya menunjukkan presentase zat

volatile yang terkandung pada jerami padi adalah sebesar 65,47% sementara kandungan abu dan

fixed carbon pada jerami padi adalah sebesar 15,86% dan 18,67%. Karbon aktif berbahan baku

jerami padi yang lebih optimal adalah karbon aktif yang memiliki nilai persentase burn off lebih

besar dari 81,33% (jumlah dari persentase zat volatile dan abu pada jerami padi). Sampel 1 hingga


sampel 8 memiliki nilai persentase burn off yang lebih kecil dari 81,33% sehingga dapat dikatakan

bahwa pada sampel 1 hingga sampel 8 masih mengandung zat volatile dan abu yang dapat

menutupi pori-pori permukaan karbon aktif. Sementara untuk sampel 9 dengan nilai persentase

burn off yang lebih besar dari 81,33% menunjukkan bahwa telah terjadi penngurangan zat volatile

dan abu yang cukup besar selama proses karbonisasi dan aktivasi. Namun, masih belum dapat

disimpulkan bahwa sampel 9 telah terbebas dari zat volatile dan abu sepenuhnya karena

pengurangan signifikan ini dapat juga dikontribusikan oleh berkurangnya fixed carbon yang

disebabkan oleh aktivasi dengan suhu tinggi dan lama waktu yang lama.

Tabel 5 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu aktivasi maka semakin tinggi pula

persentase burn off. Hal ini menunjukkan semakin tinggi suhu aktivasi maka semakin banyak pula

pori-pori yang terbentuk pada permukaan karbon aktif yang disebabkan oleh penguapan zat volatile

dan meningkatnya intensitas pengikisan permukaan karbon aktif dari reaksi yang melibatkan

activating agent. Hal yang sama terjadi pula pada peningkatan lama waktu aktivasi. Peningkatan

lama waktu ini meningkatkan intensitas reaksi yang terjadi sehingga semakin banyak pula pori-

pori ayng dapat terbentuk. Oleh karena itu peningkatan persentase burn off dapat

merepresentasikan karbon aktif yang berpotensi memiliki luas permukaan yang tinggi.

5.4. Bilangan iod dan luas permukaan

Gambar 4 menunjukkan hubungan suhu aktivasi dan lama waktu aktivasi terhadap luas

permukaan karbon aktif. Dari grafik pada Gambar 4 terlihat bahwa untuk setiap variasi suhu

aktivasi dengan lama waktu waktu yang sama terjadi kenaikan bilangan iod yang cukup signifikan

yang berarti bahwa luas permukaan karbon aktif juga semakin besar seiring dengan meningkatnya

suhu aktivasi. Hal ini terjadi karena peningkatan suhu menyebabkan semakin banyak zat volatile

yang mengalami penguapan serta semakin banyak bagian arang dengan rantai –CH– dan –CH2–

yang bereaksi dengan activating agent K2CO3 karena kesetimbangan yang bergeser ke arah kanan

atau ke arah produk. Reaksi ini mengakibatkan pembentukan micropores pada karbon juga

meningkat sehingga luas permukaan karbon aktif yang direpresentasikan dengan bilangan iod akan

semakin besar.

Diketahui bahwa suhu lebur dari K2CO3 adalah pada suhu 891oC. Peningkatan suhu aktivasi

menyebabkan semakin banyak jumlah K2CO3 yang melebur dan meresap pada arang yang akan

diaktivasi sehingga semakin banyak jumlah K2CO3 yang akan masuk di antara sela-sela lapisan

heksagonal arang dan selanjutnya mengikis pori-pori pada permukaan arang yang diaktivasi. Hal


ini menyebabkan sampel karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 900oC memiliki luas permukaan

tertinggi dibandingkan dengan sampel karbon aktif yang diaktivasi pada suhu yang lebih rendah.

Dari gambar 2 juga dapat dilihat bahwa untuk setiap variasi lama waktu aktivasi sebesar 60

menit, 90 menit, dan 120 menit untuk suhu aktivasi yang sama (kecuali pada sampel karbon aktif

suhu aktivasi 900oC dan lama waktu aktivasi selama 120 menit), terjadi kenaikan bilangan iod

yang juga berarti terjadi peningkatan luas permukaan karbon aktif dengan meningkatnya lama

waktu aktivasi. Namun, kenaikan bilangan iod dengan adanya peningkatan dari lama waktu

aktivasi ini tidak sesignifikan kenaikan bilangan iod pada peningkatan suhu aktivasi.

Meningkatnya luas permukaan pada peningkatan lama waktu aktivasi terjadi karena lama waktu

aktivasi yang semakin lama mengakibatkan intensitas proses interaksi antara arang dengan

activating agent K2CO3 semakin meningkat sehingga semakin banyak bagian arang dengan rantai

–CH– dan –CH2– yang bereaksi dengan activating agent K2CO3. Reaksi ini mengakibatkan

pembentukan micropores maupun mesopores pada karbon juga meningkat sehingga luas

permukaan karbon aktif akan semakin besar.

Data luas permukaan karbon aktif dari tabel 6 menunjukkan bahwa sampel karbon aktif suhu

aktivasi 900oC dan lama waktu aktivasi selama 120 menit menghasilkan luas permukaan sebesar

700 m2/gr. Luas permukaan ini lebih rendah dibandingkan luas permukaan dari sampel karbon aktif

suhu aktivasi 900oC dan lama waktu aktivasi selama 90 menit. Hal ini dapat terjadi karena proses

reaksi antara arang dengan rantai –CH– dan –CH2– dengan activating agent K2CO3 berlangsung

terlalu lama pada suhu yang tinggi sehingga struktur pori-pori karbon dikhawatirkan akan rusak

ketika proses aktivasi berlangsung. Hal ini dikarenakan pada suhu aktivasi yang terlalu tinggi

beresiko terjadinya oksidasi lebih lanjut pada karbon sehingga merusak ikatan C-C dalam bidang

lempeng heksagonal karbon yang akan menurunkan luas permukaan internal (Diao et al., 2002).

Selain itu, aktivasi yang berlangsung terlalu lama pada suhu yang tinggi menyebabkan

meningkatnya pembentukan mesopores dari micropores-micropores yang telah terbentuk

sebelumnya. Pembentukan mesopores yang memiliki ukuran lebih besar ini akan mengurangi luas

permukaan dari pori-pori karbon aktif.

Selanjutnya, seluruh sampel karbon aktif yang telah diperoleh dari penelitian dikomparasikan

dengan Standar Industri Indonesia (SII) Departemen Perindustrian Republik Indonesia untuk

karbon aktif. Menurut SII, karbon aktif yang baik mempunyai persyaratan untuk daya serap

terhadap iodine minimal 750 mg/gram. Dari persyaratan ini, diketahui bahwa sampel karbon aktif


hasil aktivasi pada suhu 900oC dan lama waktu 90 menit mampu menghasilkan karbon aktif yang

baik karena memiliki bilangan iod sebesar 813 mg/gr.

6. KESIMPULAN

Dari hasil penelitian pembuatan karbon aktif dengan bahan baku jerami padi dengan aktivasi

kimia menggunakan K2CO3 sebagai activating agent, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai

berikut:

1. Karbon aktif dari jerami padi mampu menghasilkan luas sebesar 1.003 m2/g. Hasil ini dicapai

dari proses aktivasi dengan waktu aktivasi pada suhu 900oC selama 90 menit.

2. Lama waktu aktivasi berpengaruh terhadap luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan.

Semakin lama waktu aktivasi, luas permukaan karbon aktif. Untuk waktu aktivasi selama 60

menit, luas permukaan tertinggi ialah 725 m2/g dan untuk waktu aktivasi selama 90 menit,

permukaan tertinggi ialah 1.003 m2/g.

3. Suhu aktivasi berpengaruh terhadap luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan. Semakin

tinggi suhu aktivasi, luas permukaan karbon aktif semakin besar. Untuk aktivasi pada suhu

700oC, luas permukaan tertinggi ialah 401 m2/g, untuk aktivasi pada suhu 800oC, luas

permukaan tertinggi ialah 695 m2/g dan untuk aktivasi pada suhu 900oC, luas permukaan

tertinggi ialah 1.003 m2/g 7. SARAN

Dari hasil penelitian pembuatan karbon aktif dengan bahan baku jerami padi dengan aktivasi

kimia menggunakan K2CO3 sebagai activating agent, maka terdapat saran-saran sebagai berikut

untuk penelitian selanjutnya:

1. Melakukan pembuatan karbon aktif dengan variasi suhu waktu aktivasi 1.000oC selama 60

menit dan 90 menit.

2. Melakukan pembuatan karbon aktif dengan variasi laju alir gas N2 hingga 1.000 ml/menit .

3. Melakukan uji analisis struktur permukaan dengan SEM agar perubahan struktur pori pada

bahan baku sebelum dan sesudah di aktivasi dapat diketahui. 8. DAFTAR PUSTAKA

A. Martin-Guillon, et al., 1993. “Carbon”. 31:1099.

ASTM D4607-94 Standard Test Method for Determination of Iodine Number of Activated Carbon


Chen. et al., 2012. “Activated carbon powders from wool fibers”.

Cheremisinoff, P. N., Cheremisinoff, N. P. 1993. “Water Treatment and Waste Recovery”. New

Jersey: Prentice hall, Englewood Cliffs.

Diao YL, Walawender WP, Fan LT. 2002. “Activated Carbons Prepared from Phosphoric Acid

Activation of Grain Sorghum. Bioresource Technology”. 81: 45-52.

Fierro V., Muniz G., Basta A.H., El-Saied H., Celzard A., 2010. “Rice straw as precursor of

activated carbons: Activation with ortho-phosporic acid”. Egypt.

Kim and Dale. 2003. “Global potential bioethanol production from wasted crops and crop

residues”. Michigan.

Makarim. A. Karim Sumarno, Suyamto, 2007. “Jerami Padi Pengelolaan dan Pemanfaatan”. Badan

Penelitian dan Pengembangan Pertanian: Bogor.

Manocha Satish. 2003.“Porous Carbons”.

Marsh Harry and Rodriguez-Reinoso F. 2006. “Activated Carbon”. Elsevier Science & Technology

Books.

Oh and Park. 2001. “Preparation and Characteristics of Rice Straw Based Porous Carbons with

High Adsorption Capacity”. Seoul.

Pujiyanto. 2010. “Pembuatan Karbon Aktif Super dari Batubara dan Tempurung Kelapa”. Depok,

Departemen Teknik Kimia FTUI.

Robau-Sanchez A., A. Aguilar-Elguezabal, J. Aguilar-Pliego, Chemical activation of Quercus

agrifolia char using KOH: Evidence of cyanide presence, Microporous and mesoporous

materials 85 (2005) 331-339.

S. Meilita & S. Tuti. 2003. “Arang Aktif (Pengenalan dan Proses Pembuatannya)”. Sen, D. 2005.

Reference Book on Chemical Engineering vol.1. New Delhi: New Age International Publisher.

Sembiring, M. T. dan Sinaga, T. S. 2003. “Arang Aktif (Pengenalan dan Proses Pembuatannya).

Stals Mark, Vandewijngaarden Jens, Wrobel-Iwaniec Iwona, Gryglewicz Grazyna, Carleer Robert,

Schreurs Sonja, Yperman Jan, 2013. “Characterization of activated carbons derived”.

Diepenbeek.


PEMANFAATAN JERAMI PADI UNTUK PRODUKSI KARBON …

Documents

Transcript of PEMANFAATAN JERAMI PADI UNTUK PRODUKSI KARBON …