SINTESIS KOMPOSIT KARBON SULFUR DARI

KULIT KENTANG

Laporan Penelitian

Disusun untuk memenuhi tugas akhir guna mencapai gelar

sarjana di bidang ilmu Teknik Kimia

Oleh:

Shealynn Lenora

(2016620015)

Pembimbing :

Arenst Andreas Arie, S.T., S.Si., M.Sc., Ph.D.

Hans Kristianto, S.T., M.T.,

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN

2020

ii

LEMBAR PENGESAHAN

JUDUL : SINTESIS KOMPOSIT KARBON SULFUR DARI KULIT

KENTANG

CATATAN :

Telah diperiksa dan disetujui,

Bandung, 9 Januari 2020

Pembimbing 1 Pembimbing 2

Arenst Andreas Arie, S.T., S.Si., M.Sc., Ph.D. Hans Kristianto S.T., M.T.

iii

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN

SURAT PERNYATAAN

Saya, yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : Shealynn Lenora

NPM : 2016620015

Dengan ini menyatakan bahwa laporan penelitian dengan judul :

SINTESIS KOMPOSIT KARBON SULFUR DARI KULIT KENTANG

adalah hasil pekerjaan saya dan seluruh ide, pendapat atau materi dari sumber lain telah

dikutip dengan cara penulisan referensi yang sesuai.

Pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan jika pernyataan ini tidak sesuai

dengan kenyataan, maka saya bersedia menanggung sanksi sesuai dengan peraturan yang

berlaku.

Bandung, 9 Januari 2020

Shealynn Lenora

(2016620015)

iv

LEMBAR REVISI

JUDUL : SINTESIS KOMPOSIT KARBON SULFUR DARI KULIT

KENTANG

CATATAN :

Telah diperiksa dan disetujui,

Bandung, 10 Januari 2020

Penguji 1 Penguji 2

Dr. Ir. Asaf Kleopas Sugih Dr. Angela Justina Kumalaputri, S.T., M.T.

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan rahmat-Nya sehingga

penulis dapat diberikan kesempatan untuk menyelesaikan laporan penelitian yang berjudul

“Sintesis Komposit Karbon Sulfur dari Kulit Kentang” ini tepat pada waktunya.

Proposal penelitian ini disusun guna memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar

sarjana Strata-1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik

Parahyangan, Bandung. Dalam penyusunan proposal penelitian ini tentunya penulis tidak

terlepas dari bantuan, bimbingan, serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu pada

kesempatan ini penulis dengan senang hati menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Arenst Andreas Arie, S.T., S.Si., M.Si., Ph.D. selaku dosen pembimbing

yang telah memberikan bimbingan, ilmu pengetahuan, waktu dan saran selama

proses penyusunan proposal penelitian ini.

2. Bapak Hans Kristianto, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing yang telah

memberikan bimbingan, ilmu pengetahuan, waktu dan saran selama proses

penyusunan proposal penelitian ini.

3. Orang tua serta keluarga penulis atas doa dan dukungannya baik secara material

maupun moral.

4. Teman-teman Program Studi Teknik Kimia UNPAR atas dukungan dan saran yang

diberikan kepada penulis pada saat penyusunan proposal penelitian ini.

5. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebatkan satu per satu yang telah

membantu penulis baik secara langsung maupun tidak langsung

Penulis menyadari bahwa dalam laporan penelitian ini banyak kekurangan dan

masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu dengan hati yang terbuka penulis

mengharapkan kritik dan saran yang dapat membangun dan mengembangkan penulis dalam

penyusunan laporan berikutnya. Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-

besarnya atas perhatian pembaca. Penulis berharap agar laporan penelitian ini dapat menjadi

manfaat bagi pembaca.

Bandung, 17 Desember 2019

vi

DAFTAR ISI

SINTESIS KOMPOSIT KARBON SULFUR DARI KULIT KENTANG ........................... i

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................................... ii

SURAT PERNYATAAN ..................................................................................................... iii

LEMBAR REVISI ................................................................................................................ iv

KATA PENGANTAR ........................................................................................................... v

DAFTAR ISI ........................................................................................................................ vi

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................ ix

DAFTAR TABEL ................................................................................................................. x

INTISARI ............................................................................................................................. xi

ABSTRACT .......................................................................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN ..................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 1

1.2 Tema Sentral ........................................................................................................... 4

1.3 Identifikasi Masalah ................................................................................................ 4

1.4 Premis ..................................................................................................................... 5

1.5 Hipotesis ................................................................................................................. 7

1.6 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 7

1.7 Manfaat Penelitian .................................................................................................. 7

1.7.1 Manfaat bagi Industri....................................................................................... 7

1.7.2 Manfaat bagi Negara ....................................................................................... 7

1.7.3 Manfaat bagi Ilmu Pengetahuan ...................................................................... 8

1.7.4 Manfaat bagi masyarakat ................................................................................. 8

1.8 Batasan Masalah ..................................................................................................... 8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................... 9

2.1 Kulit Kentang .............................................................................................................. 9

2.2 Lignoselulosa ............................................................................................................. 10

2.2.1 Selulosa ............................................................................................................... 11

2.2.2 Hemiselulosa ...................................................................................................... 12

2.2.3 Lignin.................................................................................................................. 12

2.3 Karbon Aktif .............................................................................................................. 13

2.4 Proses Pembuatan Karbon Aktif dari Biomassa ........................................................ 16

vii

2.4.1 Dehidrasi dan Karbonisasi .................................................................................. 16

2.4.1.1 Karbonisasi Konvensional (Pirolisis) ........................................................ 17

2.4.1.2 Karbonisasi Hidrotermal ........................................................................... 18

2.4.1.3 Karbonisasi dengan Katalis ....................................................................... 21

2.4.2 Aktivasi ............................................................................................................... 22

2.4.2.1 Aktivasi Fisika ........................................................................................... 22

2.4.2.2 Aktivasi Kimia ........................................................................................... 23

2.5 Karbon Sulfur........................................................................................................ 23

2.6 Analisis Karbon Aktif ........................................................................................... 25

2.6.1 Analisis Scanning Electron Microscopy (SEM) ............................................ 25

2.6.2 Analisis X-Ray Diffraction (XRD) ................................................................ 27

BAB III METODE PENELITIAN ..................................................................................... 28

3.1 Tahap Penelitian ........................................................................................................ 28

3.2 Alat dan Bahan ...................................................................................................... 29

3.2.1 Alat : .............................................................................................................. 29

3.2.2 Bahan : ........................................................................................................... 30

3.3 Rangkaian Alat...................................................................................................... 30

3.4 Prosedur Penelitian ............................................................................................... 31

3.4.1 Pretreatment Kulit Kentang .......................................................................... 31

3.4.2 Sintesis Karbon Aktif .................................................................................... 32

3.4.3 Pembuatan Komposit Karbon Sulfur ............................................................. 35

3.4.4 Analisis .......................................................................................................... 35

3.4.5 Pengolahan Data ............................................................................................ 36

3.5 Variasi Percobaan ................................................................................................. 37

3.6 Lokasi dan Jadwal Kerja Penelitian ...................................................................... 37

BAB IV PEMBAHASAN ................................................................................................... 39

4.1 Sintesis Hydrochar .................................................................................................... 39

4.1.1 Perolehan Massa Hydrochar .............................................................................. 39

4.1.2 Kapasitas Adsorpsi Hydrochar ........................................................................... 40

4.1.3 Hasil Analisis SEM Hydrochar .......................................................................... 41

4.1.4 Hasil Analisis XRD Hydrochar .......................................................................... 42

4.2 Sintesis Karbon Aktif ................................................................................................ 43

4.2.1 Perolehan Massa Karbon Aktif........................................................................... 43

viii

4.2.2 Kapasitas Adsorpsi Karbon Aktif ....................................................................... 44

4.2.3 Hasil Analisis SEM Karbon Aktif ...................................................................... 45

4.2.4 Hasil Analisis XRD Karbon Aktif ...................................................................... 46

4.3 Sintesis Komposit Karbon Sulfur .............................................................................. 48

4.3.1 Hasil Analisis SEM Karbon Sulfur .................................................................... 48

4.3.2 Hasil Analisis XRD Karbon Sulfur .................................................................... 49

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................................. 51

5.1 Kesimpulan ................................................................................................................ 51

5.2 Saran .......................................................................................................................... 51

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................... 53

LAMPIRAN A MATERIAL SAFETY DATA SHEET ......................................................... 63

A.1 Kalium Hidroksida .................................................................................................... 63

A.2 Asam Klorida ............................................................................................................ 63

A.3 Asam Sulfat .............................................................................................................. 64

A.4 Nitrogen .................................................................................................................... 65

A.5 Etanol ........................................................................................................................ 66

A.6 Karbon aktif .............................................................................................................. 67

LAMPIRAN B CONTOH PERHITUNGAN..................................................................... 68

B.1 Perolehan Massa Hydrochar dan Karbon Aktif ........................................................ 68

B.2 Konsentrasi Hasil Adsorpsi dan Kapasitas Adsorpsi ................................................ 68

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Produksi kentang di Indonesia ........................................................................ 2

Gambar 2.1 Kulit kentang ………………………………………………………………... 9

Gambar 2.2 Struktur rantai molekular selulosa. ................................................................ 12

Gambar 2.3 Struktur rantai molekul hemiselulosa ............................................................ 12

Gambar 2.4 Struktur rantai molekul lignin ........................................................................ 13

Gambar 2.5 Struktur fisika karbon aktif ............................................................................ 14

Gambar 2.6 Skema struktur pori karbon aktif .................................................................... 15

Gambar 2.7 Struktur kimia karbon aktif ............................................................................ 16

Gambar 2.8 Mekanisme hidrotermal pada selulosa ........................................................... 19

Gambar 2.9 Mekanisme hidrotermal pada lignin............................................................... 20

Gambar 2.10 Mekanisme hidrotermal pada hemiselulosa ................................................. 21

Gambar 2.11 Komposit karbon sulfur ............................................................................... 24

Gambar 2.12 Transformasi struktur sulfur ......................................................................... 25

Gambar 2.13 Diagram analisis SEM ................................................................................. 26

Gambar 2.14 Struktur XRD ............................................................................................... 27

Gambar 3.1 Skema umum tahap penelitian .......................................................................28

Gambar 3.2 Autoklaf teflon ............................................................................................... 30

Gambar 3.3 Furnace ........................................................................................................... 31

Gambar 3.4 Skema pretreatment kulit kentang .................................................................. 32

Gambar 3.5 Skema karbonisasi .......................................................................................... 33

Gambar 3.6 Skema aktivasi kimia ..................................................................................... 34

Gambar 3.7 Skema pembuatan karbon sulfur .................................................................... 35

Gambar 3.8 Skema analisis kapasitas adsorpsi .................................................................. 36

Gambar 4.1 Hasil analisis SEM kulit kentang dan hydrochar ..........................................41

Gambar 4.2 Hasil analisis XRD kulit kentang, hydrochar tanpa katalis, dan hydrochar

dengan katalis ...................................................................................................................... 42

Gambar 4.3 Hasil analisis SEM karbon aktif ..................................................................... 46

Gambar 4.4 Bidang hkl ...................................................................................................... 47

Gambar 4.5 Perbandingan hasil analisis XRD karbon aktif .............................................. 47

Gambar 4.6 Hasil analisis SEM karbon sulfur ................................................................... 49

Gambar 4.7 Perbandingan hasil analisis XRD karbon sulfur ........................................... 50

x

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Data Ekspor-Impor Karbon Aktif di Indonesia ................................................... 1

Tabel 1.2 Karakteristik Beberapa Material Katoda Baterai Litium ..................................... 3

Tabel 1.3 Variasi Katalis terhadap Perolehan Massa Karbon yang Dihasilkan ................... 5

Tabel 1.4 Variasi Rasio Karbon : Aktivator terhadap Luas Permukaan Karbon Aktif yang

Dihasilkan .............................................................................................................................. 6

Tabel 2.1 Komposisi Kulit Kentang (% Berat Basis Kering)……………………..............10

Tabel 2.2 Struktur dan Komposisi Kimia dari Selulosa, Hemiselulosa, dan Lignin pada

Dinding Sel Tumbuhan ........................................................................................................ 10

Tabel 2.3 Persyaratan Karbon Aktif menurut SNI 06-3730-1995 ..................................... 14

Tabel 3.1 Variasi Percobaan................................................................................................37

Tabel 3.2 Jadwal Kerja Penelitian ...................................................................................... 38

Tabel 4.1 Perolehan Massa Hydrochar................................................................................39

Tabel 4.2 Kapasitas Adsorpsi Hydrochar ........................................................................... 40

Tabel 4.3 Perolehan Massa Karbon Aktif ........................................................................... 43

Tabel 4.4 Kapasitas Adsorpsi Karbon Aktif ....................................................................... 44

xi

INTISARI

Karbon aktif banyak digunakan dalam berbagai aplikasi dalam industri, seperti

adsorben zat warna, adsorben logam berat, adsorben gas, support katalis, elektroda

superkapasitor, serta sebagai bahan dasar komposit karbon sulfur sebagai katoda baterai.

Karbon aktif biasanya dibuat dengan menggunakan bahan baku batubara. Namun, batubara

memiliki beberapa kelemahan, di antaranya menghasilkan polutan dan merupakan sumber

energi yang tak terbarukan yang menyebabkan harganya menjadi mahal, sehingga dibuat

karbon aktif dari material lain yang lebih menguntungkan dan ramah lingkungan, contohnya

adalah kulit kentang. Aplikasi karbon aktif yang menjadi fokus penelitian ini adalah untuk

menjadi karbon sulfur untuk dimanfaatkan sebagai katoda baterai yang akan digunakan pada

baterai litium. Komposit karbon sulfur digunakan sebagai alternatif untuk menggantikan

katoda LiCoO2 yang bersifat toksik. Pada penelitian ini, dapat diketahui pengaruh katalis

dalam proses karbonisasi hidrotermal, serta perbandingan massa hydrochar dengan KOH

dalam proses aktivasi kimia terhadap perolehan massa dan karakteristik fisika dari karbon

aktif dan komposit karbon sulfur yang dihasilkan dari bahan baku kulit kentang.

Pada penelitian ini karbon aktif disintesis dari kulit kentang melalui beberapa tahap,

yaitu pretreatment, karbonisasi hidrotermal, dan aktivasi kimia, lalu dilakukan difusi lebur

untuk membuat komposit karbon sulfur. Pada proses pretreatment, kulit kentang

dibersihkan, dikeringkan, dihaluskan, dan diayak untuk mendapatkan ukuran yang

diinginkan. Selanjutnya dilakukan karbonisasi hidrotermal bubuk kulit kentang dengan

menggunakan autoklaf teflon pada temperatur 200 oC selama 24 jam dengan variasi tanpa

dan dengan katalis H2SO4 (0,2 M). Hydrochar tanpa katalis kemudian diaktivasi dengan

menggunakan KOH dengan berbagai rasio (1:3, 1:4, 1:5) dan pemanasan dengan temperatur

800 oC selama 1 jam dalam atmosfer nitrogen. Karbon aktif pada setiap variasi kemudian

akan diproses dengan difusi lebur menjadi komposit karbon sulfur. Karbon aktif dan

komposit karbon sulfur yang dihasilkan dikarakterisasi kapasitas adsorpsi, morfologi, dan

kristalinitasnya menggunakan adsorpsi metilen biru, SEM, dan XRD.

Penambahan katalis pada karbonisasi hidrotermal tidak berpengaruh signifikan

terhadap perolehan massa dan morfologi hydrochar, namun menaikkan nilai kapasitas

adsorpsi dari 7,3 menjadi 16,4 mg/g dan kristalinitas hydrochar dari 21 % menjadi 22,3 %.

Puncak XRD yang tumpul pada 2theta 21,6o dan 42,5o yang mengambarkan hydrochar

berbentuk amorfous dengan kandungan karbon C(002) dan karbon C(100). Penggunaan

KOH yang semakin banyak pada aktivasi kimia menurunkan perolehan massa karbon aktif

yaitu 20,3 % pada KA 1:3, 17,7 % pada KA 1:4, dan 6,6 % pada KA 1:5. Selain itu,

penggunaan KOH yang semakin banyak juga mempengaruhi morfologi karbon aktif yaitu

semakin besar dan banyaknya pori-pori yang terbentuk, namun pada variasi KA 1:5 struktur

karbon yang terbentuk sudah terpecah. Variasi perbandingan massa hydrochar dan KOH 1:4

menghasilkan kapasitas adsorpsi terbesar yaitu sebesar 194,7 mg/g dan memiliki struktur

yang amorfous dengan struktur C(002) dan C(100). Penambahan sulfur ke dalam karbon

aktif membuat pori-pori karbon aktif tertutup dan meningkatkan kristalinitasnya.

Berdasarkan hasil yang diperoleh, komposit karbon sulfur yang dihasilkan dapat diuji coba

lebih lanjut sebagai katoda baterai.

Kata kunci : Karbon aktif, komposit karbon sulfur, hidrotermal, katalis, aktivasi kimia.

xii

ABSTRACT

Activated carbon is widely used in various applications in the industry, such as dye

adsorbents, heavy metal adsorbents, gas adsorbents, catalyst supports, electrode

supercapacitors, and carbon-sulfur base ingredients for battery cathodes. Activated carbon

is usually made using coal as the raw material. However, coal has several disadvantages

such as produces pollutants and it is a non-renewable energy source which makes it

expensive. So, activated carbon is made from other materials that are more beneficial and

environmentally friendly, for example : potato skins. The activated carbon application’s

focus of this research is to make carbon-sulfur as a battery cathode used in lithium batteries.

Carbon sulfur composites are used as alternative to replace the toxic LiCoO2 cathode. In

this research, it can be seen the effect catalyst composition in the hydrothermal

carbonization process, and the ratio of the hydrocar mass with KOH in the chemical

activation process to the mass and physical characteristics of activated carbon and carbon-

sulfur sproduced from potato skin. In this research, activated carbon was synthesized from potato skins through several

stages : pretreatment, hydrothermal carbonization, and chemical activation, then melting

diffusion was made to make carbon sulfur composites. In the pretreatment process, the

potato skin is cleaned, dried, mashed, and sieved to obtain the desired size. Furthermore,

hydrothermal carbonization of potato peel powder was carried out using an autoclave of

teflon at temperature 200 oC for 24 hours with and without H2SO4 catalyst (0.2 M).

Hydrochar without catalyst is then activated using KOH in various ratios (1:3, 1:4, 1:5) and

heating at temperature 800 oC for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Activated carbon in each

variation will then be processed by diffusion into carbon sulfur composites. Activated carbon

and carbon sulfur composites produced was characterized by adsorption capacity,

morphology, and crystallinity using methylene blue, SEM, and XRD adsorption.

The addition of catalysts in hydrothermal carbonization did not significantly

influence the mass gain and hydrochar morphology, but increased the adsorption capacity

from 7.3 to 16,4 mg/g and the crystallinity of hydrochar from 21 % to 22.3 %. Blunt XRD

peaks at 2theta 21.6o and 42.5o depict amorphous C(002) and C(100) content. Increasing

use of KOH in chemical activation reduces the mass gain of activated carbon by 20.3% in

KA 1:3, 17.7 % in KA 1:4, and 6.6 % in KA 1:5, while also affects the morphology of

activated carbon. There were more and bigger pores that produced with increasing use of

KOH, but in KA 1:5 the structure of carbon formed is already split. Ratio variation of

hydrochar mass with KOH 1:4 produces the largest adsorption capacity of 194,7 mg/g and

has an amorphous structure with C(002) and C(100). Adding sulfur to activated carbon

makes the pores of activated carbon closed and increases its crystallinity. Carbon sulfur

composite produced can be further tested as a battery cathode.

Keywords: Activated carbon, carbon-sulfur composite, hydrothermal, catalyst, chemical

activation.

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sektor industri merupakan salah satu sektor potensial yang memiliki peranan penting

dalam pembangunan ekonomi suatu negara, khususnya bagi negara berkembang. Oleh

karena itu, kian hari kian banyak sektor-sektor industri yang didirikan di negara-negara

berkembang, salah satunya di Indonesia. Perkembangan industri di Indonesia terus tumbuh

seiring dengan berkembangnya teknologi dan meningkatnya kebutuhan masyarakat akan

produk dari tahun ke tahun. Salah satu industri yang tengah berkembang adalah industri

karbon aktif. Karbon aktif merupakan suatu padatan berpori yang merupakan hasil

pemanasan pada temperatur tinggi dari bahan-bahan yang mengandung karbon (Khuluk,

2016). Karbon aktif juga dapat didefinisikan sebagai senyawa karbon amorfous yang

memiliki porositas serta luas area yang tinggi (Kristianto, 2017). Karbon aktif banyak

digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti adsorben zat warna (Doke dkk., 2016), adsorben

logam berat (Chen dkk., 2016), adsorben gas (Syed-Hassan dan Zaini, 2016), support katalis,

elektroda superkapasitor (Arie dkk., 2014; Teo dkk., 2016), dan seebagai bahan dasar

komposit karbon sulfur sebagai katoda baterai litium sulfur (Zhao dkk., 2015). Dikarenakan

aplikasi karbon aktif yang beragam, maka kebutuhan karbon aktif untuk industri dalam

negeri maupun ekspor saat ini cukup tinggi seperti yang dapat dilihat pada Tabel 1.1.

Tabel 1.1 Data Ekspor-Impor Karbon Aktif di Indonesia (Wamea dan Naftali, 2014)

Tahun Net (ton/tahun)

Impor Ekspor

2009 4.846 22.741

2010 5.778 24.791

2011 5.445 21.652

2012 6.650 25.225

Karbon aktif biasanya dibuat dengan menggunakan bahan baku batubara. Namun,

batubara merupakan sumber energi yang tak terbarukan dan harganya cukup mahal. Selain

itu, batubara bukan merupakan bahan bakar yang bersih, batubara dapat menghasilkan

sejumlah besar polutan dan gas rumah kaca. Oleh karena itu, mulai dibuat karbon aktif dari

2

material lain yang terbarukan, mudah didapat, ramah lingkungan, dan murah, bahkan dari

limbah. Bahan baku tersebut merupakan biomassa yang memiliki kandungan lignoselulosa.

Lignoselulosa adalah unsur yang banyak mengandung karbon (Ramadona, 2018). Beberapa

biomassa yang memiliki kandungan lignoselulosa diantaranya tempurung kelapa (Idrus

dkk., 2013), kulit salak (Kevien, 2017), kulit pisang (Fasakin dkk., 2018), dan kulit kentang

(Bernardo dkk., 2015). Dibandingkan dengan kulit buah, belum banyak orang yang

menggunakan kulit kentang sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif, padahal kentang

merupakan makanan yang sangat populer. Bahkan di beberapa negara termasuk Indonesia,

kentang merupakan pengganti makanan pokok. Dalam dunia pertanian, kentang merupakan

salah satu dari lima jenis komoditas pangan penting dunia, selain gandum, jagung, sorgum,

dan padi (Barlian, 2014). Karena itu, pada Tabel 1.2 dapat dilihat bahwa produksi kentang

di Indonesia masih terbilang banyak meskipun menurun pada produksi kentang pada tahun

2014-2017. Hal ini menyebabkan kulit kentang di Indonesia pun melimpah. Sekitar 16 %

berat kentang merupakan kulit kentang (Fatreciano, 2017) sehingga dapat disimpulkan

bahwa kulit kentang yang dibuang di Indonesia sekitar 180,000 – 220,000 ton per tahunnya.

Agar sisa kulit kentang tidak dibiarkan menumpuk, kulit kentang dapat dimanfaatkan untuk

berbagai hal, salah satunya sebagai karbon aktif. Oleh karena itu, percobaan yang akan

dilakukan pada penelitian ini akan menggunakan kulit kentang sebagai bahan bakunya.

Gambar 1.1 Produksi kentang di Indonesia (Maulida dan Yoyok, 2018 ; Badan Pusat

Statistik, 2019)

Pembuatan karbon aktif secara umum dibagi menjadi 3 tahap, yaitu dehidrasi,

karbonisasi, dan aktivasi (Sitorus, 2014). Dehidrasi merupakan proses penghilangan

1,150,000

1,200,000

1,250,000

1,300,000

1,350,000

1,400,000

2014 2015 2016 2017 2018

Pro

duksi

ken

tang (

ton/t

ahun)

Tahun

Produksi Kentang di Indonesia

3

kandungan air yang terdapat dalam bahan baku karbon aktif dengan tujuan untuk

menyempurnakan proses karbonisasi. (Sitorus, 2014). Karbonisasi merupakan proses

dimana residu padat dengan kandungan karbon yang tinggi terbentuk dari komponen organik

(Marsh, 2006). Karbonisasi pada percobaan ini dilakukan secara hidrotermal. Setelah

dikarbonisasi, dilakukan proses aktivasi pada karbon secara kimia dimana terjadi

penghilangan senyawa tar dan berakibat luas permukaan karbon meningkat (Sitorus, 2014).

Aktivasi secara kimia pada percobaan ini dilakukan dengan menggunakan agen kimia KOH.

Setelah itu dilanjutkan dengan mencampurkan karbon aktif dengan sulfur dengan metode

difusi lebur untuk menghasilkan komposit karbon sulfur. Adapun variasi yang dilakukan

adalah karbonisasi hidrotermal tanpa dan dengan katalis H2SO4 serta variasi rasio massa

KOH dengan karbon aktif. Pada berbagai variasi ini akan dipelajari karakteristik (luas

permukaan, morfologi, dan gugus fungsi) serta perolehan massa karbon aktif dan komposit

karbon sulfur yang dihasilkan.

Tabel 1.2 Karakteristik Beberapa Material Katoda Baterai Litium (Wang dkk., 2003)

Material

katoda

Kapasitas teoritis (mAhg-1) Tegangan discharge (V) Harga relatif

LiCoO2 275 3,7 1

LiNiO2 274 3,4 0,86

LiMn2O4 148 3,8 0,17

S8 1672 2,1 0,017

Karbon aktif yang sudah diaktivasi dapat dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi,

salah satunya adalah untuk membuat komposit karbon sulfur. Komposit karbon sulfur ini

selanjutnya dapat digunakan sebagai katoda untuk baterai litium (Arie dkk., 2014). Baterai

litium merupakan baterai isi ulang yang banyak digunakan sebagai media penyimpanan

energi karena memiliki kapasitas penyimpanan yang lebih baik, tidak memiliki sifat memory

effect dan dapat diisi ulang (Aflahannisa dan Astuti, 2016). Baterai litium ion komersial

biasanya menggunakan oksida litium kobalt (LiCoO2) sebagai katodanya. Namun, senyawa

LiCoO2 besifat toksik dan harganya pun cukup mahal, sehingga dicari beberapa alternatif

pengganti LiCoO2 sebagai katoda baterai litium, di antaranya seperti pada Tabel 1.3. Jika

dilihat pada Tabel 1.3, sulfur memiliki nilai kapasitas teoiritis yang paling besar dan harga

yang paling murah di antara material lainnya. Namun, dalam bentuk unsurnya, sulfur bersifat

4

non-konduktif, tetapi bila dikombinasikan dengan karbon pada temperatur tinggi akan

menjadi sangat konduktif. Hal ini memungkinkan komposit karbon sulfur untuk digunakan

dalam teknologi baterai litium (Masyarakat Nano Indonesia, 2018).

1.2 Tema Sentral

Komposit karbon sulfur yang dapat dimanfaatkan sebagai baterai litium-sulfur dibuat

dengan menggunakan kulit kentang karena banyaknya kulit kentang yang tidak

termanfaatkan dan belum banyak menjadikan kulit kentang sebagai biomassa untuk

membuat komposit karbon sulfur. Prosesnya dilakukan dengan beberapa tahapan, yaitu

karbonisasi hidrotermal dengan menggunakan katalis H2SO4, aktivasi kimia dengan KOH,

dan dilanjutkan dengan difusi lebur karbon aktif dan sulfur.

1.3 Identifikasi Masalah

Identifikasi masalah yang menjadi latar belakang dalam penelitian ini adalah sebagai

berikut.

1. Bagaimana pengaruh katalis H2SO4 dalam proses karbonisasi hidrotermal terhadap

perolehan massa dan karakteristik (kapasitas adsorpsi, morfologi, dan kristalinitas)

hydrochar yang dihasilkan?

2. Bagaimana pengaruh rasio massa biomassa dan aktivator kimia KOH terhadap

karakteristik (kapasitas adsorpsi, morfologi, dan kristalinitas) produk karbon aktif

yang dihasilkan?

3. Bagaimana pengaruh penambahan sulfur terhadap karakteristik (morfologi dan

kristalinitas) produk karbon sulfur yang dihasilkan?

5

1.4 Premis

Berbagai sintesis karbon aktif dari biomassa telah laporkan seperti yang tertera pada Tabel 1.4 dan Tabel 1.5. Berbagai variasi dilakukan

untuk mendapatkan luas permukaan dan perolehan massa karbon terbesar. Namun pada penlitian ini hanya berfokus pada variasi keterlibatan

katalis dan rasio karbon dengan aktivator.

Tabel 1.3 Variasi Katalis terhadap Perolehan Massa Karbon yang Dihasilkan

No. Jenis

biomassa

Jenis

katalis

Jumlah katalis

(%massa)

Temperatur Perolehan massa

(%)

Luas permukaan

(m2/g)

Pustaka

1 Selulosa

(kapas)

- 0 12 % (Kim dkk., 2001)

2 Selulosa

(kapas)

H2SO4 0,4 % 28 % (Kim dkk., 2001)

3 Selulosa

(kapas)

H2SO4 5,6 % 38 % (Kim dkk., 2001)

4 Selulosa

(kapas)

H2SO4 7,8 % 36 % (Kim dkk., 2001)

5 Kulit salak - 200 47,96 % 2,139 (Susanti dkk., 2019)

6 Kulit salak - 225 48,23 % 39,051 (Susanti dkk., 2019)

6 Kulit salak - 250 36,86 % 13,94 (Susanti dkk., 2019)

7 Kulit salak Asam

sitrat

200 49 % 30,984 (Susanti dkk., 2019)

9 Kulit salak Asam

sitrat

225 51,59% 52,s524 (Susanti dkk., 2019)

6

Tabel 1.4 Variasi Rasio Karbon : Aktivator terhadap Luas Permukaan Karbon Aktif yang Dihasilkan

No. Jenis

Biomassa

Aktivator Rasio

karbon :

aktivator

Temperatur

aktivasi

Luas

permukaan

(m2/g)

Perolehan

massa (%)

Daya serap

metilen biru

(mg/g)

Pustaka

1 Bambu

betung

KOH 1:1 99.327 (Hutapea dkk., 2017)

2 Bambu

betung

KOH 1:2 97.009 (Hutapea dkk., 2017)

3 Kulit salak KOH 1:1 804 21,75 (Arie dkk., 2016)

4 Kulit salak KOH 1:2 874 19,75 (Arie dkk., 2016)

5 Kulit salak KOH 1:4 1.939 14,5 (Arie dkk., 2016)

7

1.5 Hipotesis

Hipotesis yang diusulkan pada penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Penambahan katalis H2SO4 dalam proses karbonisasi hidrotermal akan

meningkatkan perolehan massa, kapasitas adsorpsi, porositas, dan kristalinitas pada

hydrochar.

2. Semakin besar rasio hydrochar dengan KOH yang digunakan akan menurunkan

perolehan massa dan kristalinitas karbon aktif, namun menaikkan kapasitas adsorpsi

serta porositasnya.

3. Penambahan sulfur akan menurunkan porositas dan meningkatkan kristalinitas

produk karbon suflur yang dihasilkan.

1.6 Tujuan Penelitian

Tujuan dari dilakukannya penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Mempelajari pengaruh katalis H2SO4 terhadap perolehan massa dan karakteristik

(kapasitas adsorpsi, morfologi, dan kristalinitas) hydrochar yang dihasilkan.

2. Mempelajari pengaruh rasio biomassa dan zat pengaktif KOH terhadap perolehan

massa dan karakteristik (kapasitas adsorpsi, morfologi, dan kristalinitas) produk

karbon aktif yang dihasilkan.

3. Mempelajari pengaruh penambahan sulfur terhadap karakteristik (morfologi dan

kristalinitas) produk karbon sulfur yang dihasilkan.

1.7 Manfaat Penelitian

Manfaat yang didapat dalam penelitian ini untuk berbagai pihak adalah sebagai

berikut.

1.7.1 Manfaat bagi Industri

Hasil penelitian ini diharapkan dapat membantu industri-industri baterai litium untuk

mendapatkan alternatif katoda yang lebih ekonomis dan ramah lingkungan.

1.7.2 Manfaat bagi Negara

Hasil penelitian ini diharapkan dapat membantu pemerintah untuk mengurangi

limbah organik.

8

1.7.3 Manfaat bagi Ilmu Pengetahuan

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberi pengetahuan baru dalam bidang

pemanfaatan limbah biomassa untuk menjadi komposit karbon sulfur sebagai bahan

penyimpanan energi.

1.7.4 Manfaat bagi masyarakat

Hasil penelitian ini diharapkan dapat membuka wawasan kepada masyarakat bahwa

limbah organik yang terdapat dalam kehidupan sehari-hari dapat dimanfaatkan

menjadi sesuatu yang beguna.

1.8 Batasan Masalah

Batasan-batasan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

1. Biomassa yang digunakan dalam penelitian ini adalah kulit kentang.

2. Variasi yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah variasi penggunaan katalis

H2SO4 pada karbonisasi hidrotermal dan rasio hydrochar terhadap KOH pada

aktivasi kimia.

3. Karbon aktif dengan spesifikasi terbaik akan digunakan sebagai bahan untuk

pembuatan komposit karbon sulfur.