UNIVERSITAS INDONESIA PEMBUATAN KARBON AKTIF BERBAHAN BAKU AMPAS TEBU DENGAN AKTIVASI KALIUM HIDROKSIDA SKRIPSI

Transkripsi

1 UNIVERSITAS INDONESIA PEMBUATAN KARBON AKTIF BERBAHAN BAKU AMPAS TEBU DENGAN AKTIVASI KALIUM HIDROKSIDA SKRIPSI SHOFA FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JULI 2012

2 UNIVERSITAS INDONESIA PEMBUATAN KARBON AKTIF BERBAHAN BAKU AMPAS TEBU DENGAN AKTIVASI KALIUM HIDROKSIDA SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh Sarjana Teknik SHOFA FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA DEPOK JULI 2012

3 ii

4 iii

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas berkah dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan skripsiyang berjudul Pembuatan Karbon Aktif Berbahan Baku Ampas Tebu dengan Aktivasi Kalium Hidroksida sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar Sarjana Teknik pada Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik. Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, sangatlah sulit bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: (1) Ir. Mahmud Sudibandriyo M.Sc., Ph.D, selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkandalam penyusunan penulisan ini; (2) Kedua orang tua dan keluarga penulis yang selalu memberikan semangat serta mendoakan kelancaran penulisan; (3) Prof. Dr. Ir. Widodo Wahyu Purwanto, DEA selaku Ketua Departemen Teknik Kimia FTUI dan Ir. Yuliusman M.Eng selaku kordinator mata kuliah spesial; (4) Para dosen Departemen Teknik Kimia FTUI yang telah memberikan ilmu dan wawasannya; (5) Rekan satu bimbingan dan teman-teman yaitu Lydia, Tias, Maria, Ade, Diana,Tya,Nindya, Khofiful, Desi, Nadhila, Merisa, dan seluruh angkatan 2008yang telah memberikan bantuan dan dukungan; (6) Rekan-rekan penulis yaitu Safira, Aisyah, Wardah, dan Fairuz yang telah memberikan dukungan. (7) Semua pihak yang telah membantu penyusunan skripsi ini secara langsung maupun tidak langsung; Depok, 4 Juli 2012 Shofa iv

6 v

7 ABSTRAK Nama : Shofa Program Studi : Teknik Kimia Judul : Pembuatan Karbon Aktif Berbahan Baku Ampas Tebu dengan Aktivasi Kalium Hidroksida Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan karbon aktif dari ampas tebu dengan luas permukaan melebihi 800 m 2 /gram dan mengetahui pengaruh metode aktivasi, suhu aktivasi dengan KOH, dan waktu aktivasi dengan KOH terhadap luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan.aktivasi kimiawi dilakukan dengan menggunakan KOH pada suhu 600 o C, 700 o C, dan 800 o C selama ½ jam dan 1 jam. Sebagai pembanding dilakukan aktivasi fisika tanpa KOH pada suhu 700 o C selama 1 jam. Karbon aktif yang diperoleh dikarakterisasi luas permukaannya. Luas permukaan tertinggi 1135 m 2 /gram diperoleh dari aktivasi menggunakan KOH selama ½ jam pada suhu 800 o C. Dengan metode aktivasi fisika diperoleh luas permukaan 293 m 2 /gram. Kata kunci: ampas tebu, karbon aktif, aktivasi KOH, luas permukaan. vi

8 ABSTRACT Name : Shofa Study Program : Chemical Engineering Title : Preparation of Activated Carbon from Sugarcane Bagasse by Potassium Hydroxide Activation This research aims to produce activated carbon made from sugarcane bagasse with a surface area exceeding 800m 2 /gram and determine the effect of activation method, temperature of KOH activation, and time of KOH activation of the surface area of activated carbon. Chemical activation performed using KOH at a temperature of 600 o C, 700 o C, and 800 o C for ½ hour and 1 hour. As a comparison, physics activation performed without KOH at a temperature of 700 o C for 1 hour.surface area of activated carbon was characterized. The highest surface area is 1135m 2 /gram obtained from KOH activation for ½ hour at temperature of 800 o C. Through the physical activation, the surface area is 293m 2 /gram. Keywords: sugarcane bagasse, activated carbon, KOH activation, surface area. vii

9 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... ii HALAMAN PENGESAHAN...iii KATA PENGANTAR... iiv HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... x DAFTAR TABEL... xi BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 4 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA Adsorpsi Jenis-jenis Adsorpsi Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daya Adsorpsi Jenis-jenis Adsorben Karbon Aktif Jenis-jenis Karbon Aktif Struktur Fisik Karbon Aktif Struktur Kimia Karbon Aktif Proses Pembuatan Karbon Aktif Ampas Tebu sebagai Bahan Baku Karbon Aktif Metode BET (Brenauer-Emmet-Teller) viii

10 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Diagram Alir Penelitian Alat dan Bahan Variabel Penelitian Prosedur Penelitian Preparasi Alat dan Bahan dan Karbonisasi Aktivasi Pendinginan Pencucian Pengeringan Teknik Pengambilan Data dan Analisis BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan Karbon Aktif dari Ampas Tebu Hasil Karbonisasi Ampas Tebu Hasil Pencampuran Activating Agent dengan Karbon Hasil Proses Aktivasi Karbon Proses Pencucian dan Hasil Pengeringan Karbon Aktif Karakterisasi Luas Permukaan Karbon Aktif BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix

11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Proses Adsorpsi pada Karbon Aktif : Tranfer Molekul Adsorbat ke Adsorben... 5 Gambar 2.2. Ilustrasi Skema Struktur Karbon Aktif Gambar 2.3. Lapisan Atom Karbon Heksagonal (a) dan Struktur Mikrokristalin Karbon Aktif (b) Gambar 2.4. Skema Struktur Pori Karbon Aktif Gambar 2.5. Ilustrasi Struktur Kimia Karbon Aktif Gambar 2.6. Ilustrasi Pembentukan Pori Karbon Aktif melalui Aktivasi KOH Gambar 2.7. Ilustrasi Adsorpsi Isotermis Prinsip BET Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 3.2. Reaktor untuk Aktivasi Gambar 4.1. Ampas Tebu Awal (a) dan Ampas Tebu yang telah Dihaluskan (b) 30 Gambar 4.2. Arang Hasil Karbonisasi Ampas Tebu Gambar 4.3. Karbon Ampas Tebu yang telah Dihaluskan Gambar 4.4. Reaktor Aktivasi Gambar 4.5. Hasil Akhir Karbon Aktif Gambar 4.6. Hubungan Luas Permukaan dengan Aktivasi KOH dan Aktivasi Fisika sebagai Pembanding Gambar 4.7. Hubungan Luas Permukaan dengan Suhu Aktivasi dan Waktu Aktivasi yang Digunakan x

12 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Pengguna dan Fungsi Karbon Aktif Tabel 2.2. Beberapa Penelitian Pembuatan Karbon Aktif Tabel 2.3. Karakteristik Ampas Tebu Tabel 4.1. Yield Arang dari Ampas Tebu Tabel 4.2. Hasil Pencampuran Karbon Ampas Tebu dengan Activating Agent Tabel 4.3. Hasil Pengamatan selama Proses Aktivasi Tabel 4.4. Persentase Kehilangan Sebelum dan Setelah Aktivasi Tabel 4.5. Hasil Pencucian dan Pengeringan Karbon Aktif Tabel 4.6. Hasil Pengujian Luas permukaan Karbon Aktif Tabel 4.7. Diameter Pori Karbon Aktif xi

13 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Salah satu pendukung pertumbuhan ekonomi di Indonesia adalah industri. Industri menghasilkan produk-produk kebutuhan manusia dan kebutuhan ekspor melalui proses-proses tertentu. Salah satu proses yang sering dipakai di industri adalah proses adsorpsi. Proses adsorpsi di industri banyak dipakai untuk pemisahan gas, pemurnian pelarut, penghilangan polutan organik dalam air minum, dan sebagai katalis. Selain itu, dapat pula digunakan untuk penyimpanan gas (gas adsorptive storage), seperti hidrogen dan gas metana. Untuk aplikasi proses pemisahan, pemurnian, dan penghilangan polutan, distribusi ukuran pori adsorben menjadi hal yang utama. Sedangkan untuk aplikasinya sebagai penyimpanan gas, luas permukaan adsorben menjadi lebih utama. Aspek yang paling penting dalam proses adsorpsi adalah pemilihan jenis adsorben. Adsorben yang paling potensial adalah karbon aktif sebab memiliki luas permukaan yang tinggi sehingga kemampuan adsorpsinya besar. Pada umumnya karbon aktif dapat dibuat dengan menggunakan batubara dan material yang mengandung lignoselulosa sebagai bahan baku (Garcia-Garcia dkk, 2002). Salah satu material yang mengandung banyak lignoselulosa adalah ampas tebu. Tebu-tebu dari perkebunan diolah menjadi gula di pabrik-pabrik gula. Selama proses produksi, gula yang termanfaatkan hanyalah 5%, ampas tebu yang dihasilkan sebesar 90% dari setiap tebu yang diproses, sedangkan sisanya berupa tetes tebu (molase) dan air. Ampas tebu, sebagai limbah pabrik gula, adalah suatu bahan yang mengandung karbon cukup tinggi. Selama ini pemanfaatan ampas tebu hanya terbatas untuk pakan ternak, bahan baku pembuatan pupuk, pulp, particle board, dan untuk bahan bakar boiler di pabrik gula (Wijayanti, 2009). Pemanfaatan limbah pabrik gula selama ini bernilai ekonomi yang cukup rendah. Maka dari itu perlu pengembangan teknologi untuk pemanfaatan limbah ini. Kandungan karbon yang tinggi dalam ampas tebu menjadi dasar untuk memanfaatkannya sebagai karbon aktif (Wijayanti, 2009).

14 2 Saat ini sudah dilakukan penelitian pembuatan karbon aktif berbahan baku material lignoselulosa seperti limbah pinus dengan menggunakan activating agent KOH dan menghasilkan luas permukaan yang besar yaitu 1908 m 2 /gram (Garcia- Garcia dkk, 2002). Penelitian pembuatan karbon aktif juga telah dilakukan dengan bahan baku ampas tebu dengan menggunakan metode aktivasi kimia menggunakan ZnCl 2 dan menghasilkan luas permukaan yang cukup besar yaitu 864 m 2 /gram (Kalderis dkk, 2008). Selain itu, penelitian pembuatan karbon aktif juga telah dilakukan dengan menggunakan activating agent KOH dengan bahan baku batubara bitumineous Ombilin dan menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan yang besar yaitu 1882 m 2 /gram (Pujiyanto, 2010). Dari penelitian terdahulu tersebut, maka pada penelitian ini akan dilakukan pembuatan karbon aktif dengan bahan baku yang mengandung lignoselulosa berupa ampas tebu namun menggunakan activating agent berbeda, yaitu KOH. Penambahan activating agent ini bertujuan agar proses aktivasi dapat lebih terkontrol agar poripori yang terbentuk lebih banyak sehingga didapatkan karbon aktif dengan luas permukaan yang besar. Proses aktivasi terkontrol dilakukan dengan kondisi bebas gas oksigen yang dapat membakar karbon sehingga dialirkan gas nitrogen dengan laju alir tertentu. Selain itu, berhubung dengan sifat bahan yang berbeda memerlukan suhu serta waktu aktivasi yang berbeda, maka dalam penelitian ini hal tersebut juga dijadikan variabel. Sebagai pembanding, juga akan dilakukan pembuatan karbon aktif hanya dengan pemanasan (fisika) tanpa adanya activating agent. Pembuatan karbon aktif ini diharapkan dapat menghasilkan luas permukaan yang tinggi, yaitu yang termasuk dapat dipergunakan secara komersial. Pembuatan karbon aktif dengan bahan baku berupa ampas tebu dengan menggunakan activating agent KOH ini diharapkan dapat menghasilkan luas permukaan karbon aktif yang tinggi yaitu melebihi 800 m 2 /gram Perumusan Masalah Dalam penelitian ini, akan dibuat karbon aktif berbahan baku ampas tebu dengan perumusan masalah sebagai berikut:

15 3 Apakah karbon aktif berbahan baku ampas tebu dengan menggunakan metode aktivasi kimiawi dan metode pemanasan mampu menghasilkan luas permukaan yang tinggi (melebihi 800 m 2 /gram)? Pada pembuatan karbon aktif berbahan baku ampas tebu, metode aktivasi manakah yang akan menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan yang lebih tinggi? Bagaimana pengaruh suhu aktivasi dan lama waktu aktivasi pada metode aktivasi kimiawi terhadap luas permukaan karbon aktif? 1.3. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mendapatkan karbon aktif berbahan baku ampas tebu dengan aktivasi terkontrol yang mampu menghasilkan luas permukaan yang tergolong komerisal, yaitu melebihi 800 m 2 /gram. Selain itu, penelitian ini bertujuan untuk menganalisa pengaruh metode aktivasi, suhu aktivasi kimiawi, dan lama waktu aktivasi kimiawi terhadap luas permukaan yang dihasilkan karbon aktif Batasan Masalah Dalam penelitian ini dilakukan beberapa pembatasan yaitu: Menggunakan larutan KOH sebagai activating agent untuk metode aktivasi kimiawi. Menggunakan metode pirolisis (tanpa O 2 ) untuk metode pemanasan. Variabel terikat penelitian ini adalah luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan. Variabel bebas penelitian ini adalah suhu aktivasi kimia dan lama waktu aktivasi kimia. Gas inert yang dipakai untuk atmosfer proses aktivasi adalah N 2.

16 Sistematika Penulisan Susunan penulisan seminar ini akan mengacu pada sistematika sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan mengenai dasar pemikiran dari penelitian ini, mencakup penjelasan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Bab ini berisi landasan teori umum yang digunakan untuk menjelaskan masalah yang dibahas. BAB III METODOLOGI PENELITIAN Bab ini menjelaskan mengenai metode penelitian yang digunakan dan langkah-langkah yang dilakukan untuk memudahkan pemecahan masalah penelitian guna mencapai tujuan. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Bab ini membahas hasil penelitian dan analisis dari hasil penelitian tersebut. BAB V KESIMPULAN Bab ini berisi kesimpulan yang didapat dari hasil penelitian yang dilakukan.

17 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Adsorpsi Adsorpsi merupakan peristiwa penyerapan suatu substansi pada permukaan zat padat. Pada fenomena adsorpsi, terjadi gaya tarik-menarik antara substansi terserap dan penyerapnya. Dalam sistem adsorpsi, fasa teradsorpsi dalam solid disebut adsorbat sedangkan solid tersebut adalah adsorben. Pada proses adsorpsi, molekul adsorbat bergerak melalui bulk fasa gas menuju permukaan padatan dan berdifusi pada permukaan pori padatan adsorben. Proses adsorpsi hanya terjadi pada permukaan, tidak masuk dalam fasa bulk/ruah. Proses adsorpsi terutama terjadi pada mikropori (pori-pori kecil), sedangkan tempat transfer adsorbat dari permukaan luar ke permukaan mikropori ialah makropori. Ilustrasi proses adsorpsi pada adsorben karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 2.1 berikut ini. Gambar 2.1. Proses Adsorpsi pada Karbon Aktif : Transfer Molekul Adsorbat ke Adsorben (Manocha, 2003) Jenis-jenis Adsorpsi Berdasarkan interaksi molekular antara permukaan adsorben dengan adsorbat, adsorpsi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia.

18 6 Adsorpsi Fisika Adsorpsi fisika merupakan adsorpsi yang terjadi karena adanya gaya Van der Waals. Pada adsorpsi fisika, gaya tarik-menarik antara molekul fluida dengan molekul pada permukaan padatan (intermolekular) lebih kecil dari pada gaya tarik-menarik antar molekul fluida tersebut sehingga gaya tarik-menarik antara adsorbat dengan permukaan adsorben relatif lemah. Pada adsorpsi fisika, adsorbat tidak terikat kuat dengan permukaan adsorben sehingga adsorbat dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke permukaan lainnya dan pada permukaan yang ditinggalkan oleh adsorbat tersebut dapat digantikan oleh adsorbat lainnya. Keseimbangan antara permukaan padatan dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversible. Adsorpsi fisika memiliki kegunaan dalam hal penentuan luas permukaan dan ukuran pori (Murti, 2008). Adsorpsi Kimia Adsorpsi kimia terjadi karena adanya ikatan kimia yang terbentuk antara molekul adsorbat dengan permukaan adsorben. Ikatan kimia dapat berupa ikatan kovalen atau ion. Ikatan yang terbentuk sangat kuat sehingga spesi aslinya tidak dapat ditemukan. Karena kuatnya ikatan kimia yang terbentuk, maka adsorbat tidak mudah terdesorpsi. Adsorpsi kimia ini diawali dengan adsorpsi fisik dimana adsorbat mendekat ke permukaan adsoben melalui gaya Van der Waals atau ikatan hidrogen kemudian diikuti oleh adsorpsi kimia. Pada adsorpsi kimia, adsorbat melekat pada permukaan dengan membentuk ikatan kimia yang biasanya merupakan ikatan kovalen (Prabowo, 2009). Menurut Langmuir, molekul adsorbat ditahan pada permukaan adsorben oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorben, maka akan terbentuk suatu lapisan dimana lapisan tersebut akan menghambat proses adsorpsi selanjutnya oleh adsorben sehingga efektifitas berkurang. Adsorpsi kimia biasanya digunakan untuk penentuan daerah pusat aktif dan kinetika reaksi permukaan (Murti, 2008).

19 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Daya Adsorpsi Daya adsorpsi pada adsorben bergantung pada suhu, tekanan, jenis adsorbat, dan karakteristik adsorben. Suhu Pada saat molekul- molekul adsorbat menempel pada permukaan adsorben, terjadi pembebasan sejumlah energi sehingga adsorpsi digolongkan bersifat eksotermis. Bila suhu menurun maka kemampuan adsorpsi meningkat sehingga jumlah molekul adsorbat bertambah. Tekanan adsorbat Untuk setiap jenis adsorpsi berdasarkan interaksi molekular yang terjadi, tekanan adsorbat akan mempengaruhi jumlah molekul adsorbat. Pada adsorpsi fisika, bila tekanan adsorbat meningkat, jumlah molekul adsorbat akan bertambah. Namun pada adsorpsi kimia, jumlah molekul adsorbat akan berkurang bila tekanan adsorbat meningkat. Jenis Adsorbat Ukuran molekul adsorbat dan kepolaran zat merupakan parameter adsorbat yang berpengaruh terhadap kemampuan adsorpsi adsorben. Agar proses adsorpsi dapat terjadi, molekul-molekul adsorbat harus memiliki diameter yang lebih kecil dari pada diameter pori adsorben. Untuk kepolaran zat, bila adsorben bersifat non-polar, seperti karbon aktif, maka molekul-molekul nonpolar lebih kuat diadsorpsi oleh karbon aktif dari pada molekul-molekul yang polar. Sebaliknya, bila adsorben bersifat polar, maka molekul-molekul polar akan lebih kuat diadsorpsi dari pada yang non-polar. Karakteristik Adsorben Ukuran pori adsorben dan luas permukaan merupakan karakteristik penting adsorben. Ukuran pori adsorben berhubungan dengan luas permukaan. Semakin kecil ukuran pori-pori adsorben, luas permukaan semakin tinggi sehingga jumlah molekul yang teradsorpsi akan bertambah. Selain itu, ukuran pori adsorben dengan ukuran adsorbat harus sesuai karena diameter dari pori adsorben harus sedikit lebih besar dari pada diameter adsorbat agar adsorbat dapat menempati pori adsorben. Karakteristik lainnya ialah kemurnian

20 8 adsorben. Sesuai dengan fungsinya untuk adsorpsi, maka adsorben yang lebih murni lebih diinginkan karena kemampuan adsorpsi yang lebih baik Jenis-jenis Adsorben Pada kebanyakan industri, adsorben yang dipakai dapat dibagi menjadi 3 jenis berdasarkan komponen penyusunnya, yaitu : Oxygen-containing compounds Jenis ini biasanya bersifat hidrofil dan bersifat polar. Contohnya adalah yang silika gel dan zeolit. Carbon-based compounds Jenis ini biasanya bersifat hidrofob dan nonpolar. Contohnya adalah karbon aktif dan grafit. Polymer-based compounds Jenis ini terdiri dari matriks polimer berpori yang mengandung gugus fungsi polar atau nonpolar. Pemilihan jenis adsorben merupakan hal penting dalam proses adsorpsi. Adsorben yang paling sering digunakan adalah karbon aktif karena memiliki luas permukaan yang besar sehingga daya adsorpsinya lebih besar dari pada adsorben lainnya. Aplikasi proses adsorpsi banyak digunakan di dalam dunia industri. Contoh aplikasi adsorpsi fasa uap adalah pemulihan pelarut organik yang digunakan pada zat, tinta cetak, dan pelapisan tekstil. Sedangkan adsorpsi untuk fasa cair digunakan untuk memisahkan komponen-komponen organik dari limbah cair dan air dari zat cair organik (Atmayudha, 2007). Untuk mengoptimalkan proses adsorpsi pada aplikasinya, diperlukan adsorben dengan luas permukaan yang tinggi. Semakin luas permukaan adsorben, maka makin banyak zat yang teradsorpsi. Karbon aktif merupakan adsorben yang sangat baik karena karbon aktif memiliki luas permukaan dan daya adsorpsi lebih tinggi dari pada adsorben lainnya.

21 Karbon Aktif Pertama kali karbon aktif diketahui secara komersil karena penggunaannya sebagai topeng uap pada Perang Dunia I. Namun, pada abad ke-15 sudah diketahui bahwa karbon hasil dekompresisi kayu dapat menyingkirkan bahan berwarna dan pada abad ke-17 penerapan secara komersil arang kayu digunakan dalam sebuah pabrik gula di Inggris (Austin, 1996). Karbon aktif merupakan adsorben terbaik dalam sistem adsorpsi. Ini karena karbon aktif memiliki luas permukaan yang besar dan daya adsorpsi yang tinggi sehingga pemanfaatannya dapat optimal. Karbon aktif yang baik harus memiliki luas permukaan yang besar sehingga daya adsorpsinya juga besar (Prabowo, 2009). Luas permukaan karbon aktif umumnya berkisar antara m 2 /g dan ini terkait dengan struktur pori pada karbon aktif tersebut. Karbon aktif adalah material berpori dengan kandungan karbon 87%-97% dan sisanya berupa hidrogen, oksigen, sulfur, dan material lain. Karbon aktif merupakan karbon yang telah diaktivasi sehingga terjadi pengembangan struktur pori yang bergantung pada metode aktivasi yang digunakan. Struktur pori menyebabkan ukuran molekul teradsorpsi terbatas, sedangkan bila ukuran partikel tidak masalah, kuantitas bahan yang diserap dibatasi oleh luas permukaan karbon aktif (Austin, 1996). Karbon aktif memiliki banyak fungsi. Misalnya pada proses pengolahan air, karbon aktif berfungsi untuk menghilangkan polutan seperti seng, timbal, kuprum, krom, besi, timbal, dan uap amonia (Murti, 2008; Júnior dkk, 2009; Prabowo, 2009; Lienden dkk, 2010). Karbon aktif juga berfungsi dalam pemurnian gas seperti dengan cara desulfurisasi dan menyerap gas beracun dan bau busuk. Selain itu, karbon aktif juga berfungsi sebagai tempat penyimpanan gas hydrogen dan gas metana (adsorptive gas storage). Tabel 2.1. menunjukkan fungsi karbon aktif terkait industri pengguna karbon aktif.

22 10 Tabel 2.1. Pengguna dan Fungsi Karbon Aktif Pengguna Industri obat dan makanan Industri minuman Kimia/perminyakan Pengolahan air Budi daya udang Industri gula Pemurnian gas Katalisator Pengolahan pupuk Fungsi Penyaringan, penghilangan bau dan rasa Penghilangan warna dan bau pada minuman Penyulingan bahan mentah Penghilangan warna dan bau, penghilangan resin Pemurnian, penghilangan ammonia, nitrit, fenol, dan logam berat Penghilangan zat-zat warna, penyerapan proses penyaringan menjadi lebih sempurna Penghilangan sulfur, gas beracun, bau busuk asap. Reaksi katalisator pengangkut vinil klorida, vinil asetat Pemurnian, penghilangan bau Jenis-jenis Karbon Aktif Berdasarkan penggunaannya, karbon aktif terbagi menjadi 2 jenis yaitu karbon aktif untuk untuk fasa cair dan karbon aktif untuk fasa uap. Karbon aktif untuk untuk fasa cair Karbon aktif untuk fasa cair biasanya berbentuk serbuk. Karbon aktif untuk fasa cair biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis rendah seperti kayu, batubara lignit, dan bahan yang mengandung lignin seperti limbah hasil pertanian. Karbon aktif jenis ini banyak digunakan untuk pemurnian larutan dan penghilangan rasa dan bau pada zat cair misalnya untuk penghilangan polutan berbahaya seperti gas amonia dan logam berbahaya pada proses pengolahan air. Karbon aktif untuk fasa uap Karbon aktif untuk fasa uap biasanya berbentuk butiran/granular. Karbon aktif jenis ini biasanya dibuat dari bahan yang memiliki berat jenis lebih besar seperti tempurung kelapa, batubara, dan residu minyak bumi. Karbon aktif

23 11 jenis ini digunakan dalam adsorpsi gas dan uap misalnya adsorpsi emisi gas hasil pembakaran bahan bakar pada kendaraan seperti CO dan NO x. Pernyataan mengenai bahan baku yang digunakan dalam pembuatan karbon aktif untuk masing- masing jenis yang telah disebutkan bukan merupakan suatu keharusan, karena ada karbon aktif untuk fasa cair yang dibuat dari bahan yang mempunyai densitas besar, seperti tulang. Kemudian dibuat dalam bentuk granular dan digunakan sebagai pemucat larutan gula. Begitu pula dengan karbon aktif yang digunakan untuk fasa uap dapat diperoleh dari bahan yang memliki densitas kecil, seperti serbuk gergaji (Sembiring,2003) Struktur Fisik Karbon Aktif Struktur dasar karbon aktif berupa struktur kristalin yang sangat kecil (mikrokristalin). Karbon aktif memiliki bentuk amorf yang tersusun atas lapisan bidang datar dimana atom-atom karbon tersusun dan terikat secara kovalen dalam tatanan atom-atom heksagonal. Gambar 2.2 menunjukkan skema struktur karbon aktif. Setiap garis pada Gambar 2.2 menunjukkan lapisan atom-atom karbon yang berbentuk heksagonal dan adanya mikrokristalin dengan struktur grafit pada karbon aktif (Sudibandriyo, 2003). Gambar 2.2. Ilustrasi Skema Struktur Karbon Aktif (Sudibandriyo, 2003) Adanya lapisan atom-atom karbon yang berbentuk heksagonal dan adanya mikrokristalin pada karbon aktif ditunjukkan pada Gambar 2.3.

24 12 Gambar 2.3. Lapisan Atom Karbon Heksagonal (a) dan Struktur Mikrokristalin Karbon Aktif (b) (Sudibandriyo, 2003; Pujiyanto, 2010) Umumnya karbon aktif berbentuk granular (butiran) dan serbuk. Karbon aktif berbentuk serbuk halus memiliki distribusi ukuran partikel 5-10 µm. Sedangkan karbon aktif berbentuk granular memiliki ukuran 0,8-1,2 mm. Porositas karbon aktif terbentuk pada saat proses karbonisasi. Pada karbon aktif terdapat 3 ukuran pori, yaitu mikropori (< 2 nm), mesopori (2 nm 50 nm), dan makropori (> 50 nm) (Marsh, 2006). Selain itu, lebih jauh terdapat pula ukuran supermikropori (0,7 nm 2 nm) dan ultramikropori (< 0,7 nm). Gambar 2.4 menunjukkan skema struktur pori pada karbon aktif. Gambar 2.4. Skema Struktur Pori Karbon Aktif (Manocha, 2003) Struktur Kimia Karbon Aktif Selain terdiri dari atom karbon, karbon aktif mengandung sejumlah kecil hidrogen dan oksigen yang terikat pada gugus fungsi 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 menjadikan permukaan karbon aktif

25 13 reaktif secara kimia dan dapat mempengaruhi sifat adsorpsinya (Murti, 2008). Ilustrasi struktur kimia karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 2.5. Gambar 2.5. Ilustrasi Struktur Kimia Karbon Aktif (Sudibandriyo, 2003) 2.3. Proses Pembuatan Karbon Aktif Secara umum, proses pembuatan karbon aktif terdiri dari 3 tahap yaitu dehidrasi, karbonisasi, dan aktivasi. Dehidrasi Dehidrasi adalah proses penghilangan kandungan air yang terdapat dalam bahan baku karbon aktif dengan tujuan untuk menyempurnakan proses karbonisasi dan dilakukan dengan cara menjemur bahan baku di bawah sinar matahari atau memanaskannya dalam oven. Karbonisasi Karbonisasi adalah proses pembakaran material organik pada bahan baku. Karbonisasi akan menyebabkan terjadinya dekomposisi material organik bahan baku dan pengeluaran pengotor. Sebagian besar unsur non-karbon akan hilang pada tahap ini. Pelepasan unsur-unsur yang volatil ini akan membuat struktur pori-pori mulai terbentuk/pori-pori mulai terbuka. Seiring karbonisasi, struktur pori awal akan berubah. Karbonisasi dihentikan bila tidak mengeluarkan asap lagi. Penambahan suhu memang diperlukan untuk mempercepat reaksi pembentukan pori. Namun, pembatasan suhu pun harus dilakukan. Suhu yang terlalu tinggi, seperti di atas 1000 o C akan mengakibatkan banyaknya abu yang terbentuk sehingga dapat menutupi pori-pori dan membuat luas permukaan berkurang serta daya adsorpsinya menurun. Aktivasi

26 14 Pada proses karbonisasi, daya adsorpsi karbon tergolong masih rendah karena masih terdapat residu yang menutupi permukaan pori dan pembentukan poripori belum sempurna. Maka dari itu, perlu dilakukan proses aktivasi untuk meningkatkan luas permukaan dan daya adsorpsi karbon aktif. Pada proses ini terjadi pelepasan hidrokarbon, tar, dan senyawa organik yang melekat pada karbon tersebut. Proses aktivasi terdapat 2 jenis yaitu aktivasi fisika dan aktivasi kimiawi. Aktivasi Fisika Pada aktivasi secara fisika, karbon dipanaskan pada suhu sekitar o C dan dialirkan gas pengoksidasi seperti uap air, oksigen, atau CO 2. Gas pengoksidasi akan bereaksi dengan karbon dan melepaskan karbon monoksida dan hidrogen untuk gas pengoksidasi berupa uap air. Senyawasenyawa produk samping pun akan terlepas pada proses ini sehingga akan memperluas pori dan meningkatkan daya adsorpsi. Gasifikasi karbon dengan uap air dan CO 2 terjadi melalui reaksi bersifat endotermis berikut ini (Marsh, 2006). C + H 2 O CO + H 2 (117 kj/ mol) (2.1) C + CO 2 2CO (159 kj/mol) (2.2) Sedangkan aktivasi fisika dengan oksigen melalui reaksi bersifat eksotermis berikut ini. C + O 2 CO 2 ( -406 kj/mol) (2.3) Pada aktivasi fisika, terjadi pengurangan massa karbon dalam jumlah yang besar karena adanya pembentukan struktur karbon. Namun, pada aktivasi fisika seringkali terjadi kelebihan oksidasi eksternal sewaktu gas pengoksidasi berdifusi pada karbon sehingga terjadi pengurangan ukuran adsorben. Selain itu, reaksi sulit untuk dikontrol. Aktivasi Kimiawi Aktivasi kimiawi biasanya digunakan untuk bahan baku mengandung lignoselulosa. Pada aktivasi ini, karbon dicampur dengan larutan kimia yang berperan sebagai activating agent. Larutan kimia yang dipakai

27 15 biasanya adalah garam dari logam alkali dan alkali tanah serta zat asam seperti KOH, NaOH, ZnCl 2, H 3 PO 4, dan H 2 SO 4. Activating agent akan mengoksidasi karbon dan merusak permukaan bagian dalam karbon sehingga akan terbentuk pori dan meningkatkan daya adsorpsi. Activating agent ini berperan sebagai dehydrating agent yang akan mempengaruhi dekomposisi pirolisis, menghambat pembentukan tar, dan mengurangi pembentukan asam asetat, metanol, dan lain-lain (Ahmadpour, 1995; Lillo dkk, 2003; Manocha, 2003). Salah satu jenis larutan kimia yang banyak dipakai sebagai activating agent dari logam alkali adalah KOH (kalium hidroksida). KOH akan bereaksi dengan karbon sehingga akan membentuk pori-pori baru serta menghasilkan karbon dioksida yang berdifusi ke permukaan karbon (Pujiyanto, 2010). Pori-pori yang terbentuk akan menghasilkan karbon aktif. KOH juga mencegah pembentukan tar, asam asetat, metanol, dan lain lain (Atmayudha, 2006). Reaksi kimia yang terjadi sebagai berikut (Sudibandriyo, 2008). 4 KOH + C 4 K + CO H 2 O (2.5) 6 KOH + C 2 K + 3 H K 2 CO 3 (2.6) 4 KOH + 2 CO 2 2 K 2 CO H 2 O (2.7) Gambar 2.6. menunjukkan ilustrasi pembentukan pori karbon aktif dengan aktivasi menggunakan KOH. Gambar 2.6. Ilustrasi Pembentukan Pori Karbon Aktif melalui Aktivasi KOH Gambar 2.6 menunjukkan bahwa seiring bertambahnya suhu sampai suhu aktivasi dan waktu aktivasi dicapai, KOH akan bereaksi dengan karbon

28 16 dan merusak bagian dalam karbon sehingga membentuk pori-pori yang semakin banyak. Aktivasi kimiawi memiliki beberapa keunggulan daripada aktivasi fisika. Pada aktivasi kimiawi, suhu aktivasi yang digunakan lebih rendah daripada yang digunakan pada aktivasi fisika. Selain itu, aktivasi kimiawi menghasilkan pembentukan struktur pori yang lebih baik, luas permukaan yang lebih tinggi, dan yield karbon aktif yang lebih besar (Ahmadpour, 1995). Penelitian yang berhubungan dengan pembuatan karbon aktif dengan aktivasi fisika dan aktivasi kimiawi sudah banyak dilakukan, beberapa dapat dilihat pada Tabel 2.2. Tabel 2.2. Beberapa Penelitian Pembuatan Karbon Aktif No. Nama Jurnal Topik Penelitian Hasil 1 High-Porosity Carbons Prepared from Bituminous Coal with Potassium Hydroxide Activation (Teng, 1999) 2 Influence of Different Chemical Reagents on the Preparation of Activated Carbon from Bituminous Coal (Teng, 2000) Pembuatan karbon aktif dari batu bara jenis Bituminus dengan metode aktivasi kimiawi menggunakan KOH dengan atmosfer N 2 dengan variasi suhu o C dan waktu 0-3 jam. Pembuatan karbon aktif dari batu bara jenis Bituminus dengan metode aktivasi kimiawi dengan variasi activating agent ZnCl 2, H 3 PO 4, dan KOH, suhu o C, selama 1 jam dengan atmosfer N 2. Karbon aktif dengan luas permukaan > 3000 m 2 /g, yang dihasilkan pada suhu aktivasi 800 C selama 1 jam. Karbon aktif dengan luas permukaan 3300 m 2 /g, dengan aktivasi KOH, suhu aktivasi 800 C.

29 17 (Lanjutan) No. Nama Jurnal Topik Penelitian Hasil 3 Influence of Pretreatment and Activation Conditions in the Preparation of Activated Carbon from Anthtracite (Lee, 2000) 4 Understanding Chemical Reaction Between Carbon and NaOH and KOH (Lillo, 2003) 5 Production and Characterization of Activated Carbon from Pine Wastes Gasified in a Pilot Reactor (Garcia, 2002) 6 Adsorption of Polluting Substances on Activated Carbons Prepared from Rice Husk and Sugarcane Bagasse (Kalderis, 2008) 7 Preparation of Activated Carbon from Petroleum Coke by KOH Chemical Activation for Adsorption Heat Pump (Kawano, 2007) Pembuatan karbon aktif dari batu bara Antrasit dengan variasi metode aktivasi fisika, dengan variasi activating gas steam dan CO 2, suhu o C, waktu ½ -10 jam. Pencampuran bahan baku dengan NaOH (NaOH/C=3:1), diaktivasi dengan suhu 760 o C, dengan variasi gas atmosfer N 2,CO 2 dan Steam beserta variasi laju alir 40,100 dan 500 ml/min. Pembuatan karbon aktif dari limbah pinus dengan aktivasi KOH, atmosfer N 2 4 l/min, dengan variasi suhu o C selama 1 jam. Pembuatan karbon aktif dari sekam padi dan ampas tebu sebagai adsorben polutan,dengan aktivasi ZnCl2, suhu aktivasi 700 o C selama ½ jam,atmosfer N 2 dan CO 2. Petroleum coke dicampur dengan KOH (KOH:PC= 2:1), dialiri gas N 2 laju alir 5cc/s, dengan variasi suhu aktivasi K selama 1 jam. Karbon aktif dengan luas permukaan 900 m 2 /g, dengan aktivasi steam, suhu 900 o C selama 3 jam. Karbon aktif hasil terbaik dengan atmosfer N ml/min, surface area 2193 m 2 /g. Hasil terendah dengan CO 2, surface area 36 m 2 /g. Karbon aktif dengan luas permukaan 1908 m 2 /g. Karbon aktif dari ampas tebu luas permukaan 864 m 2 /g dan dari sekam padi 811 m 2 /g. Karbon aktif dengan luas permukaan 990 m 2 /g, suhu 1073 K.

30 18 (Lanjutan) No. Nama Jurnal Topik Penelitian Hasil 8 Preparation of Activated Carbon from Cherry Stones by Activation with Potassium-Hydroxide (Marin, 2005) Bahan baku dicampur dan diagitasi dengan KOH (KOH:CS=3:1), dialiri gas N 2 laju alir 100 ml/min, dengan variasi suhu aktivasi o C selama 2 jam. Karbon aktif dengan luas permukaan 1624 m 2 /g, hasil aktivasi suhu 900 o C. Beberapa penelitian pada Tabel 2.2. menunjukkan bahwa suhu dan waktu mempengaruhi pembentukan luas permukaan. Semakin tinggi suhu aktivasi, luas permukaan yang dihasilkan akan semakin besar. Peningkatan suhu selama waktu tertentu akan meningkatkan pembentukan pori-pori baru baik mikropori, mesopori, dan makropori. Namun bila suhu dan waktu meningkat terus menerus akan menyebabkan luas permukaan menurun. Suhu yang terlalu tinggi dan waktu yang terlalu lama akan meningkatkan pembentukan abu. Karbon akan lebih banyak terbakar sehingga pori-pori akan mengalami pelebaran dan pengrusakan berlebih menghasilkan penurunan luas permukaan. Suhu aktivasi dan waktu aktivasi harus disesuaikan dengan kandungan karbon pada bahan baku agar karbon yang terkandung pada bahan baku tidak habis. Bahan baku dengan kandungan karbon yang tinggi, yaitu batu bara (C>60%) biasanya menggunakan suhu aktivasi dan waktu aktivasi yang tinggi agar activating agent dan karbon bisa bereaksi secara optimal. Sedangkan bahan baku biomassa seperti material lignoselulosis dapat menggunakan suhu aktivasi dan waktu aktivasi yang tidak terlalu tinggi karena kandungan karbon yang rendah dikhawatirkan habis terbakar pada suhu tinggi dan waktu yang lama Ampas Tebu sebagai Bahan Baku Karbon Aktif Tebu (Saccharum officinarum) tergolong tanaman perkebunan dan hanya dapat tumbuh di daerah tropis. Hal ini menjadikan pertumbuhan dan perkembangan tebu di Indonesia tergolong baik karena curah hujan dan intensitas sinar matahari yang cukup tinggi. Tebu digunakan sebagai bahan baku untuk memproduksi gula. Proses produksi gula ini menghasilkan limbah atau residu.

31 19 Limbah merupakan hasil dari suatu proses yang belum atau tidak termanfaatkan (Murti, 2008). Salah satu penggunaan efektif dari limbah agrikultural yang menjadi perhatian pada dekade terakhir adalah sebagai bahan baku dalam pembuatan karbon aktif. Banyak limbah agrikultural yang dipakai sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif karena dapat diperbaharui, tersedia dalam jumlah banyak, dan tidak terlalu mahal dari pada material lain untuk dijadikan adsorben (Nunes dkk, 2008). Proses pembuatan gula akan menghasilkan limbah berupa ampas tebu. Ampas tebu ini merupakan hasil samping proses ekstraksi cairan tebu pada industri gula. Sebagian besar pemanfaatan ampas tebu ini bernilai ekonomi yang cukup rendah misalnya hanya terbatas untuk pakan ternak. Pemanfaatan ampas tebu perlu pengembangan teknologi, salah satunya ialah dapat dijadikan bahan baku pembuatan karbon aktif. Selain itu, pemanfaatan ampas tebu ini dapat mengurangi dampak bagi lingkungan yang diakibatkan limbah. Ampas tebu dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif karena merupakan material yang mengandung lignoselulosa. Lignoselulosa merupakan unsur yang banyak mengandung karbon. Lignoselulosa terdiri dari lignin, selulosa, dan hemiselulosa. Material yang mengandung lignin memiliki kandungan karbon sekitar 35% - 40%, densitas yang rendah sekitar 0,3 kg/m 3-0,4 kg/m 3, dan kandungan abu yang sangat sedikit (Manocha, 2003). Zat yang terkandung dalam ampas tebu dalam jumlah yang besar yaitu selulosa sekitar 37%, lignin sekitar 21%, dan hemiselulosa sekitar 28% (Bon, 2007). Karakteristik ampas tebu secara umum dapat dilihat pada Tabel 2.3. Tabel 2.3. Karakteristik Ampas Tebu (Kalderis dkk, 2008) Parameter Presentase (%) Kadar air (moisture) 6,1 Kadar abu (ash content) 3,3 Kadar material volatil (volatile matter) 65,9 Kadar karbon (fixed carbon) 24,7 Pada Tabel 2.3. menunjukkan analisis proximate ampas tebu. Hal ini berarti bahwa fixed carbon atau kadar karbon yang dimaksud ialah kadar arang yang tidak hanya mengandung karbon melainkan masih terdapat hidrogen, oksigen,

32 20 nitrogen, dan sulfur yang tidak terbawa gas. Kadar karbon ampas tebu sendiri sebesar 47 %, oksigen 44%, hidrogen 6,5 %, nitrogen 0,9%, dan sulfur 0,1 % (Winaya, 2010). Karena kandungan karbon yang cukup potensial di dalam ampas tebu, ampas tebu dapat diproses menjadi bahan baku pembuatan karbon aktif. Beberapa penelitian pembuatan karbon aktif dari ampas tebu sudah dilakukan. Pembuatan karbon aktif dari ampas tebu dengan aktivasi kimiawi melalui impregnasi menggunakan ZnCl 2 sudah dilakukan, pada suhu aktivasi 700 o C dan waktu 30 menit dengan variasi rasio ZnCl 2 dengan bahan baku 0,25; 0,5; 0,75; dan 1. Dari penelitian ini diperoleh karbon aktif dengan luas permukaan tertinggi 864 m 2 /gram pada rasio ZnCl 2 : ampas tebu sebesar 0,75 : 1 (Kalderis dkk, 2008). Selain itu, pembuatan karbon aktif dari ampas tebu juga sudah dilakukan dengan variasi activating agent ZnCl 2, NaOH, dan H 3 PO 4, variasi rasio activating agent dengan bahan baku, variasi suhu aktivasi dan waktu aktivasi (600 o C, 700 o C, dan 800 o C ; 30 menit dan 60 menit) dan menghasilkan karbon akif dengan luas permukaan tertinggi 674 m 2 /gram dari rasio 0,75 pada suhu aktivasi 700 o C selama 30 menit (Kalderis dkk, 2008). Pada penelitian ini, pembuatan karbon aktif juga berasal dari ampas tebu namun menggunakan activating agent yang berbeda dari penelitian sebelumnya yaitu KOH dengan melakukan variasi suhu aktivasi 600 o C, 700 o C, dan 800 o C dan waktu aktivasi selama ½ jam dan 1 jam Metode BET (Brenauer-Emmet-Teller) Salah satu karakteristik karbon aktif berkualitas ialah memiliki luas permukaan yang tinggi. Semakin besar luas permukaan karbon aktif, semakin besar pula daya adsorpsinya. Luas permukaan suatu adsorben dapat diketahui dengan alat pengukur luas permukaan yang menggunakan prinsip metode BET. Pengukuran luas permukaan dengan model BET ini biasanya menggunakan nitrogen sebagai adsorbat. Pengukuran ini didasarkan pada data adsorpsi isotermis nitrogen pada suhu 77 K. Adsorpsi isotermis dengan prinsip BET merupakan jenis adsorpsi fisis. Metode BET pertama kali ditemukan oleh Brenauer, Emmet, dan Teller pada tahun Metode BET ini merupakan pengembangan dari teori Langmuir. Teori Langmuir digunakan untuk adsorpsi monolayer kemudian dikembangkan menjadi teori BET yang menyatakan bahwa adsorpsi dapat terjadi

33 21 di atas lapisan adsorbat monolayer sehingga teori dan model BET ini dapat digunakan untuk adsorpsi multilayer. Ilustrasi adsorpsi isotermis dengan prinsip BET dapat dilihat pada Gambar 2.7. Gambar 2.7 menggambarkan adsorpsi multilayer, yang pada awalnya terjadi penempelan molekul pada permukaan adsorben membentuk lapisan monolayer kemudian terjadi penempelan molekul pada lapisan monolayer membentuk lapisan multilayer. Gambar 2.7. Ilustrasi Adsorpsi Isotermis Prinsip BET Metode BET didasarkan pada penentuan volume molekul teradsorpsi secara fisika setebal satu lapis molekul monolayer pada permukaan adsorben. Berikut persamaan BET. Keterangan: C : Konstanta BET P O P V P O P = 1 + (C 1) P (2.8) P 1 V m C V m C P O : Tekanan uap jenuh gas yang diadsorpsi pada suhu eksperimen (kpa) : Tekanan total gas saat adsorpsi (kpa) V m : Volume gas yang diadsorpsi untuk monolayer (cm 3 ) V : Volume gas yang diadsorpsi pada tekanan P (cm 3 ) Persamaan (2.8) hanya untuk P/P o bernilai antara 0,05-0,35 dan V m dapat ditentukan. Persamaan (2.8) dapat diplot secara linear, yaitu antara 1/V((P/P o )-1) dengan P/P o, sehingga didapat persamaan dengan slope (C-1)/V m C dan intersep 1/V m C. Dari ini, akan didapat nilai Vm. Untuk mendapatkan luas permukaan adsorben, digunakan persamaan berikut.

34 22 Keterangan: N : Bilangan Avogadro = x Acs : Luas penampang satu molekul adsorbat (m 2 ) W : Berat sampel (gram) Sg : Luas permukaan adsorben/berat adsorben (m 2 /gram) (2.9)

35 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Pada bab ini akan dibahas diagram alir penelitian, alat dan bahan yang digunakan, variabel dalam penelitian, prosedur penelitian, dan karakterisasi luas permukaan karbon aktif. Penelitian akan dilakukan di Laboratorium Teknologi Energi Berkelanjutan, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Diagram Alir Penelitian Penelitian yang dilakukan dapat dilihat pada gambar diagram alir penelitian sebagaimana terlihat pada Gambar 3.1. Sedangkan untuk penjelasan langkah-langkah dapat dilihat pada bagian prosedur penelitian.

36 24 Preparasi Alat dan Bahan Baku (AmpTebu...0Tebu) Karbonisasi (T = 400 o C) Pengayakan sampai ukuran 125 mesh Aktivasi Kimiawi Pencampuran dengan rasio activating agent (KOH)/massa ampas tebu = 3:1 Aktivasi Fisika Gas inert N 2, laju alir = 200mL/menit Pengadukan dan Pemanasan (+200 o C, 1 jam) Aktivasi (Suhu: 700 o C ; Waktu: 1 jam) Gas inert N 2, laju alir = 200mL/menit Aktivasi (Suhu : 600 o C, 700 o C, 800 o C ; Waktu: ½ jam dan 1 jam) Pendinginan Pendinginan Pencucian Pengeringan Karakterisasi Luas Permukaan dengan BET Gambar 3.1. Diagram Alir Penelitian

37 Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut: Grinder Beaker Glass Timbangan Pengaduk Kaca Spatula Cawan Petri Burner Kaki tiga dan kasa asbes Kompor Penggorengan Penyaring ukuran 125 mesh Reaktor beserta pengontrol suhu dan laju alir Ilustrasi reaktor yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.2. Gambar 3.2. Reaktor untuk Aktivasi Oven Instrumentasi Autosorb 6B Quantachrome Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini sebagai berikut: Ampas tebu Ampas tebu yang digunakan memiliki kadar air yang rendah.

38 26 Larutan KOH Larutan ini sebagai activating agent. HCl 5N Air distilasi Gas nitrogen Gas inert ini berfungsi mengontrol proses aktivasi Variabel Penelitian Variabel dalam penelitian ini adalah : Variabel bebas : suhu aktivasi, waktu aktivasi, dan sebagai pembanding yaitu karbon aktif dengan metode pemanasan/tanpa activating agent. Variabel terikat : luas permukaan karbon aktif. Variabel terkontrol : suhu karbonisasi serta rasio massa activating agent/massa karbon Prosedur Penelitian Preparasi Alat dan Bahan Baku dan Karbonisasi Semua alat dan bahan untuk tahap dalam pembuatan karbon aktif ini dipersiapkan dan dipastikan ada. Sebelum memulai penelitian, timbangan diperiksa pengukurannya. Sebelum melakukan proses karbonisasi, grinder untuk mereduksi ukuran ampas tebu dipastikan dapat menyala dan kompor dipastikan dapat menyala (api). Kemudian bahan seperti KOH, HCl, dan air distilasi dipastikan memiliki kuantitas yang cukup untuk membuat larutan activating agent KOH dan larutan pencuci. Ampas tebu direduksi ukurannya dengan grinder sampai lebih halus. Lalu ampas tebu masuk dalam proses karbonisasi. Proses karbonisasi berlangsung pada suhu 400 o C dengan kondisi udara mengalir. Proses ini akan menghasilkan karbon/arang dari ampas tebu. Setelah karbonisasi, karbon yang dihasilkan didinginkan dan disaring sampai berukuran 125 mesh.

39 Aktivasi Pada penelitian ini, proses aktivasi dibagi menjadi 2 yaitu aktivasi kimia dan metode pemanasan/tanpa penambahan activating agent. Pada aktivasi kimia, activating agent berupa KOH berbentuk padatan sehingga KOH ditimbang kemudian dilarutkan dengan air distilasi sampai diperoleh larutan 150 ml. Kemudian serbuk karbon dicampur dengan larutan activating agent KOH dengan rasio massa KOH/massa karbon adalah 3/1. Setelah pencampuran, dilakukan pengadukan serbuk karbon dan KOH pada suhu 200 o C selama 1 jam. Setelah pengadukan dan pemanasan, didapatkan karbon hasil impregnasi dengan KOH berbentuk slurry. Reaktor harus diperiksa terlebih dahulu untuk memastikan tidak ada oksigen dalam reaktor sebelum digunakan. Campuran karbon dan KOH yang berbentuk slurry ini kemudian dimasukkan dalam reaktor. Kemudian pada reaktor, dialirkan gas nitrogen dengan pengontrolan laju alir sebesar 200 ml/menit. Lalu campuran karbon dan KOH dipanaskan sehingga mencapai suhu proses yang divariasikan yaitu 600 o C, 700 o C, dan 800 o C dengan kenaikan suhu 10 o C/menit. Pemanasan ini berlangsung selama waktu aktivasi yang divariasikan, yaitu ½ jam dan 1 jam. Pada metode pemanasan/tanpa penambahan activating agent, serbuk karbon langsung dimasukkan dalam reaktor dan dialirkan gas nitrogen dengan pengontrolan laju alir sebesar 200 ml/menit. Kemudian dipanaskan sehingga mencapai suhu proses 700 o C selama 1 jam. Setelah proses aktivasi selesai, maka akan dihasilkan produk berupa karbon aktif. Karbon aktif ini perlu diberi treatment lagi agar karbon aktif yang didapatkan benar-benar murni Pendinginan Setelah proses aktivasi dilakukan, sampel karbon aktif yang diperoleh didinginkan dengan tetap mengalirkan N 2. Sampel tersebut masih terdapat di dalam reaktor dimana pemanas dalam keadaan mati (Garcia-Garcia dkk, 2002).

40 Pencucian Setelah pendinginan sampel dilakukan, sampel dicuci tiga kali dengan larutan HCl 5N. Kemudian dicuci lagi dengan air distilasi beberapa kali untuk menghilangkan sisa-sisa kloridanya Pengeringan Setelah dicuci, sampel dikeringkan di dalam oven. Kemudian sampel karbon aktif yang diperoleh disimpan dalam desikator agar karbon aktif tetap kering Teknik Pengambilan Data dan Analisis Teknik pengambilan data pada penelitian ini adalah dengan cara karakterisasi luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan. Pada penelitian ini, luas permukaan karbon aktif yang dihasilkan dianalisis dengan menggunakan Autosorb 6B produksi Quantachrome yang terdapat di Laboratorium Rekayasa Reaksi Kimia dan Konversi Gas Alam, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik. Alat ini mampu mengidentifikasi luas permukaan karbon aktif secara langsung. Sebelum sampel dimasukkan ke dalam alat ini, sampel ditimbang terlebih dahulu untuk mengetahui massanya sehingga dapat diketahui luas permukaaannya setiap 1 gram karbon aktif. Setelah data luas permukaan semua sampel karbon aktif diperoleh, maka dibuat grafik hubungan antara suhu dan lama waktu aktivasi dengan luas permukaan karbon aktif dan grafik perbandingan luas permukaan karbon aktif dengan metode aktivasi kimiawi dengan luas permukaan karbon aktif metode pemanasan/tanpa activating agent sebagai pembanding. Hal ini bertujuan untuk mengetahui kondisi operasi (suhu dan lama waktu) aktivasi yang optimal dalam pembuatan karbon aktif dengan bahan baku ampas tebu.

41 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan diuraikan mengenai hasil penelitian dan analisis dari hasil penelitian sehingga diperoleh kesimpulan dari penelitian yang dilakukan. Hasil penelitian ini yaitu karbon aktif yang dibuat dari ampas tebu dan hasil karakterisasi luas permukaan dengan pengujian BET pada karbon aktif yang dihasilkan Pembuatan Karbon Aktif dari Ampas Tebu Pembuatan karbon aktif ini dimulai dengan melakukan preparasi bahan dasar karbon aktif yaitu karbon yang berasal dari ampas tebu. Ampas tebu diproses menjadi karbon melalui proses karbonisasi. Setelah proses karbonisasi, maka didapatkan karbon untuk diproses menjadi karbon aktif. Kemudian karbon dicampurkan dengan larutan KOH sebagai activating agent agar karbon terimpregnasi. Hasil impregnasi diaktivasi di dalam reaktor aktivasi agar diperoleh hasil berupa karbon aktif Hasil Karbonisasi Ampas Tebu Untuk memperoleh karbon aktif, maka perlu didapatkan karbon/arang terlebih dahulu dari bahan baku yang digunakan yaitu ampas tebu. Ampas tebu diproses menjadi karbon melalui proses karbonisasi. Ampas tebu yang digunakan sudah kering dan berbentuk serat sehingga tidak perlu proses pengeringan dan penghancuran. Sebelum masuk dalam tahap karbonisasi, ampas tebu terlebih dahulu dihaluskan dengan menggunakan grinder agar ukuran tereduksi. Dengan adanya penghalusan ini, proses karbonisasi ampas tebu akan lebih merata karena semakin kecil (halus) ukuran ampas tebu, maka semakin besar luas permukaan ampas tebu yang terkena kontak dengan panas pada proses karbonisasi. Ampas tebu yang belum dihaluskan dan telah dihaluskan dapat dilihat pada Gambar 4.1.

42 30 Gambar 4.1. Ampas Tebu Awal (a) dan Ampas Tebu yang telah Dihaluskan (b) Proses karbonisasi ampas tebu dilakukan secara bertahap meningkat sampai tercapai suhu 400 o C di atas pemanas. Pada suhu 400 o C, air dan senyawa volatil yang terkandung pada ampas tebu sudah menghilang dan karbon dari pembakaran material lignoselulosa sudah terbentuk. Kalderis (2008) menyatakan bahwa pembakaran ampas tebu sampai menjadi karbon terjadi secara bertahap, yaitu sampai suhu 210 o C, kandungan air hilang, kemudian dari 210 o C sampai 370 o C terjadi dekomposisi lignoselulosa yang terdiri dari lignin, selulosa, dan hemiselulosa, dan mulai pada suhu 370 o C terjadi perengkahan/pemecahan ikatan C-C. Proses karbonisasi mengeluarkan banyak asap sebagai indikasi bahwa senyawa-senyawa volatil yang terkandung pada ampas tebu menguap. Proses karbonisasi selesai ketika ampas tebu sudah sepenuhnya berubah warna menjadi hitam dan hanya sedikit asap yang keluar. Hal ini menandakan bahwa arang sudah terbentuk dan senyawa-senyawa volatil sudah menguap. Arang hasil proses karbonisasi ampas tebu ini dapat dilihat pada Gambar 4.2. Gambar 4.2. Arang Hasil Karbonisasi Ampas Tebu