KARAKTERISTIK KARBON AKTIF CANGKANG BINTARO (Cerberra odollam G.) DENGAN AKTIVATOR H 2 SO 4

Transkripsi

1 PSTER Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : KARAKTERISTIK KARBN AKTIF CANGKANG BINTAR (Cerberra odollam G.) DENGAN AKTIVATR H 2 S 4 CHARACTERISTICS F ACTIVATED CARBN FRM BINTAR (Cerberra odollam G.) SHELLS WITH H 2 S 4 ACTIVATR Arlin Yulianita Pratiwi dan Siti Tjahjani Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya Jl. Ketintang Surabaya (60231), Telp arlinyulianita@gmail.com Abstrak. Salah satu alternatif bahan baku pembuatan karbon aktif adalah cangkang bintaro. Bintaro memiliki serat lignoselulosa yang menyerupai buah kelapa. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui karakteristik karbon aktif cangkang bintaro menggunakan aktivator H 2 S 4 meliputi kadar air, kadar abu, kadar zat mengguap, kadar karbon terikat, daya serap iodium, daya serap benzena, analisis gugus fungsi dan luas permukaan. Cangkang bintaro dipotong, dikeringkan dan dikarbonisasi pada suhu 400 o C selama 1 jam, kemudian diaktivasi dengan aktivator H 2 S 4 1%, 3%, 5% selama 18, 21, 24 jam dan diuji daya serap terhadap iodium untuk menentukan karbon aktif terbaik. Karbon aktif terbaik didapatkan pada kondisi aktivasi H 2 S 4 5% selama 24 jam, yang selanjutnya dikarakterisasi. Hasil penelitian menunjukkan kadar air 5,74%; kadar abu 4,38%; kadar zat menguap 23,88%; kadar karbon terikat 71,73%; daya serap iodium 570,89 mg/g dan daya serap benzene 12,55%. Hasil analisis gugus fungsi karbon dan karbon aktif terbaik menunjukkan gugus fungsi yang sama yaitu -H, C- karboksilat, dan 2- C-H. Pada spektra karbon aktif terbaik muncul pita serapan gugus S 4 pada bilangan gelombang 1121,5 cm -1. Hasil analisis luas permukaan karbon aktif terbaik adalah 71,52 m 2 /g. Kata kunci: Karbon aktif, Bintaro, Karakteristik, Aktivator H 2 S 4 Abstract. ne alternative raw material for activated carbon was bintaro shells. Bintaro have lignoselulosa fiber that resembles a coconut. The purpose of this study was to determine the characteristics of activated carbon bintaro shell using H 2 S 4 include water content, ash content, volatile matter, fixed carbon, absorption of iodine, absorption of benzene, analysis of functional groups and surface area. Bintaro shells was cut, dried and carbonized at 400 C for 1 hour, then activation with H 2 S 4 1%, 3%, 5% for 18, 21, 24 hours and tested absorption of iodine to determine the best activated carbon. The best activated carbon was obtained on the condition activation of H 2 S 4 5% for 24 hours, were further tested characterized. The result showed water content of 5,74%; ash content of 4.38%; volatile matter 23.88%; fixed carbon 71.73%; absorption of iodine mg/g and absorption of benzene 12.55%. The results of the analysis of functional groups of carbon and best activated carbon show the same functional group is -H, C- carboxylate, and C-H. At best activated carbon appear adsorption spectra of S 4 2- group at wavenumber cm -1. The result of the analysis surface area of best activated carbon is m 2 /g. Keywords: Activated carbon, Bintaro, Characteristics, H 2 S 4 Activator PENDAHULUAN Pada industri yang menggunakan proses adsorpsi banyak menggunakan adsorben karbon aktif. Salah satu alternatif bahan baku karbon aktif yang dapat digunakan yaitu cangkang bintaro yang tersebar hampir diseluruh wilayah Indonesia. Bintaro memiliki kandungan racun cerberin yang dapat menghambat saluran ion D - 1

2 kalsium di dalam otot jantung [1]. Hal ini menyebabkan pemanfaatan buah bintaro terhambat. Bintaro merupakan buah drupa atau buah biji yang terdiri dari tiga lapisan yaitu epikarp atau eksokarp; kulit bagian terluar buah, mesokarp; lapisan tengah berupa serat seperti sabut kelapa, dan endocarp; biji yang dilapisi kulit biji atau testa [2]. Gambar 1. Bagian-bagian Buah Bintaro Buah bintaro memiliki serat lignoselulosa menyerupai buah kelapa. Komposisi kandungan lignin cangkang buah bintaro setara dengan tempurung kelapa yang banyak digunakan dalam pembuatan karbon aktif secara komersial. Menurut [3], kandungan lignin pada tempurung kelapa adalah 29,4%, dan pada cangkang buah bintaro sebesar 36,95% [4]. Kandungan lignin yang cukup tinggi pada cangkang buah bintaro menjadikannya berpotensi sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif. Pembuatan karbon aktif dapat dilakukan melalui 3 proses yaitu dehidrasi, karbonisasi dan aktivasi. Salah satu faktor penting dalam pembuatan karbon aktif adalah proses aktivasi menggunakan aktivator. Aktivator akan menghilangkan zat pengotor di dalam pori-pori karbon sehingga terbentuk pori-pori yang lebih banyak yang akan memperbesar luas permukaan. Pada proses aktivasi terdapat beberapa pengaruh yang menentukan kualitas karbon aktif, diantaranya yaitu waktu aktivasi dan konsentrasi aktivator. Semakin lama waktu aktivasi menyebabkan zat-zat pengotor menghilang semakin banyak. Pada konsentrasi aktivator, semakin tinggi konsentrasinya maka semakin kuat pengaruh aktivator terhadap karbon. Aktivator mengikat zat-zat pengotor sisa karbonisasi keluar melewati mikropori sehingga permukaan karbon semakin besar [5]. Aktivator yang baik bagi karbon aktif dengan bahan baku material lignoselulosa adalah aktivator asam, salah satunya adalah asam sulfat. Aktivator H 2 S 4 merupakan oksidator kuat yang akan mengikat zat-zat pengotor di dalam poripori karbon sehingga menyebabkan pori-pori karbon aktif semakin besar. Salah satu penelitian yang mempelajari pengaruh konsentrasi aktivator H 2 S 4 adalah [6] terhadap karbon aktif dari limbah batang jagung, dimana konsentrasi yang digunakan 1%, 3% dan 5%. Menghasilkan daya serap iodium yang semakin besar seiring kenaikan konsentrasi, yang mengindikasikan semakin besar pula luas permukaan adsorben. Karbon aktif memiliki karakteristik sifat kimia, fisika dan daya serap meliputi kadar air, kadar abu, kadar zat menguap, kadar karbon terikat, daya serap terhadap iodium dan daya serap terhadap benzena [7]. Selain itu diperlukan juga analisis terhadap gugus fungsi dan luas permukaan dari karbon aktif yang dihasilkan. Untuk mengetahui karakteristik karbon aktif dari cangkang bintaro maka dilakukan penelitian yang bertujuan untuk mengetahui karakteristik karbon aktif cangkang bintaro menggunakan aktivator H 2 S 4 meliputi kadar air, kadar abu, kadar zat mengguap, kadar karbon terikat, daya serap iodium, daya serap benzena, analisis gugus fungsi dan luas permukaan. BAHAN DAN METDE Alat Beberapa alat yang digunakan antara lain : furnace, ayakan mesh (60 mesh), oven, neraca analitik, indikator ph, cawan porselen, corong kaca, kertas saring, desikator, spatula, mortal alu, gelas ukur, gelas kimia, erlenmeyer, buret, statif, klem, gelas plastik, dan pipet tetes. Pada penentuan gugus fungsi menggunakan instrumen Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan untuk analisa luas permukaan menggunakan metode Brunauer-Emmet-Tellet (BET). D - 2

3 Bahan Bahan-bahan yang di butuhkan adalah cangkang buah bintaro yang diambil dari daerah Pandugo Surabaya, H 2 S 4 1%, 3% dan 5%, larutan Amilum 1%, Benzena, Natrium Tiosulfat 0,1 N, Iodium 0,1 N, dan akuades. Prosedur Penelitian Tahap Karbonisasi Cangkang Bintaro Buah bintaro dicuci terlebih dahulu lalu dikeluarkan bijinya dan dipotong kecil-kecil. Kemudian dilakukan pretreatment fisik melalui pengeringan menggunakan oven pada suhu 80 o C selama 1 jam. Setelah itu dihitung kadar air dari cangkang buah bintaro yang sudah dikeringkan. Selanjutnya cangkang buah bintaro dikarbonisasi dalam furnace selama 1 jam pada suhu 400 o C. Setelah 1 jam karbon didinginkan dan dihitung rendemennya. Kemudian karbon digiling dengan mortal alu hingga diperoleh serbuk buah bintaro dan diayak menggunakan ayakan 60 mesh. Tahap Pembuatan Karbon Aktif Sebanyak 1 gram serbuk karbon direndam dengan aktivator H 2 S 4 1%, 3% dan 5% (v/v) dengan perbandingan 1:3 (b/b), dibiarkan selama 18, 21 dan 24 jam. Kemudian dicuci dengan akuades hingga ph netral. Dikeringkan pada suhu 105 o C selama 24 jam. Karbon aktif yang dihasilkan diuji kemampuannya terhadap daya serap iodium untuk mengetahui karbon aktif terbaik yang ditandai dengan daya serap iodium terbesar. Tahap Karakterisasi Karbon aktif terbaik yang didapatkan di karakterisasi kadar air, kadar abu, kadar zat menguap, kadar karbon terikat, daya serap iodium dan daya serap benzena. Selain itu dilakukan pula analisis gugus fungsi menggunakan FTIR dan luas permukaan dengan BET. HASIL DAN PEMBAHASAN Karbonisasi Cangkang Bintaro Karbonisasi dilakukan untuk mendapatkan karbon melalui proses pembakaran tidak sempurna yang menghasilkan C, C dan H 2 [8]. Cangkang yang akan diubah menjadi karbon terlebih dahulu dipotong kecil-kecil dan didehidrasi untuk menghilangkan kandungan air bahan baku. Didapatkan kadar air cangkang bintaro sebesar 9,75%. Karbon yang dihasilkan berwarna hitam dengan rendemen karbon sebesar 29,65%. Gambar 2. Karbon cangkang bintaro Karbon yang didapatkan dihaluskan dan dilakukan pemilihan ukuran karbon yang lolos ayakan 60 mesh. Hal ini bertujuan untuk memperbesar kontak karbon dengan aktivator, sehingga lebih banyak karbon yang teraktivasi. Pembuatan Karbon Aktif Pada tahap pembuatan karbon aktif dilakukan aktivasi dengan variabel manipulasi waktu aktivasi dan konsentrasi aktivator, yang bertujuan untuk menentukan karbon aktif terbaik berdasarkan hasil daya serap iodium yang terbesar. Aktivasi dilakukan untuk memperbesar luas permukaan karbon sehingga meningkatkan kemampuan adsorpsinya. Tabel 1. Rata-rata Daya Serap Iodium (mg/g) pada Berbagai Variasi Waktu Aktivasi dan Konsentrasi H 2 S 4 Konsentrasi H 2 S 4 Waktu 1% 3% 5% Aktivasi 18 jam 442,09 495,00 540,73 21 jam 453,27 510,41 555,45 24 jam 464,91 521,23 570,89 D - 3

4 Karbon aktif kondisi aktivasi 24 jam - konsentrasi H 2 S 4 5% merupakan karbon aktif terbaik, dengan daya serap iodium terbesar yaitu 570,89 mg/g. Daya serap iodium meningkat seiring kenaikan konsentrasi H 2 S 4 dan waktu aktivasi. Asam sulfat mengikat senyawa volatile dan zat pengotor yang masih tertinggal menutupi pori-pori karbon. Semakin lama waktu aktivasi maka aktivator melarutkan lebih banyak senyawa volatile dan zat pengotor sehingga semakin besar daya serap karbon aktif yang diperoleh. Mekanisme reaksi aktivasi menurut [5] disajikan pada Gambar 3. H CH 2 Karbon + H S H 2S 4 H H CH 2 S CH 2 KarbonAktif + H 2 Gambar 3. Mekanisme aktivasi dengan H 2 S 4 Karakteristik Karbon Aktif Cangkang Bintaro Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui kualitas karbon aktif meliputi sifat fisika dan kimia serta kemampuan daya serap. Tabel 2. Karakteristik Karbon Aktif Terbaik Parameter Uji Hasil Uji Kadar air 5,74% Kadar abu 4,38% Kadar zat menguap 23,88% Kadar karbon terikat 71,73% Daya serap iodium 570,89 mg/g Daya serap benzene 12,55% Kadar Air Penentuan kadar air bertujuan untuk mengetahui sifat higroskofis karbon aktif. Kadar air karbon aktif terbaik yaitu 5,74% lebih rendah dibandingkan dengan kadar air cangkang bintaro yaitu 9,75%. Adanya pemanasan atau proses karbonisasi menyebabkan penurunan kadar air, karena terjadi peningkatan dehidrasi atau penguapan air bahan baku. Selain itu adanya aktivator H 2 S 4 memberikan pengaruh dehidrasi saat aktivasi. Semakin kecil kadar air maka daya serap karbon aktif semakin baik. Kadar Abu Kadar abu ditentukan untuk mengetahui kandungan oksida logam dari karbon aktif. Besarnya kadar abu yang didapatkan 4,38%. Pada karbon masih terdapat pengotor berupa mineral anorganik dan oksida logam yang menutupi pori-pori. Melalui proses aktivasi, mineral anorganik dan oksida logam pada permukaan karbon akan larut sehingga menyebabkan peningkatan luas permukaan serta kualitas karbon aktif. Semakin besar kadar abu suatu karbon aktif maka kemampuan daya serap akan turun. Kadar Zat Menguap Kadar zat menguap ditentukan untuk mengetahui kandungan senyawa volatile di dalam karbon aktif. Kadar zat menguap yang didapatkan adalah 23,88%. Kadar zat menguap menunjukkan penguraian senyawa non-karbon pada permukaan karbon aktif pada saat karbonisasi dan aktivasi. Semakin rendah kadar zat menguap maka daya adsorpsinya akan semakin besar, karena semakin banyak senyawa volatile yang menguap dan larut pada proses karbonisasi dan aktivasi. Kadar Karbon Terikat Kadar karbon terikat ditentukan untuk mengetahui kandungan karbon setelah proses karbonisasi dan aktivasi. Kadar karbon terikat yang didapatkan sebesar 71,73%. Semakin tinggi kadar karbon terikat menunjukkan luas permukaan dan jumlah pori yang lebih banyak sehingga mempunyai kemampuan menyerap cairan atau gas. Kadar karbon terikat dipengaruhi oleh kadar zat menguap dan kadar abu. Semakin besar kadar zat menguap dan kadar abu akan menurunkan kadar karbon terikat begitu juga sebaliknya. D - 4

5 Daya Serap Iodium Kemampuan karbon aktif untuk menyerap larutan iodium digunakan sebagai parameter kualitas karbon aktif. Karbon aktif terbaik memiliki daya serap iodium terbesar yaitu 570,89 mg/g. Daya serap iodium menunjukkan kemampuan karbon aktif menyerap zat dengan ukuran molekul yang lebih kecil dari 10Å. Semakin besar daya serap iodium maka semakin besar kemampuan daya serap terhadap adsorbat atau zat terlarut. Diketahui pada Tabel 2. terjadi peningkatan daya serap iodium karbon aktif cangkang bintaro seiring kenaikan konsentrasi H 2 S 4 dan waktu aktivasi. Hal ini dikarenakan senyawa volatile dan zat pengotor yang masih menutupi pori-pori karbon terikat lebih banyak seiring kenaikan konsentrasi dan waktu aktivasi. Daya Serap Benzena Daya serap benzena yang didapatkan sebesar 12,5591%. Daya serap terhadap benzena menggambarkan kemampuan karbon aktif dalam menyerap gas dan senyawa nonpolar. Berdasarkan hasil FTIR karbon aktif terbaik cangkang bintaro diketahui terdapat gugus karbonil C- dan gugus yang menyebabkan permukaan karbon aktif bersifat hidrofilik sehingga molekul-molekul polar berinteraksi lebih kuat dibandingkan molekul non-polar. Selain itu adanya aktivasi dengan H 2 S 4 menyebabkan permukaan karbon aktif lebih bersifat polar. Analisis Gugus Fungsi a) b) Gambar 4. Spektrum FTIR a) Karbon, b) Karbon Aktif Terbaik Berdasarkan spektrum FTIR karbon, pita serapan gugus -H pada bilangan gelombang 3434,93 cm -1. Kemudian pita serapan pada bilangan gelombang 1607,41 cm -1 merupakan gugus C- karboksilat, dan pada bilangan gelombang 1376,08 cm -1 muncul pita serapan gugus C-H. Pada spektrum FTIR karbon aktif terbaik terdapat pita serapan vibrasi ulur gugus -H pada bilangan gelombang 3399,36 cm -1. Kemudian pita serapan pada bilangan gelombang 1636,82 cm -1 merupakan vibrasi gugus C- karboksilat, dan serapan pita bilangan gelombang 1375,29 cm -1 menunjukkan gugus C-H. Kedua hasil spektrum menunjukkan gugus fungsi yang sama dikarenakan persamaan kandungan bahan awal yang digunakan. Namun pada karbon aktif terbaik terdapat pita serapan 2- gugus S 4 pada bilangan gelombang 1121,5 cm -1 sebagai pengaruh dari aktivasi menggunakan aktivator H 2 S 4. Analisis Luas Permukaan Luas permukaan karbon aktif merupakan salah satu faktor penting dalam penentuan kualitas karbon aktif. Semakin besar luas permukaan karbon aktif maka semakin baik kualitas karbon aktif tersebut. Tabel 3. Hasil Analisis Karbon dan Karbon Aktif Terbaik menggunakan Metode BET Luas Volume Rerata Jenis permukaan total pori jejari pori sampel spesifik (m 2 (cc/g) (Å) /g) Karbon 40,67 0,28 141,60 Karbon aktif 71,52 0,47 133,70 Luas permukaan karbon aktif terbaik sebesar 71,5200 m 2 /g lebih besar dibandingkan luas permukaan karbon 40,6700 m 2 /g. Peningkatan luas permukaan ini menunjukkan keberhasilan proses aktivasi dengan H 2 S 4. Selain itu volume total pori karbon 0,2880 cc/g yang lebih besar dibandingkan karbon aktif terbaik yaitu 0,4779 cc/g, menunjukkan hilangnya zat-zat pengotor di D - 5

6 dalam pori-pori karbon oleh aktivator. Rerata jejari pori karbon aktif terbaik sebesar 133,7000 Å lebih rendah dibandingkan karbon yaitu 141,6000 Å. Penurunan rerata jejari pori ini menyebabkan luas permukaan karbon aktif meningkat. Menurut [9], kenaikan ukuran pori menyebabkan luas permukaan karbon aktif menurun, karena pori-pori karbon yang terbentuk semakin sedikit. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa karaterisitik karbon aktif cangkang bintaro adalah kadar air 2,72%; kadar abu 4,38%; kadar zat menguap 23,88%; kadar karbon terikat 71,73%; daya serap iodium 570,89 mg/g dan daya serap benzene 12,55%. Karbon dan karbon aktif terbaik menunjukkan gugus fungsi yang sama yaitu -H, C- karboksilat, dan C-H. Pada spektrum karbon aktif terbaik muncul pita serapan gugus S 4 2- pada bilangan gelombang 1121,5 cm -1. Luas permukaan karbon aktif terbaik yaitu 71,52 m 2 /g lebih besar daripada karbon yaitu 40,67 m 2 /g UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terimakasih disampaikan kepada unit layanan Laboratorium Terpadu atas bantuan dalam analisis gugus fungsi dan luas permukaan karbon aktif cangkang bintaro. 3. Suryani, Indah., Permana, M. Yusuf., Dahlan, M. Hatta Pembuatan Briket Arang Dari Campuran Buah Bintaro dan Tempurung Kelapa Menggunakan Perekat Amilum. Palembang: Universitas Sriwijaya. 4. Handoko, T., Suhandjaja, G., Muljana, M Hidrolisis Serat Selulosa Dalam Buah Bintaro Sebagai Sumber Bahan Baku Bioetanol. Jurnal Teknik Kimia Indonesia. 11 (1), Adinata, Mirsa Restu Pemanfaatan Limbah Kulit Pisang Sebagai Karbon Aktif. Skripsi. Surabaya: Universitas Pembangunan Nasional Veteran. 6. Ramdja, A Fuadi, Mirah Halim, Jo Handi Pembuatan Karbon Aktif dari Pelepah Kelapa (Cocus nurifera). Jurnal Teknik Kimia, Vol. 15, No Fauziah, Nailul Pembuatan Arang Aktif Secara Langsung dari Kulit Acacia mangium Wild Dengan Aktivasi Fisika dan Aplikasinya Sebagai Adsorben. Skripsi. Bogor: Institut Pertanian Bogor. 8. Fessenden R., J dan Fessenden J., S Kimia rganik Jilid 2. Jakarta: Erlangga. 9. Shofa Pembuatan Karbon Aktif Berbahan Baku Ampas Tebu Dengan Aktivasi Kalium Hidroksida. Skripsi. Depok: Universitas Indonesia. DAFTAR PUSTAKA 1. Purwaningtyas, Arni Potensi Minyak Biji Buah Bintaro (Cerbera manghas L.) Sebagai Potensi Alternatif Penghasil Biodiesel. Semarang : Universitas Negeri Semarang. 2. Imam, Greg., Handoko, Tony Pengolahan Buah Bintaro sebagai Sumber Bioetanol dan Karbon Aktif. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia. 8, (1-5). D - 6