BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA Kelapa sawit adalah tumbuhan industri yang saat ini sangat penting. Buah kelapa sawit dapat diolah sehingga dihasilkan produk berupa minyak goreng, margarin, bahan kosmetik, dan lain-lain. Pada buah kelapa sawit ini terdapat cangkang kelapa sawit yang pada umumnya dijadikan sebagai bahan bakar. 2.1 KARBON AKTIF Karbon atau arang aktif adalah material yang berbentuk butiran atau bubuk yang berasal dari material yang mengandung karbon misalnya batubara, kulit kelapa, dan sebagainya. Material berkarbon dapat diolah menjadi karbon aktif dengan pengolahan secara fisika dan kimia. Pada proses fisika diawali dengan proses pirolisis pada suhu tertentu sehingga dihasilkan arang. Arang aktif merupakan suatu padatan berpori yang mengandung 85-95% karbon. Proses pirolisis berlangsung dalam ruangan pemanasan tanpa oksigen [11]. Arang selain digunakan sebagai bahan bakar, juga dapat digunakan sebagai adsorben (penyerap) [12]. Daya serap ditentukan oleh luas permukaan partikel dan kemampuan ini dapat menjadi lebih tinggi jika terhadap arang tersebut dilakukan aktifasi dengan proses fisika. Dengan demikian, arang akan mengalami perubahan sifat-sifat fisika dan kimia. Arang yang demikian disebut sebagai arang aktif. Dalam satu gram karbon aktif, pada umumnya memiliki luas permukaan seluas 300-3500 m 2 /gr, sehingga sangat efektif dalam menangkap partikel-partikel yang sangat halus berukuran 0.01-0.0000001 mm. Karbon aktif bersifat sangat aktif dan akan menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu biasanya arang aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap tertentu beberapa jenis arang aktif dapat di reaktivasi 8

kembali, meskipun demikian tidak jarang yang disarankan untuk sekali pakai. Reaktifasi karbon aktif sangat tergantung dari metode aktivasi sebelumnya, oleh karena itu perlu diperhatikan keterangan pada kemasan produk tersebut [11]. Menurut SII No.0258-79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti yang tercantum pada tabel berikut ini: Tabel 2.1 Spesifikasi karbon aktif [13] Jenis Persyaratan Bagian yang hilang pada pemanasan 950 o C Maksimum 15% Air Maksimum 10% Abu Maksimum 2,5% Bagian yang tidak diperarang Tidak nyata Daya serap terhadap larutan I Minimum 20% 2.1.1 Proses Pembuatan Karbon Aktif Di negara tropis masih dijumpai arang yang dihasilkan secara tradisional yaitu dengan menggunakan drum atau lubang dalam tanah, dengan tahap pengolahan sebagai berikut: bahan yang akan dibakar dimasukkan dalam lubang atau drum yang terbuat dari plat besi. Kemudian dinyalakan sehingga bahan baku tersebut terbakar, pada saat pembakaran, drum atau lubang ditutup sehingga hanya ventilasi yang dibiarkan terbuka. Ini bertujuan sebagai jalan keluarnya asap. Ketika asap yang keluar berwarna kebiru-biruan, ventilasi ditutup dan dibiarkan selama kurang lebih kurang 8 jam atau satu malam. Dengan hati-hati lubang atau dibuka dan dicek apakah masih ada bara yang menyala. Jika masih ada drum ditutup kembali. Tidak dibenarkan mengggunakan air untuk mematikan bara yang sedang menyala, karena dapat menurunkan kwalitas arang [14]. Akan tetapi secara umum proses pembuatan arang aktif dapat dibagi dua tahap utama yakni proses karbonisasi dan proses aktifasi. Dijelaskan bahwa secara umum proses karbonisasi sempurna adalah pemanasan bahan baku tanpa adanya udara sampai temperatur yang cukup tinggi untuk mengeringkan dan menguapkan senyawa dalam karbon. Pada proses ini terjadi dekomposisi termal dari bahan yang mengandung karbon, dan menghilangkan spesies non karbonnya. Proses 9

aktifasi bertujuan untuk meningkatkan volume dan memperbesar diameter pori setelah mengalami proses karbonisasi, dan meningkatkan penyerapan [3]. 2.1.2 Daya Serap Karbon Aktif Arang aktif yang merupakan adsorben adalah suatu padatan berpori, yang sebagian besar terdiri dari unsur karbon bebas dan masing- masing berikatan secara kovalen. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non polar. Selain komposisi dan polaritas, struktur pori juga merupakan faktor yang penting diperhatikan. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya serap. Dalam hal ini, ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi, yaitu : 2.1.2.1 Sifat Serapan Banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif, tetapi kemampuannya untuk mengadsorpsi berbeda untuk masing- masing senyawa [15]. Adsorpsi akan bertambah besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul serapan dari sturktur yang sama, seperti dalam deret homolog [16]. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan rangkap, struktur rantai dari senyawa serapan [11]. 2.1.2.2 Temperatur Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk mengamati temperatur pada saat berlangsungnya proses. Faktor yang mempengaruhi temperatur proses adsorpsi adalah viskositas dan stabilitas thermal senyawa serapan [15]. Jika pemanasan tidak mempengaruhi sifat-sifat senyawa serapan, seperti terjadi perubahan warna maupun dekomposisi, maka perlakuan dilakukan pada titik didihnya. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih rendah [11]. 10

2.1.2.3 ph (Derajat Keasaman) Untuk asam-asam organik, adsorpsi akan meningkat bila ph diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya bila ph asam organik dinaikkan yaitu dengan menambahkan alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam [11]. 2.1.2.4 Waktu Singgung Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah arang yang digunakan. Selisih ditentukan oleh dosis arang aktif, pengadukan juga mempengaruhi waktu. Pengadukan dimaksudkan untuk memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan senyawa serapan. Untuk larutan yang mempunyai viskositas tinggi, dibutuhkan waktu singgung yang lebih lama [15]. 2.1.3 Aplikasi Karbon Aktif Karbon aktif merupakan bahan yang multifungsi dimana hampir sebagian besar telah dipakai penggunaannya oleh berbagai macam jenis industri. Aplikasi terhadap penggunaan karbon aktif dapat dilihat dari tabel dibawah ini: 11

Tabel 2.2 Aplikasi penggunaan karbon aktif dalam industri [14] No. Pemakai Kegunaan Jenis/ Mesh 1. Industri obat dan makanan Menyaring, penghilangan bau 8 30, 325 dan rasa 2. Minuman keras dan ringan Penghilangan warna, bau pada minuman 4 8, 4 12 3. Kimia perminyakan Penyulingan bahan mentah 4 8, 4 12, 8 30 4. Pembersih air Penghilangan warna, bau penghilangan resin 5. Budi daya udang Pemurnian, penghilangan 4 8, 4 12 ammonia, nitrit, penol, dan logam berat 6. Industri gula Penghilagan zat-zat warna, 4 8, 4 12 menyerap proses penyaringan menjadi lebih sempurna 7. Pelarut yang digunakan Penarikan kembali berbagai 4 8, 4 12, kembali pelarut 8 30 8. Pemurnian gas Menghilangkan sulfur, gas 4 8, 4 12 beracun, bau busuk asap. 9. Katalisator Reaksi katalisator pengangkut 4 8, 4 30 vinil khlorida, vinil asetat 10. Pengolahan pupuk Pemurnian, penghilangan bau 8 30 2.2 PENYERAPAN LOGAM BERAT Secara umum diketahui bahwa logam berat merupakan unsur yang berbahaya di permukaan bumi, sehingga kontaminasi logam berat di lingkungan merupakan masalah besar dunia saat ini. Persoalan spesifik di lingkungan terutama akumulasinya sampai pada rantai makanan dan keberadaannya di alam, serta meningkatnya sejumlah logam berat yang menyebabkan keracunan terhadap tanah, udara, dan air meningkat. Proses industri dan urbanisasi memegang peranan penting terhadap peningkatan kontaminan tersebut [3]. 12

Logam berat di suatu lahan secara umum bisa berasal dari proses alam atau akibat kegiatan manusia. Proses alam seperti perubahan siklus alamiah mengakibatkan batuan-batuan dari gunung berapi memberikan kontribusi yang sangat besar ke lingkungan. Namun apabila proses alam tersebut tidak mengalami perubahan siklus, jarang yang sampai pada tingkat toksik. Sedangkan kegiatankegiatan manusia yang dapat menyebabkan masuknya logam berat ke lingkungan antara lain adalah pertambangan (minyak, emas, batubara, dan lain-lain), pembangkit tenaga listrik, peleburan logam, pabrik-pabrik pupuk, kegiatankegiatan industri lainnya, dan penggunaan produk sintetik (misalnya pestisida, cat, baterai, limbah industri, dan lain-lain). Kontaminasi ini akan terus meningkat sejalan dengan meningkatnya usaha eksploitasi berbagai sumber alam di mana logam berat terkandung di dalamnya [17]. Penelitian-penelitian pembuatan karbon aktif dengan aktivator H 3 PO 4 dalam penyerapan logam berat yang telah banyak dilakukan ditunjukkan dalam 13able di bawah ini : Tabel 2.3 Penelitian Logam Berat [18], [19], [20], [21], [22] Peneliti Tahun Bahan Mentah Aplikasi UY. Nezih 2004 Biji Aprikot Logam Cd dan Ni Sun Y. dkk 2007 Pulp hitam Logam Cr Kartika Y. dkk 2007 Kulit nangka Logam Cd Thomas K dkk 2009 Cangkang Kemiri Logam Cu Soualah dkk 2011 Ampas kopi Logam Cd dan Pb 2.2.1 Timbal (Pb) Timbal adalah suatu unsur kimia dalam tabel periodik yang memiliki lambang Pb dengan nomor atom 82. Lambangnya diambil dari bahasa Latin Plumbum. Timbal (Pb) adalah logam berat yang terdapat secara alami di dalam kerak bumi. Keberadaan timbal bisa juga berasal dari hasil aktivitas manusia, yang mana jumlahnya 300 kali lebih banyak dibandingkan Pb alami yang terdapat pada kerak bumi. Pb terkonsentrasi dalam deposit bijih logam. Unsur Pb digunakan dalam bidang industri modern sebagai bahan pembuatan pipa air yang tahan korosi, bahan pembuat cat, baterai, dan campuran bahan bakar bensin tetraetil. Timbal (Pb) adalah logam yang mendapat perhatian khusus karena 13

sifatnya yang toksik (beracun) terhadap manusia. Timbal (Pb) dapat masuk ke dalam tubuh melalui konsumsi makanan, minuman, udara, air, serta debu yang tercemar Pb. Keracunan akibat kontaminasi Pb bisa menimbulkan berbagai macam hal diantaranya, menghambat aktivitas enzim yang terlibat dalam pembentukan hemoglobin (Hb), meningkatnya kadar dan kadar protoporphin dalam sel darah merah, memperpendek umur sel darah merah, menurunkan jumlah sel darah merah dan retikulosit, serta meningkatkan kandungan logam Fe dalam plasma darah. Paparan Pb dosis tinggi mengakibatkan kadar Pb darah mencapai 80 µg/dl pada orang dewasa dan 70 µg/dl pada anak-anak sehingga terjadi ensefalopati, kerusakan arteriol dan kapiler, edeme otak, meningkatkanya tekanan zalir serebrospinal, degenerasi neuron, serta perkembangbiakan sel glia yang disertai dengan munculnya ataksia, koma, kejang-kejang, dan hiperaktivitas. Kandungan Pb dalam darah berkorelasi dengan tingkat kecerdasan manusia. Semakin tinggi kadar Pb dalam darah, semakin rendah poin IQ. Apabila dalam darah ditemukan kadar Pb sebanyak tiga kali batas normal (intake normal sekitar 0,3 mg/hari), maka akan terjadi penurunan kecerdasan intelektual [23]. 2.2.2 Kadmium (Cd) Kadmium merupakan salah satu jenis logam berat yang berbahaya karena elemen ini beresiko tinggi terhadap pembuluh darah. Kadmium berpengaruh terhadap manusia dalam jangka waktu panjang dan dapat terakumulasi pada tubuh khususnya hati dan ginjal. Secara prinsipil pada konsentrasi rendah berefek terhadap gangguan pada paru-paru, emphysema dan renal turbular disease yang kronis. Jumlah normal kadmium di tanah berada di bawah 1 ppm, tetapi angka tertinggi (1.700 ppm) dijumpai pada permukaan sample tanah yang diambil di dekat pertambangan biji seng (Zn). Kadmium lebih mudah diakumulasi oleh tanaman dibandingkan dengan ion logam berat lainnya seperti timbal. Logam berat ini bergabung bersama timbal dan merkuri sebagai the big three heavy metal yang memiliki tingkat bahaya tertinggi pada kesehatan manusia. Menurut badan dunia FAO/WHO, konsumsi per minggu yang ditoleransikan bagi manusia adalah 400-500 μg per orang atau 7 μg per kg berat badan [24]. 14

Di alam kadmium jarang sekali ditemukan dalam bentuk bebas, biasanya berada dalam bentuk kadmium oksida, kadmium klorida dan kadmium sulfat. Mineral kadmium dalam tanah antara lain CdO, CdCO 3, Cd(PO 4 ) 2, dan CdCl 2. Senyawa-senyawa tersebut terikat pada senyawa organik atau oksida, namun yang dominan adalah CdS. Kandungan total kadmium dalam tanah berkisar antara 0,01 sampai dengan 7 ppm. Tanah dikatakan tercemar bila kandungan kadmium mencapai lebih dari 3 ppm [25]. 2.3 ISOTERM ADSORPSI Perubahan konsentrasi adsorbat oleh proses adsorpsi sesuai dengan mekanisme adsorpsinya dapat dipelajari melalui penentuan isoterm adsorpsi yang sesuai. Isoterm Langmuir dan Isoterm Freundlich adalah dua diantara isotermisoterm adsorpsi yang dipelajari: 2.3.1 Isotherm Langmuir Meskipun terminologi adsorpsi pertama kali diperkenalkan oleh Kayser (1853-1940), penemu teori adsorpsi adalah Irving Langmuir (1881-1957), Nobel laureate in Chemistry (1932). Isoterm adsorpsi Langmuir didasarkan atas beberapa asumsi [26],yaitu : (1) Adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal (monolayer), (2) Panas adsorpsi tidak tergantung pada penutupan permukaan, dan (3) Semua situs dan permukaannya Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis dengan menganggap terjadinya kesetimbangan antara molekul-molekul zat yang diadsorpsi pada permukaan adsorben dengan molekul-molekul zat yang tidak teradsorpsi. Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut : / = 1 ( / ). + 1 ( / ) Dimana, C = konsentrasi adsorbat dalam larutan x/m = konsentrasi adsorbat yang terjerap per gram adsorben, k = konstanta yang berhubungan dengan afinitas adsorpsi 15

(x/m) mak = kapasitas adsorpsi maksimum dari adsorben Kurva isoterm adsorpsi Langmuir dapat disajikan seperti pada gambar 2.1. Gambar 2.1 Kurva isotherm adsorpsi Langmuir [26] 2.3.2 Persamaan Isoterm Adsorpsi Freundlich Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan atas terbentuknya lapisan monolayer dari molekul-molekul adsorbat pada permukaan adsorben. Namun pada adsorpsi Freundlich situs-situs aktif pada permukaan adsorben bersifat heterogen. Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich dapat dituliskan sebagai berikut: ( / ) = log + 1 log sedangkan kurva isoterm adsorpsinya disajikan pada gambar di bawah ini. Gambar 2.2 Kurva isotherm adsorpsi Freundlich [26] Bagi suatu sistem adsorpsi tertentu, hubungan antara banyaknya zat yang teradsorpsi persatuan luas atau persatuan berat adsorben dengan konsentrasi yang teradsorpsi pada temperatur tertentu disebut dengan isoterm adsorpsi ini dinyatakan sebagai: =. 16

dalam hal ini : x = jumlah zat teradsorpsi (gram) m = jumlah adsorben (gram) C = konsentrasi zat terlarut saat tercapai kesetimbangan adsorpsi k,n = tetapan, maka persamaan (1) menjadi : log = log + log persamaan ini mengungkapkan bahwa bila suatu proses adsorpsi menuruti isoterm Freundlich, maka log x/m terhadap log C akan merupakan garis lurus. Dari garis dapat dievaluasi tetapan k dan n [26]. 2.4 KINETIKA ADSORPSI Kinetika adsorpsi menyatakan adanya proses penyerapan suatu zat oleh adsorben dalam fungsi waktu. Adsorpsi terjadi pada permukaan zat padat karena adanya gaya tarik atom atau molekul pada permukaan zat padat. Molekul-molekul pada permukaan zat padat atau zat cair, mempunyai gaya tarik ke arah dalam, karena tidak ada gaya-gaya lain yang mengimbangi. Adanya gaya-gaya ini menyebabkan zat padat dan zat cair, mempunyai gaya adsorpsi. Adsorpsi berbeda dengan absorpsi. Pada absorpsi zat yang diserap masuk ke dalam absorbens sedangkan pada adsorpsi zat yang diserap hanya terdapat pada permukaannya [27]. 2.4.1 Orde Nol Suatu reaksi dikatakan mempunyai orde nol jika besarnya laju reaksi tidak dipengaruhi oleh berapapun perubahan konsentrasi pereaksinya. Artinya seberapapun peningkatan konsentrasi pereaksi tidak akan mempengaruhi besarnya laju reaksi. Persamaan linear orde reaksi nol dinyatakan dalam rumus sebagai berikut. C A = C AO kt Bila persamaan di atas diplotkan dalam grafik y versus x, maka tampak seperti gambar di bawah ini. 17

Gambar 2.3 Hubungan konsentrasi terhadap waktu pada orde nol [27] 2.4.2 Orde Satu Reaksi orde satu adalah suatu reaksi yang kecepatannya bergantung hanyalah pada salah satu zat yang bereaksi atau sebanding dengan salah satu pangkat reaktannya. Persamaan linear orde reaksi satu dinyatakan dalam rumus sebagai berikut [28]. ln C A = - kt + ln C AO Bila persamaan di atas diplotkan dalam grafik y versus x, maka tampak seperti gambar di bawah ini. Gambar 2.4 Hubungan konsentrasi terhadap waktu pada orde satu [28] 2.4.3 Orde Dua Reaksi orde dua adalah suatu reaksi yang kelajuannya berbanding lurus dengan hasil kali konsentrasi dua reaktannya atau berbanding langsung dengan kuadrat konsentrasi salah satu reaktannya. Jika mekanisme adsorpsi yang terjadi adalah reaksi orde dua dimana kecepatan adsorpsi yang terjadi berbanding lurus 18

dengan dua konsentrasi pengikutnya atau satu pengikut berpangkat dua. Laju kinetika adsorpsi orde dua dinyatakan dalam persamaan linear berikut [28]. 1 1 0 = Bila persamaan di atas diplotkan dalam grafik y versus x, maka tampak seperti gambar di bawah ini. Gambar 2.5 Hubungan konsentrasi terhadap waktu pada orde dua [28] Dimana: C A = Konsentrasi A pada saat t = t C A0 = Konsentrasi A pada saat t = 0 k = Konstanta kinetika (menit-1) t = Waktu (menit) 2.5 ANALISA EKONOMI Karbon aktif merupakan salah satu komoditi yang menarik untuk dikembangkan penggunaannya. Selain menarik, komoditi ini memiliki kecenderungan peningkatan produksi setiap tahunnya, khususnya di Indonesia. Karena memiliki potensi yang cukup baik, perlu dilakukan kajian ekonomi terhadap hal ini. Namun, dalam tulisan ini hanya akan dilakukan kajian ekonomi secara sederhana. Sebelum melakukan kajian tersebut, perlu diketahui harga bahan baku yang digunakan dalam produksi dan harga jual karbon aktif. Berikut ini adalah harga bahan baku dan produk. Harga cangkang kelapa sawit= Rp 500/ kg (berdasarkan informasi yang bersifat informal) Harga H 3 PO 4 = Rp 60.000/ kg 19

Harga karbon aktif = Rp 60.000/ kg Harga-harga di atas menunjukkan selisih harga yang cukup signifikan. Pertama, dari segi bahan baku. Kedua, dari segi nilai keuntungan kasar, selisih harga bahan baku karbon aktif dan produk karbon aktif adalah Rp 23.000,-. Perhitungan sederhana dalam basis 1 kg bahan baku, maka dirincikan sebagai berikut: Cangkang 1 kg = 200 gr bubuk cangkang ukuran 70 mesh H 3 PO 4 yang dibutuhkan 20 % = 0,2 x 200 gr = 40 gr Karbon aktif yang dihasilkan = 80 gr karbon aktif Bila dimasukkan dengan rincian biaya produksi, maka diperoleh: Cangkang kelapa sawit = Rp. 500 Kebutuhan H 3 PO 4 = 40/1000 x Rp. 60.000 = Rp. 2400,- Produk = 80/1000 x Rp. 60.000,- = Rp. 4800,- Jadi, untuk basis 1 kg bahan baku diperoleh keuntungan sekitar Rp. 1900,- Dari perhitungan berbasiskan 1 kg cangkang kelapa sawit di atas, karbon aktif ini memberikan nilai keuntungan yang cukup baik. Oleh karena itu, produksi komersial karbon aktif dari cangkang kelapa sawit dengan aktivator H 3 PO 4 ini layak untuk dipertimbangkan. Satu hal lagi yang bisa diambil sebagai pertimbangan adalah bahwa karbon aktif yang dijual di pasaran hanya mampu menyerap hingga 60,2 % saja untuk jenis logam berat [29]. 20