1
Pembuatan Karbon Aktif dari Bambu dengan Penambahan Partikel Nano Ag untuk Uji Adsorpsi Gas Formaldehida Mahmud Sudibandriyo, Anyi Salim Kelompok Riset Energi Berkelanjutan, Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia
Abstrak
Pencemaran udara dalam ruang (indoor air polution) dapat memberikan dampak yang berbahaya bagi kesehatan manusia. Polutan utama dalam indoor air polution adalah gas formaldehida. Adsorpsi dengan karbon aktif efektif dapat digunakan untuk mengurangi kadar formaldehida dalam ruangan. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan karbon aktif dengan menggunakan bambu petung Indonesia untuk dikarbonasi dan selanjutnya diaktivasi kimia dengan KOH. Hasil karbon aktif lalu ditempelkan dengan partikel nano Ag. Dari hasil uji luas permukaan untuk karbon aktif dengan aktivasi fisika (KAF) diperoleh 205 m2/g dan aktivasi kimia sebesar (KAK) 698,8 m2/g. Selanjutnya Penambahan partikel nano Ag pada karbon aktif juga meningkatkan luas permukaan sebesar 12,3% yaitu pada karbon aktif dengan aktivasi kimia yang telah ditambahkan partikel nano Ag (KAK-Ag) menjadi 784,5 m2/g. Uji adsorpsi menunjukkan bahwa pada konsentrasi kesetimbangan sekitar 20 ppm, karbon aktif dengan aktivasi kimia dan penambahan partikel nano Ag (KAK-Ag) mengadsorpsi sebesar 0,0335 mg/g, karbon aktif dengan aktivasi fisika dan penambahan partikel nano Ag (KAFAg) mengadsorpsi sebesar 0,0254 mg/g dan karbon aktif dengan aktivasi fisika (KAF) mengadsorpsi sebesar 0,0181 mg/g sehingga adanya penambahan nano partikel Ag meningkatkan kapasitas adsorpsi sebesar 40%. Kata Kunci: Adsorpsi, Karbon Aktif, Nano Ag, Formaldehida
1. Pendahuluan Pencemaran udara dalam ruang (indoor air pollution) terutama rumah sangat berbahaya bagi kesehatan manusia, karena pada umumnya orang lebih banyak menghabiskan waktu untuk melakukan kegiatan di dalam ruangan, sehingga menjadi sangat penting sebagai lingkungan mikro yang berkaitan dengan risiko dari pencemaran udara. Bahan-bahan berbahaya yang bisa menyebabkan polusi dalam ruangan meliputi Aldehida, amonia, dan radon. Aldehida merupakan senyawa utama pencemar pada polusi udara didalam ruangan, khusunya formaldehida. Formaldehida adalah polutan gas di dalam ruangan yang merupakan volatile organic compound yang diturunkan dari cat, bahan dekorasi, pengikat dari furnitur, karpet serat. Formaldehida juga merupakan salah satu komponen utama penyusun rokok. Formaldehida pada konsentrasi rendah menyebabkan radang tenggorokan pada tingkatan 0,1 mg/m3 (0,08 ppm), iritasi mata dan hidung pada 1 mg/m3, sulit bernafas pada 10 mg/m3, sakit pada saluran pernafasan pada 40 mg/m3, dan sesak nafas di atas 80 mg/m3 [1]. Selain itu formaldehida juga dapat menyebabkan kanker paru-paru dan mengakibatkan kematian. Batas yang
diijinkan konsentrasi formaldehida di udara menurut OSHA Permissible Exposure Limit (PEL) sampai dengan 2 ppm [2]. Usaha-usaha untuk mengurangi/mengambil polutan dari udara seperti formaldehida dapat dilakukan diantaranya dengan filter kalium permanganat, pembakaran formaldehida oleh nyala api, oksidasi formaldehida oleh ozon, dan adsorpsi karbon aktif. Metode filtrasi mempunyai kelemahan yaitu timbulnya masalah kejenuhan secara cepat pada filter, sehingga formaldehida yang tersaring semakin menurun. Sementara itu kelemahan metode pembakaran formaldehida dengan nyala api adalah biaya tinggi pada operasi pembakarannya. Pada metode oksidasi formaldehida dengan ozon mempunyai kelemahan pada ketidakstabilan (meta stabil) molekul ozon jika digunakan sebagai oksidator. Metode adsorpsi formadehida dengan menggunakan karbon aktif dapat menjadi solusi alternatif dan menjawab kelemahan-kelemahan tersebut. Beberapa metode adsorpsi formaldehida dengan karbon aktif diantaranya adalah karbon yang diaktivasi dengan menggunakan pemanasan [3], karbon aktif dari ampas kopi yang diimpregnasi dengan ZnCl2 dan diaktivasi dalam aliran Nitrogen yang diikuti oleh aliran karbon dioksida atau uap air [4], adsorpsi formaldehida dengan karbon aktif dari sekam padi yang berisi gugus amino [5], dan karbon
Pembuatan karbon..., Anyi Salim, FT UI, 2013
2
dalam bentuk granula diimpregnasi dengan ZnCl2 dan diaktivasi pada suhu 750oC selama 120 menit [6]. Kemampuan karbon aktif dalam mengadsorpsi formaldehida pada dasarnya dipengaruhi oleh faktor utama yaitu luas permukaan karbon aktif dan penambahan aditif yang digunakan untuk meningkatkan daya ikat karbon aktif pada formaldehida. Untuk meningkatkan luas permukaan karbon aktif dapat dilakukan dengan pemilihan bahan baku yang sesuai dan metode aktivasi yang tepat, sedangkan peningkatan daya ikat karbon aktif dapat dilakukan dengan penambahan logamlogam katalitik oksidasi seperti Cu, Ag, Pt, dan lain-lain. Bambu merupakan material berkarbon yang sangat berpotensi untuk dijadikan karbon aktif. Ditinjau dari kelimpahannya di alam, keberadaan bambu cukup melimpah dengan terdapatnya sekitar 60 jenis tersedia di Indonesia dan bambu mampu tumbuh dengan cepat, mencapai kematangan dalam 5 tahun. Beberapa sifat kimia bambu meliputi selulosa 45,3%; lignin 25,6%; pentosan 20,4%; abu 3,09% dan silika 1,78% [7]. Dengan kadar karbon yang cukup tinggi tersebut serta struktur pori alamiahnya yang sudah terbentuk maka bambu merupakan kandidat yang menjanjikan untuk dijadikan karbon aktif. Dalam penelitian ini bambu jenis petung (Dendrocalamus asper) akan digunakan sebagai bahan baku karbon aktif. Aktivasi karbon dapat dilakukan secara fisika dan kimia. Perlakuan aktivasi secara fisika dilakukan dalam 2 tahapan yaitu proses karbonisasi dan proses aktivasi. Perlakuan aktivasi kimia adalah proses karbonisasi dan proses aktivasi dengan penambahan activating agent. Aktivasi dilakukan secara bersamaan pada suhu yang biasanya lebih rendah dan waktu yang lebih pendek dari pada aktivasi fisika, sehingga lebih hemat waktu dan energi. Keunggulan menggunakan aktivasi kimia adalah menghasilkan karbon aktif yang mempunyai luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dan keberadaan pori akan mengalami perkembangan lebih baik. Aktivasi Kimia dapat dilakukan dengan beberapa larutan kimia sebagai bahan pengaktifnya yaitu ZnCl2, H3PO4, NaOH, K2CO3, Na2CO3 dan KOH. Yield karbon aktif yang tinggi pada bahan aktivasi Na2CO3, sedangkan kapasitas adsopsi tertinggi adalah pada bahan pengaktif KOH. Hasil penelitian sebelumnya dengan bahan baku batubara dan bahan pengaktif KOH bisa menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan sekitar 1850 m2/g karbon aktif [8]. Dengan demikian KOH menunjukkan sebagai bahan pengaktif karbon yang dapat menghasilkan luas
permukaan yang besar. Sehingga aktivasi dengan KOH dipilih dalam penelitian ini. Penambahan logam-logam sebagai katalitik oksidasi yang ditambahkan pada karbon aktif bertujuan untuk meningkatkan efisiensi pengambilan formaldehida dalam proses adsorpsi. Dengan demikian adanya logam sebagai katalis dalam proses oksidasi diharapkan dapat meningkatkan daya ikat karbon aktif dalam menyerap formaldehida. Dalam penelitian ini Karbon aktif termodifikasi dengan ditambahkan logam perak partikel nano. Walaupun logam perak merupakan katalis oksidasi yang kurang reaktif (di sisi kiri volcano curve), namun partikel logam perak dalam ukuran nano akan menghasilkan adsorption site lebih banyak sehingga dapat memperbaiki performa adsorpsi karbon aktif. Sehingga dalam penelitian ini akan dilakukan pembuatan karbon aktif dari bambu petung yang selanjutnya diaktivasi secara fisika dan kimia. Aktivasi kimia dilakukan dengan merendam karbon bambu ke dalam larutan KOH. Selanjutnya pada karbon aktif ditempelkan sejumlah partikel nano perak. Karbon aktif yang sudah dimodifikasi tersebut diujicobakan dengan mengalirkan uap formaldehida pada reaktor batch yang berisi karbon aktif, lalu dilihat perbandingan hasil uji adsorpsi dari setiap karbon aktif yang dihasilkan. 2. Percobaan Penelitian ini diawali dengan mereparasi bambu menjadi serutan kecil, lalu dikarbonasi pada furnace pada suhu 3504000C, arang hasil karbonasi lalu di aktivasi selama 1 jam pada suhu 800C dan dialirkan gas N2 dengan laju alir 100 ml/menit selama aktivasi dengan aktivasi fisika dan aktivasi kimia. Aktivasi kimia dilakukan dengan merendam arang pada larutan KOH sebagai activating agent dengan massa KOH : massa arang = 3:1 sebelum diaktivasi pada reaktor. Pembuatan nano Ag dilakukan dengan mencampur larutan AgNO3 dan larutan NaOH, hasilnya berupa endapan Ag2O. Endapan Ag2O lalu ditiriskan dan dikeringkan, lalu ditambahkan aquades secukupnya, larutan Ag2O lalu disonifikasi untuk mendapatkan partikel nano Ag. Karbon aktif hasil aktivasi lalu diimpregnasi oleh larutan Ag2O dengan magnetic stirrer pada suhu 700C lalu dihidrogenasi. Hasil karbon aktif lalu dimasukkan kedalam tube tertutup berukuran 10 ml sebanyak 0,2 gram, lalu dimasukkan uap gas formaldehida dengan variasi volume 0,5; 1; 1,5: 2; 2,5; 3 ml. Karbon aktif yang diuji adsorpsi adalah karbon aktif aktivasi
Pembuatan karbon..., Anyi Salim, FT UI, 2013
3
fisika (KAF), karbon aktif aktivasi fisika yang telah diimpregnasi oleh Ag (KAF-Ag), dan karbon aktif aktivasi kimia yang telah diimpregnasi Ag (KAK-Ag). 3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Karakterisasi Karbon Aktif Setelah diimpregnasi Ag Gambar 1 dan 2 menunjukkan distribusi hasil impregnasi Ag pada karbon aktif, terlihat bahwa Ag tersebar di permukaan karbon aktif ditunjukkan oleh bulatan-bulatan putih kecil yang tersebar merata walaupun ukuran yang dihasilkan tidak seragam. Pada gambar ditunjukkan ukuran 2 µm atau 2000 nm pada jarak sekian. Bulatan-bulatan putih kecil pada permukaan karbon aktif pada gambar merupakan partikel Ag, jika Ag memiliki ukuran 1/10 dari 2µm, maka ukuran partikel Ag pada gambar adalah 0,2 µm atau 200 nm atau berdasarkan apa yang diperlihatkan pada gambar dapat diperoleh ukuran partikel sekitar 50-150 nm.
3.2. Analisa Luas Permukaan Luas permukaan adsorben karbon aktif merupakan salah satu parameter yang penting. Adsorben yang baik harus memiliki luas permukaan yang tinggi.. Luas permukaan pada umumnya diukur dengan metode BET.. Teori ini menganggap bahwa adsorpsi juga dapat terjadi di atas lapisan adsorbat monolayer. Keseluruhan proses adsorpsi dapat digambarkan sebagai penempelan molekul pada permukaan padatan (adsorben) membentuk lapisan monolayer, penempelan molekul pada lapisan monolayer membentuk lapisan multilayer. Berikut hasil pengujian BET yang merepresentasikan luas permukaan pada karbon aktif yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Jenis Aktivasi
Activatin g agent
Impregnasi Logam
Luas Permukaan BET (m2/g)
Kimia
KOH
-
698,8
Ag
784,5
-
205
Fisika
-
Tabel 1. Hasil Pengujian Luas Permukaan BET pada Karbon Aktif
Gambar 1. Penampakan KAF-Ag
Dari hasil pengujian luas permukaan dapat dilihat pengaruh aktivasi dan impregnasi unsur Ag terhadap peningkatan luas permukaan cukup signifikan. Adanya impregnasi Ag pada karbon aktivasi kimia mampu meningkatkan luas karbon aktif sebesar 12,3 %. Luas karbon aktif meningkat dengan adanya impregnasi oleh Ag, akibat adanya partikel nano Ag yang menempel pada permukaan karbon aktif. Karena pada uji BET, gas adsorbat yang digunakan dalam hal ini adalah Nitrogen terkondensasi pada permukaan, sehingga adanya partikel nano Ag menjadi bagian dalam penentuan luas permukaan pada karbon aktif. 3.3. Hasil Uji Adsorpsi Gas Formaldehida pada Karbon Aktif
Gambar 2. Penampakan KAK-Ag
Pengujian Kapasitas Adsorpsi dilakukan dengan variasi volume gas Formaldehida yang diinputkan pada tube tertutup yang bervolume 10 ml, pada kondisi isotermal dan suhu ruangan sekitar 25 0C, hal ini untuk lebih mendekati keadaan nyata, yaitu keberadaan gas Formaldehida di udara ambien sebagai polutan. Profil data yang diperoleh dari hasil uji adsorpsi gas Formaldehida pada karbon aktif dapat dilihat pada Gambar 3.
Pembuatan karbon..., Anyi Salim, FT UI, 2013
4
.
Gambar 3. Hasil Uji Adosorpsi Gas Formaldehida
Pada Gambar 3 terlihat bahwa adsoprsi karbon aktif terhadap gas Formaldehida meningkat terhadap konsentrasi kesetimbangan Formaldehida. Pada konsentrasi kesetimbangan yang sama, kapasitas adsorpsi gas Formaldehida karbon aktif dari bambu yang diaktivasi kimia dengan penambahan nano partikel Ag adalah yang paling besar dibandingkan dengan Karbon aktif yang lainnya. Dari hasil uji adsorpsi menunjukkan bahwa pada konsentrasi kesetimbangan sekitar 20 ppm, KAKAg mengadsorpsi sebesar 0,0335 mg/g, KAF-Ag mengadsorpsi sebesar 0,0254 mg/g dan KAF mengadsorpsi sebesar 0,0181 mg/g. Sehingga dengan adanya impregnasi Ag pada karbon aktif, yaitu pada karbon aktif dengan aktivasi fisika setelah diimpregnasi oleh Ag mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi sebesar 40%. Karbon aktif yang ditambahkan partikel nano Ag pada pembuatannya dilakukan proses ultrasonik sehingga membentuk partikel nano perak yang lebih efektif untuk proses oksidasi katalitik ditambah dengan luas permukaannya yang tinggi membuat kapasitas adsorpsi meningkat dalam mengasorp senyawa organik. Partikel nano perak dengan kuat mengikat molekul oksigen dalam udara yang terdekomposisi menjadi atom Oksigen atau ionnya sehingga meningkatkan efektifitas karbon aktif dalam mengadsorp adsorbatnya. Pada temperatur ruang, molekul Oksigen pada permukaan partikel nano Ag yang telah menjadi atom Oksigen atau ion Oksigen yang memiliki kemampuan oksidasi yang tinggi. Nano Ag membuat Oksigen teradsorp pada permukaan partikelnya. Lalu atom atau molekul Oksigen yang teradsorpsi pada permukaan partikel Ag bisa menerima elektron yang mengarah
kepada terbentuknya oksigen yang reaktif, yang pada gilirannya akan mempermudah penarikan senyawa organik di udara [9]. Pada karbon aktif yang telah diimpregnasi oleh Ag, partikel nano Ag yang berukuran 50-150 nm tersebar merata pada permukaan (makropore) karbon aktif. Dengan ukuran diameter pada pori-pori karbon aktif yang terdiri atas macropore yang berukuran diatas 50 nm, mesopore yang berukuran 2-50 nm, dan micropore yang berukuran kurang dari 2 nm. Sehingga partikel Formaldehida yang diameter molekulnya berukuran 0,42 nm dapat teradsorpsi oleh karbon aktif. Molekul Formaldehida sebagian besar teradsorpsi dalam mikropore dan mesopore. Adanya partikel nano Ag pada permukaan karbon aktif (makropore) membuat molekul Formaldehida terikat pada permukaan (makropore) lalu teradsorp pada karbon aktif (mikropore dan mesopore), sedangkan pada karbon aktif yang tidak ditambahkan partikel nano Ag pada permukaanya, molekul Formaldehida tidak terikat kuat pada permukaan dan cenderung untuk memental dan melepas menjauhi permukaan, hanya sebagian yang masuk dan teradsorpsi didalam mikropore dan mesopore pada karbon aktif. Dengan demikian adanya faktor luas permukaan yang besar membuat kontak antara adsorben dengan adsorbatnya dapat terjadi secara maksimal disertai adanya penambahan zat aditif yaitu nano Ag yang mampu menghasilkan adsorption site lebih banyak sehingga dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi gas Formaldehida pada karbon aktif. 3.4. Representasi Data dengan Pemodelan Berdasarkan data adsorpsi yang dihasilkan dapat dicari representasi yang dapat menggambarkan pola adsorpsi isotermis yang tepat. Dalam hal ini digunakan pemodelan Adsorpsi Isotermis Freunlich. Karena Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbedabeda. Isoterm Freundlich diperoleh dengan mengasumsikan suatu energi peluruhan fungsi distribusi eksponensial yang dimasukkan kedalam persamaan Langmuir. Hal ini menggambarkan adsorpsi reversibel dan tidak terbatas hanya pada pembentukan monolayer, dan model Freunlich sangat cocok untuk menggambarkan sistem alami. Nilai parameter pada persamaan Freunlich dapat dilihat pada Tabel 2, dan fitting pemodelan adsorpsi isotermis dalam bentuk grafik dapat dilihat pada Gambar 4.
Pembuatan karbon..., Anyi Salim, FT UI, 2013
5
karbon aktif dengan aktivasi kimia yang telah ditambahkan partikel nano Ag (KAK-Ag) sebesar 784,5 m2/g.
Tabel 2. Nilai Parameter Adsorpsi Isotermis Freunlich
Model
Parameter
K
KAK-Ag
KAF-Ag
4,24 x 10-5
1,19 x 10-5
2,2073
2,5282
6,38
9,96
KA-Fisik
Pada konsentrasi kesetimbangan yang sama, kapasitas adsorpsi gas Formaldehida pada karbon aktif dari bambu yang diaktivasi kimia dengan penambahan nano partikel Ag adalah yang paling besar dibandingkan dengan karbon aktif yang lainnya terlihat dari hasil uji adsorpsi menunjukkan bahwa pada konsentrasi kesetimbangan sekitar 20 ppm, KAK-Ag mengadsorpsi sebesar 0,0335 mg/g, KAF-Ag mengadsorpsi sebesar 0,0254 mg/g dan KAF mengadsorpsi sebesar 0,0181 mg/g. Sehinnga penambahan nano partikel Ag mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi sebesar 40%.
Adsorpsi Kesetimbangan Freunlich cukup baik dalam merepresentasikan adsorpsi gas Formaldehida pada karbon aktif.
2,35 x 10-5
Freunlich 1/n
%AAD
2,1795
13,37
Referensi
Gambar 4. Model Freunlich Data Adsorpsi pada Karbon Aktif
4. Kesimpulan
Karbon aktif dari bambu Petung yang diaktivasi kimia menghasilkan luas permukaan yang lebih tinggi dibandingkan karbon aktif yang diaktivasi fisika berdasarkan hasil uji luas permukaan untuk karbon aktif yang diaktivasi fisika (KAF) memiliki luas permukaan 205 m2/g dan aktivasi kimia sebesar 698,8 m2/g. Selanjutnya Penambahan partikel nano Ag pada karbon aktif juga meningkatkan luas permukaan sebesar 12,3 % yaitu untuk
[1] Shi, Q.W., Jia, D.Y., Geng, S.B., 2005. Prime Criminal of Indoor Air Pollution-Formaldehyde, China Journal Contamination Control Air Condition Technology 2: 38-44 [2] MSDS, 2000, Formaldehyde, Material Data Safety Sheet, Canada: Mallinckrote Baker, Inc. [3] Rong H., Ryu, Z., Zheng J., Zhang, Y., 2003. Influence of Heat Treatment of Rayon-based abtivated Carbon Fibers on The Adsorption of Formadehyde, Journal of Colloid and Interface, 261: 207-212. [4] Boonamnuayvitaya, V., Sae-ung, S., Tathapanichakoon, W., 2005, Preparation of Activated Carbon from Coffee residu for the Adsorption Formaldehyde, Separation and Purification Technology 42: 159-168. [5] Tanada S., Kawasaki, N., Nakamura, T., Araki, M., Isomura M., 1999, Removal of Formaldehyde by Activated Carbons Containing Amino Groups, Journal of Colloid and Interface Science, 214:106-108. [6] Wen, Q., Li, C., Cai, Z., Zhang, W., Gao, H.,m Chen L., Zeng G., Shu X., Zhao, Y. 2011, Study on Activated Carbon Derived from Sewage Sludge for Adsorption of Gaseous Formaldehyde, Bioresource Technology, 102: 942-947. [7] Krisdianto, G., Sumarni, Ismanto, A, 2000, Sari Hasil Penelitian Bambu, Departemen Kehutanan, Jakarta. [8] Sudibandriyo, M., 2011, Production of Super Activated Carbon from Coal and Coconut Shell using Chemical Activation, International Journal of Chemical Engineering Research, 3:2:81-88. [9] Shin, S.K., dan Song, J.H., 2011, Modeling and Simulations of The Removal of Formaldehyde Using Silver Nano-particles Attached to Granular Activated Carbon, Journal of Hazardous Materials, 194:385–392.
Pembuatan karbon..., Anyi Salim, FT UI, 2013
