SIFAT ARANG AKTIF TEMPURUNG KEMIRI DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI PENYERAP EMISI FORMALDEHIDA PAPAN SERAT BERKERAPATAN SEDANG
SAPTADI DARMAWAN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
ii
PENYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Sifat Arang Aktif Tempurung Kemiri dan Pemanfaatannya sebagai Penyerap Emisi Formaldehida Papan Serat Berkerapatan Sedang adalah karya saya dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Bogor, Agustus 2008
Saptadi Darmawan NIM E.051060401
iii
ABSTRACT SAPTADI DARMAWAN. Properties of Activated Candlenut Shell Charcoal as Adsorbent of Formaldehyde Emission from Medium Density Fiberboard. Under direction of KURNIA SOFYAN and GUSTAN PARI Activated charcoal reveals its specific capability to adsorp molecules of a subtance in gaseous as well as liquid phases depending on its activation process and raw material. Based on potency, kemiri (Aleurites moluccana) shells seem to have favorable prospect for use in activated charcoal manufacture. In this experiment, candlenut shells were at first carbonized into charcoal, then activated using H3PO4 activating agent at three temperatures (600, 700 ang 800oC), each for three durations (90, 120 and 150 minutes). Afterward, the structures of candlenut shell, charcoal and activated charcoal were observed and analyzed using infrared spectrometer, scanning electron microscope (SEM), pyrolysis GCMS and X-ray difractometer. Further, properties of these three candlenut shell-based items were also analyzed. The activated charcoal that afforded optimum properties was utilized as adsorbent of formaldehyde emission from medium density fiberboard (MDF) that used urea formaldehyde adhesive (UF). In adsorbent experiment, activated charcoal was used in seven levels: 2, 4 and 6% to fiber, 2, 4 and 6% to UF and control. It turned out that carbonisation and activation brought about alteration of functional group pattern, pore opening, and chemical reduction. Carbonisation increased the crystallinity degree of the charcoal and after activation rendered it more amorphous. Optimum properties of activated charcoal were achieved at 800oC for 120 minutes with 829 mg/g of iod adsorption. That activated charcoal could reduce formaldehyde emission as much as 5.41-22.88%, while optimum properties of MDF were reached at 4% activated charcoal addition to UF. The properties of MDF could satisfy highest-grade Japanesse Industrial Standard (type 30) Keywords: Activated charcoal, candlenut shell, medium density fiberboard, formaldehyde emission
iv
RINGKASAN SAPTADI DARMAWAN. Sifat Arang Aktif Tempurung Kemiri dan Pemanfaatannya sebagai Penyerap Emisi Formaldehida Papan Serat Berkerapatan Sedang. Dibimbing oleh KURNIA SOFYAN sebagai ketua dan GUSTAN PARI sebagai anggota. Salah satu produk panel yang berkembang dengan pesat adalah papan serat berkerapatan sedang (Medium Density Fiberboard/MDF). Produk ini sebagian besar digunakan untuk keperluan interior dengan menggunakan perekat urea formaldehida (UF). Perekat UF berpotensi menghasilkan emisi formaldehida yang berdampak pada kesehatan. Produk MDF komersial di Indonesia kandungnan emisinya masih cukup tinggi. Dilain pihak, masalah lingkungan sedang menjadi isu penting termasuk masalah kesehatan. Dengan demikian apabila tidak segera diantisipasi maka ada kemungkinan produk MDF berperekat UF dengan tingkat emisi tinggi akan sulit diterima pasar karena dianggap tidak ramah lingkungan. Penggunaan arang aktif sebagai penyerap emisi formaldehida merupakan alternatif pilihan yang dapat ditempuh. Kemampuan arang aktif sebagai penyerap sangat dipengaruhi oleh pola struktur yang membentuknya sebagai akibat dari pengaruh suhu, lama aktivasi dan jenis bahan bakunya. Di Indonesia, tempurung kemiri sebagai bahan berlignoselulosa mempunyai prospek digunakan sebagai bahan baku pembuatan arang aktif mengingat potensinya yang cukup besar dibeberapa daerah dan pemanfaatannya belum dilakukan secara optimal. Pada penelitian ini dilakukan pengkajian untuk mengetahui pola struktur tempurung kemiri, arang dan arang aktifnya. Berdasarkan hasil kajian maka dapat diperoleh kondisi aktivasi arang aktif yang optimum dan kemudian diaplikasikan untuk mengurangi emisi formaldehida pada MDF. Tempurung kemiri asal Mataram NTB, dikarbonisasi terlebih dahulu pada suhu 500 oC selama 5 jam. Arang yang dihasilkan kemudian direndam selama 24 jam menggunakan asam phosfat teknis sebanyak 10% (b/v), lalu diaktivasi pada suhu 600, 700 dan 800 oC masing-masing selama 90, 120 dan 150 menit dengan laju aliran uap air 0,5 kg/jam. Analisa pola struktur dilakukan terhadap tempurung kemiri, arang dan arang aktif menggunakan spektrofotometer inframerah, difraksi sinar-X, mikroskop elektron dan pyrolysis GCMS. Arang aktif dengan sifat yang optimal kemudian diaplikasikan pada pembuatan MDF proses kering sebagai penyerap emisi formaldehida dengan menambahkannya pada perekat dan serat masing-masing sebesar 2, 4 dan 6%. Hasil analisa struktur mengindikasikan terjadinya perubahan pola pada tempurung, arang dan arang aktif yaitu dilihat dari perubahan gugus fungsi, derajat kristalinitas, struktur kristal aromatik, senyawa kimia dan penampakkan permukaannya. Karbonisasi tempurung kemiri mengakibatkan perubahan pada sifat kimia permukaan arang yaitu dengan berkurangnya intensitas serapan gugus OH dan hilangnya gugus karbonil (C=O) serta mulai terbentuknya senyawa aromatik yang ditunjukkan dengan meningkatnya derajat kristalin dari 24,08% (tempurung kemiri) menjadi 25,35%. Sifat arang tempurung kemiri telah
v
memenuhi Standar Indonesia, namun kemampuan daya serapnya masih rendah karena sebagian struktur porinya masih tertutup. Selanjutnya proses aktivasi arang menjadi arang aktif menyebabkan intensitas serapan pada gugus OH terus menurun dan semakin banyak terbentuk senyawa aromatik serta munculnya serapan baru dibilangan gelombang 2.500–2.400 cm-1 yang mengindikasikan adanya ikatan -P-OH yang berasal dari bahan pengaktif H3PO4. Adanya ikatan OH dan C-O menjadikan arang aktif tempurung bersifat polar dan sifat kepolaran ini di didukung dari tingginya daya serap terhadap uap formaldehida. Dengan aktivasi, terjadi pergeseran struktur kristalit aromatik menjadi lebih amorf dan porous yang diindikasikan dengan semakin terbukanya pori arang aktif hasil analisa mikroskop elektron dan meningkatnya daya serap terhadap iod (829,51 mg/g). Berdasarkan tingginya daya serap terhadap iod (telah memenuhi Standar Indonesia) dan sifat permukaannya yang polar maka arang aktif tempurung kemiri memiliki potensi untuk dijadikan sebagai catching agent emisi formaldehida pada MDF. Pada penelitian ini sifat arang aktif yang optimum diperoleh dari hasil aktivasi pada suhu 800oC dengan lama aktivasi 120 menit. Arang aktif tersebut kemudian digunakan sebagai penyerap emisi formaldehida MDF. Aplikasi arang aktif didalam pembuatan MDF ternyata mampu menurunkan emisi formaldehida sebesar 2,75-33,16%. Penggunaan arang aktif sebesar 4% dan 6% pada formulasi perekat mampu menurunkan emisi sebesar 17,28% dan 22,88%. Selanjutnya dengan mempertimbangkan sifat fisik-mekanis MDF maka kondisi optimum dicapai pada penggunaan arang aktif sebesar 4% terhadap perekat. Sifat fisik dan mekanik MDF yang dihasilkan lebih baik dari kontrol dan telah memenuhi Standar Jepang pada grade tertinggi.
vi
© Hak Cipta Milik IPB, tahun 2008 Hak Cipta Dilindungi oleh Undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB 2. Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
vii
SIFAT ARANG AKTIF TEMPURUNG KEMIRI DAN PEMANFAATANNYA SEBAGAI PENYERAP EMISI FORMALDEHIDA PAPAN SERAT BERKERAPATAN SEDANG
SAPTADI DARMAWAN
Tesis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Pengetahuan Kehutanan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2008
viii
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis : Prof. Dr. Ir. Zahrial Coto, MSc.
ix
Judul Tesis
: Sifat Arang Aktif Tempurung Kemiri dan Pemanfaatannya sebagai Penyerap Emisi Formaldehida Papan Serat Berkerapatan Sedang
Nama
: Saptadi Darmawan
NIM
: E.051060401
Disetujui Komisi Pembimbing
Prof. Dr. Ir. Kurnia Sofyan, MS Ketua
Dr. Gustan Pari, MSi. APU Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Ilmu Pengetahuan Kehutanan
Prof. Dr. Ir. Imam Wahyudi, MS.
Tanggal Ujian : 29 Agustus 2008
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Lulus :
x
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah berjudul Sifat Arang Aktif Tempurung Kemiri dan Pemanfaatannya sebagai Penyerap Emisi Formaldehida Papan Serat Berkerapatan Sedang yang merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Ilmu Pengetahuan Kehutanan, Sekolah Pascasarjana Institut Pertanian Bogor. Selama masa persiapan dan pelaksanaan penelitian hingga selesainya karya ini penulis banyak memperoleh bantuan dan sumbangan pemikiran dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih dengan setulus hati dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada: - Prof. Dr. Ir. Kurnia Sofyan selaku Ketua Komisi Pembimbing - Dr. Gustan Pari, MSi. APU selaku Anggota Komisi Pembimbing - Prof. Dr. Ir. Zahriah Cotto, MSc. selaku Penguji Ujian Tesis - Departemen Kehutanan RI yang telah memberikan Beasiswa Tugas Belajar - Kepala Pusat Penelitian Hasil Hutan dan Ketua Kelompok Peneliti Pengolahan Kimia dan Energi Hasil Hutan yang telah memberikan ijin dan penggunaan fasilitas laboratorium - Seluruh Laboran di Lab. Pengolahan Kimia dan Energi Hasil Hutan, Lab. Teknologi Serat dan Lab. Produk Majemuk - Teman-teman Program Studi IPK Angkatan 2006 atas segala bantuan dan kebersamaannya - Kepada orang tua, istri tercinta (Sitti Hanifah) dan buah hati tersayang (Syifa Kamila A.D., Ilham Fadhilah S.D., dan Akmal Khaidar M.D.) atas doa, dukungan dan kasih sayangnya - Para kerabat yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas dorongan moril dan materil yang diberikan Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi semua pihak. Bogor, Agustus 2008
Saptadi Darmawan
xi
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Pontianak pada tanggal 27 September 1969 dari ayah Sukarya (alm) dan ibu Dewi Sodja (alm). Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara. Tahun 1989 penulis lulus dari SMA Negeri 20 Bandung dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI).
Penulis memilih Program Studi Pengolahan Hasil Hutan, Jurusan
Teknologi Hasil Hutan, Fakultas Kehutanan. Penulis bekerja sebagai Peneliti Muda pada Badan Litbang Kehutanan Departemen Kehutanan sejak tahun 1998 dan pada tahun 2006 ditempatkan di Balai Penelitian Kehutanan Mataram, NTB. Bidang penelitian yang ditekuni penulis adalah Teknologi Hasil Hutan, khususnya Teknologi Serat.
xii
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ......................................................................................... xiv DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xv DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xvii
I.
PENDAHULUAN ................................................................................. 1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
Latar Belakang ............................................................................... Perumusan Masalah ........................................................................ Tujuan Penelitian ............................................................................ Hipotesis ......................................................................................... Manfaat Penelitian .......................................................................... Ruang Lingkup ...............................................................................
1 2 3 3 3 3
II. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................ 4 2.1. Medium Density Fiberboard............................................................ 4 2.2. Perekat ............................................................................................. 4 2.3. Emisi Formaldehida ........................................................................ 6 2.3.1. Sifat Formaldehida .............................................................. 6 2.3.2. Dampak Emisi Formaldehida ............................................. 6 2.3.3. Emisi Formaldehida pada Panel Kayu ................................ 7 2.4. Arang Aktif ................................. .................................................. 9 2.4.1. Bahan Baku ......................................................................... 9 2.4.2. Aktivasi ............................................................................... 10 2.4.3. Penyerapan Emisi Formaldehida ........................................ 12 III. BAHAN DAN METODE ....................................................................... 13 3.1. Waktu dan Tempat ........................................................................... 13 3.2. Bahan dan Alat ................................................................................. 13 3.3. Metode Penelitian ........................................................................... 14 3.3.1. Analisa Bahan Baku Tempurung Kemiri ............................ 14 3.3.2. Pembuatan dan Karakterisasi Struktur Arang ..................... 14 3.3.3. Pembuatan dan Karakterisasi Struktur Arang Aktif ............ 14 3.3.4. Pembuatan MDF dengan Aplikasi Arang Aktif .................. 15 3.3.5. Diagram Alir Penelitian ...................................................... 16 3.4. Standar dan Prosedur Pengujian ...................................................... 17 3.4.1. Standar dan Prosedur Pengujian Arang dan Arang Aktif..... 17 3.4.2. Standar dan Prosedur Pengujian MDF ................................ 19 3.4.3. Penentuan Derajat Kristalinitas dan Turunannya ................ 22 3.4.4. Standar dan Prosedur Pengujian Emisi Formaldehida ….... 23 3.4.5. Pengujian Perekat Urea Formaldehida ……………….… 23
xiii
3.5. Rancangan Percobaan dan Analisa Data ......................................... 23 3.5.1. Sifat Tempurung dan Arang Tempurung ........................... 23 3.5.2. Sifat Dasar dan Daya Serap Arang Aktif ............................ 23 3.5.3. Karakteristik Struktur Tempurung Kemiri, Arang dan Arang Aktif ......................................................................... 24 3.5.4. Sifat Fisik dan Mekanis Papan Serat ................................... 24 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 25 4.1. Struktur Tempurung Kemiri, Arang dan Arang Aktif ..................... 25 4.1.1. Gugus Fungsi ....................................................................... 25 4.1.2. Pola Struktur Kristalit Tempurung Kemiri, Arang dan Arang Aktif........................................................................... 27 4.1.3. Penampakan Permukaan Tempurung Kemiri, Arang dan Arang Aktif .......................................................................... 30 4.1.4. Rangkuman Pembahasan Struktur Tempurung Kemiri, Arang dan Arang Aktif ....................................................... 33 4.2. Mutu Arang Aktif Tempurung Kemiri ........................................... 35 4.2.1. Sifat Arang Aktif .................................................................. 35 4.2.2. Daya Serap Benzena dan Karbon Tetraklorida...................... 37 4.2.3. Daya Serap Kloroform dan Formaldehida ............................ 38 4.2.4. Daya Serap Iod ................................................................... 39 4.3. Mutu Arang Tempurung Kemiri ..................................................... 40 4.4. Aplikasi Arang Aktif dalam Pembuatan MDF ............................... 41 4.4.1. Sifat Perekat (kekentalan, waktu tergelatinasi dan pH) ...... 41 4.4.2. Sifat Fisik MDF ................................................................... 42 4.4.3. Sfat Mekanis MDF .............................................................. 46 4.4.4. Emisi Formaldehida MDF ................................................... 50 V. KESIMPULAN ....................................................................................... 52 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 53 LAMPIRAN .................................................................................................... 57
xiii
xiv
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1.
Perbandingan jenis perekat lain terhadap perekat UF untuk mendapatkan produk panel dengan emisi rendah .......................... 6
Tabel 2.
Sifat formaldehida .......................................................................... 6
Tabel 3.
Pengaruh jangka pendek formaldehida terhadap kesehatan ......... 7
Tabel 4.
Bilangan gelombang tempurung kemiri, arang dan arang aktif ..... 25
Tabel 5.
Struktur kristalit dan lapisan aromatik pada tempurung kemiri arang dan arang aktif ..................................................................... 29
Tabel 6.
Diameter pori pada permukaan tempurung kemiri, arang dan arang aktif ...................................................................... 33
Tabel 7.
Sifat arang dan arang aktif tempurung kemiri pada berbagai suhu dan lama aktivasi .................................................................. 36
Tabel 8.
Daya serap arang dan arang aktif tempurung kemiri pada berbagai suhu dan lama aktivasi .................................................... 38
Tabel 9.
Sifat perekat urea formaldehida dengan penambahan arang aktif.. 41
Tabel 10. Sifat MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ........................................................ 44 Tabel 11. Emisi formaldehida MDF pada berbagai persentase penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ................. 51
xv
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.
Monomer dasar perekat formaldehida ........................................ 5
Gambar 2.
Jenis perekat formaldehida ......................................................... 5
Gambar 3.
Kandungan emisi formaldehida pada produk panel .................. 8
Gambar 4.
Perubahan struktur arang aktif dari (a) kristalin menjadi (b) amorf ..................................................................... 12
Gambar 5.
Permukaan arang aktif bersifat (a) hidrofobik dan (b) hidrofilik ..................................................................................... 12
Gambar 6.
Diagram alir penelitian .............................................................. 16
Gambar 7.
Pola pemotongan contoh uji MDF ............................................ 19
Gambar 8.
Ilustrasi pengujian keteguhan patah dan lentur .......................... 21
Gambar 9. Skema jarak antara lapisan (d), tinggi lapisan (Lc), jumlah lapisan (N) dan lebar lapisan (La) aromatik dan unit terkecil penyusun struktur kristalit arang dan arang Aktif .......
22
Gambar 10. Pola serapan FTIR pada tempurung kemiri, arang dan arang aktif .................................................................................. 26 Gambar 11. Difraksi sinar-x tempurung kemiri, arang dan arang aktif ......... 28 Gambar 12. Permukaan tempurung kemiri, arang dan arang aktif pada penampang atas (perbesaran 2.000 x) dan samping (perbesaran 1.500 x) .................................................................. 32 Gambar 13. Penampilan MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ............................................................. 43 Gambar 14. Kerapatan (g/cm3) dan kadar air (%) MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ............ 45 Gambar 15. Pengembangan tebal (%) dan daya serap air MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ............ 45 Gambar 16. Keteguhan patah (MOR) dan lentur (MOE) MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ........... 46
xvi
Gambar 17. Penampakan MDF dengan penambahan arang aktif pada serat (S) dan perekat (P) ............................................................ 49 Gambar 18. Keteguhan rekat (kg/cm2) MDF dengan penambahan arang aktif pada (P) perekat dan (S) serat ........................................... 49
xvii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Sidik ragam sifat arang aktif ...................................................... 58 Lampiran 2. Uji BNJ sifat arang aktif ........................................................... 59 Lampiran 3. Sidik ragam sifat fisis-mekanis MDF ....................................... 60 Lampiran 4. Uji BNJ sifat fisis-mekanis MDF .............................................. 60 Lampiran 5. Komponen kimia tempurung kemiri, arang dan arang aktif hasil Pyr-GCMS ....................................................... 61
