PEMBUATAN KARBON AKTIF MENGGUNAKAN BAGAS TEBU MELALUI AKTIVASI KARBON DIOKSIDA DENGAN VARIASI LAJU ALIR DAN WAKTU AKTIVASI Mahmud Sudibandriyo1 , Jony 2 1. Teknik Kimia, Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok, Depok, 16424, Indonesia 2. Energi Berkelanjutan, Departemen Teknik Kimia, Kampus Baru UI Depok, 16424, Indonesia E-mail:
[email protected];
[email protected]
Abstrak Penelitian ini merupakan salah satu bentuk pemanfaatan limbah agrikultur yang melimpah di Indonesia sehingga limbah ini akan mendapatkan peningkatan nilai guna. Tujuan penelitian ini adalah untuk mendapatkan karbon aktif fisik dan mengetahui kondisi optimum pembuatan karbon aktif. Bahan baku pembuatan karbon aktif ini adalah bagas tebu yang merupakan limbah pabrik gula. Beberapa metode yang sudah pernah dilakukan terhadap bahan baku ini dalam pembuatan karbon aktif adalah aktivasi thermal N2 dan kimia dengan berbagai activating agent, tetapi aktivasi dengan aliran gas karbon dioksida belum pernah dilakukan. Penelitian ini menghasilkan sembilan sampel karbon aktif dengan variasi laju alir karbon dioksida 300, 400, dan 500 cc/mnt dan variasi waktu aktivasi 30, 60, dan 120 menit dengan temperatur 900oC. Kondisi operasi optimum pada variabel penelitian ini didapatkan pada laju alir 500 cc/mnt selama 120 menit dengan mendapatkan luas permukaan karbon aktif yang direpresentasikan dengan daya serap iod sebesar 769.5 mg/g. Hubungan variabel yang ditemukan adalah semakin besar laju alir gas karbon dioksida dan/atau semakin lama waktu aktivasi akan memperbesar luas permukaan karbon aktif. Luas permukaan karbon aktif ini lebih besar daripada karbon aktif aktivasi thermal N2, tetapi lebih kecil dari aktivasi kimia KOH. Kata Kunci: Adsorpsi, Bagas Tebu, Karbon Aktif, Karbon Dioksida
Abstract This research is a form of utilization of agricultural industry wastes so that the waste can gain significant enhancement of value. Purposes of this research is to get the physical condition of activated carbon and knowing the optimum condition to make the activated carbon. The agricultural industry waste that is used in the research is sugarcane bagasse that is waste of sugar industry. Researches that has been done with sugarcane bagasse is using physics activation of N2 and chemical activation using various activating agent, but the method in this research is activation using carbon dioxide gas flow that hasn’t been done with this raw material. The target is this research manufacture nine samples that are consists of variation of carbon dioxide gas flow 300, 400, and 500 cc/minute and activation time 30, 60, and 120 minutes at temperature 900oC. The optimum operating condition reached at 500 cc/minute gas flow and 120 minutes activation time that give an activated carbon with surface area that is represented by iod adsorption 769.5 mg/g. Correlation between this two free variables are the more fast carbon dioxide gas flow and/or more long activation time makes the larger activated carbon surface area. Surface area of the activated carbon in this research is bigger than physics activation of N2, but smaller than chemical activation using KOH. Keywords: Adsorption, Sugarcane, Activated Carbon, Carbon Dioxide
1
Pembuatan karbon ..., Jony, FT UI, 2013
1. Pendahuluan Adsorpsi merupakan suatu teknik separasi yang telah banyak dikenal dan digunakan dalam suatu industri. Karbon aktif merupakan adsorben yang paling popular digunakan sebagai adsorben dalam proses adsorpsi. Sebuah riset memberikan hasil estimasi bahwa pada tahun 2014, konsumsi karbon aktif akan meningkat sampai 1,7 juta ton [1]. Permasalahan konsumsi karbon aktif yang terus meningkat ini memacu untuk adanya penelitian tentang pembuatan karbon aktif. Selain fungsi adsorpsi pada teknologi separasi, aplikasi yang sedang berkembang sekarang adalah gas storage atau adsorptive storage yang berfungsi untuk menyimpan natural gas [2] . Teknologi ini menawarkan solusi volume storage gas di Indonesia, mengingat bahwa Indonesia memproduksi sekitar 3,4 juta barrel gas alam per tahunnya [3]. Pemilihan karbon aktif sebagai adsorben yang dibuat dalam penelitian ini adalah karena luas permukaan yang dimilikinya tergolong tinggi yang mengakibatkan efisiensi adsorpsinya lebih baik. Bahan baku yang dipilih adalah bagas tebu karena Indonesia memiliki perkebunan tebu yang terus mengalami perkembangan. Tercatat bahwa produksi gula tebu pada tahun 2009 sebesar 2.333.885 ton [4]. Dari produksi gula tebu yang sedemikin besar maka dapat dibayangkan limbah yang berupa bagas tebu yang dihasilkan. Dengan pemanfaatan bagas tebu untuk pembuatan karbon aktif ini maka akan ada peningkatan nilai guna yang sangat tinggi. Pembuatan karbon aktif dari aktivasi kimia tentunya akan menghasilkan karbon aktif dengan luas permukaan yang lebih besar dari hasil aktivasi fisika, namun penggunaan activating agent merupakan kendala karena harganya yang cukup mahal. Dalam skala laboratorium mungkin belum terlihat perbedaan harganya, tetapi untuk pembuatan karbon aktif skala industri akan sangat terlihat perbedaan harga yang signifikan antara karbon aktif aktivasi kimia dengan karbon aktif aktivasi fisika. Dengan adanya permasalahan dengan sulitnya mengendalikan suhu dari aktivasi fisika dengan gas N2 juga memicu solusi agar menggunakan aliran gas CO2 yang membuat sifat reaksi yang terjadi ketika aktivasi menjadi endoterm yang menyerap panas. Penelitian karbon aktif ini telah dilakukan dengan beberapa metode, yang berhubungan dengan penelitian ini adalah penelitian aktivasi fisika pada batubara bitominous [6] dan Penelitian aktivasi dengan aliran gas karbon dioksida terhadap karet bekas ban [7]. Sedangkan, dilihat dari sisi bahan bakunya, sudah beberapa kali dilakukan penelitian untuk pembuatan
karbon aktif dari bagas tebu, yaitu penggunaan bagas tebu Afrika Selatan [8]. Oleh karena itu, penelitian pembuatan karbon aktif menggunakan bagas tebu dengan melalui aktivasi dengan aliran gas CO2 ini belum pernah dilakukan. Diharapkan hasil dari penelitian ini adalah karbon aktif yang memiliki luas permukaan lebih besar dari aktivasi fisika N2 atau bahkan sama dengan hasil luas permukaan aktivasi kimia. Tujuan penelitian ini untuk mendapatkan karbon aktif dari bahan baku bagas tebu melalui aktivasi karbon dioksida secara fisik dan mengetahui kondisi operasi optimum terhadap hasil luas permukaan karbon aktif. 2. Metodologi Bahan baku yang digunakan merupakan bagas tebu Jawa Timur yang dipesan dari pabrik gula PT. Rajawali. Bentuk fisik awal bagas tebu sudah berupa serabut kering berwarna coklat muda. Metodologi yang digunakan sudah dikembangkan oleh peneliti-peneliti terdahulunya. Langkah awalnya adalah karbonisasi bahan baku pada suhu 400oC selama 2 jam dalam furnace yang kedap udara sehingga bahan berubah menjadi arang yang berwarna hitam. Kemudian arang digerus dengan ukuran partikel 0.12 mm sampai 0.18 mm untuk memperbesar luas permukaan arang yang akan kontak dengan aktivator karbon dioksida sehingga memberikan hasil yang lebih optimal. Aktivasi menggunakan reaktor pada suhu 900oC dengan variabel bebas laju alir karbon dioksida 300, 400, dan 500 cc/mnt dan waktu aktivasi 30, 60, dan 120 menit. Karbon aktif yang terbentuk kemudian dicuci menggunakan HCl sebagai pencuci pertama untuk mengikat material anorganik yang bukan volatile matter, selanjutnya menggunakan aquadest berulang kali untuk menetralkan pH kembali sampai pH dalam jangka 6-7 supaya karakteristik adsorpsi karbon aktif kembali. Keseluruhan proses ini bisa dilihat pada diagram alir penelitian pada Gambar 1. Uji karakteristik karbon aktif menggunakan metode bilangan iod yang akan mengukur daya serap karbon aktif terhadap larutan iod. Karbon aktif dicampurkan ke dalam larutan iod dan distirring selama 1 jam sehingga akan terjadi proses adsorpsi yang kemudian iod yang tidak teradsorpsi akan dititrasi menggunakan Natrium Tio-Sulphate (Na2S2O3) sampai ke titik berwarna kuning samar dan kemudian ditambahkan indikator amilum yang mengubah warna larutan menjadi hitam dan dititrasi kembali sampai warna larutan menjadi bening. Semakin sedikit penggunaan volume titran akan semakin besar
2
Pembuatan karbon ..., Jony, FT UI, 2013
daya serap karbon aktif. Pengolahan menggunakan persamaan: ,
datanya
Tabel 1. Hasil Massa Karbonisasi
,
12,69
Dimana: V1 = Larutan Natrium Tio-Sulfat yang diperlukan (ml) V2 = Larutan Iod yang digunakan (ml) N = Normalitas larutan Natrium Tio-Sulfat 12,69 = Jumlah Iod sesuai dengan 1 ml larutan Natrium Tio-Sulfat 0,1 N W = Sampel (gram)
Dengan mendapatkan %yield karbon dari bagas tebu yang dikarbonisasi sebesar 21.9%, ini dapat dibandingkan dengan analisis proximate yang sudah dilakukan oleh penelitian sebelumnya. Pada Tabel 2, dapat dilihat nilai fixed carbon yang didapat pada analisis proximate adalah 20.1%, perbedaan yang sedikit dengan %yield dari hasil karbonisasi penelitian ini menandakan bahwa karbonisasi sudah menghabiskan volatile matter yang ada dalam bagas tebu dengan baik. Perbedaan yang terjadi kemungkinan dari perbedaan jenis bagas tebu yang dipakai. Tabel 2. Analisis Proximate pada Bagas Tebu [8]
3.2 Hasil Proses Aktivasi Proses aktivasi dengan laju alir gas CO2 akan memberikan reaksi sebagai berikut yang akan membukakan pori-pori pada karbon: 2CO ∆H= +159 kJ/mol C + CO2 Dengan adanya reaksi tersebut, karbon akan kehilangan massanya setelah menjadi karbon aktif karena banyaknya karbon yang terangkat dalam reaksi ini. Kehilangan massa yang dialami berbeda setiap variabel bebas yang dilakukan untuk setiap sampel. Tren kehilangan massa ini dapat dilihat melalui nilai %burn off yang terlihat pada Gambar 2. Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
3. Hasil dan Pembahasan Hasil akan dibahas untuk prosedurnya. 3.1 Hasil Proses Karbonisasi
setiap
langkah
Proses karbonisasi memberikan perbandingan massa antara bagas tebu awal dengan massa arang setelah dilakukan pemanasan 400oC. Nilai %yield yang didapat dapat dilihat pada Tabel 1. Gambar 2. Nilai Burn Off
3
Pembuatan karbon ..., Jony, FT UI, 2013
Terlihat bahwa setiap kenaikan nilai variabel bebas akan mengalami kenaikan nilai burn off juga karena reaksi ini dibatasi oleh termodinamika. Sesuai dengan prinsip Le Chatelier, semakin besar konsentrasi reaktan akan mempengaruhi kesetimbangan ke arah produk sehingga lebih banyak karbon yang terangkat. Sedangkan, untuk variabel waktu aktivasi, semakin lama waktu aktivasinya akan memberikan waktu untuk reaksi mencapai kesetimbangan. Berdasarkan perhitungan konversi kesetimbangan termodinamika dengan temperatur 1173K, didapatkan nilai konversi 51.3%. Ini bisa dibandingkan dengan massa yang hilang pada proses aktivasi, kehilangan massa yang tertinggi adalah sampel yang memiliki variabel bebas tertinggi juga yaitu dengan kehilangan massa sebesar 43.25%. Terlihat bahwa konversi pada penelitian ini lebih kecil daripada perhitungan konversi idealnya karena kemungkinan ada juga pengotor lain yang ada dalam karbon yang bisa bereaksi dengan karbon dioksida juga. 3.3 Analisis Proses Pencucian Pencucian dengan HCl 0.01 M dilakukan hanya sekali untuk mengikat material anorganik yang masih tersisa pada karbon aktif, pencucian dengan HCl ini akan membuat pH sekitar 2. Kemudian pencucian aquadest dilakukan secara berulang kali untuk mengembalikan pH karbon aktif mendekati netral yaitu 6-7. Kehilangan massa yang terjadi sekitar dibawah 10%. Kehilangan massa disebabkan terbuangnya pengotor-pengotor yang berupa material anorganik, dan dikeluarkannya produk dari aktivasi yang berupa karbon monoksida yang masih terperangkap dalam pori-pori. 3.4 Analisis Luas Permukaan Uji karakteristik ini menggunakan metode bilangan iod yang dilakukan kepada sembilan sampel karbon aktif dan satu sampel karbon tanpa aktivasi. Hasil daya serap iod dapat dilihat pada satuan mg/g. Grafik hasil pengujiannya dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Grafik Hasil Bilangan Iod Hasil bilangan iod yang didapat berbanding lurus dengan nilai %burn off, kenaikan nilai burn off juga menyebabkan kenaikan nilai bilangan iod. Ini menunjukkan hubungan karena nilai burn off menandakan adanya pori-pori yang terbuka. Hasil optimal didapatkan pada temperatur 900oC, laju alir 500 cc/mnt, dan waktu aktivasi 120 menit yang memberikan daya serap 769 mg/g. Karbon tanpa aktivasi hanya mendapatkan luas permukaan 373 mg/g, jauh dibawah sampel karbon yang sudah diaktivasi, ini membuktikan bahwa metode aktivasi yang dilakukan memberikan pengaruh yang besar terhadap luas permukaan. Dengan melakukan perbandingan terhadap penelitian yang dilakukan Lydia [9] yang menggunakan bahan baku serupa tetapi dengan metode yang berbeda didapatkan aktivasi fisika dengan gas N2 yang dilakukan mendapatkan luas permukaan 293 m2/g yang berada dibawah nilai bilangan iod sampel penelitian ini, dikarenakan N2 tidak memberikan reaksi pembukaan pori pada karbon seperti yang dilakukan CO2. Tetapi bila dibandingkan dengan aktivasi kimia KOH dengan perbandingan massa 3:1, didapatkan luas permukaan 938 m2/g yang merupakan hasil yang lebih baik daripada daya serap iod karbon aktif pada penelitian ini, hal ini disebabkan karena KOH lebih banyak memiliki reaksi yang mengangkan unsur karbon daripada reaksi dengan karbon dioksida sehingga pori-pori yang terbuka juga akan semakin banyak. 4. Kesimpulan Metode aktivasi karbon dioksida memberikan hasil pembukaan pori yang cukup besar berdasarkan perbandingan data bilangan iod karbon tanpa aktivasi dengan karbon yang telah diaktivasi dengan karbon dioksida. Kondisi operasi optimum didapatkan pada titik temperatur 900oC, laju alir 500 cc/mnt, dan waktu aktivasi 120 menit dengan hasil 769 mg/g. Karbon aktif
4
Pembuatan karbon ..., Jony, FT UI, 2013
ini memiliki luas permukaan yang lebih baik dari aktivasi fisika N2 tetapi masih memliki luas permukaan di bawah aktivasi kimia dengan KOH. Disarankan untuk penelitian selanjutnya untuk melanjutkan tingkatan variabel bebas menjadi laju alir karbon dioksida di atas 500 cc/mnt dan waktu aktivasi lebih dari 120 menit karena hasilnya masih menunjukan tren positif yang berarti reaksi belum mencapai kesetimbangan.
http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?kat=3&ta bel=1&daftar=1&id_subyek=10¬ab=1 [4]
Indonesia. http://www.bps.go.id/tab_sub/view.php?kat=3&ta bel=1&daftar=1&id_subyek=54¬ab=2 [5]
Freedonia.
2010.
World
Activated
Carbon
[6]
http://www.marketresearch.com/product/display.a
[7]
sp?productid=2717702 [accesed] Brady, T. A., Rostam-Abadi, M. & Rood, M. J.
102.
[8]
P. D. Grover. 1989. Biomass Research Laboratory, Indian Institute of Technology, Delhi.
[9]
BPS. 2011. Badan Pusat Statistik Republik
Devnarain, P., Arnold, D. R. & Davis, S. B. 2002. Proc S Afr Sug Technol Ass, 477-489.
1996Gas Separation & Purification, 10, 97-
[3]
San Miguel, G., Fowler, G. D. & Sollars, C. J. 2003. Carbon, 41, 1009-1016.
[Online].Available:
[2]
Tseng, R.-L. & Tseng, S.-K. 2006. Journal of Hazardous Materials, 136, 671-680.
Daftar Pustaka [1]
BPS. 2010. Badan Pusat Statistik Republik
Lydia. 2012. Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Jakarta.
Indonesia.
5
Pembuatan karbon ..., Jony, FT UI, 2013
