pengaruh suhu reaksi reduksi terhadap pemurnian karbon

159

Pengaruh Suhu Reaksi Reduksi Terhadap Pemurnian KarbonBerbahan Dasar Tempurung Kelapa

Marsi Bani 1)*, Djoko H Santjojo 2), Masruroh 2)

1) Program Studi Magister Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Brawijaya, Malang2) Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Brawijaya, Malang

Diterima 12 September 2013, direvisi 07 Oktober 2013

ABSTRAK

Telah dilakukan pemurnian karbon berbahan dasar tempurung kelapa dari proses karbonisasidengan metode pirolisis pada temperatur 600 C selama 1 jam. Pemurnian karbon dilakukan denganvariasi suhu 150 C, 200 C, 250 C, 300 C dan 350 C dengan laju rata-rata aliran 200 mL/menit selama1 jam dengan menggunakan metode reaksi reduksi dengan gas hidrogen sebagai pereduksi untukmengurangi kadar oksigen dalam karbon. Hasil peneltian menunjukkan kandungan karbon maksimumpada suhu 350 C sebesar 96,53 % kenaikan kadar karbon pada proses reduksi terjadi karena gashidrogen mengikat oksigen membentuk ikatan H2O dari hasil uji FTIR.

Kata kunci : pemurnian, karbon, tempurung kelapa, reaksi reduksi.

ABSTRACT

The purification carbon from coconut shell through carbonization with pyrolysis method attemperature 600 C for 1 hour has been done. Carbon is refined in various temperature such as 150 oC,200 C, 250 C, 300 oC, and 350 C. The flow rate of carbon refining is 200 mL/minute for 1 hour using areduction reaction method with hydrogen as the reducer to reduce oxygen content in the carbon. Theresult show indicates that the maximum carbon content 96,53 % at 350 C. The increasing carboncontent during the reduction process because hydrogen attaches oxygen to establish H2O bond and it isproved by the result of FTIR test.

Keywords : purification, carbon, coconut-shell, reduction reaction.

PENDAHULUAN

Pembuatan lapisan tipis amorphouscarbon (a-C) dengan teknik Sputteringmemerlukan bahan karbon target dengantingkat kemurnian tinggi. Beberapa materialorganic yang mengandung karbon seperti padabambu mengandung 20 % karbon [1],tempurung kelapa mengandung 85 % karbon[2] dan kayu mengandung karbon 53,6 % [3].

Tempurung kelapa merupakan bahanorganik yang mengandung komponen-komponen kimia yang tersusun dari unsur

karbon seperti selulosa, lignin, dan pentose(Tibsyaaroh, 2005). Tempurung kelapa layakdijadikan bahan baku karbon karenamempunyai kandungan lignin[(C9H10O3)(CH3O)]n lebih tinggi dari padajenis kayu lainnya, sedangkan kandunganmethoxil sama dengan kayu [2].

Secara umum karbon didapatkan denganpembakaran atau karbonisasi pada material-material tersebut. Pada penelitian ini metodekarbonisasi yang digunakan adalah metodepirolisis karena pada proses pirolisis oksigendijaga agar tidak tercampur dalam prosesdekomposisi molekul kompleks dari material,sehingga biasanya dibutuhkan reaktor khususuntuk proses pirolisis [3]. Pada proses pirolisisunsur-unsur bukan karbon seperti hidrogen (H)dan oksigen (O) akan hilang hingga

NATURAL B, Vol. 2, No. 2, Oktober 2013

---------------------*Coresponding author :E-mail: [email protected]

160 Marsi Bani, dkk : Pengaruh Suhu Reaksi Reduksi Terhadap Pemurnian Karbon Berbahan DasarTempurung Kelapa

menyisakan sebanyak mungkin karbon (C)dalam bahan jika dibandingkan dengan metodekarbonisasi secara simple heating [4] dimanapada proses simple heating proses dekomposisimaterial yang mengandung senyawa karbondengan menggunakan panas tanpa isolasiterhadap udara sehingga memungkinkan udaratercampur ke dalam proses [4]. Hasil pirolisistemprung kelapa pada suhu 600 oC didapatkankandungan karbon sebesar 93,51 %, oksigen5,51 %, sedangkan untuk kebutuhan bahantarget sputtering kadar kandungan karbonharus diatas 95 %, sehingga masih diperlukanmetode reaksi reduksi untuk mengurangi kadaroksigen pada karbon.

METODE PENELITIAN

Dalam penelitian ini digunakan tempurungkelapa sebagai sumber karbon, Karbonisasidilakukan dengan menggunakan metodepirolisis pada suhu 600 oC selama 1 jam.Kemudian arang hasil karbonisasi dihaluskandan disaring sehingga mendapatkan ukuranbutir serbuk 149 μm, selanjutnya dilakukanSEM/EDX untuk melihat morfologi dankomposisi kimia pada arang hasil karbonisasi.

Tahapan selajutnya dilakukan pencuciandengan menggunakan larutan HCl 1M selama24 jam dengan tujuan untuk menghilangkanabu dan pengotor lainnya. Setelah perendamanmaka arang karbon dibilas dengan aqudes laludikeringkan pada suhu 120 oC selama 3 jamdan dilakukan SEM/EDX untuk melihatpengaruh hasil pencucian dengan terhadapmorfologi dan komposisi karbon, kemudiandilakukan uji Fourier Transform InfraredSpectroscopy (FTIR) dengan tujuan untukmelihat gugus fungsi karbon hasil pencuciandengan larutan HCl 1M.

Untuk mengurangi kadar oksigendilakukan proses reaksi reduksi, pada tahapanini digunakan reaktor khusus yang dialiri gashydrogen sebagai zat reduktor dengan suhuyang bervariasi mulai dari 150 oC, 200 oC, 250oC, 300 oC dan 350 oC, dengan laju aliran gashydrogen 200 mL/menit selama 1 jam.

Prosedur kerja. Sistem dipanaskan sesuaidengan variasi suhu. Setelah mencapaitemperatur target sistem di flush dengan gasNitrogen (N2) dengan tujuan untuk membuang

kadar air yang masih terdapat dalam tabungreaktor.

Refrigator pada gas Nitrogen (N2) diaturpada tekanan 0,05 MPa. Flushing dilakukanselama 15 menit. Tekanan pada refrigator 0,2MPa. Kecepatan laju aliran gas pada flowmeter divariasi sesuai dengan kebutuhan.Begitu gas hidrogen dialirkan, pompa vakumdimatikan.

Keterangan GambarA Tabung Gas Hidrogen (H2).

B Tabung Gas Nitrogen ( N2).

C Reaktor.

D Pompa.

E Pembuagan gas Nitrogen

F Pembuangan gas Hidrogen

Gambar 1. Skema pemurnian dengan prinsip redoks.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Analisis hasil reduksi. Reaksi reduksi inimerupakan proses pengambilan ataupengeluaran oksigen dari karbon olehpereduktor gas hidrogen (H2). Pada prosesreduksi selain gas hidrogen (H2) sebagaireduksi, juga diperlukan temperatur agar energiyang dibutuhkan untuk memutuskan ataumenggabungkan ikatan tercapai. Seperti yangdiketahui bahwa molekul-molekul harusbertumbukan dengan energi yang cukup agarbereaksi. Semakin tinggi temperatur makaakan lebih banyak tumbukan yang terjadi persatuan waktu.

161Marsi Bani, dkk : Pengaruh Suhu Reaksi Reduksi Terhadap Pemurnian Karbon Berbahan DasarTempurung Kelapa

Pada proses reaksi reduksi dilakukanvariasi suhu mulai 150 oC, 200 oC, 250 oC,300 oC dan 350 oC, dengan laju aliran gashidrogen 200 mL/menit dengan waktu 1 jam.Dari hasil uji komposisi (EDX) menunjukkanbahwa semakin tinggi suhu maka akanberpengaruh terhadap kandungan karbon padaserbuk arang.

Gambar 2. Grafik hubungan antara suhu dan komposiskadar karbon

Dari Gambar 2 menunjukkan bahwa suhusangat berpengaruh terhadap proses reduksiketika dilewati gas hidrogen, dimana semakinbesar suhu maka akan berpengaruh pada ikatanoksigen dan karbon yang terkandung padaserbuk arang sehingga dengan mudah gashidrogen mereduksi oksigen untuk terlepasdari serbuk arang sehingga terjadi kenaikankadar karbon pada serbuk arang, hal iniditunjukkan oleh reaksi yang terjadi dalamtabung reaktor dapat diuraikan sebagai berikut

CO(g) + H2(g) C (s) + H2O(g)

Pada keadaan ini gas hidrogen mereduksioksigen dan membentuk ikatan sehinggamenghasilkan uap air (H2O). Ikatan ini terjadiakibat terjadinya pengurangan bilanganoksidasi dari atom karbon (C) dan kenaikanbilang oksidasi pada atom hidrogen (H), padarekasi diatas menunjukkan bahwa denganadanya variasi kenaikan suhu mulai dari 150oC, 200 oC, 250 oC, 300 oC dan 350 oCmenyebabkan entropi meningkat hal ini biladihubungkan dengan penelitian ini maka saat

entropi meningkat, oksigen yang terdapatdalam serbuk arang akan mempunyaikecenderungan untuk terputus dari serbukarang dan saat dialiri gas hidrogen makahidrogen akan berikatan dengan oksigenmembentuk uap air (H2O). Kenaikantemperatur dari suhu ruang sampai 350 oCakan menghasilkan kecepatan distribusimolekul yang lebih besar di dalam ruangvakum. Peningkatan temperatur jugamenghasilkan tingkat energi atom-atom didalam molekul oksigen (O2) dan hidrogen (H2)menjadi bertambah yang menyebabkanpartikel-partikel oksigen (O2) dan hidrogen(H2) akan bergerak lebih cepat sehingga terjaditumbukan antara partikel sehingga terjadiikatan antara oksigen dan hidrogen.

Gambar 3. Grafik Hasil Uji FTIR sebelum prosesreduksi

Gambar 4. Grafik Hasil Uji FTIR sesudah prosesreduksi

C = O

CH2

C-C

C-H

C=C





CO(g) + H2(g) C (s) + H2O(g)





C = O

CH2

C-C

C-H

C=C





CO(g) + H2(g) C (s) + H2O(g)





C = O

CH2

C-C

C-H

C=C

162 Marsi Bani, dkk : Pengaruh Suhu Reaksi Reduksi Terhadap Pemurnian Karbon Berbahan DasarTempurung Kelapa

Untuk mengetahui proses disosiasi oksigen(O) dari molekul karbon (CO) sebelum dansesudah proses reduksi dilakukan analisisdengan menggunakan uji FTIR sepertiditunjukkan pada Gambar 3 dan Gambar 4.

Dari hasil uji FTIR sebelum dilakukanproses reduksi (Gambar 3) adanya ikatan C=Opada puncak bilangan gelombang 1751,24 cm-1

menunjukkan bahwa pada karbon masih terikatdengan oksigen sehingga diperlukan zatpereduksi hidrogen untuk mereduksi oksigendari karbon.

Tabel 1. Hasil FTIR sebelum reaksi redoks

NoBilangan

gelombang(1/cm)

GugusEnergi ikatan

rata-rata( kJ/Mol)

1 1751.24 C=O 7242 1542.95 C=C 6073 1463.67 CH2 4124 1155.28 C-C 3485 885.27 C-H 415

Sumber: General chemistry, principle and structure,James E Brady, 1990

Hasil dari proses reduksi menunjukkanbahwa kandungan oksigen dalam karbon sudahberkurang. Hal ini dibuktikan dengan tidakterbentuk gugus fungsi antara (C) dan (O)(Gambar 4), yang terbentuk adalah gugusfungsi antara (O) dan (H) yang terbentuk padabilangan gelombang 4314,73 cm-1.

Tabel 2. Hasil FTIR sesudah reaksi reduksi.

NoBilangan

gelombang(1/cm)

GugusEnergi ikatan

rata-rata( kJ/Mol)

1 3414.73 O-H 4682 1561.27 C=C 6073 1223.75 C-C 3484 889.12 C-H 415

Sumber : General chemistry, principle and structure,James E Brady, 1990

Tabel 1 dan Tabel 2 menunjukkan adanyaperubahan gugus sebelum dan sesudah rekasireduksi, hal ini disebabkan pada prosesdisosiasi terjadi perubahan gugus fungsi dariC-O menjadi O-H, hal ini disebabkan padasuhu 350 oC terjadi pemutusan ikatan oksigendari karbon yang berlangsung dalam ruangvakum dengan besarnya energi yang terjadiadalah 724 kJ/mol, kemudian terjadi ikatan

antara oksigen dan hidrogen dengan energiyang dipengaruhi oleh sifat kelektronegatifanantara kedua unsur. Selain sifat tersebutpembentukan ikatan antara oksigen danhidrogen yang ditandai oleh gugusterbentuknya gugus fungsi O-H jugadipengaruhi oleh energi pembentukan yangditunjukkan pada Tabel 2 dengan nilai energipenbentukan 468 kJ/mol yang menyebabkanoksigen dan hidrogen cepat beraksi.

KESIMPULAN

Suhu sangat berpengaruh terhadap prosesreduksi ketiaka dilewati gas hidrogen, dimanasemakin besar suhu maka akan berpengaruhpada ikatan oksigen dan karbon sehinggadengan mudah gas hidrogen mereduksioksigen untuk terlepas dari serbuk arang. Hasiluji komposisi kimia ( EDX ) menunjukkanpada suhu 350 oC kandungan karbon padaserbuk arang sebesar 96,53 %.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih kami sampaikankepada Direktorat Pendidikan Tinggi (DIKTI)melalui DIPA Universitas Brawijaya No.0636/023-04.2-16/15/2012 tanggal 9 Desember2011 berdasarkan SK Rektor UniversitasBrawijaya 058/SK/2012 tanggal 8 Februari2012.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Austin (1985), Chemical ProcessIndustri, Mc Graw-Hill Book Company,New York.

[2] Azhar (2009), Bahan Bakar Padat dariBiomassa Bambu dengan ProsesTorefaksi dan Densifikasi, JurnalRekayasa Proses, Vol. 3, No. 2, JurusanTeknik Kimia, Fakultas Teknik,Universitas Lampung.

[3] Basu (2006), Combustion andGasification In Fluidized Beds, Taylor &Francis, CRC Press Book, Boca Raton.

[4] Dogra (1990), Kimia Fisik dan Soal-Soal,UI – Press, Jakarta.


[5] Budi, Esmar (2011), Tinjauan ProsesPembentukan dan Penggunaan ArangTempurung Kelapa Sebagai Bahan Bakar.Jurusan Fisika, FMIPA, Jurnal PenelitianSains, Universitas Negeri Jakarta,Indonesia.

[6] Robiandi, Fadli. (2011), Sintesis dan

Karakterisasi Karbon dari TempurungKelapa Sebagai bahan baku targetkarbon untuk pembuatan DLC filmdengan proses simple heating,Universitas Brawijaya, Malang.

[7] Riswiyanto, S. (2009), Kimia Organik.Penerbit Erlangga, Jakarta.

pengaruh suhu reaksi reduksi terhadap pemurnian karbon

Documents