Pori-pori yang terdapat pada karbon aktif (Gambar 5.2) dapat dibedakan menjadi empat golongan : submikropori (r < 0,4 nm), mikropori (r = 0,4 1,0 nm), messopori (r = 1,0 25 nm), dan makropori (r > 25 nm). Sifat daya serap karbon aktif secara teoritik ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu :

a. Jumlah pori-pori mikro pada karbon aktif dapat menimbulkan gejala kapiler sehingga dapat meningkatkan daya serap.

b. Luas permukaan yang dimiliki arang aktif sekitar 1000 s/d 2000 m2/g

c. Kondisi permukaan karbon aktif yang homogen dan heterogen dapat mempengaruhi jenis zat yang dapat diserap (Priatna , 1990).

Gambar 5.2 Struktur pori karbon aktif

5.2.1 Jenis Karbon Aktif

Berdasarkan fasa adsorbat yang diserap karbon aktif dapat dibagi menjadi dua, yaitu :

a. Gas adsorbent carbon, digunakan untuk pemurnian uap dan gas.

b. Liquid adsorbent carbon, digunakan untuk pemurnian cairan.

Perbedaan utama antara gas adsorbent carbon dengan liquid adsorbent carbon terletak pada distribusi ukuran pori. Gas adsorbent carbon biasanya mempunyai ukuran mikropori 3 s/d 50 Amstrong dan makropori 1000 s/d 5000 Amstrong. Liquid adsorbent carbon mempunyai ukuran volume antara mikropori dan makropori dari gas adsorbent carbon. Secara umum karbon aktif liquid adsorbent carbon mempunyai luas permukaan hampir sama dengan gas adsorbent carbon tetapi volume pori-pori totalnya lebih besar (Cheremisinof dalam Lua dan Guo, 1999).

5.2.2 Bentuk Fisik Karbon Aktif Karbon aktif diproduksi dalam dua jenis menurut ukuran partikelnya, yaitu: karbon aktif butiran, sering disebut GAC ( granular activated carbon) dan karbon aktif serbuk atau PAC (powdered activated carbon) yang memiliki karakteristik dan ruang lingkup aplikasi yang berbeda (Othmer, 1979). GAC memiliki ukuran partikel lebih besar dari 0,8 mm, kira-kira sebesar partikel pasir (Pope, 1996). PAC memiliki ukuran partikel 1 150 m. Kedua tipe karbon aktif ini telah banyak digunakan. Saat ini kecenderungan menggantikan tipe bubuk dengan tipe granular disebabkan oleh :

a. Perbedaan harga yang relatif tidak terlalu besar antara tipe granular dan bubuk

b. Pembentukan cake pada proses filtrasi untuk jenis bubuk sulit ditanggulangi.

c. Karbon aktif jenis bubuk kurang tahan panas pada proses reaktifasi sehingga diperlukan peralatan khusus.

d. Kehilangan produk per gram karbon aktif bubuk yang digunakan lebih tinggi dibandingkan dengan karbon aktif granular.

5.2.3 Pembuatan Karbon Aktif

Proses pembuatan karbon aktif dari bahan baku seperti kayu, batu bara, dan minyak bumi (misal aspal atau residu) dilakukan dengan dua tahap yaitu : karbonisasi dan proses aktifasi. Proses karbonisasi atau pengarangan dilakukan dengan membakar bahan baku dalam situasi yang kurang oksigen. Tahap setelah pengarangan adalah proses aktifasi atau proses untuk membuka pori-pori arang agar menjadi luas (misalnya dari 2 m2/g menjadi 300 2000 m2/g) menggunakan uap air atau melalui proses kimia atau dapat pula menggabungkan kedua cara tersebut (Sudrajat, 1994).

Menurut Woodroof dalam Munim dan Murachman (1999), bila tempurung kelapa dipanaskan tanpa berhubungan dengan udara pada suhu yang cukup tinggi, akan terjadi serangkaian reaksi penguraian dari senyawa-senyawa kompleks yang merupakan komponen utama tempurung (seperti selulosa, lignin, dan hemiselulosa/pentosa), menghasilkan tiga fasa zat yaitu : padat, cair, dan gas. Faktor-faktor utama yang mempengaruhi hasil-hasil distilasi kering (pirolisis) tempurung adalah kekerasan tempurung, suhu, tekanan, dan lamanya distilasi.

Selama proses karbonisasi berlangsung, sebagian besar elemen non karbon dikeluarkan sebagai gas volatil akibat adanya dekomposisi termal. Atom-atom karbon yang tertinggal selanjutnya membentuk sistem cincin aromatis dengan susunan yang tidak teratur dan terdapat pula pori-pori yang tertutup oleh karbon dari pengendapan dan penguraian tar, sehingga tidak seluruh pori-pori yang ada dapat berfungsi untuk adsorpsi. Oleh karena itu, dibutuhkan proses aktifasi untuk memperbaiki struktur pori pada arang. Dengan proses aktifasi akan diperoleh luas permukaan internal yang besar (Mudjijati, 1999).

Pada dasarnya ada dua cara pengaktifan karbon yaitu dengan menggunakan cara kimia dan aktifasi secara fisika.

1. Pengaktifan Secara Kimia

Pada proses ini fase pengarangan dan fase pengaktifan berlangsung dalam satu tahap. Bahan yang telah digiling direndam dalam larutan pengaktif selama 12 s/d 24 jam, setelah ditiriskan kemudian diarangkan. Dengan adanya pemanasan pada suhu tinggi diharapkan bahan aktif dapat masuk diantara pelat-pelat heksagonal dari kristalit karbon sehingga dapat menyebabkan terjadinya pengikisan pada permukaan kristalit dan membuka permukaan karbon yang tertutup menjadi aktif. Hal ini dapat terjadi karena karbon aktif mempunyai lapisan heksagonal yang terapatkan karena tiap atom mempunyai bilangan koordinasi tiga dan ikatan antar lapisan lemah sehingga terjadi interaksi lapisan karbon.

Untuk pengaktifan dengan garam mineral sebaiknya pengarangan dilakukan pada suhu 500 s/d 700oC. Pemanasan sampai suhu 700oC menyebabkan ukuran pelat karbon heksagonal semakin bertambah lebar. Bahan-bahan pengaktif yang baik adalah ZnCl2, CaCl2, Ca(OH)2, MnCl2, dan KCl. Disamping itu dipakai juga asam-asam seperti H2SO4, H3PO4, dan basa seperti NaOH.

2. Pengaktifan Secara Fisika (Gas, steam)

Pada proses ini ada dua tingkat operasi, yaitu pembentukan pori dan fase pengaktifan. Fase pembentukan pori terjadi pada saat pengarangan bahan baku pada suhu 400 s/d 600oC. Karbon ini masih dilapisi oleh hasil pemecahan senyawa karbon yang kembali mengembun. Untuk membersihkan permukaan karbon dari persenyawaan ini dapat dilakukan dengan jalan mengalirkan gas pengoksida pada suhu 800 s/d 1000oC.

Selama pengaktifan dan gas pengoksida pelat-pelat karbon kristalit yang tidak teratur mengalami penggeseran yang menyebabkan permukaan kristalit atau celah-celah terbuka sehingga gas-gas inert ini dapat mendorong residu-residu hidrokarbon seperti fenol, metanol, dan senyawa lainya yang menempel pada permukaan karbon. Karena itu selama pengaktifan dengan gas pengoksid, gas harus disempotkan pada materi karbon agar memilki kekuatan untuk mendesak residu-residu tersebut. Penggeseran pelat-pelat karbon agar memiliki kekuatan untuk mendesak residu-residu tersebut. Penggeseran pelat-pelat karbon kristalit tersebut selain untuk membentuk pori-pori baru juga untuk mengembangkan pori-pori yang sudah ada yaitu dari mikropori menjadi makropori (Priatna, 1990).

5.2.4 Kegunaan Karbon Aktif

Dewasa ini, karbon aktif telah digunakan secara luas dalam industi kimia, makanan/minuman dan farmasi. Pada umumnya karbon aktif digunakan sebagai bahan penyerap dan penjernih. Dalam jumlah kecil digunakan sebagai katalisator (Anonymous, 1999).

(sumber : Norit Americas, Inc, 2000)

Gambar 5.3 Pemilihan karbon aktif berdasarkan tujuan penggunaan.Karbon aktif dapat juga digunakan sebagai bahan pemucat, penyerap logam, bahan organik, dan sebagainya. Dalam suatu industri baik yang menghasilkan bahan cair maupun gas, produknya akan selalu mengandung zat-zat lain yang tidak dikehendaki. Adanya zat-zat lain tersebut menyebabkan kesukaraan dalam proses selanjutnya dan dapat menurunkan kualitas produk. Untuk menghilangkan zat-zat lain tersebut dapat dilakukan pemurnian dengan menggunakan karbon aktif (Wijaya dkk. dalam Hamuri, 2001). Zat-zat lain yang ingin dihilangkan tersebut mempengaruhi pemilihan karbon aktif, sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 5.3.

Tabel 5.4 Kegunaan arang aktif

TujuanMaksud Penggunaan

I. UNTUK GAS

Pemurnian gas Desulfurisasi, menghilangkan gas beracun, bau busuk, asap, pencegahan racun

Pengolahan LNGDesulfurisasi dan penyaringan berbagai bahan mentah dan reaksi gas

KatalisatorReaksi katalisator atau pengangkut vinil klorida, dan vinil asetat

Lain-lainMenghilangkan bau dalam kamar pendingin dan mobil

II. UNTUK ZAT CAIR

Industri obat dan makananMenyaring dan menghilangkan warna, bau dan rasa yang tidak enak pada makanan

Minuman ringan, minuman kerasMenghilangkan warna, bau pada arak/minuman keras dan minuman ringan

Kimia perminyakanPenyulingan bahan mentah dan zat perantara

Pembersihan airMenyaring/menghilangkan bau, warna, zat pencemar dalam air, sebagai pelindung dan penukaran resin dalam alat/perlengkapan air suling

Pembersih air ruanganMengatur dan membersihkan air ruangan dan pencemar, warna, bau, logam berat.

Budidaya udang dan benurPemurnian, menghilangkan amonia, nitrit, fenol, logam berat

Pelarut yang digunakan kembaliPenarikan kembali berbagai pelarut, restan crude oil, karet, larutan asam, metanol, aseton, etil acetat dan lain-lain

III. LAIN-LAIN

Pengolahan pulpPemumian, menghilangkan bau

Pengolahan pupukPemurnian

Pengolahan emasPemurnian

Penyaringan minyak makan dan glukosaMenghilangkan bau, warna, dan rasa tidak enak

(Sumber : PT Ikaindo Industri Karbonik Indonesia, dalam Anomymous, 1999)

5.3 Adsorpsi

Adsorpsi adalah suatu istilah yang menunjukkan pengambilan gas, uap air atau cairan (adsorbat) oleh permukaan atau bidang antar muka (adsorban). Peristiwa penyerapan dapat terjadi bila dua fasa bergabung sehingga terjadi suatu proses yang mana molekul dari suatu fasa melekat pada permukaan fasa yang lain. Kedua fasa tersebut dapat berupa :

1. Fasa cair dengan fasa cair

2. Fasa cair dengan fasa gas

3. Fasa cair dengan fasa padat

4. Fasa gas dengan fasa padat

Menurut Metcalf dan Eddy (1982), proses adsorpsi dapat dibagi dalam tiga tahapan, yaitu :

1. Difusi molekul adsorbat melalui film disekeliling adsorban

2. Perpindahan molekul adsorbat melalui pori-pori,dan

3. Pengikatan molekul adsorbat oleh permukaan adsorban

(sumber : Aerosol Particulate Research Lab, 2000)

Gambar 5.4 Mekanisme Adsorpsi Fisika

Ada beberapa hal yang dapat membedakan jenis-jenis adsorpsi. Perbedaan yang sangat penting adalah didasarkan pada sifat ikatan, fisika dan kimia yang menyebabkan adsorbat ditarik ke permukaan adsorban. Para ahli mengklasifikasikan adsorpsi atas dua tipe berdasarkan fenomena terjadinya adsorpsi, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia.

2.3.1 Adsorpsi Fisika

Adsorpsi fisika yang sering disebut fisiosorbsi (phisiosorbtion), terjadi akibat adanya gaya tarik menarik (interaksi elektrolisis antar dipol) antara permukaan adsorban dengan molekul-molekul adsorbat yang disebabkan oleh ikatan Van der walls (Treybal, 1985).

Pada adsorpsi fisika, gaya yang menarik molekul-molekul fluida ke permukaan padatan relatif rendah. Kesetimbangan antara permukaan padatan dan molekul-molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel karena kebutuhan energinya kecil. Energi aktifasi untuk adsorpsi fisika biasanya tidak lebih dari 1 kkal/mol, karena gaya-gaya yang terlibat di dalamnya relatif kecil.

Jumlah adsorpsi fisika berkurang kecepatannya dengan meningkatnya temperatur dan biasanya jumlahnya sangat kecil di atas temperatur kritis komponen yang teradsorpsi. Adsorpsi fisika tidak terlalu bergantung pada ketidakteraturan sifat permukaan padatan, tetapi biasanya berbanding lurus dengan luas permukaannya (Smith, 1981).

2.3.2 Adsorpsi Kimia

Adsorpsi kimia atau chemisorpsi (chemisorption) terjadi akibat adanya reaksi kimia antara molekul adsorbat dan permukaan adsorban. Pada adsorpsi kimia ikatannya relatif lebih kuat dibandingkan dengan ikatan pada adsorpsi fisika. Adsorpsi kimia terjadi jika ikatan antar molekul adsorbat dengan permukaan adsorban lebih kuat dibandingkan dengan ikatan antar molekul adsorbat itu sendiri (Smith, 1981).

Menurut Langmuir, molekul-molekul yang teradsorpsi ditarik ke permukaan oleh gaya-gaya valensi seperti halnya antara atom-atom di dalam molekul. Ada dua macam adsorpsi kimia, yang teraktifasi dan yang tidak teraktifasi. Adsorpsi kimia teraktifasi berarti bahwa lajunya berubah-rubah terhadap temperatur tergantung energi aktifasinya. Tetapi beberapa sistem adsorpsi kimia berlangsung sangat cepat, diperkirakan energi aktifasinya mendekati nol. Ini disebut dengan adsorpsi kimia tidak teraktifasi (Priatna, 1990).

Pada adsorpsi kimia panas adsorpsi ((Ha) mencapai 15 kkal/mol dan terjadi perpindahan atau relokasi atom adsorban, yaitu atom permukaan adsorban merubah ikatan kimianya dan digantikan oleh atom adsorbat (Smith, 1981).

Tabel 5.5 Perbedaan adsorpsi fisika dengan adsorpsi kimia

ParameterAdsorpsi fisika Adsorpsi kimia

Range suhuRendah Tinggi

(H adsorpsi Rendah (((Hkondensasi)Tinggi

Laju Sangat cepatTergantung energi aktifasi

Reversibelitas Sangat reversibelSeringkali irreversibel

Ikatan LemahKuat

Struktur permukaanTidak ada strukturAda struktur

Perpind. MolekulTidak adaAda

( Sumber : Smith, 1981)

PAGE 1Proposal SG-TPSDP