Prosiding Konferensi Nasional Engineering Perhotelan X - 2019 (364-368) ISSN 2338-414X

Analisa proximate karbon aktif yang diaktivasi secara kimia menggunakan asam pospat

D N K Putra Negara1), T G Tirta Nindhia2), I M Astika3), C I P K Kencanawati4) 1,2,3,4)Jurusan Teknik Mesin Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran Bali

Abstrak

Karbon aktif adalah bahan karbon yang memiliki luas permukaan pori yang besar sehingga banyak diaplikasikan pada proses yang memerlukan luas kontak yang besar seperti proses adsorpsi dan katalis. Pada umumnya karbon aktif dibuat dari batu bara, namun dewasa ini banyak sumber karbon aktif yang dibuat dari biomassa salah satunya adalah dari bambu. Proses pengaktifan karbon aktif dapat dilakukan secara fisika atau secara kimia dengan tujuan untuk mendapatkan porositas yang tinggi. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui sifat karbon aktif dari bamboo swat yang diaktifkan secara kimia dengan agen pengaktif asam pospat dengan rasio 1:1 (%wt). Karbonisasi dilakukan pada suhu 750 OC selanjutnya diaktivasi pada suhu 400, 550 dan 700 OC dengan pengaliran nitrogen dengan laju alir 100 mL/menit. Karbon aktif yang dihasilkan ditandai sebagai KA-400, KA-550, dan KA-700 untuk aktivasi masing-masing pada suhu 400, 550 dan 700 OC. Karakterisasi dengan uji proximate dilakukan untuk mengetahui kandungan volatile, moisture, ash dan fix karbon dari karbon aktif. Hasil penelitian menunjukkan bahwa peningkatan suhu aktivasi menyebabkan peningkatan kandungan fix carbon, tetapi menurunkan kandungan volatile dan moisture. Komposisi terbaik diperoleh pada karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 700 OC karena menghasilkan karbon aktif dengan kandungan fix karbon tertinggi sebesar 75,15% dan kandungan volatile dan moisture terendah yaitu masing-masing 5,88 % dan 4,98 %.

Kata kunci: Karbon aktif, aktivasi, fix carbon, katalis

Abstract

Activated carbon is a carbon material that has a large pore surface area and is widely applied to processes that require large contact areas such as the adsorption and catalyst processes. In general, activated carbon is made from coal, but today many sources of activated carbon are made from biomass, one of which is from bamboo. The activation process of activated carbon can be carried out physically or chemically in order to obtain a high porosity. The purpose of this study was to determine the proximate properties of activated carbon derived from swat bamboo which is chemically activated with phosphorate acid with char/phosphorate acid ratio of 1:1 (% wt). Carbonization was carried out at 750OC and subsequently activated at 400, 500 and 600 minutes by nitrogen flow with a flow rate of 100 mL/minute. The activated carbon produced is marked as KA-400, KA-550, and KA-700 for activation at temperatures of 400, 550 and 700OC Characterization with proximate test was carried out to find out the composition of moisture, volatile, ash and fix carbon of activated carbons produced. The results showed that an increase in activation temperature caused an increase in fix carbon content, but decreased the volatile and moisture contents. The best composition was obtained on activated carbon which was activated at 700OC because it produced activated carbon with the highest fix carbon content of 75.15% and the lowest volatile and moisture content were 5.88% and 4.98%, respectively.

Keywords: Activated carbon, activation, fix carbon, catalyst

1. PendahuluanKarbon aktif atau sering juga disebut arang aktif

adalam material yang dikenal sangat unik karena kemampuan serapnya yang tinggi [1,2]. Daya serap yang tinggi ini disebabkan karena karbon aktif memiliki struktur berpori dan luas permukaan yang tinggi. Sifatnya yang unik menyebabkan karbon aktif banyak diaplikasikan di berbagai bidang kehidupan. Karbon aktif dapat digunakan untuk mengusir bau apek pada lemari pakaian atau bau tak sedap pada lemari pakaian, mengurangi bau rokok di dalam ruangan dan juga sebagai penjernih air [3,4]. Aplikasi lain diantaranya adalah sebagai bahan super kapasitor [5,6], untuk penyerapan atau penyimpanan gas [7,8,9,10], untuk penjernihan limbah industry dari logam berat [11], dan lain lain.

Umumnya karbon aktif yang tersedia di pasaran bersumber dari residu minyak bumi [12]. Selain itu sumber lain untuk bahan baku karbon aktif adalah dari

batubara dan produk pertanian atau material lignocelullosic [13,14]. Material lignocellulosic adalah material yang mengandung lignin dan sellulosa yang dijumpai pada biomassa atau produk pertanian seperti tongkol jagung, sekam padi, kulit kopi, kayu, bamboo dan produk pertanian lainnya. Karbon aktif dari limbah pertanian ini lebih menjanjikan di masa yang akan dating karena bersifat dapat diperbaharui, mudah diperoleh dalam jumlah yang besar dan penyebarannya relative merata di seluruh dunia dibandingkan sumber karbon aktif dari residu minyak bumi atau dari batu bara.

Seiring semakin pesatnya perkembangan dunia industri, semakin banyak pula penggunaan karbon aktif, mengakibatkan kebutuhan karbon aktif pun semakin meningkat baik untuk keperluan domestik maupun untuk kebutuhan ekspor. Karbon aktif diproduksi melalui proses karbonisasi dan aktivasi. Proses karbonisasi atau pengarangan merupakan

*Korespondensi: Tel./Fax.: 08123682549E-mail: devputranegara@gmail.comTeknik Mesin Universitas Udayana 2019

364

DNK Putra Negara et al. • Prosiding KNEP X – 2019 • ISSN 2338-414X 4 proses pirolisis yaitu merubah wujud bahan baku menjadi arang melaui proses pemanasan. Menurut Cheremisinoff dkk, 1978 tahapan karbonisasi meliputi; (a) penguapan air pada suhu 100-20OC, sampai suhu 270 OC mulai terjadi penguraian dan penguapan selulosa; (b) penguraian selulosa menjadi larutan piroligant (asam cuka, methanol, dll), gas kayu (CO, CO2) dan sedikit tar pada 270-310 OC; (c) penguraian lignin (310-500 OC) yang menghasilkan lebih banyak tar. Pada tahap ini larutan pirolignat dan CO2 menurun, namu terjadi peningkatan gas CO, CH4 dan H2; (d) tahap pemurnian kadar karbon pada suhu 500-1000OC [15]. Pada proses karbonisasi terjadi pembentukan porositas awal namun sebagian besar pori-pori yang dihasilkan masih ditutupi oleh deposit hirokarbon sehingga luas permukaan porinya kecil sehingga daya serapnya pun rendah. Untuk meningkatkan daya serapnya maka hirokarbon yang masih menutupi pori-pori dari arang haruslah dihilangkan melalui proses aktivasi.

Proses aktivasi dilakukan untuk membantu meningkatkan struktur pori-pori dari arang hasil proses karbonisasi. Aktivasi pada prinsipnya dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu cara kimia dan cara fisika atau kombinasi dari kedua metode tersebut. Aktivasi fisika dilakukan dengan pemanasan pada suhu 800-1000OC [16] atau 600-900OC [17] dengan dialiri oksidator lemah, misalnya uap air, gas CO2, N2 dan O2. Pada proses ini terdapat formasi dari pori-pori dan vessel (celah, path) karena masuknya gas-gas oksidasi ke dalam char dan pemindahan hasil-hasil reaksi.

Aktivasi kimia memerlukan katalis kimia (activating agents) seperti H3PO4, NH4Cl, AlCl3, HNO3, KOH, NaOH, KMnO4, SO3, H2SO4, K2S, H2O2, K2CO3 untuk dicampurkan ke precursor dan dibersihkan untuk menghasilkan karbon aktif [18,19,20]. Proses ini biasanya dilakukan pada range suhu yang relative rendah dari 300-700OC [21] atau 400-800OC [22] atau 500-800OC [23]. Pada suhu tinggi bahan pengaktif akan masuk di antara sela-sela lapisan heksagonal dan selanjutnya membuka permukaan yang tertutup [24].

Karakteristik dan kualitas karbon aktif yang dihasilkan tergantung dari sifat kimia dan fisika dari bahan baku karbon aktif yang digunakan [1] serta bahan pengaktif, suhu dan cara pengaktifannya [24]. Pada penelitian ini diteliti efek suhu aktivasi terhadap kandungan ash, moisture, volatile dan fix carbon dan kandungan C, H dan N dari karbon aktif dari bambu swat yang diaktivasi secara kimia menggunakan agen pengaktif H3PO4.

2. Metode Penelitian2.1. Bahan baku dan katalis

Material yang digunakan sebagai bahan baku karbon aktif berasal dari biomasa yaitu dari bambu swat (Gigantochloa verticillata). Bambu ini didapatkan dari Desa Melinggih Kelod, Kecamatan Payangan, Gianyar. Sedangkan katalis yang digunakan adalah aam pospat (H3PO4).

3.2. Proses pembuatan karbon aktif Bambu dibersihkan, dipotong kecil-keccil,

selanjutnya dikeringkan sehingga pengurangan masanya sangat kecil (<5%). Proses pengarbonan dilakukan melalui pemanasan bamboo sampai suhu 750OC selama 2,5 jam. Arang yang dihasilkan dibuat menjadi serbuk dengan mesh 60. Serbuk dicampur dengan H3PO4 dengan perbandingan 1:1, diratakan dengan magnetic sterrer pada suhu 105OC, selama 2 jam dengan putaran 300 rpm. Campuran dibiarkan selama 3 jam, kemudian dibersihkan dengan aquades sampai ph netral. Aktivasi dilakukan dengan memanaskan pada suhu 400, 550 dan 700OC, dengan dialiri N2 selama 1,5 jam dan didinginkan selama 12 jam di dalam dapur. Karbon aktif yang dihasilkan diberi kode KA-400, KA-550 dan KA-700 masing-masing untuk lama aktivasi 400, 550 dan 700OC.

2.3. Karakterisasi karbon aktif Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui

kandungan moisture, volatile, ash dan fix carbon dari karbon aktif dengan uji proximate. Alat yang digunakan adalah TGA 701, 0.02 % RSD Precision.

3. Hasil dan PembahasanPada gambar 1 sampai dengan gambar 4

ditunjukkan kandungan elemen-elemen uji proximate. Komposisi proximate dari bahan baku/raw material bambu swat diperoleh dari penelitian sebelumnya [25].

88.32

7.69

7.38

6.44

5.88

0 20 40 60 80 100

Raw material

Arang

KA-400

KA-550

KA-700

Komposisi volatile (%)

Karb

on a

ktif

Gambar 1. Kandungan volatile dari karbon aktif

7.86

5.92

6.02

5.6

4.98

0 2 4 6 8 10

Raw material

Arang

KA-400

KA-550

KA-700

Komposisi moisture (%)

Karb

on a

ktif

Gambar 2. Kandungan moisture dari karbon aktif

Kandungan volatile dari bamboo swat, arang dan karbon aktif yang dibuat dengan variasi suhu aktivasi ditunjukkan pada gambar 1. Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa bamboo swat mengandung 88,32% volatile. Setelah dikarbonisasi kandungan

365

DNK Putra Negara et al. • Prosiding KNEP X – 2019 • ISSN 2338-414X 5 volatilnya menurun menjadi 7,69%. Setelah diaktivasi kandungan volatile ini kembali mengalami penurunan. Semakin tinggi suhu aktivasi menyebabkan semakin berkurangnya kandungan volatile dari karbon aktif. Kandungan volatile yang terdapat pada karbon aktif menunjukkan bahwa masih terdapat senyawa non karbon yang masih menutupi pori-pori pada permukaan karbon aktif. Penurunan volatile sebesar 91,29% terjadi dari bahan baku setelah dikarbonisasi, dan penurunan volatile sekitar 4,03% sampai 23,53% dari arang setelah diaktivasi dengan suhu aktivasi berbeda. Karbon aktif KA-700 memiliki kandungan terendah yaitu sebesar 5,88%.

Pada gambar 2 diilustrasikan komposisi moisture dari bamboo, arang dan karbon aktif dengan variasi suhu aktivasi. Terjadi penurunan kandungan moisture babu tabah dari 7,86% menjadi 5,92% setelah menjadi arang. Setelah diaktivasi kandungan moisture ini nilainya berfluktuasi. Pada karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 400OC, kandungan moisture justru meningkat menjadi 6,02%, tetapi pada suhu aktivasi 550 dan 700OC, kandungan moisture mengalami penurunan masing-masing menjadi 5,6% dan 4,98%. Dapat pula dilihat bahwa semakin tinggi suhu aktivasi menyebabkan semakin menurunnya kandungan moisture. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu aktivasi menyebabbkan semakin mudahnya zat yang mudah menguap dikeluarkan dari arang. Interval kandungan moisture dari karbon aktif yang diproduksi berada pada kisaran 4,98% sampai 6,02% dengan kandungan terendah diperoleh pada KA-700 yaitu sebear 4,98%.

1.83

17.21

13.69

13.13

13.97

0 5 10 15 20

Raw material

Arang

KA-400

KA-550

KA-700

Komposisi ash (%)

Karb

on a

ktif

Gambar 3 Kandungan ash dari karbon aktif

1.99

69.18

72.91

74.84

75.17

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Raw material

Arang

KA-400

KA-550

KA-700

Komposisi fix carbon (%)

Karb

on a

ktif

Gambar 4. Kandungan fix carbon dari karbon aktif

Ash atau kadar abu dari bambu swat, arang dan karbon aktif yang dibuat ditunjukkan pada gambar 3. Kandungan ash mengalami peningkatan dari 1,83% pada bambu menjadi 17,21% setelah menjadi arang. Peningkatan ini disebabkan selama proses karbonisasi terjadi proses oksidasi partikel halus yang terbentuk dari garam-garam mineral. Setelah diaktivasi proses ini terus berlanjut, namun dengan kandungan yang semakin menurun karena adanya aliran nitrogen yang dialirkan selama proses aktivasi dapat meminimalkan proses oksidasi. Karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 550OC memiliki kandungan ash paling rendah yang mengindikasikan pada suhu tersebut deposit hidrokarbon yang menutupi pori-pori pada permukaan dari karbon aktif memiliki jumlah yang minimal dibandingakan dengan karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 400 dan 700OC.

Komposisi karbon terikat atau fix carbon dari karbon aktif ditampilkan pada gambar 4. Pada gambar 4 dapat dilihat terjadi peningkatan kandungan fix karbon secara signifikan dari raw materil (1,99%) dan setelah menjadi arang melalui proses karbonisasi (69,18%). Hal ini terjadi karena terjadinya penurunan komposisi volatile, moisture dan komposisi kimia (terutama komposisi selulosa) dari bahan baku setelah dikarbonisasi melalui dekomposisi termal yang diubah menjadi fix carbon dan ataom karbon [26]. Setelah diaktivasi kandungan fix carbon mengalami peningkatan seiring dengan menurunnya kadar volatile dan moisture pada karbon aktif. Atom karbon yang bereaksi dengan uap air dan membentuk CO semakin sedikit terjadi apabila kandungan fix carbonnya semakin tinggi. Semakin tinggi suhu aktivasi karbon aktif yang dihasilkan memiliki kandungan fix carbon yang semakin tiinggi. Kandungan fix karbon yang tinggi mengindikasikan hanya sedikit. Komposisi tertinggi diperolaeh pada karbon aktif KA-700 yaitu sebesar 75,17%, disusul pada karbon aktif KA-550 dan KA-400 dengan kandungan fix carbon masing- masing sebesar 74,84 % dan 72,91%.

4. KesimpulanBahan baku dari bambu swat telah dikonversi

menjadi karbon aktif melalui proses karbonisasi, aktivasi secara kimia dengan katalis asam pospat pada suhu aktivasi berbeda. Diperoleh bahwa semakin tinggi suhu aktivasi semakin tinggi kandungan fix karbonnya dan semakin rendah kandungan volatile dan moisturnya, namun tidak ditemukan pola hubungan antara suhu aktivasi dengan kandungan ash. Secara keseluruhan karbon aktif yang diaktivasi pada suhu 700OC memiliki karakteristik terbaik karena memiliki kandungan fix karbon tertinggi dan kandungan volatile dan moisture yang terendah.

Ucapan Terima Kasih Terimakasih yang mendalam disampaikan kepada

Kemenristek Dikti melalui Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (LPPM) Universitas Udayana yang mendanai penelitian ini melalui skim Penelitian Dasar Unggulan Perguruan Tinggi (PDUPT – No : 492.13/UN14.4.4.A/LT/2019)

366

DNK Putra Negara et al. • Prosiding KNEP X – 2019 • ISSN 2338-414X 6 Daftar Pustaka

. [1] Patil, B.S. and Kulkarni, K.S, Development of High

Surface Area Activated Carbon from Waste Material, International Journal of Advanced Engineering and Studies (IJAERS), 1, 109-113, 2012.

[2] Ahmadpour, A., Okhovat, A. & Mahboub, M.D, Pore Size Distribution Analysis of Activated Carbons Prepared from Coconut Shell Using Methane Adsorption Data, Journal of Physics And Chemistry of Solids, 74, 886-891, 2013.

[3] Ariyadejwanicha. P.T.W., Nakagawa, K., Mukai, S. and Tamon H, Preparation and Characterization of Mesoporous Activated Carbon From Waste Tires, Carbon, 41, 157–164, 2003.

[4] Hariss, P, On Charcoal Interdisciplinary, Science Review, 24, 301-306, 1999.

[5] Cao, Wenxin, and Fuqian Yang, Supercapacitors from High Fructose Corn Syrup-Derived Activated Carbons, Materials Today Energy 9, 406–415, 2018.

[6] Huang, Tianfu, Zehai Qiu, Dewu Wu, and Zhibiao Hu, Bamboo-Based Activated Carbon @ MnO2 Nanocomposites for Flexible High-Performance Supercapacitor Electrode Materials, International Journal of Electrochemical Science 10 (8), 6312–6323, 2015.

[7] Esteves, Isabel A.A.C., Marta S.S. Lopes, Pedro M.C. Nunes, and José P.B. Mota, Adsorption of Natural Gas and Biogas Components on Activated Carbon, Separation and Purification Technology 62 (2), 281–296, 2008.

[8] Inomata, K., K. Kanazawa, Y. Urabe, H. Hosono, and T. Araki, Natural Gas Storage in Activated Carbon Pellets without a Binder, Carbon 40 (1), 87–93, 2002.

[9] Diana, C.C.A, Araujo, J.C.S, Bastos-Neto, M., Torres, A.E.B., Emerson, F. J. and Celio, L.C, Microporous Activated Carbon Prepared from Coconut Shells Using Chemical Activation with Zinc Chloride, Microporous and Mesoporous Materials, 100, 361-364. 2007.

[10] Sreńscek-Nazzal, J., Weronika, K., Beata, M. and Zvi Ckoren, Production, Characterization and Methane Storage Potential of Koh-Activated Carbon from Sugarcane Molasses, Industrial Crops and Products, 47, 153-159, 2013

[11] Kadirvelu, K.,Thamaraiselvi, K. & Namasivayam, C, Removal of Heavy Metals from Industrial Waste Waters by Adsorption Onto Activated Carbon Preparad from an Agriculture Solid Waste. Bioresource Technology, 76, 63-65, 2001.

[12] Altenor, S., Carene, B., Emmanuel, E., Lambert, J., Ehrhardt, J. and Gaspard, S. Adsorption Studies of Methylene Blue and Phenol onto Vetiver Roots Activated Carbon Prepared by Chemical Activation. Journal of Hazardous Materials. 165: 1029–1039, 2009.

[13] Ahmadpour , A. D. The Preparation of Activated Carbon from Macadamia Nutshell by Chemical Activation. Carbon. 35: 1723–1732, 1997.

[14] Lee, Y.W., Park, J.W., Choung, J.H. and Choi, D.K. Adsorption Characteristics of SO2 on Activated Carbon Prepared from Coconut Shell with Potassium Hydroxide Activation. Environ Scitechnol. 36: 1086–1092, 2002.

[15] Cheremisinoff, M. Carbon Adsorption Applications, Carbon Adsorption. Handbook. Ann Arbor Science Publishers, Inc, Michigan. 7-8, 1978.

[16] Lempang, M. Pembuatan dan Kegunaan Arang Aktif. Info Teknis EBONI. 11: 65-80, 2014.

[17] Ioannidou, O. and Zabaniotou, A. Agricultural Residues as Precursors for Activated Carbon Production – A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 11: 1966–2005, 2007.

[18] Abdullah, A.H., Kazim, A., Zainal, Z., Hussien, M.Z., Kuang, D. and Ahmad F. Preparation and Characterization of Activated Carbon from Gelam Wood Bark (Melaleuca Ccajuputi). Malays J Anal Sci. 7: 65-68, 2001.

[19] Merzougui Z and Adoun, F. Effect of Oxidant Treatment of Datepit Activated Carbons Application to The Treatment of Waters. Desalination. 222: 394–403, 2008.

[20] Vargas, A.M.M, Cazetta, A.L., Garcia, C.A., Moraes, J.C.G., Nogami, E.M. and Lenzi, E. Preparation and Characterization of Activated Carbon from a New Raw Lignocellulosic Material: Flamboyant (Delonix Regia) Pods. J Environ Manag. 92: 178–184, 2011.

[21] Girgis, B.S., Yunis, S.S. and Soliman, A.M. Characteristics of Activated Carbon from Peanut Hulls in Relation to Conditions of Preparation. Mater Lett. 57: 164–172, 2002.

[22] Alhamed, Y.A. Activated Carbon from Dates'stone by ZnCl2 Activation. JKAU: Eng Sci. 17: 75–100, 2006.

[23] Pragya, P., Sripal, S. and Maheshkumar, Y. Preparation and Study of Properties of Activated Carbon Produced from Agricultural and Industrial Waste Shells. Res J Chem Sci. 3: 12–15, 2013.

[24] Lempang, M. Pembuatan dan Kegunaan Arang Aktif. Info Teknis EBONI. 11: 65-80, 2014.

[25] DNK Putra Negara, TG Tirta Nindhia, I W Surata, M Sucipta. Potensi bambu swat (gigantochloa verticillata) sebagai material karbon aktif untuk adsorbed natural gas (ANG), Jurnal Energi dan Manufaktur Vol 9. No. 2, 174-179, 2016.

[26] Pari, G., Hendra, D. and Pasaribu, R.A, Pengaruh Lama Waktu Aktivasi dan Konsentrasi Asam Fosfat Terhadap Mutu Arang Aktif Kulit Kayu Acacia Mangium, Jurnal Penelitian Hasil Hutan, 24, 33-46, 2006.

367

DNK Putra Negara et al. • Prosiding KNEP X – 2019 • ISSN 2338-414X 7

Dewa Ngakan Ketut Putra Negara menyelesaikan pendidikan S1 Teknik Mesin di Universitas Brawijaya pada tahun 1995 di bidang teknik produksi. Pendidikan S2 ditempuh di University of Bradford pada tahun 2001 di bidang Manufacturing System Engineering and Management.

Pada saat ini sedang mengambil program doctor di Program Doktor Ilmu Teknik Universitas Udayana dengan topik penelitian pengembangan karbon aktif untuk gas storage dan gas purification.

368

Analisa proximate karbon aktifyang diaktivasi kimia

menggunakan asam pospatby Dnk Putra Negara

Submission date: 14-Jun-2019 04:00PM (UTC+0700)Submission ID: 1143580114File name: 2._Full_Paper_KNEP_2019__DNK_Putra_Negara_2.doc (4.42M)Word count: 2755Character count: 16402

15%SIMILARITY INDEX

%INTERNET SOURCES

15%PUBLICATIONS

%STUDENT PAPERS

Exclude quotes On

Exclude bibliography On

Exclude matches < 7 words

Analisa proximate karbon aktif yang diaktivasi kimiamenggunakan asam pospatORIGINALITY REPORT

MATCH ALL SOURCES (ONLY SELECTED SOURCE PRINTED)

4%

Yahya, Mohd Adib, Z. Al-Qodah, and C.W. ZanariahNgah. "Agricultural bio-waste materials as potentialsustainable precursors used for activated carbonproduction: A review", Renewable and SustainableEnergy Reviews, 2015.Publicat ion