1-6-KARAKTERISTIK KARBON AKTIF CANGKANG

POSTER
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
KARAKTERISTIK KARBON AKTIF CANGKANG BINTARO (Cerberra odollam G.)
DENGAN AKTIVATOR H2SO4
CHARACTERISTICS OF ACTIVATED CARBON FROM BINTARO (Cerberra odollam G.)
SHELLS WITH H2SO4 ACTIVATOR
Arlin Yulianita Pratiwi dan Siti Tjahjani
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya
Jl. Ketintang Surabaya (60231), Telp. 031-8298761
Email : [email protected]
Abstrak. Salah satu alternatif bahan baku pembuatan karbon aktif adalah cangkang bintaro. Bintaro
memiliki serat lignoselulosa yang menyerupai buah kelapa. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui
karakteristik karbon aktif cangkang bintaro menggunakan aktivator H2SO4 meliputi kadar air, kadar abu,
kadar zat mengguap, kadar karbon terikat, daya serap iodium, daya serap benzena, analisis gugus fungsi
dan luas permukaan. Cangkang bintaro dipotong, dikeringkan dan dikarbonisasi pada suhu 400 oC
selama 1 jam, kemudian diaktivasi dengan aktivator H2SO4 1%, 3%, 5% selama 18, 21, 24 jam dan diuji
daya serap terhadap iodium untuk menentukan karbon aktif terbaik. Karbon aktif terbaik didapatkan
pada kondisi aktivasi H2SO4 5% selama 24 jam, yang selanjutnya dikarakterisasi. Hasil penelitian
menunjukkan kadar air 5,74%; kadar abu 4,38%; kadar zat menguap 23,88%; kadar karbon terikat
71,73%; daya serap iodium 570,89 mg/g dan daya serap benzene 12,55%. Hasil analisis gugus fungsi
karbon dan karbon aktif terbaik menunjukkan gugus fungsi yang sama yaitu O-H, C-O karboksilat, dan
C-H. Pada spektra karbon aktif terbaik muncul pita serapan gugus SO42- pada bilangan gelombang
1121,5 cm-1. Hasil analisis luas permukaan karbon aktif terbaik adalah 71,52 m2/g.
Kata kunci: Karbon aktif, Bintaro, Karakteristik, Aktivator H2SO4
Abstract. One alternative raw material for activated carbon was bintaro shells. Bintaro have
lignoselulosa fiber that resembles a coconut. The purpose of this study was to determine the
characteristics of activated carbon bintaro shell using H2SO4 include water content, ash content, volatile
matter, fixed carbon, absorption of iodine, absorption of benzene, analysis of functional groups and
surface area. Bintaro shells was cut, dried and carbonized at 400 ° C for 1 hour, then activation with
H2SO4 1%, 3%, 5% for 18, 21, 24 hours and tested absorption of iodine to determine the best activated
carbon. The best activated carbon was obtained on the condition activation of H2SO4 5% for 24 hours,
were further tested characterized. The result showed water content of 5,74%; ash content of 4.38%;
volatile matter 23.88%; fixed carbon 71.73%; absorption of iodine 570.89 mg/g and absorption of
benzene 12.55%. The results of the analysis of functional groups of carbon and best activated carbon
show the same functional group is O-H, C-O carboxylate, and C-H. At best activated carbon appear
adsorption spectra of SO42- group at wavenumber 1121.5 cm-1. The result of the analysis surface area of
best activated carbon is 71.52 m2/g.
Keywords: Activated carbon, Bintaro, Characteristics, H2SO4 Activator
aktif yang dapat digunakan yaitu cangkang
bintaro yang tersebar hampir diseluruh wilayah
Indonesia. Bintaro memiliki kandungan racun
cerberin yang dapat menghambat saluran ion
PENDAHULUAN
Pada industri yang menggunakan proses
adsorpsi banyak menggunakan adsorben karbon
aktif. Salah satu alternatif bahan baku karbon
D-1
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
kalsium di dalam otot jantung [1]. Hal ini
menyebabkan pemanfaatan buah bintaro
terhambat. Bintaro merupakan buah drupa atau
buah biji yang terdiri dari tiga lapisan yaitu
epikarp atau eksokarp; kulit bagian terluar buah,
mesokarp; lapisan tengah berupa serat seperti
sabut kelapa, dan endocarp; biji yang dilapisi
kulit biji atau testa [2].
karbonisasi keluar melewati mikropori sehingga
permukaan karbon semakin besar [5].
Aktivator yang baik bagi karbon aktif dengan
bahan baku material lignoselulosa adalah
aktivator asam, salah satunya adalah asam sulfat.
Aktivator H2SO4 merupakan oksidator kuat yang
akan mengikat zat-zat pengotor di dalam poripori karbon sehingga menyebabkan pori-pori
karbon aktif semakin besar. Salah satu penelitian
yang mempelajari pengaruh konsentrasi
aktivator H2SO 4 adalah [6] terhadap karbon aktif
dari limbah batang jagung, dimana konsentrasi
yang digunakan 1%, 3% dan 5%. Menghasilkan
daya serap iodium yang semakin besar seiring
kenaikan konsentrasi, yang mengindikasikan
semakin besar pula luas permukaan adsorben.
Karbon aktif memiliki karakteristik sifat
kimia, fisika dan daya serap meliputi kadar air,
kadar abu, kadar zat menguap, kadar karbon
terikat, daya serap terhadap iodium dan daya
serap terhadap benzena [7]. Selain itu diperlukan
juga analisis terhadap gugus fungsi dan luas
permukaan dari karbon aktif yang dihasilkan.
Untuk mengetahui karakteristik karbon aktif dari
cangkang bintaro maka dilakukan penelitian
yang bertujuan untuk mengetahui karakteristik
karbon aktif cangkang bintaro menggunakan
aktivator H2SO4 meliputi kadar air, kadar abu,
kadar zat mengguap, kadar karbon terikat, daya
serap iodium, daya serap benzena, analisis gugus
fungsi dan luas permukaan.
Gambar 1. Bagian-bagian Buah Bintaro
Buah bintaro memiliki serat lignoselulosa
menyerupai buah kelapa. Komposisi kandungan
lignin cangkang buah bintaro setara dengan
tempurung kelapa yang banyak digunakan dalam
pembuatan karbon aktif secara komersial.
Menurut [3], kandungan lignin pada tempurung
kelapa adalah 29,4%, dan pada cangkang buah
bintaro sebesar 36,95% [4]. Kandungan lignin
yang cukup tinggi pada cangkang buah bintaro
menjadikannya berpotensi sebagai bahan baku
pembuatan karbon aktif.
Pembuatan karbon aktif dapat dilakukan
melalui 3 proses yaitu dehidrasi, karbonisasi dan
aktivasi. Salah satu faktor penting dalam
pembuatan karbon aktif adalah proses aktivasi
menggunakan aktivator. Aktivator akan
menghilangkan zat pengotor di dalam pori-pori
karbon sehingga terbentuk pori-pori yang lebih
banyak yang akan memperbesar luas
permukaan. Pada proses aktivasi terdapat
beberapa pengaruh yang menentukan kualitas
karbon aktif, diantaranya yaitu waktu aktivasi
dan konsentrasi aktivator. Semakin lama waktu
aktivasi
menyebabkan
zat-zat
pengotor
menghilang semakin banyak. Pada konsentrasi
aktivator, semakin tinggi konsentrasinya maka
semakin kuat pengaruh aktivator terhadap
karbon. Aktivator mengikat zat-zat pengotor sisa
BAHAN DAN METODE
Alat
Beberapa alat yang digunakan antara lain :
furnace, ayakan mesh (60 mesh), oven, neraca
analitik, indikator pH, cawan porselen, corong
kaca, kertas saring, desikator, spatula, mortal
alu, gelas ukur, gelas kimia, erlenmeyer, buret,
statif, klem, gelas plastik, dan pipet tetes. Pada
penentuan gugus fungsi menggunakan instrumen
Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan untuk
analisa luas permukaan menggunakan metode
Brunauer-Emmet-Tellet (BET).
D-2
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
Bahan
Bahan-bahan yang di butuhkan adalah
cangkang buah bintaro yang diambil dari daerah
Pandugo Surabaya, H2SO 4 1%, 3% dan 5%,
larutan Amilum 1%, Benzena, Natrium Tiosulfat
0,1 N, Iodium 0,1 N, dan akuades.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karbonisasi Cangkang Bintaro
Karbonisasi dilakukan untuk mendapatkan
karbon melalui proses pembakaran tidak
sempurna yang menghasilkan C, CO dan H2O
[8]. Cangkang yang akan diubah menjadi karbon
terlebih dahulu dipotong kecil-kecil dan
didehidrasi untuk menghilangkan kandungan air
bahan baku. Didapatkan kadar air cangkang
bintaro sebesar 9,75%. Karbon yang dihasilkan
berwarna hitam dengan rendemen karbon
sebesar 29,65%.
Prosedur Penelitian
Tahap Karbonisasi Cangkang Bintaro
Buah bintaro dicuci terlebih dahulu lalu
dikeluarkan bijinya dan dipotong kecil-kecil.
Kemudian dilakukan pretreatment fisik melalui
pengeringan menggunakan oven pada suhu 80
o
C selama 1 jam. Setelah itu dihitung kadar air
dari cangkang buah bintaro yang sudah
dikeringkan. Selanjutnya cangkang buah bintaro
dikarbonisasi dalam furnace selama 1 jam pada
suhu 400 oC. Setelah 1 jam karbon didinginkan
dan dihitung rendemennya. Kemudian karbon
digiling dengan mortal alu hingga diperoleh
serbuk buah bintaro dan diayak menggunakan
ayakan 60 mesh.
Gambar 2. Karbon cangkang bintaro
Karbon yang didapatkan dihaluskan dan
dilakukan pemilihan ukuran karbon yang lolos
ayakan 60 mesh. Hal ini bertujuan untuk
memperbesar kontak karbon dengan aktivator,
sehingga lebih banyak karbon yang teraktivasi.
Tahap Pembuatan Karbon Aktif
Sebanyak 1 gram serbuk karbon direndam
dengan aktivator H2SO4 1%, 3% dan 5% (v/v)
dengan perbandingan 1:3 (b/b), dibiarkan selama
18, 21 dan 24 jam. Kemudian dicuci dengan
akuades hingga pH netral. Dikeringkan pada
suhu 105 oC selama 24 jam. Karbon aktif yang
dihasilkan diuji kemampuannya terhadap daya
serap iodium untuk mengetahui karbon aktif
terbaik yang ditandai dengan daya serap iodium
terbesar.
Pembuatan Karbon Aktif
Pada tahap pembuatan karbon aktif dilakukan
aktivasi dengan variabel manipulasi waktu
aktivasi dan konsentrasi aktivator, yang
bertujuan untuk menentukan karbon aktif terbaik
berdasarkan hasil daya serap iodium yang
terbesar. Aktivasi dilakukan untuk memperbesar
luas permukaan karbon sehingga meningkatkan
kemampuan adsorpsinya.
Tabel 1. Rata-rata Daya Serap Iodium (mg/g) pada
Berbagai Variasi Waktu Aktivasi dan Konsentrasi
H2SO4
Konsentrasi
H2SO4
1%
3%
5%
Waktu
Aktivasi
18 jam
442,09 495,00
540,73
21 jam
453,27 510,41
555,45
24 jam
464,91 521,23
570,89
Tahap Karakterisasi
Karbon aktif terbaik yang didapatkan di
karakterisasi kadar air, kadar abu, kadar zat
menguap, kadar karbon terikat, daya serap
iodium dan daya serap benzena. Selain itu
dilakukan pula analisis
gugus
fungsi
menggunakan FTIR dan luas permukaan dengan
BET.
D-3
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
Karbon aktif kondisi aktivasi 24 jam konsentrasi H2SO4 5% merupakan karbon aktif
terbaik, dengan daya serap iodium terbesar yaitu
570,89 mg/g. Daya serap iodium meningkat
seiring kenaikan konsentrasi H2SO4 dan waktu
aktivasi. Asam sulfat mengikat senyawa volatile
dan zat pengotor yang masih tertinggal menutupi
pori-pori karbon. Semakin lama waktu aktivasi
maka aktivator melarutkan lebih banyak
senyawa volatile dan zat pengotor sehingga
semakin besar daya serap karbon aktif yang
diperoleh. Mekanisme reaksi aktivasi menurut
[5] disajikan pada Gambar 3.
atau penguapan air bahan baku. Selain itu
adanya aktivator H2SO4 memberikan pengaruh
dehidrasi saat aktivasi. Semakin kecil kadar air
maka daya serap karbon aktif semakin baik.
Kadar Abu
Kadar abu ditentukan untuk mengetahui
kandungan oksida logam dari karbon aktif.
Besarnya kadar abu yang didapatkan 4,38%.
Pada karbon masih terdapat pengotor berupa
mineral anorganik dan oksida logam yang
menutupi pori-pori. Melalui proses aktivasi,
mineral anorganik dan oksida logam pada
permukaan karbon akan larut sehingga
menyebabkan peningkatan luas permukaan serta
kualitas karbon aktif. Semakin besar kadar abu
suatu karbon aktif maka kemampuan daya serap
akan turun.
CH2OH O
CH2OH O
O
HO
O
+ HO
S
OH
HO
OH
+ H2O
O
OH
OH
OH
Karbon
H2SO4
O
O
S
O
CH2OH O
HO
Kadar Zat Menguap
Kadar zat menguap ditentukan untuk
mengetahui kandungan senyawa volatile di
dalam karbon aktif. Kadar zat menguap yang
didapatkan adalah 23,88%. Kadar zat menguap
menunjukkan penguraian senyawa non-karbon
pada permukaan karbon aktif pada saat
karbonisasi dan aktivasi. Semakin rendah kadar
zat menguap maka daya adsorpsinya akan
semakin besar, karena semakin banyak senyawa
volatile yang menguap dan larut pada proses
karbonisasi dan aktivasi.
OH
OH
OH
KarbonAktif
Gambar 3. Mekanisme aktivasi dengan H2SO4
Karakteristik Karbon Aktif Cangkang
Bintaro
Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui
kualitas karbon aktif meliputi sifat fisika dan
kimia serta kemampuan daya serap.
Tabel 2. Karakteristik Karbon Aktif Terbaik
Parameter Uji
Hasil Uji
Kadar air
5,74%
Kadar abu
4,38%
Kadar zat menguap
23,88%
Kadar karbon terikat
71,73%
Daya serap iodium
570,89 mg/g
Daya serap benzene
12,55%
Kadar Karbon Terikat
Kadar karbon terikat ditentukan untuk
mengetahui kandungan karbon setelah proses
karbonisasi dan aktivasi. Kadar karbon terikat
yang didapatkan sebesar 71,73%. Semakin
tinggi kadar karbon terikat menunjukkan luas
permukaan dan jumlah pori yang lebih banyak
sehingga mempunyai kemampuan menyerap
cairan atau gas. Kadar karbon terikat
dipengaruhi oleh kadar zat menguap dan kadar
abu. Semakin besar kadar zat menguap dan
kadar abu akan menurunkan kadar karbon terikat
begitu juga sebaliknya.
Kadar Air
Penentuan kadar air bertujuan untuk
mengetahui sifat higroskofis karbon aktif. Kadar
air karbon aktif terbaik yaitu 5,74% lebih
rendah dibandingkan dengan kadar air cangkang
bintaro yaitu 9,75%. Adanya pemanasan atau
proses karbonisasi menyebabkan penurunan
kadar air, karena terjadi peningkatan dehidrasi
D-4
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
Berdasarkan spektrum FTIR karbon, pita
serapan gugus O-H pada bilangan gelombang
3434,93 cm-1. Kemudian pita serapan pada
bilangan gelombang 1607,41 cm-1 merupakan
gugus C-O karboksilat, dan pada bilangan
gelombang 1376,08 cm-1 muncul pita serapan
gugus C-H. Pada spektrum FTIR karbon aktif
terbaik terdapat pita serapan vibrasi ulur gugus
O-H pada bilangan gelombang 3399,36 cm-1.
Kemudian pita serapan pada bilangan
gelombang 1636,82 cm-1 merupakan vibrasi
gugus C-O karboksilat, dan serapan pita
bilangan gelombang 1375,29 cm-1 menunjukkan
gugus C-H. Kedua hasil spektrum menunjukkan
gugus fungsi yang sama dikarenakan persamaan
kandungan bahan awal yang digunakan. Namun
pada karbon aktif terbaik terdapat pita serapan
gugus SO42- pada bilangan gelombang 1121,5
cm-1
sebagai
pengaruh
dari
aktivasi
menggunakan aktivator H2SO4.
Daya Serap Iodium
Kemampuan karbon aktif untuk menyerap
larutan iodium digunakan sebagai parameter
kualitas karbon aktif. Karbon aktif terbaik
memiliki daya serap iodium terbesar yaitu
570,89 mg/g. Daya serap iodium menunjukkan
kemampuan karbon aktif menyerap zat dengan
ukuran molekul yang lebih kecil dari 10Å.
Semakin besar daya serap iodium maka semakin
besar kemampuan daya serap terhadap adsorbat
atau zat terlarut. Diketahui pada Tabel 2. terjadi
peningkatan daya serap iodium karbon aktif
cangkang bintaro seiring kenaikan konsentrasi
H2SO4 dan waktu aktivasi. Hal ini dikarenakan
senyawa volatile dan zat pengotor yang masih
menutupi pori-pori karbon terikat lebih banyak
seiring kenaikan konsentrasi dan waktu aktivasi.
Daya Serap Benzena
Daya serap benzena yang didapatkan sebesar
12,5591%. Daya serap terhadap benzena
menggambarkan kemampuan karbon aktif dalam
menyerap gas dan senyawa nonpolar.
Berdasarkan hasil FTIR karbon aktif terbaik
cangkang bintaro diketahui terdapat gugus
karbonil C-O dan gugus OH yang menyebabkan
permukaan karbon aktif bersifat hidrofilik
sehingga molekul-molekul polar berinteraksi
lebih kuat dibandingkan molekul non-polar.
Selain itu adanya aktivasi dengan H2SO4
menyebabkan permukaan karbon aktif lebih
bersifat polar.
Analisis Luas Permukaan
Luas permukaan karbon aktif merupakan
salah satu faktor penting dalam penentuan
kualitas karbon aktif. Semakin besar luas
permukaan karbon aktif maka semakin baik
kualitas karbon aktif tersebut.
Tabel 3. Hasil Analisis Karbon dan Karbon Aktif
Terbaik menggunakan Metode BET
Luas
Volume
Rerata
Jenis
permukaan
total pori
jejari pori
sampel
spesifik
(cc/g)
(Å)
(m2/g)
Karbon
40,67
0,28
141,60
Karbon
71,52
0,47
133,70
aktif
Analisis Gugus Fungsi
a)
Luas permukaan karbon aktif terbaik sebesar
71,5200 m2/g lebih besar dibandingkan luas
permukaan karbon 40,6700 m2/g. Peningkatan
luas permukaan ini menunjukkan keberhasilan
proses aktivasi dengan H2SO4. Selain itu volume
total pori karbon 0,2880 cc/g yang lebih besar
dibandingkan karbon aktif terbaik yaitu 0,4779
cc/g, menunjukkan hilangnya zat-zat pengotor di
b)
Gambar 4. Spektrum FTIR a) Karbon, b) Karbon
Aktif Terbaik
D-5
Prosiding Seminar Nasional Kimia dan Pembelajarannya, ISBN : 978-602-0951-12-6
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 17 September 2016
dalam pori-pori karbon oleh aktivator. Rerata
jejari pori karbon aktif terbaik sebesar 133,7000
Å lebih rendah dibandingkan karbon yaitu
141,6000 Å. Penurunan rerata jejari pori ini
menyebabkan luas permukaan karbon aktif
meningkat. Menurut [9], kenaikan ukuran pori
menyebabkan luas permukaan karbon aktif
menurun, karena pori-pori karbon yang
terbentuk semakin sedikit.
3. Suryani, Indah., Permana, M. Yusuf.,
Dahlan, M. Hatta. 2012. Pembuatan Briket
Arang Dari Campuran Buah Bintaro dan
Tempurung Kelapa Menggunakan Perekat
Amilum. Palembang: Universitas Sriwijaya.
4. Handoko, T., Suhandjaja, G., Muljana, M.
2012. Hidrolisis Serat Selulosa Dalam Buah
Bintaro Sebagai Sumber Bahan Baku
Bioetanol. Jurnal Teknik Kimia Indonesia. 11
(1), 26-33.
5. Adinata, Mirsa Restu. 2013. Pemanfaatan
Limbah Kulit Pisang Sebagai Karbon Aktif.
Skripsi. Surabaya: Universitas Pembangunan
Nasional Veteran.
6. Ramdja, A Fuadi, Mirah Halim, Jo Handi.
2008. Pembuatan Karbon Aktif dari Pelepah
Kelapa (Cocus nurifera). Jurnal Teknik
Kimia, Vol. 15, No. 2.
7. Fauziah, Nailul. 2009. Pembuatan Arang
Aktif Secara Langsung dari Kulit Acacia
mangium Wild Dengan Aktivasi Fisika dan
Aplikasinya Sebagai Adsorben. Skripsi.
Bogor: Institut Pertanian Bogor.
8. Fessenden R., J dan Fessenden J., S. 1982.
Kimia Organik Jilid 2. Jakarta: Erlangga.
9. Shofa. 2012. Pembuatan Karbon Aktif
Berbahan Baku Ampas Tebu Dengan
Aktivasi Kalium Hidroksida. Skripsi. Depok:
Universitas Indonesia.
KESIMPULAN
Berdasarkan
hasil
penelitian
dapat
disimpulkan bahwa karaterisitik karbon aktif
cangkang bintaro adalah kadar air 2,72%; kadar
abu 4,38%; kadar zat menguap 23,88%; kadar
karbon terikat 71,73%; daya serap iodium
570,89 mg/g dan daya serap benzene 12,55%.
Karbon dan karbon aktif terbaik menunjukkan
gugus fungsi yang sama yaitu O-H, C-O
karboksilat, dan C-H. Pada spektrum karbon
aktif terbaik muncul pita serapan gugus SO42pada bilangan gelombang 1121,5 cm-1. Luas
permukaan karbon aktif terbaik yaitu 71,52 m2/g
lebih besar daripada karbon yaitu 40,67 m2/g
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih disampaikan kepada unit
layanan Laboratorium Terpadu atas bantuan
dalam analisis gugus fungsi dan luas permukaan
karbon aktif cangkang bintaro.
DAFTAR PUSTAKA
1. Purwaningtyas, Arni. 2014. Potensi Minyak
Biji Buah Bintaro (Cerbera manghas L.)
Sebagai Potensi Alternatif Penghasil
Biodiesel. Semarang : Universitas Negeri
Semarang.
2. Imam, Greg., Handoko, Tony. 2011.
Pengolahan Buah Bintaro sebagai Sumber
Bioetanol dan Karbon Aktif. Prosiding
Seminar
Nasional
Teknik
Kimia
“Kejuangan” Pengembangan Teknologi
Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam
Indonesia. 8, (1-5).
D-6