KARBON AKTIF
Karbon
aktif adalah senyawa karbon yang telah ditingkatkan daya adsorpsinya dengan
melakukan proses karbonisasi dan aktifasi. Pada proses tersebut terjadi
penghilangan hidrogen, gas-gas dan air dari permukaan karbon sehingga terjadi perubahan
fisik pada permukaannya. Aktifasi ini terjadi karena terbentuknya gugus aktif
akibat adanya interaksi radikal bebas pada permukaan karbon dengan atom-atom
seperti oksigen dan nitrogen.
Karbon
aktif terdiri dari 87 - 97 % karbon dan sisanya berupa hidrogen, oksigen,
sulfur dan nitrogen serta senyawa-senyawa lain yang terbentuk dari proses
pembuatan. Volume pori-pori karbon aktif biasanya lebih besar dari 0,2 cm3/gram.
Sedangkan luas permukaan internal karbon aktif yang telah diteliti umumnya
lebih besar dari 400 m2/gr dan bahkan bisa mencapai di atas 1000 m2/gr
(Sudibandriyo, 2003). Menurut Yang dkk, (2003) luas permukaan karbon aktif yang
dikarakterisasi dengan metode BET berkisar antara 300 – 4000 m2/gr.
Pada
dasarnya karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon baik
yang berasal dari tumbuh-tumbuhan, binatang maupun barang tambang seperti
berbagai jenis kayu, sekam padi, tulang binatang, batu bara, kulit biji kopi,
tempurung kelapa, tempurung kelapa sawit dan lain-lain (Manocha dan Satish,
2003). Bahan-bahan alami tersebut dipreparasi dengan cara karbonisasi dan
aktivasi sehingga menghasilkan karbon aktif. Karbon aktif digunakan pada
berbagai bidang aplikasi sesuai dengan jenisnya.
Pada abad
XV, diketahui bahwa karbon aktif dapat dihasilkan melalui komposisi kayu dan
dapat digunakan sebagai adsorben warna dan larutan. Aplikasi komersial, baru
dikembangkan pada tahun 1974 yaitu pada industri gula sebagai adsorben gas, dan
menjadi sangat terkenal karena kemampuannya menyerap uap gas beracun yang
digunakan pada perang dunia 1.
Menurut
Suzuki (1990) karbon aktif dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis
sebagai berikut:
1. Karbon aktif granut
1. Karbon aktif granut
Jenis ini
berbentuk butiran atau pelet. Biasanya digunakan untuk proses pada fluida fase
gas yang berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut, pemisahan dan pemurnian
gas. Karbon aktif granul diperoleh dari bahan baku yang memiliki struktur keras
seperti tempurung kelapa, tulang dan batubara. Ukuran partikel dari granul
karbon aktif berbeda-beda tergantung pada aplikasinya. Untuk aplikasi adsorpsi
fase gas ukuran granul yang sering digunakan adalah 4x8 mesh sampai 10x20 mesh
dan untuk bentuk pelet memiliki ukuran partikel 4 mm – 6 mm.
2. Karbon aktif powder
Karbon
aktif powder umumnya diproduksi dari bahan kayu dalam bentuk serbuk gergaji,
ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan
struktur yang lemah. Jenis ini memiliki ukuran rata-rata 15–25 µm. ndustri
besar menggunakan karbon aktif powder untuk penghilangan warna pada proses
pembuatan makanan. Belakangan karbon aktif powder digunakan padawater
treatment untuk air minum dan air limbah. Biasanya karbon aktif
powder digunakan dalam fase cair yang berfungsi untuk memindahkan zat-zat
pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan.
3. Karbon aktif molecular sieves
Aplikasi
utama dari karbon aktif moleculer sieve adalah pemisahan
nitrogen dan oksigen dalam udara. Karbon aktif molecular sieve merupakan
suatu material yang menarik sebagai model karbon aktif sejak memiliki ukuran
mikropori yang seragam dan kecil.
4. Karbon aktif fiber
Karbon
aktif fiber memiliki ukuran yang lebih kecil dari karbon aktif powder. Sebagian
besar karbon aktif fiber memiliki diameter antara 7–15 µm. Aplikasi
karbon aktif fiber dapat ditemukan dalam bidang perlakuan udara seperti
penangkapan larutan.
Pada
prinsipnya pembuatan karbon aktif terdiri atas tiga proses sebagai berikut
:
1. Pemilihan Bahan Dasar
1. Pemilihan Bahan Dasar
Persiapan
bahan dasar dalam pembuatan karbon aktif perlu dilakukan agar diperoleh karbon
aktif yang sesuai dengan tujuan. Persiapan bahan dasar dapat berupa pemilihan,
pembentukan, dan pembersihan bahan dasar. Dalam melakukan pemilihan bahan dasar
karbon aktif, beberapa kriteria yang harus dipenuhi diantaranya kemampuan
ketersediaan bahan dasar tersebut untuk skala industri, harganya tidak mahal,
memiliki kandungan karbon yang tinggi serta memiliki unsur inorganik (seperti
abu) yang rendah (Manocha Satish, 2003).
Berdasarkan
bentuk dan ukuran, karbon aktif terdapat dalam beberapa jenis seperti powder
dan granul. Biasanya disesuaikan dengan tujuan penggunaan, apakah untuk
penggunaan pada fase gas atau fase cair. Karbon aktif bentuk powder
umumnya digunakan untuk penyerapan fase cair sedangkan bentuk granul utamanya
digunakan untuk aplikasi pada fase gas. Selain itu kemurnian dari karbon
aktif merupakan parameter yang mempengaruhi kemampuan adsorpsi dari karbon
aktif (Bahl dkk, 1987). Oleh sebab itu bahan dasar perlu dipersiapkan dengan
melalui proses pencucian dengan larutan dan proses pengeringan.
2. Proses Karbonisasi
2. Proses Karbonisasi
Proses
karbonisasi adalah proses perlakuan panas pada kondisi oksigen yang
sangat terbatas (pirolisis) terhadap bahan dasar (bahan organik). Proses
pemanasan tersebut menyebabkan terdekomposisinya bahan dan lepasnya komponen
yang mudah menguap dan karbon mulai membentuk struktur pori-pori. Dengan
demikian bahan dasar tersebut telah mimiliki luas permukaan tetapi
penyerapannya masih relatif kecil karena masih terdapat residu tar dan senyawa
lain yang menutupi pori-pori. Bahan dasar hasil karbonisasi disebut dengan
karbon atau arang.
Menurut
Yang dkk, 2003, proses karbonisasi dilakukan pada temperatur 400-500 oC
sehingga material yang mudah menguap yang terkandung pada bahan dasar akan
hilang. Sedangkan menurut Satish, (2003) proses karbonisasi dilakukan pada
temperatur kurang dari 800 oC. Hsisheng, (1996) dalam penelitiannya
melakukan karbonisasi pada temperatur 800-950 oC. Nugroho
Y, (2000) dalam penelitiannya diperoleh batubara Tanjung Enim akan habis
kandungan senyawa yang mudah menguap (volatile matter) pada kisaran
temperature 850-950 oC.
3. Proses Aktivasi
3. Proses Aktivasi
Proses
aktivasi adalah proses perlakuan panas dengan jumlah oksigen yang sangat
terbatas (pirolisis) terhadap produk karbon. Proses aktivasi ini menyebabkan
terjadinya pelepasan hidrokarbon, tar dan senyawa organik yang masih melekat
pada karbon hasil karbonisasi. Menurut Sontheimer, 1985 pada proses
aktivasi terjadi pembentukan pori-pori yang masih tertutup dan peningkatan
ukuran serta jumlah pori-pori kecil yang telah terbentuk. Dengan demikian
karbon aktif hasil aktivasi memiliki luas permukaan internal yang lebih besar.
Karbon hasil aktivasi disebut juga dengan karbon aktif.
Proses
aktivasi merupakan proses yang terpenting karena sangat menentukan kualitas
karbon aktif yang dihasilkan baik luas area permukan maupun daya adsorpsinya.
Proses aktivasi dapat dilakukan dengan dua cara yaitu aktivasi kimia dan
aktivasi fisika.
1. Aktivasi Kimia
1. Aktivasi Kimia
Aktivasi
kimia biasanya digunakan untuk bahan dasar yang mengandung sellulosa dan
menggabungkan antara tahap karbonisasi dan tahap aktivasi. Zat kimia yang dapat
mendehidrasi sepertiphosforic acid (H3PO4)
atau KOH ditambahkan ke bahan dasar pada temperatur yang telah dinaikkan.
Produk ini kemudian akan mengalami pirolisis termal yang mendegradasi selulosa
lalu didinginkan dan terakhir agen aktivasinya diekstraksi. Biasanya hasil
proses ini adalah karbon aktif bubuk densitas rendah. Aktivasi kimia ini
bertujuan mengurangi pembentukan pengotor dan produk samping dengan cara
merendam bahan mentah dalam senyawa kimia. Menurut Yang dkk, (2003)
proses aktivasi kimia dilakukan pada temperatur 500-900 oC
dan activating agent yang digunakan bervariasi seperti phosphoric
acid, zinc chloride, potassium sulfide, KOH dan NaOH.
2. Aktivasi Fisika
2. Aktivasi Fisika
Aktivasi
fisika disebut juga aktivasi termal. Menurut Satish, (2003) aktivasi fisika
adalah proses untuk mengembangkan struktur pori dan memperbesar luas permukaan
karbon aktif dengan perlakuan panas pada temperature 800-1000 oC
dengan mengalirkan gas pengoksidasi seperti uap atau karbondioksida. Hasil dari
proses aktivasi dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain laju kenaikan
temperatur, laju aliran inert gas, temperatur proses, activating agent,
lama proses aktivasi dan alat yang digunakan pada penelitian tersebut (Marsh
dkk, 2006)
Hsisheng,
(1996) melakukan penelitian pembuatan karbon aktif dari tiga jenis batubara
antracit pada temperatur aktivasi 900 oC dengan variasi waktu
sampai 200 menit dan menggunakan CO2 sebagaiactivating
agent. Diperoleh bahwa semakin lama proses aktivasi dilakukan maka
semakin besar kandungan batubara yang berkurang dan menghasilkan luas permukaan
yang semakin besar.
Bahan
dasar yang telah melalui proses karbonisasi dan aktivasi disebut dengan karbon
aktif. Karbon aktif merupakan jenis adsorben yang paling banyak digunakan sebab
adsorben jenis ini dinilai memiliki luas permukaan yang besar dan daya adsorpsi
yang paling baik diantara jenis adsorben lainnya (Cabe. dkk, 1999).