Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 16, No. 2, Oktober 2015
PENGARUH KONSENTRASI LARUTAN NaOH PADA KARBON AKTIF TEMPURUNG KELAPA UNTUK ADSORPSI LOGAM Cu2+ Futri Wulandari1*), Umiatin1, Esmar Budi1 1
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Jakarta Jl. Pemuda No. 10, Rawamangun, Jakarta 13220 *) Email:
[email protected] Abstrak
Penelitian mengenai pembentukan karbon aktif berbahan dasar arang tempurung kelapa sebagai adsorben telah dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah mengetahui pengaruh konsentrasi larutan NaOH dalam aktivasi kimia fisika untuk adsorpsi logam Cu2+. Arang tempurung kelapa hasil pirolisis digerus hingga mencapai ukuran granul milimeter kemudian dibersihkan dalam larutan alkohol 96% dan dipanaskan diatas hot plate selama 60 menit pada suhu ruang. Proses aktivasi kimia arang tempurung kelapa dilakukan dengan merendam arang tempurung kelapa dalam larutan NaOH pada variasi konsentrasi 1%, 2%, 4%, 7% selama 24 jam. Proses aktivasi fisika dilakukan dengan memanaskan arang hasil aktivasi kimia pada suhu 4000C selama 1 jam didalam tungku horizontal dan dialirkan gas Argon. Pada penelitian ini hasil uji AAS menunjukkan bahwa karbon aktif arang tempurung kelapa dapat diaplikasikan untuk mengadsorpsi logam Cu2+. Semakin tinggi konsentrasi larutan NaOH maka persentase logam Cu2+ teradsorpsi akan semakin menurun. Persentase logam Cu2+ teradsorpsi maksimum dihasilkan oleh karbon aktif dengan larutan NaOH 1% sebesar 80.87%.
Abstract The research on the formation of the activated carbon made from coconut shell charcoal as an adsorbent has been done. The purpose of this study was to determine the effect of the concentration of NaOH solution in the activation of chemistry physical for metal adsorption of Cu2+. Coconut shell charcoal pyrolysis results were crushed to size granules in millimeter then cleaned in a solution of 96% alcohol and heated on a hot plate for 60 minutes at room temperature. Chemical activation process of coconut shell charcoal is done by soaking the coconut shell charcoal in various concentration of NaOH solution at 1%, 2%, 4%, 7% for 24 hours. Physical activation process was done by heating the samples using horizontal furnace at temperature 4000C for 1 hours and Argon gas was flowed. In this study, the AAS test results indicate that activated carbon coconut shell charcoal can be applied to adsorb metals Cu2+. The higher the concentration of NaOH solution then the percentage of Cu2+ adsorbed metal will be decrease. The percentage of the maximum adsorbed Cu2+ metal was produced by activated carbon with NaOH 1% solution at 80.87%. Keywords: activated carbon, coconut shell charcoal, chemical – physics activation, NaOH, Cu2+ .
1. Pendahuluan Air merupakan kebutuhan pokok makhluk hidup untuk dapat menjalankan segala aktivitasnya. Namun agar tetap sehat, air minum harus memenuhi persyaratan fisik, kimia, maupun mikrobiologi. Air bersih untuk air minum semakin langka di perkotaan. Sungai-sungai yang menjadi sumbernya sudah tercemar berbagai macam limbah, mulai dari buangan sampah organik, rumah tangga hingga limbah beracun dari industri. Pencemaran air dapat berupa garam dari logam berat dan logam berat yang membentuk senyawa toksik. Logam berat yang sering terdapat dalam pencemaran air adalah Hg, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Fe dan Zn dalam bentuk senyawa toksik[3].
Logam Cu merupakan salah satu logam berat yang bersifat toksik terhadap organisme air dan manusia pada batas konsentrasi tertentu. Batas maksimal logam Cu yang diizinkan di dalam air lingkungan berdasarkan Keputusan Kementerian Lingkungan Hidup Kep.02/Men.KLH/1998 adalah 1.0 mg/l[5]. Proses adsorpsi logam berat dalam air secara alami dapat dilakukan menggunakan arang tempurung kelapa, arang sekam padi, maupun enceng gondok. Salah satunya dengan menggunakan karbon aktif berbahan dasar arang tempurung kelapa[4]. Karbon aktif dapat dibuat melalui dua tahap, yaitu tahap karbonisasi dan aktivasi. Karbonisasi merupakan proses pengarangan dalam ruangan tanpa adanya oksigen dan bahan kimia lainnya, sedangkan aktivasi adalah suatu perlakuan terhadap
60
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 16, No. 2, Oktober 2015
arang yang bertujuan untuk membuka atau memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekulmolekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi. Aktivasi dibagi menjadi dua yaitu aktivasi fisika dan aktivasi kimia. Aktivasi fisika dapat didefinisikan sebagai proses memperluas pori dari arang aktif dengan bantuan panas, uap dan gas CO2. Sedangkan aktivasi kimia merupakan aktivasi dengan pemakaian bahan kimia yang dinamakan aktivator. Aktivator yang sering digunakan adalah hidroksida logam alkali, klorida, sulfat, fosfat dari logam alkali tanah dan khususnya ZnCl2, asamasam anorganik seperti H2SO4 dan H3PO4[6]. Pada penelitian ini akan dilakukan aktivasi arang tempurung kelapa dengan aktivator basa. Adapun basa yang digunakan dalam penelitian ini adalah Natrium Hidroksida (NaOH). Penggunaan basa ini dimaksudkan untuk mengetahui kemampuan basa dalam memperluas pori dari arang tempurung kelapa yang akan berpengaruh terhadap daya adsorpsi dari arang tersebut. Selain itu, dalam penelitian ini juga dilakukan aktivasi fisika dengan menggunakan gas Argon sebagai gas inert. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui pengaruh konsentrasi aktivator NaOH dalam aktivasi kimia fisika terhadap morfologi karbon aktif serta kualitasnya sebagai adsorben limbah Cu pada limbah cair. Sedangkan manfaat dari penelitian ini adalah memberikan metode alternatif untuk mengurangi logam Cu dalam kandungan limbah cair dengan memanfaatkan karbon aktif yang dibuat dari bahan alam serta tidak dimanfaatkan lagi di lingkungan dan diharapkan penelitian ini dapat dijadikan bahan pembelajaran berbasis riset sebagai penjernihan air yang dapat digunakan masyarakat.
2. Metode Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Pengolahan Tempurung Kelapa FMIPA UNJ untuk proses karbonisasi dan pirolisis tempurung kelapa, Laboratorium Fisika Material FMIPA UNJ untuk proses persipan bahan dan aktivasi, Laboratorium Jurusan Kimia FMIPA UNJ untuk pengujian AAS, serta Laboratorium Fakultas Teknik UNJ untuk pengujian SEM. 2.1 Alat dan Bahan Penelitian Bahan Utama: 1. Granul arang tempurung kelapa 2. Aquades 3. Alkohol 96% 4. Larutan Natrium Hidroksida (NaOH) 5. Serbuk CuSO4.5H2O
Alat Penelitian: 1. Neraca digital 2. Ultrasonic frequency mixing 3. Kertas timbang 4. Hot plate 5. Plastik klip 6. Mortar dan alu 7. Desikator 8. Gelas kimia dan gelas ukur 9. Pipet tetes dan corong 10. Sarung tangan dan masker 11. Alat uji AAS dan SEM Diagram alir penelitian ditunjukan pada Gambar 1. Studi literatur Persiapan alat dan bahan Pembentukan granul arang tempurung kelapa Membersihkan granul arang dengan ultrasonic frequency mixing Mencuci granul arang dalam alkohol 96%
Aktivasi kimia (larutan NaOH 1%, 2%, 4%, 7%) selama 24 jam
Mencuci sampel dengan aquades dan dipanaskan diatas hot plate selama 3 jam
Aktivasi fisika dengan gas Ar T = 4000C ; v = 200 kg/m3 ; t = 1 jam
Membuat larutan artificial limbah Cu Filter limbah Cu
Uji AAS
Analisis
Kesimpulan Gambar 1. Diagram alir penelitian
61
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 16, No. 2, Oktober 2015
2.2 Prosedur Penelitian 1. Preparasi Sampel Arang tempurung kelapa dijemur hingga kering selama kurang lebih 2-3 hari. Kemudian dilakukan proses pirolisis. Arang tempurung kelapa yang telah terbentuk kemudian dicuci dan dibersihkan dengan aquades kemudian dikeringkan. 2. Aktivasi Aktivasi yang dilakukan dalam penelitian ini adalah aktivasi kimia dan fisika. Melakukan aktivasi kimia, 10 gram arang tempurung kelapa direndam dalam 30 ml larutan NaOH dengan variasi konsentrasi 1%, 2%, 4%, 7% selama 24 jam. Setelah direndam, arang tempurung kelapa disaring dan dicuci menggunakan aquades kemudian dikeringkan diatas hot plate dengan suhu kamar selama 3 jam lalu didinginkan dalam desikator. Aktivasi fisika dilakukan dengan memanaskan arang hasil aktivasi kimia didalam tungku horizontal pada suhu 4000 C selama 1 jam dan dialirkan gas Argon sebagai gas inert dengan laju aliran 200 kg/m3. 3. Pengujian kualitas karbon aktif menurut Standar Nasional Indonesia (SNI 06-3730-1995) Penetapan kadar air Prosedur penetapan kadar air mengacu pada Standar Nasional Indonesia (SNI) 06–3730-1995 tentang syarat mutu dan pengujian arang aktif. Contoh uji arang sebanyak 1 g dikeringkan dalam oven pada suhu sekitar 1000 hingga 1500 C sampai beratnya konstan. Kemudian dimasukkan ke dalam desikator sampai bobotnya tetap dan ditentukan kadar airnya dalam persen (%)[6]. Kadar air arang dihitung dengan rumus sebagai berikut :
(1) Pengujian rendemen (yield) Pengujian dengan cara menimbang massa awal arang dan massa akhir karbon aktif setelah aktivasi[6]. Rendemen (%) = x 100% (2)
4. Filterisasi atau Penyaringan Larutan artificial adalah larutan induk yang mempunyai kadar logam berat untuk digunakan sebagai larutan kerja dengan kadar yang lebih rendah. Limbah Cu dibuat dari serbuk CuSO4.5H2O. Karbon aktif yang telah diaktivasi sebanyak 3 gram direndam dalam 15 ml limbah Cu selama 4 jam. Kemudian dilakukan uji adsorpsi menggunakan cara kontinyu dengan mengalirkan limbah searah gravitasi ke bawah. Kemudian melakukan uji Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) untuk mengetahui tingkat kemampuan karbon aktif mengadsorpsi logam Cu yang terkandung dalam larutan artificial limbah Cu.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g) (h) Gambar 2. (a) pembentukkan granul arang tempurung kelapa; (b) pencucian granul arang tempurung kelapa; (c) aktivasi kimia dengan merendam granul arang tempurung kelapa dalam larutan NaOH; (d) proses aktivasi fisika dengan tungku horizontal; (e) proses filterisasi; (f) granul arang hasil filterisasi; (g) limbah Cu hasil filter; (h) pengujian AAS
3. Hasil dan Pembahasan Pembuatan Karbon Aktif Aktivasi kimia dilakukan dengan merendam 10 gram granul arang tempurung kelapa dalam larutan NaOH dengan variasi konsentrasi 1%, 2%, 4%, dan 7% selama 24 jam. Dari Gambar 2 (g). terlihat bahwa larutan hasil filterisasi berwarna cokelat kehitaman. Hal ini dikarenakan larutan NaOH bersifat basa kuat yang korosif sehingga menghasilkan banyak abu yang terlepas dari arang. Aktivasi fisika dilakukan dengan mengalirkan gas Argon pada tungku horizontal dengan suhu 4000C dan laju aliran 200 kg/m3 selama 1 jam. Perlakuan panas pada karbon dalam suasana inert atau vakum dapat menghilangkan kelompok oksida permukaan tersebut sehingga pori yang terbentuk
62
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 16, No. 2, Oktober 2015
Gambar 3. karbon aktif hasil aktivasi kimia fisika Hasil Pengujian Kualitas Karbon Aktif Karbon aktif merupakan bahan yang memiliki suatu sifat fisika dan kimia tersendiri. Sifat fisika dan kimia arang aktif dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Persyaratan Karbon Aktif Menurut Standar Nasional Indonesia (SNI 06-3730-1995) Jenis Persyaratan Bagian yang hilang pada Max 15% pemanasan 9500C Kadar Air Max 10% Kadar Abu Max 2.5% Bagian yang tidak Tidak nyata diperarang Daya serap terhadap larutan Min 20% Karakterisasi bertujuan untuk mengetahui sifatsifat dasar arang hasil aktivasi. Salah satu karakterisasi tersebut yaitu analisa kadar air. Gambar 4. berikut merupakan hasil penelitian yang menunjukkan karakterisasi arang tempurung kelapa yang telah diaktivasi. Persentase Kadar Air Karbon Aktif
Kadar Air (%)
10 8
1%, 7.916 2%, 6.663
6
7%, 6.521 4%, 4.752
4 2 0 0%
2%
4%
6%
8%
Persentase NaOH Gambar 4. Hasil pengujian kadar air karbon aktif dengan aktivator NaOH
Penurunan kadar air sangat erat hubungannya dengan sifat higrokopis dari aktivator NaOH. Terikatnya molekul air yang ada pada karbon aktif oleh aktivator menyebabkan pori-pori pada karbon aktif semakin besar. Semakin besar pori-pori maka luas permukaan karbon aktif semakin bertambah. Bertambahnya luas permukaan ini mengakibatkan semakin meningkatnya kemampuan adsorpsi dari karbon aktif. Meningkatnya kemampuan adsorpsi dari karbon aktif maka semakin baik kualitas dari karbon aktif tersebut. Dari Gambar 4. dapat dilihat bahwa kadar air yang terkandung masih sesuai persyaratan menurut SNI 06-3730-1995 yaitu kurang dari 10%, meskipin pada NaOH 7% mengalami kenaikan tetapi tidak melebihi dari batas syarat. Hal ini menunjukkan kualitas karbon aktif yang dihasilkan dalam penelitian ini cukup baik. Persentase Rendemen Karbon Aktif
Rendemen (%)
akan semakin banyak. Pada Gambar 3. karbon aktif hasil aktivasi fisika terlihat lebih berwarna hitam dan beberapa granul berwarna kebiruan dari pada karbon aktif yang hanya di aktivasi kimia saja serta serbuk karbon aktif yang didapat semakin halus. Hal ini menunjukkan bahwa pada aktivasi fisika terdapat pemecahan kembali rantai karbon yang masih tersisa.
79.5 79 78.5 78 77.5 77 76.5 76 75.5
1%, 78.93822 7%, 4%, 77.68993 77.39382 2%, 75.85513 0%
2%
4%
6%
8%
Persentase NaOH Gamabr 5. Hasil pengujian rendemen (yield) karbon aktif dengan aktivator NaOH Penetapan rendemen karbon aktif bertujuan untuk mengetahui jumlah karbon aktif yang dihasilkan dari proses karbonisasi dan aktivasi. Pada NaOH 4% terlihat bahwa nilai rendemen meningkat. Hal ini disebabkan konsentrasi bahan kimia yang ditambahkan dalam aktivasi dapat memperlambat laju reaksi pada proses oksidasi sehingga meningkatkan nilai rendemen. Hasil Pengujian Daya Adsorpsi Dari Tabel 2. memperlihatkan bahwa karbon aktif yang diaktivasi menggunakan NaOH cukup efektif untuk mengadsorpsi logam Cu. Tabel 2. Hasil adsorpsi logam Cu oleh karbon aktif aktivasi NaOH Konsentrasi Awal Konsentrasi Fe NaOH Cu (ppm) (ppm) 1% 0.4687 2% 4% 7%
2.4512
0.5212 0.5316 0.5399
63
Spektra: Jurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 16, No. 2, Oktober 2015
Daftar Acuan
Daya Adsorpsi (%)
Persentase Daya Adsorpsi Karbon Aktif 81.5 81 80.5 80 79.5 79 78.5 78 77.5
[1] 1%, 80.87
2%, 78.73 4%, 78.31
0%
2%
4%
6%
[2] 7%, 77.97 8%
Persentase NaOH
[3]
Gambar 6. Hasil pengujian daya adsorpsi karbon aktif dengan aktivator NaOH Dalam penelitian ini, menunjukkan bahwa semakin tinggi konsentrasi larutan, maka semakin menurun persentase logam Cu teradsorpsi dalam limbah cair, seperti terlihat pada Gambar 6. Persentase logam Cu teradsorpsi maksimum dihasilkan oleh karbon aktif dengan larutan aktivator NaOH 1% sebesar 80.87%.
Kesimpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan sebelumnya, maka dapat disimpulkan : 1. Karbon aktif dapat digunakan dalam proses adsorpsi logam berat Cu. Semakin baik karbon aktif yang digunakan maka akan semakin baik juga hasil filter logam berat tersebut, dan semakin banyak jumlah pori yang terbentuk maka karbon aktif yang dihasilkan akan semakin baik. 2. Penurunan kadar air sangat erat hubungannya dengan sifat higrokopis dari aktivator NaOH. Terikatnya molekul air yang ada pada karbon aktif oleh aktivator menyebabkan pori-pori pada karbon semakin besar. 3. Karbon aktif yang mempunyai persentase logam Cu teradsorpsi maksimum dihasilkan oleh karbon aktif dengan larutan aktivator NaOH 1% sebesar 80.87%.
[4]
[5]
[6]
Chodijah, S., Pemanfaatan Arang Batok Kelapa dan Batubara sebagai Karbon Aktif untuk Material Penyimpan Hidrogen, in Fakultas Teknik Program Studi Metalurgi dan Material Kekhususan Korosi dan Perlindungan Logam. 2011, Universitas Indonesia: Depok. p. 76 Esmar Budi, 2011. Tinjauan Proses Pembentukan dan Penggunaan Arang Tempurung Kelapa Sebagai Bahan Bakar, Jurusan Fisika, FMIPA, Jurnal Penelitian Sains Universitas Negeri Jakarta, Indonesia Pari, G. dan Sailah, I. 2001. Pembuatan Arang Aktif Dari Sabut Kelapa Sawit Dengan Bahan Pengaktif NH4HCO3 dan (NH4)2CO3 Dosis Rendah. Bogor Perdana, N.R.W, 2007, Adsorpsi Cr (VI) dengan menggunakan Abu Sekam Padi sebagai Adsorbent, Skripsi, Institut Teknologi Surabaya, Surabaya Rochayatun, E., Edward & Rozak, A. 2003 . Kandungan Logam Berat Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn & Fe Dalam Air Laut Dan Sedimen Di Perairan Kalimantan Timur . Jurnal Oseanologi dan Limnologi, 35 (1): 51-71 Subadra, I., Bambang S., dan Iqmal T., 2005, Pembuatan Karbon Aktif dari Tempurung Kelapa dengan Aktivator (NH4)HCO3 sebagai Adsorben untuk Pemurnian Virgin Coconut Oil, Skripsi jurusan Kimia FMIPA UGM, Yogyakarta
Ucapan Terimakasih Disampaikan kepada Dr. Esmar Budi, M.T dan Umiatin, M.Si sebagai pembimbing dalam penelitian ini, serta Laboratorium Fisika Material, Laboratorium Jurusan Kimia dan Laboratorium Fakultas Teknik, Jurusan Fisika dan Universitas Negeri Jakarta atas fasilitas penelitian yang telah diberikan.
64
