Karbon Aktif (Activated Carbon)

1. Introduction

Karbon aktif juga disebut arang aktif adalah bentuk karbon yang telah diolah dengan oksigen untuk menciptakan jutaan pori-pori kecil antara atom karbon. Hal ini dapat meningkatkan luas permukaan bahan sehingga membuat bahan cocok untuk proses adsorpsi, suatu proses dimana kotoran dalam zat seperti cairan, uap atau gas akan dihilangkan. Molekul tidak murni terikat dalam struktur pori internal karbon oleh daya tarik elektrostatik atau chemisorpsi. Proses adsorpsi karbon membantu mengurangi masalah yang berbahaya, mengaktifkan reaksi kimia, dan bertindak sebagai pembawa biomassa dan bahan kimia[3].

Karbon aktif biasanya terbuat dari arang, tetapi dapat diproduksi dari kayu, gambut atau bahkan batok kelapa. Ada lebih dari 150 nilai karbon aktif, masing-masing dengan kegunaan dan aplikasi mereka sendiri. Secara komersial, ada tiga kelompok produk utama:

·         Karbon aktif bubuk (powdered activated carbon) ; ukuran partikel 1-150 μm.

·         Karbon aktif granular (granular activated carbon), ukuran partikel 0,5-4 mm.

·         Karbon aktif tekan (extruded activated carbon), ukuran partikel 0,8-4 mm[3].

Berikut merupakan salah satu contoh gambar untuk karbon aktif bubuk (powdered activated carbon) yaitu Gambar 1, Gambar 2 untuk Karbon aktif granular (granular activated carbon), dan Gambar 3 yaitu Karbon aktif tekan (extruded activated carbon).

Gambar 1. Karbon aktif bubuk (powdered activated carbon)^[5] 

Gambar 2. Karbon aktif granular (granular activated carbon)^[6]

Gambar 3. Karbon aktif tekan (extruded activated carbon)[7]

Distribusi ukuran pori sangat penting untuk aplikasi praktek. Idealnya, bahan karbon yang digunakan harus memiliki struktur pori yang lebih besar daripada ukuran dari bahan yang akan diserap. Yang terbaik tergantung pada senyawa yang menarik, matriks gas, cair) dan kondisi perlakuan[3].

Menurut IUPAC, ada tiga kelompok pori-pori yang berbeda:

Makropori (macropores) dengan diameter > 50 nm.
Mesopori (mesopores) dengan diameter 2-50 nm diameter.
Mikropori (micropores) dengan diameter < 2 nm diameter[3].

Dari ketiga kelompok tersebut, yang berperan dalam proses penyerapan adalah mikropori karena volume total lubang mikropori jauh lebih besar daripada volume total makropori dan mesopori. Makropori dan mesopori umumnya dapat dianggap sebagai "highway" ke dalam partikel karbon, dan sangat penting untuk kinetika. Macropores dapat divisualisasikan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy)[3].

2. Properties dan Aplikasi

2.1 Properties

Kualitas dan penggunaan karbon aktif dievaluasi pada sejumlah kriteria tergantung pada tujuan penggunaannya. Berikut adalah beberapa dari sifat-sifat yang paling umum penting bagi manufakturer[4].

Density :

Semakin tinggi densitas sampel karbon aktif, semakin besar volume aktivitas atau kemungkinan adsorpsi.

Particle Size Distribution :

Semakin besar ukuran partikel karbon aktif, semakin besar akses ke daerah permukaan, dan semakin cepat laju adsorpsi oleh bahan[4].

Mesh Size : 

Ukuran fisik atau mesh karbon secara signifikan dapat mempengaruhi resistansinya untuk mengalir dalam sebuah sistem. Semakin kecil mesh, semakin besar resistansi terhadap aliran , dan semakin besar adsorpsi[4].

Gambar 4. Ukuran pori menentukan proses adsorpsi[12]

Molasses Number : 

Nomor molase adalah ukuran isi mesopori dari karbon aktif, dan tingkat dekolorisasi. Sebuah angka  molase yang tinggi mengindikasikan adsorpsi tinggi molekul besar[4].

Ash Level :

Tingkat abu adalah ukuran kemurnian sampel karbon aktif. Hal ini penting ketika karbon digunakan sebagai katalis dalam proses industri[4].

2.2 Aplikasi

Karbon aktif digunakan oleh sejumlah industri untuk properti pemurniannya.

Water Treatment : 

Aplikasi terbesar karbon aktif adalah dalam pemurnian air dan pengolahan air minum. Hal ini digunakan dalam berbagai industri pengolahan air, dari pengolahan air pasokan perkotaan, pengolahan air limbah, kolam renang, akuarium, dan bahkan sistem filtrasi rumah[4].

Gambar 5. Proses filtrasi karbon aktif untuk water treatment[9] 

Air Purification: 

Karbon aktif digunakan untuk mengontrol bau yang berpotensi membahayakan, merusak lingkungan atau tidak menyenangkan di sejumlah lingkungan, termasuk rumah, fasilitas manufaktur dan di kamar operasi[4].

Gambar 6. Aplikasi karbon aktif untuk air control[10]

Food & Beverage: 

Industri Makanan & Minuman menggunakan aktivasi sebagai bagian dari berbagai proses, seperti dekolorisasi gula, memurnikan senyawa organik, penghapusa klorin, dekafeinasi dan banyak praktek-praktek lainnya[4].

Industrial:

Karbon aktif digunakan sebagai katalis untuk banyak aplikasi industri, pengolahan gas, penyimpanan dan pengiriman gas, pemulihan emas, pemurnian farmasi dan banyak praktek-praktek lainnya[4].

Medical : 

Karbon aktif dapat ditemukan di hampir setiap rumah sakit, klinik atau kantor dokter di dunia. Hal ini digunakan untuk sebagai pengobatan racun, kontrol bau, filtrasi, masker pernapasan dan beberapa aplikasi luka[4].

   

(a)                                     (b)

Gambar 7. Aplikasi karbon aktif dalam dunia medis (a)pembalut luka^[13] (b) masker^[14]

3. Proses Pembuatan Karbon Aktif

Proses pembuatan karbon aktif terdiri dari 3 tahap, yaitu :

3.1 Tahap dehidrasi

Tahap ini dilakukan dengan memanaskan bahan baku sampai suhu 105^oC dengan tujuan untuk menghilangkan kadar air[1].

3.2 Tahap karbonisasi

Tahap karbonisasi merupakan proses pirolisis yaitu proses dekomposisi thermal pada suhu 600 – 1100^oC. Selama proses ini, unsur-unsur selain karbon seperti hidrogen dan oksigen dibebaskan dalam bentuk gas. Proses karbonisasi akan menghasilkan 3 komponen utama, yaitu karbon (arang), tar, dan gas (CO₂, CO, CH₄, H₂, dan lain-lain)[1].

3.3 Tahap aktivasi

Aktivasi adalah suatu perubahan fisika dimana luas permukaan karbon menjadi lebih besar karena hidrokarbon yang menyumbat pori-pori terbebaskan. Ada 2 cara untuk melakukan proses aktivasi karbon :

• Aktivasi secara fisika

Proses aktivasi dilakukan dengan mengalirkan uap atau udara pada suhu 800 – 1000^oC.

• Aktivasi secara kimia

Metode ini dilakukan dengan merendam bahan baku pada bahan kimia seperti H₃PO₄, ZnCl₂, HCl, H₂SO₄, CaCl₂, K₂S, NaCl, dan lain-lain (Juliandini dan Trihadiningrum, 2008)[1].

Karbon aktif mengandung unsur selain karbon yang terikat secara kimiawi, yaitu hidrogen dan oksigen. Kedua unsur tersebut berasal dari bahan baku yang tertinggal akibat tidak sempurnanya karbonisasi atau dapat juga terjadi ikatan pada proses aktivasi. Adanya hidrogen dan oksigen mempunyai pengaruh yang besar pada sifst-sifat karbon aktif. Unsur-unsur ini berkombinasi dengan unsur-unsur atom karbon membentuk gugus fungsional misalnya: gugus karboksilat, gugus hidroksifenol, gugus kuinon tipe karbonil, gugus normalakton, lakton tipe flueresence, asam karboksilat anhidrida dan peroksida siklis (Jankowski, et al; 1991)[1].

Bila karbon aktif sudah jenuh dengan uap bahan kimia atau warna yang diserap, maka uap itu lalu didorong keluar dengan uap pemanas, dikondensasi dan dikumpulkan lagi, atau warna yang diserap itu dapat dimusnahkan dan karbonnya dapat digunakan kembali. Contoh proses ini yang paling tua, dengan menggunakan karbon dekolorisasi yang disebut arang tulang (bone char), atau jelaga tulang (bone black). Bahan ini terdiri dari 10 % karbon yang diendapkan diatas rangka trikalsium fosfat dan dibuat dari tulang yang sudah bebas lemak yang dikarbonisasi di dalam retor pada suhu 750 sampai 950^oC[1].

Suatu proses baru untuk regenerasi karbonaktif adalah suspensi atomisasi (atomized suspension) yang menyangkut pembuatan bubur dari serbuk karbon bekas pakai dengan air dan mengatomisasikan bubur itu di dalam ruang bebas oksigen dan memanaskannya sampai suhu diatas 650^oC agar pengotor - pengotor yang terserap terpirolisis(Austin, 1996)[1].

4. Proses Adsorpsi

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut (soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapannya. Adsorpsi dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu :

• Adsorpsi fisik (physisorption),

yaitu berhubungan dengan gaya van der Waals dan merupakan suatu proses bolak-balik apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dan adsorben lebih besar daya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya maka zat yang terlarut akan diadsorpsi pada permukaan adsorben.

Gambar 8. Mekanisme adsorpsi fisik^[11]

• Adsorption kimia (chemisorption)

yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dan zat terlarut yang teradsorpsi (Mufrodi dkk, 2008)[2]. 

Adapun mekanisme adsorpsi adalah sebagai berikut : molekul adsorbat berpindah menuju lapisan terluar dari adsorben,

• adsorben dalam kesatuan kelompok mempunyai luas permukaan pori yang besar sehingga dapat melakukan adsorpsi terhadap adsorbat
• sebagian adsorbat ada yang teradsorpsi di permukaan luar, tetapi sebagian besar teradsorpsi di dalam pori-pori adsorben dengan cara difusi,
• bila kapasitas adsorpsi masih sangat besar, sebagian besar molekul adsorbat akan teradsorpsi dan terikat di permukaan. Tetapi bila permukaan pori adsorben sudah jenuh dengan adsorbat maka akan terjadi dua kemungkinan, yaitu terbentuk lapisan adsorpsi kedua, ketiga dan  seterusnya dan tidak terbentuk lapisan adsorpsi kedua, ketiga dan seterusnya sehingga adsorbat yang belum teradsorpsi akan terus berdifusi keluar pori[2].

Gambar 9. Mekanisme adsorpsi^[8]

5. Referensi :

[1] Danarto, YC, Samun, T. 2008. Pengaruh Aktivasi Karbon dari Sekam Padi pada Proses Adsorpsi Logam Cr(VI).  EKUILIBRIUM Vol. 7 No. 1. Januari 2008 : 13 – 16. Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, UNS Surakarta.

[2] Lasryza, Ayu. 2012. Pemanfaatan Fly Ash Batubara sebagai Adsorben Emisi Gas Buang CO Kendaraan Bermotor. Tugas Akhir Jurusan Teknik Fisika ITS Surabaya.

[3] http://www.norit.com/carbon-academy/introduction/ diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 10.39 WIB.

[4] http://www.norit.com/carbon-academy/properties-and-applications/ diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 11.39 WIB.

[5] http://www.norit.com/products-and-services/products/darcosup-sup-fgd/ diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 13.22 WIB.

[6] http://www.norit.com/products-and-services/products/elorit/ diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 13.22 WIB.

[7] http://www.norit.com/products-and-services/products/norit-r-0.8-extra/ diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 13.28 WIB.

[8] http://www.freedrinkingwater.com/water-education/quality-water-filtration-method-carbon.htm diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 17.51 WIB.

[9] https://www.mhi-ms.co.jp/en/products/water/watertreatment/contents/

activated_carbon_filter.html diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 17.57 WIB.

[10] http://www.airclean.co.uk/1620_Activated_Carbon_Discarbs.htm diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 18.07 WIB.

[11] http://ej.iop.org/images/0957-4484/24/8/085501/Full/nano455994f11_online.jpg diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 18.18 WIB.

[12] http://www.mdpi.com/1422-0067/13/7/8388 diakses pada tanggal 14 Oktober 2014 pukul 18.35 WIB.

[13] http://www.activatedcharcoaldressing.com/ diakses pada tanggal 15 Oktober 2014 pukul 09.34 WIB.

[14] http://mingerkang.en.made-in-china.com/product/LMsmvUIdrChR/China-4Ply-Activated-Carbon-Mask.html diakses pada tanggal 15 Oktober 2014 pukul 09.34 WIB.