Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif Dari Cangkang Kemiri Yang Diimpregnasi KOH: Pengaruh Konsentrasi KOH Dan Waktu Impregnasi [PDF]

Citation preview

Universitas Sumatera Utara Repositori Institusi USU



http://repositori.usu.ac.id



Departemen Teknik Kimia



Skripsi Sarjana



2017



Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH : Pengaruh Konsentrasi KOH dan Waktu Impregnasi Kaban, Gapenda Sari http://repositori.usu.ac.id/handle/123456789/3074 Downloaded from Repositori Institusi USU, Univsersitas Sumatera Utara



PEMBUATAN KATALIS BERBASIS KARBON AKTIF DARI CANGKANG KEMIRI YANG DIIMPREGNASI KOH : PENGARUH KONSENTRASI KOH DAN WAKTU IMPREGNASI



SKRIPSI



Oleh



GAPENDA SARI KABAN 130405066



DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JANUARI 2018



Universitas Sumatera Utara



PEMBUATAN KATALIS BERBASIS KARBON AKTIF DARI CANGKANG KEMIRI YANG DIIMPREGNASI KOH : PENGARUH KONSENTRASI KOH DAN WAKTU IMPREGNASI



SKRIPSI



Oleh



GAPENDA SARI KABAN 130405066



SKRIPSI INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK



DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA JANUARI 2018



Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan kasih setia-Nya sehingga skripsi ini dapat diselesaikan. Tulisan ini merupakan skripsi dengan judul “Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH : Pengaruh Konsentrasi KOH dan Waktu Impregnasi”, berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan di Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar sarjana teknik. Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan gambaran kepada dunia industri tentang pemanfaatan cangkang kemiri sebagai karbon aktif yang dapat dimodifikasi dengan larutan basa sehingga dapat diaplikasikan sebagai katalis serta memberikan informasi mengenai pengaruh konsentrasi KOH dan waktu impregnasi dalam proses pembuatan katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH. Selama melakukan penelitian sampai penulisan skripsi ini, penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak, untuk itu penulis mengucapkan terimakasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada: 1.



Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si, IPM selaku Dosen Pembimbing yang telah membimbing dan membantu penulis selama penyelesaian skripsi ini.



2.



Bapak Dr. Eng. Rondang Tambun, S.T, M.T dan Ibu Dr. Ir. Renita Manurung, MT selaku Dosen Penguji yang telah memberikan saran dan masukan dalam penullisan skripsi ini.



3.



Bapak Ir. Bambang Trisakti, MT selaku Koordinator Skripsi Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.



4.



Ibu Maya Sarah, S.T, M.T, Ph.D, IPM selaku Ketua Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.



5.



Ibu Erni, Misran, S.T, M.T, Ph.D selaku Sekretaris Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.



6.



Seluruh Dosen/Staf Pengajar Departemen Teknik Kimia, yang telah memberikan banyak ilmu yang berharga kepada penulis selama menjalankan perkuliahan. iv Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



7.



Pegawai Administrasi Departemen Teknik Kimia, yang telah memberikan banyak bantuan selama menjalankan perkuliahan.



8.



Orang tua, kakak dan adik kandung penulis, yang telah banyak memberikan doa, semangat, dukungan dana dan pelajaran hidup yang berharga bagi penulis.



9.



Novi Aryani selaku rekan penelitian yang telah berjuang bersama dalam menyelesaikan skripsi ini.



10.



Prof. Dr. Ir. Rosdanelli Hasibuan, M.T selaku Kepala Laboratorium Proses Industri Kimia, dan rekan-rekan asisten Laboratorium Proses Industri Kimia, Reynardi, Vivian, Tanti, Andre, Aulia Arief dan Angkie.



11.



Adik junior dan abang/kakak senior serta teman-teman stambuk 2013 khususnya Rivaldi Sidabutar dan Maria Paula yang telah memberikan dukungan, semangat dan doa kepada penulis.



12.



Adik-adik terkasih, Theresia, Astrid, Olivia, Frans Sitohang, Albert Jonathan, Christopel, David, Era dan Fransisca yang selalu memberi semangat, dukungan dan doa kepada penulis.



13.



Sahabat-sahabat terbaik, Erisa Surbakti, Wenda Naibaho, Joshua Silaen, Indah Agung Aprilia, Eunike Novera, Christine Siahaan, Ovit Samuel Purba, Dwi Putri Simamora, Esa Pasaribu dan Herlina Hutabarat yang selalu mendoakan, menyemangati dan menginspirasi penulis serta memberikan banyak kenangan yang tak terlupakan. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena



itu penulis mengharapkan saran dan masukan demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini memberikan manfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan.



Medan,



Januari 2018



Penulis Gapenda Sari Kaban



v Universitas Universitas Sumatera Utara Sumatera Utara



RIWAYAT HIDUP PENULIS Nama : Gapenda Sari Kaban NIM : 130405066 Tempat, tanggal lahir : Kabanjahe / 10 Juli 1995 Nama Orang Tua : Alm. Jaurung Kaban & Marni br Bangun Alamat Orang Tua: Jalan Jamin Ginting Gang Pemda No.3, Kabanjahe, Kab. Karo.



Asal Sekolah:  TK Swasta Xint Xaverius Kabanjahe tahun 1999–2001  SD Swasta Sint Yoseph Kabanjahe tahun 2001–2007  SMP Negeri 1 Kabanjahe tahun 2007–2010  SMA Negeri 1 Kabanjahe tahun 2010–2013  Departemen Teknik Kimia Universitas Sumatera Utara 2013-2018 Beasiswa yang pernah diperoleh: 1. Tanoto Foundation tahun 2014-2017 Pengalaman Organisasi/Kerja: 1. Kerja Praktek di PT. SOCFIN INDONESIA pada 11 Juli 2016 – 14 Agustus 2016 2. Asisten Laboratorium Proses Industri Kimia periode 2016/2017 modul Pembuatan Biodiesel, Reaktor Fasa Cair, Esterifikasi, Pembuatan Pulp dan Pembuatan Komposit. 3. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2014/2015 sebagai Anggota Departemen Penelitian dan Pengembangan 4. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2015/2016 sebagai Wakil Bendahara Umum 5. Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia (HIMATEK) FT USU periode 2016/2017 sebagai Kepala Departemen Sosial dan Kerohanian 6. Pemerintahan Mahasiswa Fakultas Teknik USU periode 2015/2016 sebagai anggota bidang Pengabdian Masyarakat 7. Badan Koordinasi Kegiatan Mahasiswa Teknik Kimia (BKKMTKI) Daerah 1 sebagai Staff Departemen Pengabdian Masyarakat 8. Unit Kegiatan Mahasiswa Kebaktian Mahasiswa Kristen (UKM KMK USU) tahun 2013-sekarang



vii Universitas Universitas Sumatera Utara Sumatera Utara



DEDIKASI



Penulis mendedikasikan skripsi ini kepada:



Tuhan Yesus Kristus & Alm. Jaurung Kaban dan Ibu Marni br Bangun (Orang tua terkasih)



Nyanyikanlah nyanyian baru bagi Tuhan, sebab Ia telah melakukan perbuatan-perbuatan yang ajaib, keselamatan telah dikerjakan kepada-Nya oleh tangan kanan-Nya, oleh lengan-Nya yang kudus. (Mazmur 98:1)



vi Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



ABSTRAK Tujuan dari penelitian ini untuk menghasilkan katalis heterogen berbasis karbon aktif sebagai penyangga yang diimpregnasi dengan KOH dan mengetahui pengaruh konsentrasi KOH dan waktu impregnasi. Bahan-bahan yang digunakan antara lain cangkang kemiri, asam klorida (HCl), kalium hidroksida (KOH) dan aquades (H2O). Variabel-variabel yang diamati ialah konsentrasi KOH yang diimpregnasi dan waktu impregnasi. Penelitian diawali dengan pembuatan karbon aktif dari cangkang kemiri dengan melakukan proses karbonisasi pada muffle furnace pada suhu 500oC selama 4 jam kemudian dicuci dengan HCl 0,1 M. Setelah itu, karbon aktif diimpregnasi dalam larutan KOH dengan konsentrasi 5 gram KOH/ 150 ml aquades, 10 gram KOH/ 150 ml aquades, 20 gram KOH/ 150 ml aquades, 30 gram KOH/ 150 ml aquades, 40 gram KOH/ 150 ml aquades, 50 gram KOH/ 150 ml aquades dan 60 gram KOH/ 150 ml aquades selama 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Setelah impregnasi, katalis dianalisis dengan AAS (Atomic Absorption Spectrofotometer) untuk melihat kandungan kalium yang telah terjerap pada permukaan karbon aktif, FTIR (Fourier Transform Infrared) dan SEM (Scanning Electron Microscopy) untuk melihat karakteristik katalis yang telah dihasilkan. Kondisi terbaik yang menghasilkan katalis dengan kandungan kalium tertinggi setelah impregnasi, yakni sebesar 11,62% diperoleh pada konsentrasi KOH 50 gram/ 150 ml aquades dengan waktu impregnasi selama 24 jam. Kata kunci :



cangkang kemiri, karbonisasi, karbon aktif, impregnasi KOH, katalis heterogen



viii Universitas Universitas Sumatera Utara Sumatera Utara



CATALYST SHYNTHESIS FROM ACTIVATED CARBON OF CANDLE NUT SHELL IMPREGNATED POTASSIUM HYDROXIDE : EFFECT OF POTASSIUM HYDROXIDE CONCENTRATION AND IMPREGNATION TIME



ABSTRACT The purpose of this study is to produce heterogenous catalyst using activated carbon as a support catalyst and impregnated with potassium hydroxide also to know the effect of potassium hydroxide concentration and impregnation time. The materials used are candle nut shell, hydrochloric acid (HCl), potassium hydroxide (KOH) and aquadest (H2O). The observed variables are concentration of potassium hydroxide and impregnation time. This study begins with produce activated carbon from candle nut shell through carbonization process in the muffle furnace (500oC, 4 hours) and then washed with hydrochloric acid 0,1 M. After that, activated carbon is impregnated in KOH solution with concentration of 5 gram/ 150 ml aquadest 10 gram KOH/ 150 ml aquadest, 20 gram KOH/ 150 ml aquadest, 30 gram KOH/ 150 ml aquadest, 40 gram KOH/ 150 ml aquadest, 50 gram KOH/ 150 ml aquadest and 60 gram KOH/ 150 ml aquadest during 12 hours, 18 hours and 24 hours. After impregnation process, the catalyst is analyzed by Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS) to determine potassium content at activated carbon, Fourier Transform Infrared (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) to observe the characteristic of the catalyst. The result shows that the highest potassium content at activated carbon after impregnation is 11,62 % with 50 gram/ 150 ml aquadest of potassium hydroxide concentration and 24 hours of impregnation time. Keywords : candle nut shell, carbonization, activated carbon, KOH impregnation, heterogenous catalyst.



ix Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



DAFTAR ISI Halaman PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI



i



PENGESAHAN



ii



LEMBAR PERSETUJUAN



iii



PRAKATA



iv



DEDIKASI



vi



RIWAYAT HIDUP



vii



ABSTRAK



viii



ABSTRACT



ix



DAFTAR ISI



x



DAFTAR GAMBAR



xiii



DAFTAR TABEL



xiv



DAFTAR LAMPIRAN



xv



BAB I PENDAHULUAN



1



1.1 LATAR BELAKANG



1



1.2 PERUMUSAN MASALAH



5



1.3 TUJUAN PENELITIAN



5



1.4 MANFAAT PENELITIAN



6



1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN



6



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



8



2.1 CANGKANG KEMIRI



8



2.2 KARBON AKTIF



9



2.3 IMPREGNASI PADA KARBON AKTIF



10



2.6 FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PROSES



12



IMPREGNASI PADA KARBON AKTIF BAB III METODOLOGI PENELITIAN



14



3.1 LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN



14



3.2 BAHAN DAN PERALATAN



14



3.2.1 Bahan Penelitian



14



3.2.2 Peralatan Penelitian



14



3.3 RANCANGAN PERCOBAAN



15



x Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



3.3.1 Rancangan Percobaan Pembuatan Katalis Berbasis



15



Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH



15



3.3.1.1 Pembuatan Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri



15



3.3.1.2 Impregnasi Karbon Aktif dalam KOH 3.4 PROSEDUR PENELITIAN



16



3.4.1 Prosedur Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Akttif dari



16



Cangkang Kemiri yang diimpregnasi KOH 3.4.2 Prosedur Analisis



17



3.4.2.1 Analisis Kandungan Kalium pada Katalis



17



Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH 3.4.2.2 Analisis Gugus Fungsi pada Katalis Katalis



17



Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH 3.4.2.3 Analisis Permukaan pada Katalis Berbasis



17



Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH 3.5 FLOWCHART PENELITIAN



17



3.5.1 Flowchart Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif



17



dari Cangkang Kemiri yang diimpregnasi KOH 19



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1



Analisis Unsur Cangkang Kemiri



4.2



Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif yang



19 21



Diimpregnasi KOH 4.2.1 Pengaruh Konsentrasi KOH Terhadap Kandungan



22



Kalium pada Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH 4.2.2 Pengaruh Waktu Impregnasi Terhadap Kandungan



25



Kalium pada Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH



xi Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



4.3



Karakteristik Terhadap Kandungan Kalium pada Katalis



27



Berbasis Karbon Aktif yang Diimpregnasi KOH 4.3.1 Analisis FTIR Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri 4.2.2 Analisis SEM BAB V KESIMPULAN DAN SARAN



28 30 33 34



DAFTAR PUSTAKA



xii Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1



Buah Kemiri (Aleurites moluccana)



8



Gambar 2.2



Struktur Karbon Tersulfonasi



10



Gambar 2.3



Skema Proses Impregnasi



11



Gambar 3.3



Diagram alir Pembuatan Katalis Berbasis Karbon



18



Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Gambar 4.1



Hasil Analisis SEM Bahan Baku sebelum dan sesudah



20



karbonisasi Gambar 4.2



Pengaruh Konsentrasi KOH terhadap Penjerapan Logam



23



Kalium pada Karbon Aktif Gambar 4.3



Hasil Analisis FTIR



29



Gambar 4.4



Hasil Analisis SEM katalis



31



xiii Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1.1



Penelitian yang Telah Dilakukan Tentang Penggunaan



3



Katalis berbasis Karbon Aktif yang DImodifikasi Tabel 2.1



Analisa Unsur Cangkang Kemiri



9



Tabel 3.1



Rancangan Percobaan Modifikasi Karbon Aktif dengan



15



Impregnasi KOH Tabel 4.1



Hasil Analisis Unsur EDS pada Cangkang Kemiri



19



xiv Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



DAFTAR LAMPIRAN Halaman LAMPIRAN 1 DATA HASIL PENELITIAN



38



L.1.1 Hasil Analisis AAS



38



L.1.2 Hasil Analisis SEM dan EDS



39



L.1.3 Hasil Analisis FTIR



41



LAMPIRAN 2 CONTOH LAMPIRAN



43



L.2.1 Perhitungan Larutan HCl 0,1N 60 ml



43



L.2.2 Konversi Hasil Analisis AAS



43



LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN



45



L.3.1 Foto Hasil Karbonisasi Cangkang Kemiri



45



L.3.2 Foto Proses Impregnasi Karbon Aktif dari Cangkang



45



Kemiri dengan Larutan KOH L.3.3 Foto Penyaringan Karbn Aktif Setelah Impregnasi



46



Dengan KOH L.3.4 Foto Hasil Impregnasi Karbon Aktif dari Cangkang



46



Kemiri dengan Larutan KOH setelah Dikeringkan L.3.5 Foto Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang



47



Kemiri yang Diimpregnasi KOH



xv Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



BAB I PENDAHULUAN



1.1 LATAR BELAKANG Ketergantungan penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi utama yang digunakan dalam seluruh sektor kehidupan manusia, seperti transportasi maupun industri terus meningkat. Bahan bakar fosil yang terbatas, harganya yang terus meningkat serta isu pemanasan global akibat emisi gas yang ditimbulkan, membuat adanya pengalihan pada pengembangan energi alternatif dalam beberapa tahun terakhir ini [1, 2]. Perhatian terhadap biodiesel sebagai alternatif yang ramah lingkungan dan terbarukan semakin meningkat [3]. Pada umumnya, biodiesel dihasilkan melalui reaksi transesterifikasi antara minyak tumbuhan atau lemak hewan dengan alkohol dengan kehadiran suatu katalis yang juga menghasilkan gliserol sebagai produk samping [4, 5]. Transesterifikasi dapat dilakukan dengan menggunakan katalis homogen maupun katalis heterogen [6]. Katalis homogen basa seperti KOH maupun NaOH memberikan aktivitas yang tinggi, namun kelemahannya antara lain kesulitan dalam penggunaannya kembali, terjadinya reaksi saponifikasi, bersifat korosif dan menghasilkan limbah yang banyak. Hal ini mengakibatkan katalis heterogen basa lebih banyak diperhatikan dengan keuntungannya yang meliputi kemudahan dalam pemisahan, sifat korosif yang kecil dan ramah lingkungan [7]. Namun, pemilihan penyangga katalis untuk menghasilkan katalis heterogen, seperti Al2O3, CaO dan MgO memberi permasalahan yang cukup besar pada biaya produksi biodiesel [8]. Penyangga katalis yang memiliki biaya rendah dan ecofriendly dapat diperoleh dari biomassa yang dikarbonisasi menjadi karbon aktif. Sebagai penyangga katalis, karbon aktif sangat efektif pada reaksi berfasa cair dan gas [9]. Karbon aktif memiliki mikro pori yang tinggi sehingga basa seperti NaOH atau KOH dapat terserap dengan mudah pada permukaan karbon aktif. Kandungan abu yang cukup rendah pada karbon aktif juga mempercepat laju reaksi [10]. Ikatan pada karbon aktif bersifat inert tanpa mengganggu reaksi transesterifikasi. Selain itu, karbon aktif juga dapat digunakan pada reaksi dengan



1 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



tekanan dan temperatur tinggi. Karakteristik dari permukaan karbon aktif tidak berubah pada suhu dan tekanan tinggi [11]. Karbon aktif dari biomassa memiliki pori dan luas permukaan yang tinggi sehingga dapat diaplikasikan pada pembuatan biodiesel dengan melakukan sedikit modifikasi [8]. Karbon aktif dengan luas permukaan yang tinggi dapat diperoleh dari limbah [12]. Salah satu limbah padat yang dapat dimanfaatkan sebagai karbon aktif ialah cangkang kemiri. Cangkang kemiri merupakan limbah dari proses pemecahan kemiri yang belum dimanfaatkan secara optimal, penggunaanya selama ini masih dijadikan sebagai bahan bakar dan dikembangkan menjadi karbon aktif [13]. Menurut data dari Badan Pusat Statistik, tumbuhan kemiri di Indonesia pada tahun 2015 mencapai 210,10 hektar dengan produksi sebesar 100,7 ribu ton pertahunnya. Satu kilogram buah kemiri terdiri dari 30% inti buah dan 70% cangkang. Jika kita perhitungkan, maka cangkang kemiri di Indonesia bisa mencapai 70,49 ribu ton pertahunnya. Angka ini menunjukkan potensi penggunaan cangkang kemiri sebagai karbon aktif sangat besar. Penelitian terdahulu yang memanfaatkan karbon aktif sebagai penyangga katalis telah dilaporkan. Dejean et al [14] melaporkan penggunaan karbon aktif dari shea nut shell yang diimpregnasi dengan KOH sebagai katalis untuk pembuatan biodiesel dengan meninjau pengaruh suhu karbonisasi dan konsentrasi KOH dalam pembuatan katalisnya. Abu-Jrai, et al [8] melakukan penelitian pembuatan biodiesel dengan menggunakan biomassa Date pits menjadi karbon aktif dan diimpregnasi dengan KOH. Selain itu, Dhawane, et al [9] juga melakukan penelitian pembuatan biodiesel dari minyak Hevea brasiliensis dengan menggunakan karbon aktif dari flamboyant pods yang dimodifikasi dengan KOH. Barosso-Bogeat, et al [15] melaporkan penggunaan karbon aktif komersial sebagai penyangga dari enam logam oksida (Fe, Al, Zn, SnCl2, TiO2, dan WO4) dengan cara impregnasi. Selain itu, Baroutian et al [11] juga melaporkan penggunaan karbon aktif dari cangkang kelapa sawit sebagai penyangga katalis dengan impregnasi KOH untuk menghasilkan biodiesel dengan memvariasikan konsentrasi KOH pada tahap impregnasi. Penelitian terdahulu ini disajikan pada tabel 1.1 berikut.



2 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Tabel 1.1 Penelitian yang telah dilakukan tentang pengunaan katalis berbasis karbon aktif yang dimodifikasi No



Nama Peneliti



Judul Penelitian



Dejean, et al. 2017 [14]



Shea nut shell based catalyst for the production of ethanolic biodiesel



2.



Abu-Jrai, et al. 2017 [8]



Valorization of waste Date pits biomass for biodiesel production in presence of green carbon catalyst



3.



Biodiesel synthesis from Hevea brasiliensis oil Dhawane, et al. employing carbon 2016 [9] supported heterogeneous catalyst: Optimization by Taguchi method



1



Katalis



Variabel



Karbon Aktif dari Date Pits Shea Nut Shell diimpregnasi KOH



Karbon Aktif dari Date Pits Biomass diimpregnasi KOH



Karbon Aktif dari Flampoyant pods diimpregnasi KOH



Variabel tetap : Waktu karbonisasi 120 menit Variabel berubah : suhu karbonisasi 400-650 oC. Rasio KOH terhadap karbon aktif ialah 3,5%-39% Variabel tetap = massa katalis 5 gram Variabel berubah : Waktu reaksi = 40, 60, 80 menit, perbandingan molar minyak:metanol = 1:9, 1:12, 1:15, KOH pada karbon aktif (2%wt; 4%wt; 6%wt), suhu reaksi : 60, 65, 70 oC Variabel tetap: massa katalis pada transesterifiikasi 5 gram Variabel berubah : Suhu reaksi = 45, 55, 65 oC,waktu reaksi = 60, 90, 120 menit., jumlah katalis KOH pada karbon aktif = 1,5%, 3,5%, 5% (b/b) perbandingan Molar metanol : minyak = 7:1, 11:1, 15:1



Hasil terbaik Menghasilkan FAME biodiesel tertinggi (96%) pada suhu karbonisasi 650oC, waktu karbonisasi 120 menit dan rasio KOH 14%. Yield biodiesel = 91,6 % pada suhu reaksi 65 oC, katalis (6%wt KOH pada karbon aktif). Waktu reaksi 1 jam, metanol : minyak = 9:1



Yield biodiesel = 89,81% pada waktu reaksi 60 menit, suhu reaksi 55 oC, katalis 3,5%wt, perbandingan metanol : minyak 15:1 .



3 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



4.



5.



BarossoBogeat, et al. 2014 [15]



Preparation of activated carbonmetal oxide hybrid catalysts : textural characterization



Karbon aktif komersial yang diimpregnasi dengan Al(NO3)3∙9H2O,Fe(N O3)3∙9H2O, SnCl2∙2H2O, Na2WO4∙2H2O dan Zn(NO3)2∙6H2O



Variabel tetap : rasio karbon aktif dengan logam oksida ialah 1:1, suhu impregnasi 80oC, kecepatan pengadukan 100 rpm selama 5 jam Variabel berubah : suhu kalsinasi 200oC atau 850oC



Baroutian, et al. 2010 [11]



Potassium hydroxide catalyst supported on Karbon aktif dari palm shell cangkang kelapa sawit activated carbon diimpregnasi KOH for transesterification of palm oil



Variabel tetap : waktu reaksi 1 jam, Variabel berubah : konsentrasi KOH 0,025 sampai 0,5 g/ml; suhu transesterifikasi 50 oC-65 oC; perbandingan molar minyak : metanol = 1:6 – 1:24; persen katalis 10,29% - 57,56%



Katalis yang memiliki mikropori ialah Sn yang dikalsinasi pada suhu 850oC.



FAME yield = 97,72% pada suhu reaksi 64,5oC, katalis 30,3% b/b, metanol : minyak = 24:1



4 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Karbon aktif digunakan secara luas sebagai adsorben, katalis dan penyangga katalis karena luas permukaannya, struktur pori dan functional group yang melimpah di permukannya. Kemampuan adsorpsi dan kemampuan katalitik karbon aktif bergantung pada struktur fisik dan sifat kimia permukaan [30]. Perlakuan kimia dengan kalium dapat meningkatkan kemampuan katalitik karbon aktif secara signifikan [23]. Karbon aktif sendiri tidak dapat langsung digunakan sebagai katalis pada pembuatan biodiesel dengan tranesterifikasi karena memiliki tingkat kebasaan yang rendah, yaitu 4,8 mmol/g dan memberikan yield biodiesel yang rendah yakni 65,1 % [32]. Dari penelitian ini diharapkan karbon aktif dari cangkang kemiri dapat digunakan sebagai penyangga katalis yang memiliki sifat katalitik yang baik setelah diimpregnasi KOH sehingga dapat diaplikasikan pada pembuatan biodiesel nantinya.



1.2 PERUMUSAN MASALAH Cangkang kemiri merupakan limbah pertanian yang potensial untuk dikembangkan sebagai karbon aktif. Karbon aktif memiliki tingkat kebasaan yang rendah sehingga tidak dapat digunakan sebagai katalis pada pembuatan biodiesel dengan proses transesterifikasi. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi pada karbon aktif, salah satunya dengan impregnasi dengan larutan basa KOH. Sejauh ini, penelitian pembuatan katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH belum pernah dilakukan. Penelitan ini diarahkan pada penyelidikan bagaimana pengaruh konsentrasi KOH dan waktu impregnasi terhadap pembuatan katalis serta bagaimana kondisi terbaik dari proses impregnasi untuk memperoleh katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi dengan KOH.



1.3 TUJUAN PENELITIAN Penelitian ini secara umum bertujuan untuk : 1. Mengetahui pengaruh konsentrasi KOH dan waktu impregnasi terhadap pembuatan katalis berbasis karbon aktif dari cangkanng kemiri yang diimpregnasi KOH.



5 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



2. Memperoleh kondisi terbaik dari proses impregnasi untuk menghasilkan katalis berbasis karbon akif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi dengan KOH.



1.4 MANFAAT PENELITIAN Penelitian ini diharapkan: 1. Memberikan informasi bahwa cangkang kemiri dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi dengan KOH sehingga dapat mengurangi masalah limbah cangkang kemiri di lingkungan masyarakat. 2. Memberikan informasi mengenai pengaruh waktu impregnasi dan konsentrasi KOH pada pembuatan katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi KOH.



1.5 RUANG LINGKUP PENELITIAN Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Penelitian, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah cangkang kemiri dari Kabupaten Karo yang telah dipecahkan, KOH, HCl dan Aquades. Pembuatan katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi KOH dilakukan dengan dua tahapan, yaitu: 1. Tahap Karbonisasi Variabel tetap pada karbonisasi 



Waktu karbonisasi



: 4 jam



[8]







Suhu karbonisasi



: 500 oC



[8]







Ukuran karbon aktif



: ≤ 80 mesh



2. Tahap Impregnasi a. Variabel tetap pada impregnasi 



Suhu impregnasi



: 30oC



[8]







Kecepatan Pengadukan



: 250 rpm



[8]







Basis massa karbon aktif



: 10 gram



[8]



6 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



b. Variabel berubah pada impregnasi 



Waktu impregnasi



: 12; 18; 24 jam







Konsentrasi KOH



: 5; 10; 20; 30; 40; 50; 60



(gram/150 ml aquades)



Analisis yang akan dilakukan pada katalis berbasis karbon aktif dari limbah cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH dan biodiesel yang dihasilkan ialah : 1. Analisis kandungan logam Kalium pada karbon aktif setelah diimpregnasi dilakukan dengan instrumen AAS (Atomic Absorption Spectrofotometer). 2. Analisis gugus fungsi yang terdapat pada karbon aktif sebelum dan sesudah impregnasi dengan KOH dilakukan dengan FTIR (Fourier Transform Infrared). 3. Analisis permukaan cangkang kemiri sebelum dikarbonkan, karbon aktif sebelum dan sesudah impregnasi dengan KOH dilakukan dengan SEM (Scanning Electron Microscopy). 4. Analisis kandungan unsur pada bahan baku cangkang kemiri dengan EDS (Energy Dispersive Spectrometry).



7 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1



CANGKANG KEMIRI Pohon kemiri (Aleurites moluccana) dari Familik Euphorbiaceae tersebar



luas di seluruh dunia, biasanya tumbuh di daerah tropik dan subtropik, termasuk di Indonesia yang mencapai 212,247 hektar di tahun 2004 [16] yang terus mengalami peningkatan dari tahun ke tahun [17]. Di India, pohon kemiri disebut juga Kuikui Tree, disebut juga jungle akrot, dan wild walnut. Setiap bagian dari pohon kemiri memiliki banyak manfaat dalam kesehatan, seperti kulit dan bunganya yang digunakan untuk penyakit asma, tumor dan sebagai laxative [18]. Kemiri mempunyai 2 lapisan kulit, yaitu kulit buah dan tempurung (cangkang) dimana setiap 1 kilogram kemiri menghasilkan 30% inti buah dan 70% merupakan tempurung [19]. Cangkang kemiri merupakan salah satu limbah organik yang belum dimanfaatkan secara optimal, hanya dibuang atau dijual [19]. Salah satu pengembangannya ialah sebagai bahan bakar maupun dijadikan bahan baku dari arang aktif [20]. Selain itu dimanfaatkan juga sebagai bahan bakar, yaitu briket karena memiliki nilai kalor sebesar 7.958,33 kal/gr [20]. Gambar 2.1 menunjukkan kemiri yang terdiri dari cangkang kemiri. Cangkang kemiri berwarna cokelat kehitaman dan dikategorikan sebagai buah batu (stony seed) karena memiliki kulit yang keras dan permukaan luar yang kasar dan berlekuk. Kandungan unsur pada cangkang kemiri ditunjukkan pada Tabel 2.5.



Gambar 2.1 Buah Kemiri (Aleurites moluccana) [17]



8 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Tabel 2.1 Analisa Unsur Cangkang Kemiri [21] Unsur Kandungan [%] C 47,50 H 5,80 N 0,16 S O 46,50 2.2



KARBON AKTIF Karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon, baik



yang organik maupun anorganik dengan syarat bahan tersebut mempunyai struktur berpori. Karbon aktif suatu bahan amorf yang mempunyai permukaan dalam sehingga memiliki daya serap yang baik. Karbon aktif dapat mengadsorpsi anion, kation, dan molekul dalam bentuk senyawa organik dan anorganik baik berupa larutan maupun gas [22]. Karbon aktif dapat diperoleh dari bahan yang mengandung karbon yang tingggi seperti batu bara, kayu dan tempurung kelapa. Selama ini karbon aktif diaplikasikan sebagai pengendali polusi udara, pengolahan limbah cair, penghilangan bahan beracun seperti polutan, logam berat, dan pewarna organik [23]. Bahan yang mengandung karbon dapat diubah menjadi karbon aktif dengan dekomposisi termal dalam furnace dan dipanaskan dengan aktivasi fisika dan kimia. Karbon aktif dapat digolongkan menjadi 3 kategori yaitu berbentuk bubuk, granular dan ekstruder [24]. Bahan karbon telah sering digunakan sebagai katalis. Karbon aktif telah sering digunakan pada beberapa proses katalitik heterogen [25]. Dari beberapa penyangga katalis heterogen, karbon aktif memiliki banyak keuntungan seperti ketersediaannya, dimana sebagian besar adalah limbah pertanian, biaya yang rendah dan stabilitasnya pada tekanan dan temperatur yang rendah [14]. Selain itu, karbon aktif mempunyai sifat yang baik sebagai penyangga katalis karena bersifat inert, permukaan yang dapat dimodifikasi, Karbon aktif digunakan sebagai penyangga karena sifatnya yang berpori [25]. Karbon aktif digunakan sebagai penyangga bahan aktif (asam atau basa) untuk reaksi transesterifikasi [14]. Pada umumnya, katalis asam berbasis karbon aktif dipersiapkan dari proses sulfonasi bahan karbon, sehingga dapat memberikan aktivitas katalitik yang tingggi dan stabil [26]. Dari beberapa penelitian yang 9 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



menggunakan katalis asam padatan yang berbeda untuk memproduksi biodiesel, karbon tersulfonasi atau karbon yang mengandung gugus -SO3H dinilai lebih aktif dan bersifat ekonomis, dimana penelitian ini memakai H2SO4 sebagai asam kuat [27]. Adapun ikatan yang terjadi pada porses sulfonasi karbon ditunjukkan oleh Gambar 2.1. Karbon aktif juga dapat digunakan untuk katalis aktif seperti CaO dan KOH dengan impregnasi dari larutan kimia [24].



Gambar 2.2 Struktur Karbon Tersulfonasi [24]



2.3



IMPREGNASI PADA KARBON AKTIF Penyiapan katalis basa yang disangga dengan karbon dapat dilakukan



dengan tiga tahapan, yaitu kalsinasi, wet impregnation dan aktivasi. Kalsinasi dipengaruhi oleh suhu sesuai dengan jenis bahan baku yang digunakan. Impregnasi basah adalah sebuah perlakuan kimia dengan berbagai variasi campuran logam aktif dalam larutan. Garam logam basa yag kuat dan senyawaan oksida yang dapat digunakan dalam impregnasi (perendaman) antara lain NaOH, KOH dan CaO. Ketika diimpregnasi, garam logam akan terdifusi ke dalam pori katalis penyangga. Akibatnya, bahan yang telah selesai diimpregnasi harus dikalsinasi atau dilakukan aktivasi panas untuk menghilangkan kelembaban dan bahan volatil yang dapat menutup permukaan katalis. Aktivitas katalitik dengan



10 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



katalis penyangga memiliki kekuatan yang lebih tinggi dibanding dengan katalis yang tidak berpenyangga [23]. Proses impregnasi karbon aktif dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah.



Gambar 2.3 Skema Proses Impregnasi [24]



Penelitian yang telah dilakukan dengan menggunakan katalis KOH yang disangga oleh karbon aktif dari cangkang kelapa sawit memiliki kekurangan juga yaitu kemampuan digunakan kembali yang rendah, harus menggunakan jumlah katalis yang besar dan perbandingan molar pada sintesis biodiesel yang besar [24]. Pembuatan katalis karbon aktif yang mengandung kation K+ dilakukan dengan cara impregnasi (perendaman) karbon aktif dalam larutan KOH dengan konsentrasi tertentu. Sebelumnya cangkang kemiri yang telah dibersihkan dijadikan karbon aktif secara fisika, yaitu pemanasan pada suhu 500oC selama 4 jam. Karbon aktif tersebut akan diimpregnasi selama 24 jam dalam suhu kamar dan dengan kecepatan pengadukan yang konstan sebesar 250 rpm [8].



11 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



2.4



FAKTOR-FAKTOR YANG PADA KARBON AKTIF



MEMPENGARUHI



IMPREGNASI



Suhu dan waktu pirolisis, perbandingan impregnasi dan sifat dari bahan pengaktivasi mempengaruhi karakteristik dari karbon aktif yang dihasilkan melalui aktivasi kimia, meliputi banyaknya karbon yang dihasilkan, luas permukaan spesifik dan sisi aktif karbon [14]. Dalam proses impregnasi, faktorfaktor yang mempengaruhi antara lain: a.



Rasio Impregnasi Perbandingan impregnasi KOH merupakan faktor yang mempengaruhi %



kalium pada katalis. Rasio impregnasi KOH yang semakin tinggi, menyebabkan % kalium pada katalis juga semakin tinggi Kenaikan perbandingan impregnasi dan perlakuan panas dapat menyebabkan destruksi struktur karbon dan meningkatkan massa karbon yang hilang ketika dibakar, kemungkinan terjadinya dekomposisi dari bahan awal, dispersi yang buruk, interaksi katalitik dari bahan aktif dengan penyangga yang lemah. Penelitian yang telah dilaporkan menggunakan rentang konsentrasi dari bahan pengaktivasi dari 10% sampai >100% (pada basis berat bahan penyangga) [14]. b.



Waktu impregnasi Waktu impregnasi menandakan waktu kontak antara karbon aktif dengan



larutan untuk menjerap suatu logam. Semakin lama waktu kontak maka semakin banyak logam yang teradsorbsi karena semakin banyak kesempatan partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan logam, hal ini menyebabkan semakin banyak logam yang terikat didalam pori-pori arang aktif. Telah diketahui bahwa lamanya waktu kontak atau waktu adsorbsi antara adsorbat dengan adsorben sangat mempengaruhi proses adsorpsi itu sendiri [28]. Sejauh ini, waktu impregnasi dengan larutan KOH yang pernah dilaporkan adalah 24 jam [8,9,10,12]. c.



Suhu Karbonisasi Rentang suhu karbonisasi yang memungkinkan berada antara 400 oC dan



900oC. Suhu yang lebih tinggi meningkatkan massa biomassa yang hilang. Massa terhilang tidak terlalu signifikan pada suhu antara 500 oC dan 800 oC. Karbonisasi dengan menggunakan rentang suhu ini menyebabkan biomassa tidak dapat terkonversi menjadi karbon [14]. Sejauh ini suhu karbonisasi yang telah



12 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



dilaporkan untuk membuat karbon aktif dari biomassa yang akan diimpregnasi dengan KOH ialah 500oC [8,9].



13 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1



LOKASI DAN WAKTU PENELITIAN Penelitian dilakukan di Laboratorium Penelitian, Departemen Teknik Kimia,



Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara, Medan. Penelitian ini dilakukan selama lebih kurang 3 bulan.



3.2



BAHAN DAN PERALATAN



3.2.1



Bahan Penelitian Pada penelitian ini bahan yang digunakan antara lain:



1.



Cangkang kemiri



2.



Aquadest (H2O)



3.



Asam Klorida (HCl)



4.



Kalium Hidroksida (KOH)



3.2.2



Peralatan Penelitian Pada penelitian ini peralatan yang digunakan antara lain :



1.



Ayakan 80 mesh



11. Spatula



2.



Blender



12. Corong Gelas



3.



Erlenmeyer



13. Pipet Tetes



4.



Motor Pengaduk



14. Stopwatch



5.



Muffle furnace



15. Kertas saring Whatman no. 42



6.



Oven



7.



Beaker Glass



8.



Gelas Ukur



9.



Neraca Digital



10. Batang Pengaduk



14 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



RANCANGAN PERCOBAAN 3.3 3.3.1 Rancangan Percobaan Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Cangkang kemiri diperoleh dari masyarakat sekitar di Kabupaten Karo yang telah dipecahkan. Pembuatan katalis KOH/Karbon aktif dari cangkang kemiri dilakukan dengan variabel tetap berupa suhu karbonisasi, waktu karbonisasi, ukuran partikel, suhu impregnasi dan kecepatan pengadukan pada impregnasi serta variabel bebas berupa konsentrasi KOH dan waktu impregnasi.



3.3.1.1 Pembuatan Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri Pembuatan Karbon aktif dari cangkang kemiri dilakukan dengan waktu karbonisasi selama 4 jam dalam muffle furnace pada suhu 500



o



C. Setelah



dihaluskan, karbon aktif diayak dengan ukuran 80 mesh. Karbon aktif yang lolos pada ayakan akan diimpregnasi dengan KOH.



3.3.1.2 Impregnasi Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri dalam KOH Modifikasi karbon aktif dengan melakukan impregnasi dengan KOH dilakukan dengan perlakuan seperti pada Tabel 3.1 berikut.



Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Modifikasi Karbon Aktif dengan Impregnasi KOH



Run 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14



Kecepatan Suhu Pengadukan Impregnasi Impregnasi (oC) (rpm)



Waktu impregnasi (jam)



12



250



30



18



Konsentrasi KOH (gram/ 150 ml aquades) 5 10 20 30 40 50 60 5 10 20 30 40 50 60



15 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



Tabel 3.1 Rancangan Percobaan Modifikasi Karbon Aktif dengan Impregnasi KOH (Lanjutan) Kecepatan Konsentrasi Suhu Waktu impregnasi Pengadukan KOH (gram/ Run Impregnasi (jam) Impregnasi 150 ml (oC) (rpm) aquades) 15 5 16 10 17 20 18 250 30 24 30 19 40 20 50 21 60 3.4



PROSEDUR PENELITIAN



3.4.1



Prosedur Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Cangkang kemiri yang digunakan berasal dari masyarakat sekitar, yang



terlebih dahulu dibersihkan dari impuritisnya. Kemudian dipersiapkan menjadi katalis heterogen basa. Beberapa tahapannya sebagai berikut [8,29]: 1. Cangkang kemiri dicuci dengan air keran beberapa kali hingga bersih. 2. Cangkang kemiri dianginkan hingga kering. 3. Cangkang kemiri dikeringkan dalam oven pada suhu 130oC selama 4 jam. 4. Cangkang kemiri dikarbonisasi dalam muffle furnace selama 4 jam pada suhu 500 oC. 5. Karbon aktif cangkang kemiri dihaluskan dengan blender dan diayak pada ayakan 80 mesh. 6. Karbon aktif cangkang kemiri dicuci dengan HCl 0,1 M sebanyak 60 ml pada 10 gram karbon aktif untuk menghilangkan impuritisnya. 7. Karbon aktif dinetralkan dengan aquadest (pH=7). 8. Karbon aktif dikeringkan dalam oven pada suhu 105oC selama 2 jam. 9. Karbon aktif sebanyak 10 gram diimpregnasi dalam larutan KOH dengan konsentrasi 5 gram/150 ml; 10 gram/150 ml; 20 gram/ 150 ml; 30 gram/ 150 ml; 40 gram/ 150 ml; 50 gram/150 ml dan 60 gram/ 150 ml aquades dengan kecepatan pengadukan 250 rpm selama 12; 18; dan 24 jam pada suhu 30oC. 10. Karbon aktif hasil impregnasi disaring. 11. Karbon aktif hasil saringan dikeringkan pada suhu 200oC selama 30 menit. 16 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



12. Karbon aktif yang telah diimpregnasi dipanaskan dalam muffle furnace pada suhu 500oC selama 3 jam. 13. Katalis KOH berpenyangga karbon aktif dari cangkang kemiri disimpan pada botol dan ditutup dengan rapat.



3.4.2



Prosedur Analisis



3.4.2.1 Analisis Kandungan Kalium pada Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Kandungan logam kalium pada karbon aktif yang telah diimpregnasi dengan KOH dilakukan dengan instrumen AAS (Atomic Absorption Spectrophotometry).



3.4.3.2 Analisis Gugus Fungsional pada Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Gugus fungsi pada karbon aktif sebelum dan sesudah impregnasi dengan KOH akan dianalisis dengan instrumen FTIR (Fourier Transform Infrared).



3.4.3.2 Analisis Permukaan pada Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Analisis permukaan karbon aktif sebelum dan sesudah impegnasi dilakukan dengan instrumen SEM (Scanning Electron Microscopy).



3.5



FLOWCHART PENELITIAN



3.5.1 Flowchart Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Adapun flowchart pembuatan katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH dapat dilihat pada Gambar 3.1.



17 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



Mulai `



Cangkang kemiri dicuci dengan air keran sampai bersih dari impurities



Cangkang kemiri yang telah bersih dianginkan hingga kering



Cangkang kemiri dikeringkan dalam oven pada suhu 130 oC selama 4 jam



Cangkang kemiri dikarbonisasi dalam muffle furnace selama 4 jam dengan suhu 500oC Hasil karbonisasi dihaluskan dan diayak dengan ayakan 80 mesh



10 gram hasil karbonisasi dicuci dengan HCl 0,1 M sebanyak 60 ml Karbon aktif dinetralkan dengan aquadest



Karbon aktif dikeringkan dalam oven pada suhu 105 oC selama 2 jam



Karbon aktif diimpregnasi dengan larutan KOH sesuai konsentrasi tertentu selama 12; 18; 24 jam dengan kecepatan pengadukan 250 rpm pada suhu 30oC



Karbon aktif hasil impregnasi disaring dan dipanaskan pada oven pada suhu 200oC selama 30 menit



Karbon aktif hasil impregnasi dipanaskan dalam muffle furnace pada suhu 500oC selama 3 jam



Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir Pembuatan Katalis Berbasis Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH 18 Universitas Sumatera Utara Universitas Sumatera Utara



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1



ANALISIS UNSUR CANGKANG KEMIRI Cangkang kemiri sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif pada



penelitian ini diperoleh dari Kabanjahe, Kabupaten Karo, Sumatera Utara dengan kondisi yang telah dipecahkan oleh masyarakat sekitar. Cangkang kemiri memiliki struktur yang keras dan berwarna cokelat kehitaman. Berdasarkan hasil analisis dengan EDS (Energy Dispensive Spectrometry), bahan baku cangkang kemiri yang telah dihaluskan memiliki kandungan karbon sebesar 53,60 %. Adapun unsur lain yang terkandung dalam cangkang kemiri ialah oksigen (O) sebesar 37,87 %, kalsium (Ca) sebesar 7,95 % dan besi (Fe) sebesar 0,58 %. Hasil analisis dengan EDS dirangkum dalam Tabel 4.1 berikut. Tabel 4.1 Unsur cangkang kemiri menurut hasil analisis EDS No



Unsur



Persen berat (%)



1. 2. 3. 4. 5.



C O Ca Fe Mg



53,60 37,87 7,95 0,58 0,00



Bahan baku yang baik untuk dijadikan sebagai karbon aktif ialah memiliki kandungan karbon yang tinggi [23, 24]. Hasil analisis bahan baku yang diperoleh menunjukkan cangkang kemiri dari Tanah Karo merupakan bahan baku yang baik untuk dijadikan sebagai karbon aktif. Pembuatan karbon aktif dari bahan dasar karbon dapat dilakukan dengan dekomposisi panas dalam furnace dengan menggunakan pengendalian tekanan dan panas dengan aktivasi fisika maupun kimia, dengan beberapa tahapan yaitu (1) menghilangkan semua air (dehidrasi), (2) merubah bahan organik menjadi unsur karbon (karbonisasi) dan (3) memperbesar pori (aktivasi) [24]. Suhu karbonisasi akan mempengaruhi pembuatan karbon aktif. Rentang suhu yang mungkin untuk karbonisasi ialah 400-800oC, namun dari hasil penelitian yang dilaporkan Dejean, et al [14] menunjukkan rentang suhu karbonisasi untuk



19 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



menghasilkan karbon aktif ialah suhu 500-800oC. Suhu karbonisasi 500oC juga dilaporkan oleh Abujrai, et al [8].



(a)



(b) Gambar 4.1 Hasil Analisis SEM dengan perbesaram 500 kali pada Cangkang Kemiri (a) Sebelum dikarbonisasi (b) Setelah dikarbonisasi Gambar 4.1.(a) menunjukkan cangkang kemiri yang belum diberi perlakukan apapun memiliki permukaan yang cenderung datar, tidak merata dan tidak ada pori. Hal yang sama juga dilaporkan oleh Abdel Ghani, et al [33] pada bahan baku lain yaitu olive cake yang juga tidak memiliki pori sebelum dikarbonisasi. Fenomena ini yang menyebabkan bahan baku yang belum



20 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



diaktivasi memiliki luas permukaan yang kecil, sehingga tidak dapat menjerap suatu bahan dengan baik. Luas permukaan biomassa perlu diperbesar untuk meningkatkan kemampuan penjerapannya. Peningkatan luas permukaan dengan pembentukan pori pada karbon dapat dilakukan secara fisika maupun kimia [34]. Pembuatan karbon aktif dapat dilakukan dengan aktivasi fisika seperti karbonisasi, aktivasi kimia maupun gabungan dari keduanya. Karbonisasi adalah proses pemanasan pada bahan baku tanpa adanya udara. Pada karbonisasi tercepat misalnya pada suhu 300-350oC, jaringan yang kompleks dapat putus dan membentuk makromolekul. Pada saat yang bersamaan, sejumlah bahan yang bersifat volatil seperti air, karbon dioksida dan lainnya menghilang dan atom karbon akan membentuk grup ikatan yang lebih stabil [35]. Pada penelitian ini, cangkang kemiri dikarbonisasi pada suhu 500oC selama 4 jam untuk membuka pori-pori pada permukaan karbon aktif yang dihasilkan. Hal ini ditunjukkkan oleh Gambar 4.1.(b) dimana karbon aktif yang dihasilkan dari cangkang kemiri telah memiliki pori-pori pada permukaan yang akan menjadi tempat melekatnya logam kalium ketika diimpregnasi. Dhawane, et al [9] juga melaporkan pori yang terbuka setelah karbonsisasi biomassa dan lebih lebar lagi ketika dilakukan aktivasi dengan steam. Perbedaan permukaan yang jelas dapat dilihat pada cangkang kemiri sebelum dan sesudah dikarbonisasi pada gambar 4.1. Oleh karena itu diduga bahwa cangkang kemiri yang dikarbonisasi pada suhu 500oC selama 4 jam telah menghasilkan karbon aktif yang memiliki pori yang terbuka untuk menjerap logam kalium pada tahap impregnasi.



4.2



PEMBUATAN KATALIS BERBASIS KARBON AKTIF YANG DIIMPREGNASI KOH Penelitian ini meninjau pembuatan katalis heterogen yang berbasis karbon



aktif yang diimpregnasi dengan KOH. Katalis yang dihasilkan harus memiliki tingkat kebasaan yang tinggi. Oleh karena itu, karbon aktif harus dimodifikasi agar bersifat basa. Karbon aktif dapat digunakan sebagai salah satu penyangga katalis (supported catalyst) yang lebih baik dibanding penyangga lain, seperti zeolit, alumina maupun silica karena luas permukaannya yang sangat tinggi, yaitu 800-1500 m2/g dan memiliki stabilitas panas yang baik [24].



21 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Salah satu modifikasi pada karbon aktif yang dapat dilakukan ialah dengan melakukan impregnasi karbon aktif dalam larutan KOH, sehingga menghasilkan katalis heterogen KOH/Karbon aktif. Impregnasi merupakan salah satu cara yang paling mudah dan murah agar ion Kalium (K+) dalam larutan KOH dapat terjerap dalam pori-pori pada permukaan karbon aktif. KOH memiliki tingkat aktivitas yang tinggi sehingga dapat meningkatkan kemampuan katalitik pada karbon aktif yang berfungsi sebagai matriks (penyangga). Pada penelitian ini, karbon aktif yang dihasilkan berasal dari cangkang kemiri yang memiliki kandungan unsur Carbon yang tinggi (53,60%). Adanya kenaikan kandungan logam kalium pada karbon aktif setelah impregnasi mengindikasikan bahwa tahap karbonisasi bahan baku cangkang kemiri telah menghasilkan karbon aktif.



4.2.1 Pengaruh Konsentrasi KOH Terhadap Penjerapan Kalium Pada Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Pada proses pembuatan katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH dilakukan dengan 5 variasi konsentrasi KOH, yaitu 5 gram/ 150 ml aquades; 10 gram/ 150 ml aquades; 20 gram/ 150 ml aquades; 30 gram/ 150 ml aquades; 40 gram/ 150 ml aquades; 50 gram/ 150 ml aquades dan 60 gram/ 150 ml aquades. Hal ini dilakukan untuk memperoleh kandungan kalium yang tertinggi yang dapat dijerap oleh karbon aktif serta melihat pengaruh konsentrasi KOH pada penjerapan kalium dalam karbon aktif. Untuk mengetahui kandungan logam kalium (% Kalium) dalam karbon aktif yang telah diimpregnasi, dilakukan analisis dengan AAS (Atomic Absorption Spectrophotometry). Hasil analisis AAS yang menunjukkan pengaruh konsentrasi KOH dalam impregnasi terhadap kandungan kalium dalam karbon aktif dapat dilihat pada gambar 4.2 berikut ini.



22 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



12



Kandungan Logam Kalium (%)



11



12 jam



10



18 jam



9



24 jam



8 7 6 5 4 3 2 0



10



20



30



40



50



60



Konsentrasi larutan KOH (gram dalam 150 ml aquades)



Gambar 4.2 Pengaruh Konsentrasi KOH terhadap Penjerapan Logam Kalium pada Karbon Aktif Gambar 4.2 diatas menunjukkan pengaruh konsentrasi larutan KOH terhadap kandungan logam kalium dalam karbon aktif pada variasi waktu imperegnasi 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Dari gambar 4.1 terlihat bahwa kandungan logam kalium tertinggi dihasilkan pada konsentrasi KOH 50 gram/150 ml aquades dengan waktu impregnasi selama 24 jam, yaitu sebesar 11,62%. Kandungan kalium pada karbon aktif setelah impregnasi mengalami fluktuasi seiring dengan bertambahnya konsentrasi KOH yang diimpregnasi pada karbon aktif dan mengalami penurunan pada konsentrasi tertentu. Pada waktu impregnasi selama 12 jam terlihat bahwa kandungan kalium pada karbon aktif setelah impregnasi meningkat pada konsentrasi KOH 5 gram/ 150 ml aquades sampai 20 gram/ 150 ml aquades, namun mengalami fluktuasi pada konsentrasi 30 gram/ 150 ml aquades dan 40 gram/150 ml aquades dan terus meningkat sampai konsentrasi 50 gram/ 150 ml aquades dan menurun kembali pada konsentrasi 60 gram/ 150 ml aquades. Pada waktu impregnasi 18 jam kandungan kalium pada karbon aktif setelah impregnasi terus meningkat dari konsentrasi KOH sebesar 5 gram/ 150 ml



23 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



aquades sampai 50 gram/ 150 ml aquades dan menurun pada konsentrasi KOH 60 gram/ 150 ml aquades. Hal yang sama juga diperoleh pada waktu impregnasi 24 jam yang menunjukkan adanya peningkatan kandungan kalium pada karbon aktif seiring dengan meningkatnya konsentrasi KOH dimana kandungan kalium pada karbon aktif setelah impregnasi terus meningkat sampai konsentrasi KOH 50 gram/ 150 ml aquades kemudian menurun pada konsentrasi 60 gram/ 150 ml aquades. Peningkatan kandungan logam kalium yang dijerap oleh karbon aktif disebabkan karena semakin meningkatnya konsentrasi KOH yang digunakan. Namun pada titik tertentu, menaikkan konsentrasi KOH tidak memberi peningkatan kandungan logam kalium yang signifikan, bahkan menyebabkan adanya penurunan kandungan kalium pada karbon aktif. Hal ini disebabkan karbon aktif telah mengalami kerusakan akibat terlalu tingginya konsenrasi KOH. Perbandingan KOH yang diimpregnasi merupakan salah satu faktor yang sangat mempengaruhi kandungan kalium pada karbon aktif setelah proses impregnasi. Kenaikan konsentrasi KOH mengakibatkan kenaikan sisi aktif pada penyangga katalis [8]. Pada hasil penelitian yang diperoleh, dapat dilihat bahwa konsentrasi KOH yang memberi hasil katalis terbaik ialah pada 50 gram/ 150 ml aquades karena memberi hasil yang sebagian besar lebih tinggi dibanding konsentrasi KOH lainnya pada setiap waktu impregnasi. Menurut Dejean, et al [14] penurunan kandungan kalium pada karbon aktif dapat disebabkan oleh konsentrasi KOH yang tinggi dapat menyebabkan kerusakan pada matriks karbon. Bagian seperti rongga akan mengembang dan membuat karbon rapuh. Kerapuhan ini terkait dengan kelebihan kalium dalam karbon aktif selama impregnasi. Hal ini juga menyebabkan suatu fenomena sintering pada penyangga sehingga membatasi akses terhadap bagian aktifnya. Bahkan, kalium yang terimpregnasi pada penyangga katalis dapat luruh selama reaksi transesterifikasi dan bertindak seperti katalis homogen karena tidak sepenuhnya menempel pada penyangga karbon aktif. Dhawane, et al [9] melaporkan penelitian dengan menggunakan karbon aktif dari biomassa flamboyant pods yang diimpregnasi KOH dengan variasi konsentrasi KOH sebesar 5 gram/ 150 ml, 20 gram/ 150 ml, 35 gram/ 150 ml



24 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



serta 50 gram/ 150 ml dan mendapatkan hasil terbaik pada konsentrasi KOH 35 gram KOH dalam 150 ml aquades dengan kandungan kalium sebesar 10,26%. Sementara pada penelitian ini diperoleh hasil terbaik pada konsentrasi KOH 50 gram KOH dalam 150 ml aquades dengan kandungan kalium sebesar 11,62%. Hal ini menunjukkan kemampuan penjerapan logam kalium oleh karbon aktif dari cangkang kemiri lebih baik dibanding karbon aktif dari flamboyant pods pada penelitian yang dilakukan oleh Dhawane, et al [9] sehingga menghasilkan kandungan kalium yang lebih tinggi pada karbon aktif setelah impregnasi.



4.2.2 Pengaruh Waktu Impregnasi Terhadap Kandungan Kalium Pada Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri yang Diimpregnasi KOH Pada proses pembuatan katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi dengan KOH dilakukan dengan 3 variasi waktu impregnasi, yaitu 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Hal ini dilakukan untuk melihat waktu impregnasi yang paling baik untuk menghasilkan kandungan logam kalium terbesar yang dapat dijerap oleh karbon aktif dari cangkang kemiri. Pengaruh waktu impregnasi dengan kandungan logam kalium pada karbon aktif dapat dilihat pada gambar 4.2. Gambar



4.2



menunjukkan



pengaruh



waktu



impregnasi



terhadap



kandungan logam kalium pada karbon aktif hasil impregnasi dengan variasi konsentrasi KOH 5 gram/150 ml aquades; 10 gram/ 150 ml aquades; 20 gram/ 150 ml aquades; 30 gram/ 150 ml aquades; 40 gram/ 150 ml aquades; 50 gram/ 150 ml aquades dan 60 gram/ 150 ml aquades. Hasil yang terbaik yang diperoleh ialah kandungan logam kalium pada karbon aktif sebesar 11,62% pada saat waktu impregnasi 24 jam dengan konsentrasi KOH 50 gram/ 150 ml aquades. Pada konsentrasi KOH 5 gram/150 ml aquades, kandungan logam kalium yang terdapat pada karbon aktif meningkat dari waktu impregnasi 12 jam dan 18 jam, namun mengalami penurunan pada waktu impregnasi 24 jam. Penurunan ini dapat disebabkan karena pori-pori pada permukaan karbon aktif sudah jenuh sehingga tidak dapat menjerap ion kalium pada waktu impregnasi 24 jam. Hal ini menunjukkan waktu impregnasi yang lama tidak memberi pengaruh yang besar pada penjerapan logam kalium pada karbon aktif. Sementara pada konsentrasi 20 gram/150 ml, kandungan kalium pada karbon aktif mengalami fluktuasi, dimana hasil tertinggi diperoleh pada waktu 25 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



impregnasi 12 jam, menurun pada 18 jam, dan kembali meningkat pada waktu 24 jam. Hal yang sama juga terjadi pada konsentrasi KOH 30 gram/150 ml, dimana kandungan kalium meningkat pada waktu impregnasi 12 jam menurun pada waktu 18 jam dan meningkat kembali pada waktu impregnasi 24 jam. Pada konsentrasi 10 gram/150 ml, kandungan kalium pada karbon aktif terus mengalami peningkatan seiring bertambahnya waktu, namun mengalami kenaikan yang lebih signifikan pada waktu impregnasi 24 jam. Hal yang sama juga terjadi pada konsentrasi sebesar 40 gram/ 150 ml aquades. Namun, pada konsentrasi 50 gram/ 150 ml aquades dan 60 gram/ 150 ml aquades menunjukkan peningkatan kandungan kalium seiring bertambahnya waktu impregnasi dari 12 jam, 18 jam dan 24 jam. Waktu impregnasi yang lebih lama memberikan kesempatan bagi karbon aktif untuk menjerap sebanyak-banyaknya logam kalium yang terdapat pada larutan KOH. Namun, ketika telah mencapai kesetimbangan dan kejenuhan, waktu impregnasi tidak akan memberi kenaikan yang signifikan pada penjerapan logam kalium. Menurut Yang, et al [30] kemampuan katalitik dari karbon aktif akan menurun dengan waktu impregnasi yang terlalu singkat atau terlalu lama. Hasil penelitian yang dilakukannya menunjukkan aktivitas katalitik terbaik pada waktu impregnasi KOH dengan konsentrasi 6 mol/l selama 9 jam. Sementara peneliti lain menggunakan waktu impregnasi karbon aktif dari berbagai biomassa selama 24 jam [8, 9]. Pada penelitian ini hasil yang terbaik diperoleh pada waktu impregnasi 24 jam pada konsentrasi 50 gram/ 150 ml aquades dengan kandungan kalium yang diperoleh sebesar 11,62%. Hal ini menunjukkan kandungan kalium yang lebih tinggi dibandingkan dengan penelitian yang telah dilaporkan oleh Dhawane, et al [9] yang memperoleh kandungan kalium sebesar 10,26% dengan waktu impregnasi 24 jam. Hasil yang sama juga dilaporkan oleh Abujrai, et al [8]. 4.3



KARAKTERISTIK KATALIS BERBASIS KARBON AKTIF YANG DIIMPREGNASI KOH Kapasitas penjerapan dan katalitik dari karbon aktif ditentukan oleh



struktur fisika dan sifat kimia pada permukaannya. Banyak hal yang dapat dilakukan untuk mengubah struktur fisika dan karakteristik kimia pada karbon 26 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



aktif, salah satunya dengan menggunakan aktivasi asam. Aktivasi asam seperti asam nitrat akan menaikkan acidic group pada permukaan karbon [30]. Aktivasi dengan asam klorida (HCl) juga akan menaikkan tingkat keasaman pada permukaan karbon aktif sehingga permukaan karbon aktif akan memiliki lebih banyak muatan parsial positif (H+). Selain itu asam klorida juga dapat melarutkan pengotor-pengotor yang menutup permukaan karbon aktif, sehingga pori lebih terbuka dan meningkatkan kemampuan penjerapannya [29]. Wang, et al [32] melaporkan bahwa karbon tanpa aktivasi tidak maksimal untuk menjerap logam. Dari hasil analisis SEM terlihat bahwa morfologi permukaan karbon tanpa aktivasi masih tertutup dan tidak teratur. Hal ini menunjukkan pentingnya aktivasi karbon, baik dengan senyawa basa atupun asam. Menurut Yang, et al [30], modifikasi pada karbon aktif dengan KOH akan mengubah total acid group dan basic group. Dilaporkan bahwa peningkatan sisi basa pada permukaan karbon akan memaksimalkan interaksi elektrostatis dengan logam anion. Hal ini juga terjadi pada aktivasi dengan asam, dimana peningkatan sisi asam permukaan karbon akan meningkatkan kemampuan penjerapan karbon aktif terhadap logam kation (logam bermuatan positif). Hasil karbonisasi cangkang kemiri pada suhu 500oC akan memiliki tingkat keasaman yang lebih tinggi setelah mendapat perlakuan dengan asam klorida 0,1 M. Hal inilah yang menyebabkan peningkatan kemampuan penjerapan logam kalium pada permukaan karbon aktif. Katalis yang terbaik, yaitu katalis yang memiliki kandungan kalium tertinggi (11,62%) diperoleh pada konsentrasi KOH sebesar 50 gram/150 ml aquades dengan waktu impregnasi selama 24 jam. Hasil terbaik tersebut dikarakterisasi dengan menggunakan alat analisis FTIR untuk melihat gugus yang terbentuk pada karbon aktif sebelum dan setelah diimpregnasi dengan KOH. Hal ini juga akan menunjukkan sisi aktif dari katalis yang bertanggung jawab untuk mengkatalis suatu reaksi. Selain itu katalis juga dianalisis dengan alat SEM untuk melihat morfologi permukaan katalis dari karbon aktif cangkang kemiri setelah diimpregnasi dengan KOH yang membuktikan telah melekatnya logam kalium pada karbon aktif.



27 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



4.3.1 Analisis FTIR (Fourier Transfer Infra Red) Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri Sebelum dan Sesudah Impregnasi KOH Analisis FTIR dilakukan untuk melihat gugus baru yang terbentuk pada karbon aktif setelah impregnasi KOH. Gugus ini menandakan ikatan pada logam kalium dengan unsur lain pada karbon aktif. Hasil analisis FTIR untuk sampel karbon aktif dari cangkang kemiri sebelum impregnasi KOH dan sampel dari cangkang kemiri setelah impregnasi KOH disajikan pada gambar 4.4. Dari Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa kedua sampel mengandung gugus monomer karboksil –OH yang kuat pada panjang gelombang sekitar 3400-3500 cm-1 [30, 31]. Karbon aktif sebelum dan sesudah impregnasi juga memiliki gugus ester –CO pada panjang gelombang 2000-2300 cm-1. Perbedaan gelombang yang paling signifikan terlihat dengan munculnya gugus karboksil-karbonat pada panjang gelombang 1450 cm-1 [30, 32] pada karbon aktif setelah impregnasi KOH. Dari hasil analisis tersebut dapat dilihat bahwa karbon aktif setelah impregnasi dengan KOH memiliki intensitas peak yang lebih tinggi dibanding karbon aktif sebelum impregnasi. Sumbu Y pada spectrum menunjukkan persentasi transmisi, yang dapat diubah menjadi absorbansi (Absorbansi = -log Transmisi). Absorbansi ini dapat dihubungkan dengan konsentrasi komponen melalui Hukum Beer-Lambert yang mengatakan bahwa konsentrasi komponen berbanding lurus dengan absorbansi. Dimana nilai %transmittance berbanding terbalik terhadap konsentrasi zat. Dari gambar 4.3(a) dan gambar 4.3(b) dapat dilihat %transmittance karbon aktif setelah diimpregnasi dengan KOH lebih rendah dibanding karbon aktif sebelum impregnasi dengan KOH. Fenomena ini menandakan konsentrasi zat pada karbon aktif setelah impregnasi lebih tinggi daripada karbon aktif sebelum impregnasi. Hal ini dapat disebabkan terjadinya gugus ikatan baru selama proses impregnasi.



28 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



-CO



-OH



(a)



-OH -CO -CO3



(b) Gambar 4.3 Hasil Analisis FTIR (a) Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri (b) Karbon aktif dari Cangkang Kemiri diimpregnasi KOH 29 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Munculnya peak di sekitar gelombang 1400 cm-1 menandakan terbentuknya gugus karbonat (-CO32-) pada karbon aktif setelah impregnasi KOH. Senyawa karbonat yang terbentuk pada karbon aktif setelah impregnasi dengan KOH diduga adalah senyawa K2CO3, dimana kalium berikatan dengan gugus karbonat. Ketika karbon aktif dimodifikasi dengan KOH, maka dapat terjadi netralisasi keasaman pada permukaan karbon. KOH dapat juga bereaksi dengan karbon seperti berikut [30]: 4 KOH + C → K2CO3 + K2O + 2 H2 K2O + C → 2 K + CO K2CO3 + C → 2 K + 3 CO Reaksi yang terjadi ini dapat merusak mikropori dari permukaan karbon karena tingginya konsentrasi KOH. Di sisi lain, karbon monoksida yang terbentuk melalui reaksi antara karbon dan KOH dapat membentuk mikropori pada permukaan karbon aktif. Hasil yang sama juga dilaporkan oleh Dejean, et al [14] yang melakukan impregnasi KOH pada karbon aktif dari shea nut shell dan dari hasil analisis XRD menunjukkan terbentuk senyawa kalium karbonat pada karbon aktif setelah impregnasi KOH. Menurut Dejean, et al [14] pembuatan karbon aktif yang diimpregnasi dengan KOH bergantung pada suhu pirolisis dan perbandingan KOH dan senyawaan kalium yang utama terbentuk ialah karbonat (K2CO3) dan oksida (K2O). Kalium karbonat merupakan jenis bahan aktif yang bertanggungjawab untuk mengkatalis suatu reaksi transesterifikasi. Dari hasil analisis FTIR dapat disimpulkan bahwa senyawaan yang terbentuk pada karbon aktif dari cangkang kemiri setelah diimpregnasi dengan KOH ialah kalium karbonat.



4.3.2 Analisis SEM (Scanning Electron Microscopy) Karakterisasi katalis dapat dilakukan dengan melihat sifat permukaan yang meliputi struktur dan morfologi suatu katalis yang dapat dilakukan dengan analisis SEM (Scanning Electron Microscopy). Morfologi permukaan katalis dengan kandungan kalium tertinggi ditunjukkan oleh Gambar 4.5 berikut.



30 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Gambar 4.5 Hasil Analisis SEM dengan perbesaram 500 kali katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi KOH



Karbon aktif yang telah memiliki pori-pori pada permukannya diimpregnasi pada larutan KOH untuk menjerap ion kalium yang memiliki sifat katalitik basa yang baik. Impregnasi logam pada pori-pori karbon ditunjukkan oleh cara larutan yang tersedia, incipient wetness, pertukaran ion, ataupun deposisi uap kimia yang diikuti dengan tahap kalsinasi atau reduksi [34]. Kalsinasi akhir dilakukan untuk menguapkan bahan volatil serta menguatkan logam yang telah melekat pada permukaan karbon aktif [23]. Gambar 4.5 menunjukkan morfologi permukaan karbon aktif yang telah diimpregnasi KOH memiliki pori-pori pada permukaan yang telah. Tertutupnya pori-pori karbon aktif ini diduga ialah logam kalium yang telah terjerap selama proses impregnasi. Hal ini menandakan bahwa KOH telah terdipersi dengan baik pada permukaan karbon aktif. Hal yang sama juga dilaporkan oleh Abujrai, et al [8] dan Baroutian, et al [11]. Hasil analisis AAS yang menunjukkan adanya peningkatan kandungan logam kalium pada karbon aktif setelah imregnasi semakin menguatkan bahwa logam kalium telah tersebar dengan baik pada permukaan karbon aktif. Analisis permukaan morfologi pada karbon aktif setelah impregnasi mengindikasikan bahwa karbon aktif telah memiliki sisi aktif yang



31 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



bersifat basa karena mengandung logam kalium sehingga dapat mengkatalis suatu reaksi.



32 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



BAB V KESIMPULAN DAN SARAN



5.1



KESIMPULAN Adapun kesimpulan yang diperoleh dari penelitian ini ialah: 1. Kondisi terbaik dari proses impregnasi untuk menghasilkan kandungan kalium tertinggi pada karbon aktif dari cangkang kemiri setelah diimpregnasi ialah pada konsentrasi KOH 50 gram/ 150 ml aquades dengan waktu impregnasi selama 24 jam dengan kandungan kalium sebesar 11,62%. 2. Aktivasi karbon aktif dengan asam diperlukan untuk meningkatkan kemampuan penjerapan karbon aktif terhadap logam kation seperti kalium. 3. Sisi aktif katalis yang terbentuk setelah proses impregnasi ialah senyawa K2CO3 sebagai hasil reaksi KOH dengan karbon.



5.2



SARAN Penelitian selanjutnya disarankan untuk : 1. Mengkaji pengaruh suhu karbonisasi biomassa untuk menghasilkan katalis berbasis karbon aktif yang diimpregnasi dengan KOH. 2. Menggunakan bahan basa lain, seperti KF, K2CO3 ataupun senyawa lain. 3. Mengkaji parameter lain yang mungkin mempengaruhi kandungan kalium pada karbon aktif setelah impregnasi, misalnya suhu impregnasi maupun kecepatan pengadukan impregnasi. 4. Mengkaji pengaruh aktivasi karbon terhadap peningkatan kemampuan katalitik dari karbon aktif. 5. Mengukur diameter pori dan luas permukaan katalis dengan menggunakan Brunaer, Emmet dan Teller (BET).



33 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



DAFTAR PUSTAKA [1]



Dalibor M. Marinkovic, Miroslav V. Stankovic, Ana V. Velickovic, Jelena M. Avramovic, Marija R. Miladinovic, Oliver O. Stamenkovic dan Dusan M. Jovanovic. “Calcium Oxide as a Promising Hetertogeneous Catalyst for Biodiesel Production : Current State and Perspectives”. Elsevier. Renewable and Sustainable Energy Reviews 56 (2016) 1387–1408.



[2]



Elsie Bet Moushoul, Khalil Farhadi, Yaghoub Mansourpanah, Ali Mohammad Nikbakht, Rahim Molaei dan Mehrdad Forough. “Application of CaO-Based/Au Nanoparticles as Heterogeneous Nanocatalyst in Biodiesel Production”. Elsevier. Fuel JFUE 9656 No. of Pages 9, Model 5G. 2015.



[3]



Achanai Buasri, Phatsakon Worawanitchaphong, Sarinthip Trogyong dan Vorrada Loryuenyong. “Utilization of Scallop Waste Shell for Biodiesel Production from Palm Oil-Optimization Using Taguchi Method”. Elsevier. APCBEE Procedia 8 ( 2014 ) 216 – 221.



[4]



Thawatchai Maneerung, Sibudjing Kawi dan Chi-Hwa Wang. “Biomass Gasification Botom Ash as a Source of CaO Catalyst for Biodiesel Production via Transesterification of Palm Oil”. Energy Conversion and Management 92 (2015) 234–243.



[5]



S. Niju, K.M. Meera Sheriffa Begum, N. Anantharaman. “Enhancement of Biodiesel Synthesys Over Highly Active CaO Derived From Natural White Bivalve Clam Shell”. Arabian Journal of Chemistry (2014) 06.006.1878-5352.



[6]



Achanai Buasri, Kanokphol Rochanakit, Wasupon Wongvitvichot, Uraiporn Masa-ard dan Vorrada Loryuenyong. “The Application of Calcium Oxide and Magnesium Oxide from Natural Dolomitic Rock for Biodiesel Synthesis”. Energy Procedia 79 ( 2015 ) 562 – 566.



[7]



Rui Shan, Guanyi Chen, Beibei Yan, Jiafu Shi dan Changye Liu. “Porous CaO-Based Catalyst Derived from PSS-Induced Mineralization for Biodiesel Production Enhancement”. Elsevier. Energy Conversion and Management 106 (2015) 405–413.



[8]



Ahmad M. Abu-Jrai, Farrukh Jamil, Ala’a H.Al-Muhtaseb, Mahad Baawain, Lamya Al-Haj, Mohab Al-Hinai, Mohammed Al-Albri, Sikander Rafiq. Valorization of waste Date pis biomass for biodiesel production in presence of green carbon catalyst. Elsevier. Energy Conversion and Management 135 (2017) 236-243.



[9]



Sumit H. Dhawane, Tarkeshwar Kumar dan Gopinath Halder. “Biodiesel synthesis from Hevea brasiliensis oil employing carbon supported



34 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



heterogeneous catalyst : Optimization by Taguchi Method. Elsevier. Renewable Energy 89 (2016) 506-514. [10]



N. Subramonia Pillai, P. Seeni Kannan dan S. C. Vettivel. Optimization Of Transesterification of Biodiesel Using Green Catalyst Derived from Albizia Lebbeck Pods By Mixture Design. Elsevier. Internationel Journal of Renewable Energy 104 (2016) 185-196.



[11]



Saeid Baroutian, Mohamed Kheireddine Aroua, Abdul Aziz Abdul Raman, Nik Meriam Nik Sulaiman. Potassium hydroxide catalyst supported on palm shell activated carbon for transesterification of palm oil. Elsevier. Fuel Processing Technology 91 (2010) 1378-1385.



[12]



Sumit H. Dhawane, Akash Pratim Bora, Tarkeshwar Kumar dan Gopinath Halder. Parametric optimization of biodiesel synthesis from rubber seed oil using iron droped carbon catalyst by Taguchi approach. Renewable Energy 105 (2017) 616-624.



[13]



Hidayati Susana. “Pengaruh Konsentrasi LiOH Terhadap Sifat Listrik Anoda Baterai Litium Berbasis Karbon Aktif Tempurung Kemiri”. Skripsi Jurusan Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Andalas. 2016.



[14]



Aristide Dejean, Igor W.K. Ouedraogo, Sylvie Mouras, Jeremy Valette, dan Joel Blin. Shea nut shell based catalysts for the production of ethanolic biodiesel. Elsevier. Energy for Sustainable Development 40 (2017) 103– 111.



[15]



A. Barosso-Bogeat, M. Alexandre-Franco, C. Fernandez-Gonzalez, V. Gomez-Serrano. Preparation of activated carbon-metal oxide hybrid catalysts : textural characterization. Elsevier. Fuel Processing Technology 126 (2014) 95-103.



[16]



Wisnu Cahyo Prabowo, Komar Ruslan Wirasutisna, Muhamad Insanu. “Isolation And Characterization Of 3-Acetyl Aleuritolic Acid And Scopoletin From Stem Bark Of Aleurites Moluccana (L.) Willd”. International Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences ISSN0975-1491 Vol 5, Issue 3 (2013) 851-853.



[17]



Mahllinda. “Pengembangan Teknologi Pengupasan Biji Kemiri Menggunakan Variable Frequency Drive (VFD) Development Of Candle Nut Cracking Technology Using Variabel Frequency Drive (VFD)”. Jurnal Hasil Penelitian Industri, Vol. 23, No.1. 2010.



[18]



Sapna Bhardwaj Rashmi. “Aleurites moluccana Seeds: A rich source of Linolenic acid”. Journal of Natural Products, Vol. 8(2015): 123-126.



35 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



[19]



Gianyar, Ida Bagus Gde, Nurchayati dan Yesung Allo Padang. “Pengaruh Persentase Arang Tempurung Kemiri Terhadap Nilai Kalor Briket Campuran Biomassa Ampas Kelapa - Arang Tempurung Kemiri”. Dinamika Teknik Mesin, Volume 2 No.2 Juli 2012 halaman 67-74.



[20]



Mody Lempang, Wasrin Syafii dan Gustan Pari. “Sifat Dan Mutu Arang Aktif Tempurung Kemiri (Properties and Quality of Candlenut Shell Activated Charcoal)”. Jurnal Penelitian Hasil Hutan, Vol. 30 No. 2, Juni 2012: 100-113.



[21]



Hartina Sylvia, Muhammad Turmuzi dan Rosdanelli Hasibuan. Proses Impregnasi ZnCl2 pada Proses Pembuatan Karbon Aktif Tempurung Kemiri. Jurnal Hasil Penelitian Industri (HPI) ISSN : 2089-5380 Volume 27 No. 1 April 2014 halaman 34-41.



[22]



Laos, Landiana Etno, Mahardika Prasetya Aji dan Sulhadi. 2016. Pengaruh Konsentrasi Karbon Aktif Kulit Kemiri dan Aplikasinya Terhadap Penjernihan Limbah Cair Methylene Blue. Prosiding Seminar Nasional Fisika SNF 2016 Volume V halaman 141-144.



[23]



Sharifah Hanis Yasmin Sayid Abdullah,, Nur Hanis Mohamad Hanapi, Azman Azid, Roslan Umar, Hafizan Juahir, Helena Khatoon dan Azizah Endut. A review of biomass-derived heterogeneous catalyst for a sustainable biodiesel production. Elsevier. Renewable and Sustainable Energy Reviews 81 (2018) 1259-1268.



[24]



Lakhya Jyoti Konwar, Jutika Boro dan Dhanapati Deka. Review on latest developments in biodiesel production using carbon-based catalysts. Elsevier. Renewable and Sustainable Energy Reviews 29 (2014) 546–564.



[25]



Maria Jesus Lazaro, Sonia Ascaso, Sara Perez-Rodriguez, Juan Carlos Calderon, Maria Elena Galvez, Maria Jesus Nieto, Rafael Moliner, Alicia Boyano, David Sebastian, Cinthya Alegre, Laura Calvillo dan Veronica Celorrio. Carbon-based catalysts: Synthesis and applications. Elsevier. International Symposium on Air & Water Pollution Abatement Catalysis (AWPAC) – Catalysis for renewable energy, C. R. Chimie, Volume 18, Issue 1 (2015) 1229-1241.



[26]



Xiaobo Fu,, Dianhong Li, Jia Chen, Yuangming Zhang, Weiya Huang, Yi Zhu, Jun Yang dan Chengwu Zhang. A microalgae residue based carbon solid acid catalyst for biodiesel Production. Elsevier. Bioresource Technology 146 (2013) 767–770.



[27]



Lakhya Jyoti Konwar, Johan Warnia, Paivi Maki-Arvela, Narendra Kumar dan Jyri-Pekka Mikkola. Reaction kinetics with catalyst deactivation in simultaneous esterification and transesterification of acid oils to biodiesel (FAME) over a mesoporous sulphonated carbon catalyst. Elsevier. Fuel 166 (2016) 1–11.



36 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



[28]



Yuniar, Mappiratu dan Nurhaeni. Kajian daya serap arang tempurung kemiri (aleorites moluccana) terhadap ion besi (III) dan ion timbal (II) pada berbagai waktu kontak. Kovalen Jurnal Riset Kimia 1 (1) : 30-35 Desember 2015, ISSN: 2477-5398.



[29]



Noor Hindryawati, Gaanty Pragas Maniam, Md. Rezaul Karim dan Kwok Feng Chong. Transesterification of used cooking oil over alkali metal (Li,Na,K) supported rice husk Silica as Potential Solid Base Catalyst. Engineering Science and Technology an International Journal Volume 17, Issue 2 (2014) 95-103.



[30]



Lin Yang, Xue-wei Chou, Cong Li, Xiang-li Long dan Wei-kang Yuan. Reduction of [Fe(III)EDTA]- catalyzed by activated carbon modified with KOH solution. Elsevier. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 19 (2013) 784–790.



[31]



B.H. Hameed, C.S. Goh, L.H. Chin. Process optimization for methyl ester production from waste cooking oil using activated carbon supported potassium fluoride. Elsevier. Fuel Processing Technology 90 (2009) 15321537.



[32]



Shuxiao Wang, Haoran Yuan, Yazhou Wang dan Rui Shan. Transesterification of vegetable oil on low cost and efficient meat and bone meal biochar catalysts. Elsevier. Energy Conversion and Management 150 (2017) 214-221.



[33]



Nour T. Abdel-Ghani, Ghadir A. El-Chaghaby, Mohamed H. ElGammal dan El-Shaimaa A. Rawash.. Optimizing the preparation conditions of activated carbons from olive cake using KOH activation. Science Direct. New Carbon Materials Volume 31, Issue 5 (2016).



[34]



Seyed A. Dastgeib, Jianli Ren, Massoud Rostam-Abadi dan Ramsay Chang. Preparation of functionalized and metal-impregnated activated carbon by a single-step activation method. Elsevier. Applied Surface Science 290 (2014) 92-101.



[35]



Miroslaw Kwiatkowski, Dimitrios Kalderis dan Evan Diamadopoulos. Numerical analysis of the influence of the impregnation ratio on the microporous structure formaton of activated carbon, prepared by chemical activation of waste biomass with phosphoric acid. Elsevier. Journal of Physical and Chemistry of Solids, Volume 105 (2017) 81-85.



37 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



LAMPIRAN 1 DATA HASIL PENELITIAN



L1.1



Hasil Analisis AAS (Atomic Absorption Spectrophotometry)



Tabel A.1 Kandungan Kalium pada Karbon Aktif dengan Analisis AAS (Atomic Absorption Spectrophotometry) Konsentrasi Konsentrasi Kecepatan Waktu Suhu KOH Logam Pengadukan impregnasi RUN Impregnasi (gram/ 150 Kalium Impregnasi (jam) (oC) ml (ppm) (rpm) aquades) 1 5 34677,13 2 10 61163,55 3 20 80146,36 4 12 30 65962,76 5 40 60412,56 6 50 106721,02 7 60 106412,30 8 5 37159,63 9 10 62114,67 10 20 69341,96 11 250 30 18 30 70504,46 12 40 89445,32 13 50 112534,46 14 60 111412,33 15 5 31617,44 16 10 65850,14 17 20 72642,08 18 24 30 83512,41 19 40 105012,22 20 50 116212,11 21 60 112645,62



38 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



L1.2



Hasil Analisis SEM dan EDX



Gambar L4.1 Hasil Analisis SEM-EDS Cangkang Kemiri



39 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Gambar L4.2 Hasil Analisis SEM Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri Setelah Impregnasi KOH



Gambar L4.3 Hasil Analisis SEM Karbon Aktif dari Cangkang Kemiri Sebelum Impregnasi KOH



40 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



L1.3



Hasil Analisis FTIR



Gambar L4.4 Hasil Analisis Karbon Aktif sebelum Impregnasi KOH



41 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Gambar L4.5 Hasil Analisis Karbon Aktif setelah Impregnasi KOH



42 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



LAMPIRAN 2 CONTOH PERHITUNGAN



1. PERHITUNGAN LARUTAN HCl 0,1 N 60 ml Konsentrasi mula-mula HCl M1 = M1 =



10 ×𝜌×% 𝐵𝑀 10 ×1,18×37 37,5



M1 = 11,64 M



Rumus pengenceran M1.V1



= M2.V2



11,64 M. V1



= 0,1. 60



V1



= 0,5 ml



Maka, volume aquades



= 60 ml – 0,5 ml = 59,5 ml



Untuk membuat larutan HCl 0,1 N sebanyak 60 ml dibutuhkan 0,5 ml HCl dan 59,5 aquades.



2. KONVERSI HASIL ANALISIS AAS Dari hasil analisis dengan AAS (Tabel A.1) diperoleh konsentrasi kalium pada kondisi impregnasi : konsentrasi KOH 10 gram / 150 ml aquades selama 12 jam ialah 61163,5541 ppm.



% Kalium



=



61163,5541 1000000



𝑥 100 %



= 6,11 %



Analog dengan kondisi impregnasi yang lainnya, maka hasilnya dapat dilihat pada tabel B.1 berikut.



43 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Tabel B.1 Konversi Kandungan Kalium Hasil Analisis AAS Kecepatan Waktu Suhu Pengadukan impregnasi RUN Impregnasi Impregnasi (jam) (oC) (rpm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21



12



250



30



18



24



Konsentrasi Kandungan KOH Logam (gram/ 150 Kalium ml (%) aquades) 5 3,46 10 6,11 20 8,01 30 6,59 40 6,04 50 10,67 60 10,64 5 3,71 10 6,21 20 6,93 30 7,05 40 8,94 50 11,25 60 11,14 5 3,16 10 6,58 20 7,26 30 8,35 40 10,50 50 11,62 60 11,26



44 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



LAMPIRAN 3 DOKUMENTASI PENELITIAN



L.3.1 FOTO HASIL KARBONISASI CANGKANG KEMIRI



Gambar L3.1 Foto cangkang kemiri setelah karbonisasi



L.3.2 FOTO PROSES IMPREGNASI KARBON AKTIF CANGKANG KEMIRI DENGAN LARUTAN KOH



DARI



Gambar L3.2 Foto Proses Impregnasi Karbon Aktif dengan KOH



45 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



L3.3



FOTO PENYARINGAN KARBON IMPREGNASI DENGAN KOH



AKTIF



SETELAH



Gambar L3.3 Foto proses penyaringan karbon aktif setelah impregnasi



L.3.4 FOTO HASIL IMPREGNASI KARBON AKTIF DARI CANGKANG KEMIRI DENGAN LARUTAN KOH SETELAH DIKERINGKAN



Gambar L3.4 Foto hasil impregnasi karbon aktif dengan KOH setelah dikeringkan di Oven



46 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



L3.5



FOTO KATALIS BERBASIS KARBON AKTIF DARI CANGKANG KEMIRI YANG DIIMPREGNASI KOH



Gambar L3.5 Foto katalis berbasis karbon aktif dari cangkang kemiri yang diimpregnasi KOH



47 Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara