KARBON AKTIF

Karbon aktif adalah senyawa karbon yang telah ditingkatkan daya adsorpsinya dengan melakukan proses karbonisasi dan aktifasi. Pada proses tersebut terjadi penghilangan hidrogen, gas-gas dan air dari permukaan karbon sehingga terjadi perubahan fisik pada permukaannya. Aktifasi ini terjadi karena terbentuknya gugus aktif akibat adanya interaksi radikal bebas pada permukaan karbon dengan atom-atom seperti oksigen dan nitrogen.

Karbon aktif terdiri dari 87 - 97 % karbon dan sisanya berupa hidrogen, oksigen, sulfur dan nitrogen serta senyawa-senyawa lain yang terbentuk dari proses pembuatan. Volume pori-pori karbon aktif biasanya lebih besar dari 0,2 cm³/gram. Sedangkan luas permukaan internal karbon aktif yang telah diteliti umumnya lebih besar dari 400 m²/gr dan bahkan bisa mencapai di atas 1000 m²/gr (Sudibandriyo, 2003). Menurut Yang dkk, (2003) luas permukaan karbon aktif yang dikarakterisasi dengan metode BET berkisar antara 300 – 4000 m²/gr.

Pada dasarnya karbon aktif dapat dibuat dari semua bahan yang mengandung karbon baik yang berasal dari tumbuh-tumbuhan, binatang maupun barang tambang seperti berbagai jenis kayu, sekam padi, tulang binatang, batu bara, kulit biji kopi, tempurung kelapa, tempurung kelapa sawit dan lain-lain (Manocha dan Satish, 2003). Bahan-bahan alami tersebut dipreparasi dengan cara karbonisasi dan aktivasi  sehingga menghasilkan karbon aktif. Karbon aktif digunakan pada berbagai bidang aplikasi sesuai dengan jenisnya.

Pada abad XV, diketahui bahwa karbon aktif dapat dihasilkan melalui komposisi kayu dan dapat digunakan sebagai adsorben warna dan larutan. Aplikasi komersial, baru dikembangkan pada tahun 1974 yaitu pada industri gula sebagai adsorben gas, dan menjadi sangat terkenal karena kemampuannya menyerap uap gas beracun yang digunakan pada perang dunia 1.

Menurut Suzuki (1990) karbon aktif dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis sebagai berikut: 
1.      Karbon aktif granut

Jenis ini berbentuk butiran atau pelet. Biasanya digunakan untuk proses pada fluida fase gas yang berfungsi untuk memperoleh kembali pelarut, pemisahan dan pemurnian gas. Karbon aktif granul diperoleh dari bahan baku yang memiliki struktur keras seperti tempurung kelapa, tulang dan batubara. Ukuran partikel dari granul karbon aktif berbeda-beda tergantung pada aplikasinya. Untuk aplikasi adsorpsi fase gas ukuran granul yang sering digunakan adalah 4x8 mesh sampai 10x20 mesh dan untuk bentuk pelet memiliki ukuran partikel 4 mm – 6 mm. 

Karbon aktif granut 

2.      Karbon aktif powder

Karbon aktif powder umumnya diproduksi dari bahan kayu dalam bentuk serbuk gergaji, ampas pembuatan kertas atau dari bahan baku yang mempunyai densitas kecil dan struktur yang lemah. Jenis ini memiliki ukuran rata-rata 15–25 µm. Industri  besar menggunakan karbon aktif powder untuk penghilangan warna pada proses pembuatan makanan. Belakangan karbon aktif powder digunakan pada water treatment untuk air minum dan air limbah. Biasanya karbon aktif powder  digunakan dalam fase cair yang berfungsi untuk memindahkan zat-zat pengganggu yang menyebabkan warna dan bau yang tidak diharapkan.

Karbon aktif powder 

3.      Karbon aktif  molecular sieves

Aplikasi utama dari karbon aktif moleculer sieve adalah pemisahan nitrogen dan oksigen dalam udara. Karbon aktif  molecular sieve merupakan suatu material yang menarik sebagai model karbon aktif sejak memiliki ukuran mikropori yang seragam dan kecil.

Karbon aktif molecule sieves 

4.      Karbon aktif fiber

Karbon aktif fiber memiliki ukuran yang lebih kecil dari karbon aktif powder. Sebagian besar karbon aktif fiber memiliki diameter antara  7–15 µm. Aplikasi karbon aktif fiber dapat ditemukan dalam bidang perlakuan udara seperti penangkapan larutan. 

Karbon aktif fiber

Pada prinsipnya pembuatan karbon aktif terdiri atas tiga proses sebagai berikut : 
1.      Pemilihan Bahan Dasar

Persiapan bahan dasar dalam pembuatan karbon aktif perlu dilakukan agar diperoleh karbon aktif yang sesuai dengan tujuan. Persiapan bahan dasar dapat berupa pemilihan, pembentukan, dan pembersihan bahan dasar. Dalam melakukan pemilihan bahan dasar karbon aktif, beberapa kriteria yang harus dipenuhi diantaranya kemampuan ketersediaan bahan dasar tersebut untuk skala industri, harganya tidak mahal, memiliki kandungan karbon yang tinggi serta memiliki unsur inorganik (seperti abu) yang rendah (Manocha Satish, 2003).

Berdasarkan bentuk dan ukuran, karbon aktif terdapat dalam beberapa jenis seperti powder dan granul. Biasanya disesuaikan dengan tujuan penggunaan, apakah untuk penggunaan pada fase gas  atau fase cair. Karbon aktif bentuk powder umumnya digunakan untuk penyerapan fase cair sedangkan bentuk granul utamanya digunakan untuk aplikasi pada  fase gas. Selain itu kemurnian dari karbon aktif merupakan parameter yang mempengaruhi kemampuan adsorpsi dari karbon aktif (Bahl dkk, 1987). Oleh sebab itu bahan dasar perlu dipersiapkan dengan melalui proses pencucian dengan larutan dan proses pengeringan. 
2.      Proses Karbonisasi

Proses karbonisasi adalah proses  perlakuan panas pada kondisi oksigen  yang sangat terbatas (pirolisis) terhadap bahan dasar (bahan organik). Proses pemanasan tersebut menyebabkan terdekomposisinya bahan dan lepasnya komponen yang mudah menguap dan karbon mulai membentuk struktur pori-pori. Dengan demikian bahan dasar tersebut telah mimiliki luas permukaan tetapi penyerapannya masih relatif kecil karena masih terdapat residu tar dan senyawa lain yang menutupi pori-pori. Bahan dasar hasil karbonisasi disebut dengan karbon atau arang.

Menurut Yang dkk, 2003, proses karbonisasi dilakukan pada temperatur 400-500 ^oC sehingga material yang mudah menguap yang terkandung pada bahan dasar akan hilang. Sedangkan menurut Satish, (2003) proses karbonisasi dilakukan pada temperatur kurang dari 800 ^oC. Hsisheng, (1996) dalam penelitiannya melakukan karbonisasi pada temperatur 800-950 ^oC.  Nugroho Y, (2000) dalam penelitiannya diperoleh batubara Tanjung Enim akan habis kandungan senyawa yang mudah menguap (volatile matter) pada kisaran temperature 850-950 ^oC. 
3.      Proses Aktivasi

Proses aktivasi  adalah proses perlakuan panas dengan jumlah oksigen yang sangat terbatas (pirolisis) terhadap produk karbon. Proses aktivasi ini menyebabkan terjadinya pelepasan hidrokarbon, tar dan senyawa organik yang masih melekat pada karbon hasil karbonisasi. Menurut Sontheimer, 1985  pada proses aktivasi terjadi pembentukan pori-pori yang masih tertutup dan peningkatan ukuran serta jumlah pori-pori kecil yang telah terbentuk. Dengan demikian karbon aktif hasil aktivasi memiliki luas permukaan internal yang lebih besar. Karbon hasil aktivasi disebut juga dengan karbon aktif.

Proses aktivasi merupakan proses yang terpenting karena sangat menentukan kualitas karbon aktif yang dihasilkan baik luas area permukan maupun daya adsorpsinya. Proses aktivasi dapat dilakukan dengan dua cara yaitu aktivasi kimia dan aktivasi fisika. 
1.      Aktivasi Kimia

Aktivasi kimia biasanya digunakan untuk bahan dasar yang mengandung sellulosa dan menggabungkan antara tahap karbonisasi dan tahap aktivasi. Zat kimia yang dapat mendehidrasi seperti phosforic acid (H₃PO₄) atau KOH ditambahkan ke bahan dasar pada temperatur yang telah dinaikkan. Produk ini kemudian akan mengalami pirolisis termal yang mendegradasi selulosa lalu didinginkan dan terakhir agen aktivasinya diekstraksi. Biasanya hasil proses ini adalah karbon aktif bubuk densitas rendah. Aktivasi kimia ini bertujuan mengurangi pembentukan pengotor  dan produk samping dengan cara merendam bahan mentah dalam senyawa kimia. Menurut Yang  dkk, (2003) proses aktivasi kimia dilakukan pada temperatur 500-900 ^oC dan activating agent yang digunakan bervariasi seperti phosphoric acid, zinc chloride, potassium sulfide, KOH dan NaOH. 
2.      Aktivasi Fisika

Aktivasi fisika disebut juga aktivasi termal. Menurut Satish, (2003) aktivasi fisika adalah proses untuk mengembangkan struktur pori dan memperbesar luas permukaan karbon aktif dengan perlakuan panas pada temperature 800-1000 ^oC dengan mengalirkan gas pengoksidasi seperti uap atau karbondioksida. Hasil dari proses aktivasi dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain laju kenaikan temperatur, laju aliran inert gas, temperatur proses, activating agent, lama proses aktivasi dan alat yang digunakan pada penelitian tersebut (Marsh dkk, 2006)

Hsisheng, (1996) melakukan penelitian pembuatan karbon aktif dari tiga jenis batubara antracit pada temperatur aktivasi 900 ^oC dengan variasi waktu sampai 200 menit dan menggunakan CO₂ sebagai activating agent. Diperoleh bahwa semakin lama proses aktivasi dilakukan maka semakin besar kandungan batubara yang berkurang dan menghasilkan luas permukaan yang semakin besar.

Bahan dasar yang telah melalui proses karbonisasi dan aktivasi disebut dengan karbon aktif. Karbon aktif merupakan jenis adsorben yang paling banyak digunakan sebab adsorben jenis ini dinilai memiliki luas permukaan yang besar dan daya adsorpsi yang paling baik diantara jenis adsorben lainnya (Cabe. dkk, 1999).