2709100075-chapter2.docx.pdf

Laporan Tugas Akhir

Jurusan Teknik Material dan Metalurgi

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tanaman Kluwak (Pangium Edule)

Kluwak merupakan produk yang terbuat dari biji picung

(Pangium edule Reinw) yang telah mengalami perebusan dan pemeraman dalam tanah selama kurang lebih 40 hari. Kluwak

dikenal sebagai rempah-rempah yang digunakan untuk bumbu

masakan khas Jawa Timur yaitu "rawon" atau "bronkos" (Karmila, 1998). Tanaman Pangium Edule memiliki sebutan yang

berbeda-beda di setiap daerah, misalnya di Sumatra Utara (Toba)

tanaman ini memiliki sebutan biji Hapesong, Kepayang dalam

bahasa Indonesia, Pangi dalam bahasa Melayu, Pucung untuk daerah Jakarta, Kepayang atau Kapecong di Minangkabau,

Kalowa untuk daerah Sumbawa dll. Sedangkan klasifikasi yang

dimiliki oleh Tanaman Pangium Edule adalah sebagai berikut :

Kingdom : Plantae

Divisio : Spermatophyta Sub Divisio : Angiospermae

Kelas : Dikotiledoneae

Bangsa : Cistale

Suku : Flacourtiaceae Genus : Pangium

Spesies : Pangium Edule

Tanaman berupa pohon dengan tinggi sampai 40 m dengan

diameter batang 2,5 m. Daerah penyebaran hampir mencakup

seluruh nusantara. Terdapat liar di Pulau Jawa pada ketinggian 1000 m diatas permukaan laut. Pohon ini berbuah diawal musim

hujan pada umur 15 tahun dan dengan jumlah 300 biji setiap

pohon (Badan POM, 2004). Gambar buahnya seperti ditunjukkan

oleh gambar 2.1.

8

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.1 Buah Kluwak

Kegunaan Pohon Kluwak adalah kayunya yang bisa digunakan untuk membuat batang korek api, daunnya sebagai

obat cacing, bijinya sebagai antiseptic, bijinya yang dihaluskan

dapat menghilangkan kutu pada kerbau, biji kluwak dapat dibuat minyak sebagai pengganti minyak kelapa serta Kluwak bisa

digunakan sebagai pengawet ikan.

Sedangkan kandungan kimia Biji Kluwak adalah sebagai

berikut:

Vitamin C

Ion besi Betakaroten

Asam sianida (sifatnya beracun, mudah menguap

pada suhu 26 derajat Celcius, bila terhirup binatang ternak dapat mengakibatkan kematian, aman untuk

pengawetan ikan).

Asam asam hidnokarpat.

Asam khaulmograt. Asam glorat. Tanin (sebagai pengawet ikan). (Anonymous, 2012)

Tempurung Kelapa dan Tempurung Kluwak merupakan bahan organik yang selalu terdiri dari beberapa komponen berupa

selulosa, hemiselulosa dan lignin. Selulosa merupakan senyawa

9

Laporan Tugas Akhir


organik dengan formula (C6H10O5)n yang terdapat pada dinding

sel dan berfungsi untuk mengokohkan struktur.Struktur kimia

selulosa dapat dilihat pada gambar 2.2

Gambar 2.2 Struktur Kimia Selulosa (Wikipedia,2002)

Sedangkan hemiselulosa adalah polimer polisakarida heterogen yang tersusun dari unit D-Glukosa, L-Arabiosa dan D-

Xilosa yang mengisi ruang antara serat selulosa didalam dinding

sel tumbuhan. Dengan begitu hemiselulosa adalah matrix pengisi serat selulosa. Struktur dari hemiselulosa dapat dilihat pada

gambar 2.3.

Gambar 2.3 Struktur Kimia Hemiselulosa (Wikipedia, 2002)

Selain selulosa dan hemiselulosa pada tumbuhan juga terdapat lignin yang merupakan senyawa kimia yang sangat

kompleks dan berstruktur amorf. Lignin juga merupakan polimer

10

Laporan Tugas Akhir


dengan berat molekular yang tinggi dengan struktur yang

bervariasi. Lignin berfungsi sebagai pengikat untuk sel-sel yang

lain dan juga memberikan kekuatan. Struktur kimia lignin dapat

dilihat pada gambar 2.4. Dan untuk pola difraksi selulosa, hemiselulosa dan lignin pada pengujian XRD dapat dilihat pada

gambar 2.5 yaitu pengujian XRD yang dilakukan oleh Rosa

(2010).

Gambar 2.4 Struktur Kimia Lignin (Wikipedia, 2002)

Pada dasarnya kandungan Selulosa, Hemiselulosa dan Lignin berpengaruh terhadap kandungan Karbon yang digunakan

sebagai karbon aktif.

11

Laporan Tugas Akhir


Gambar 2.5 Pola difraksi XRD Selulosa Hemiselulosa dan

Lignin pada kondisi untreated

Selulosa

Lignin

Hemiselulosa

12

Laporan Tugas Akhir


2.2 Kelapa dan Tempurung Kelapa

2.21. Kelapa

Kelapa adalah satu komoditi yang banyak diusahakan oleh

masyarakat karena manfaatnya cukup besar dalam memenuhi kebutuhan setiap hari. Indonesia merupakan negara penghasil

kelapa kedua di dunia setelah di filipina, namun penggunaan

kelapa tersebut pada umumnya sangat terbatas yaitu dagingnya dibuat kopra sebagai bahan baku industri minyak goreng dan juga

dibuat santan untuk keperluan rumah tangga. Berikut ini gambar

pohon kelapa.

Gambar 2.6 Kelapa

Varietas tanaman kelapa yang dikenal kurang lebih ada 100

macam. Tanaman ini mulai berbuah pada umur 6-7 tahun, sedangkan pada beberapa jenis mulai berbuah pada umur 4 tahun.

Produksi penuh dicapai pada umur 10 tahun, ini berlangsung

sampai umur 50 tahun. Pohon kelapa dikatakan tua pada umur 80 tahun dan biasanya akan mati pada umur 100 tahun. Buah kelapa

terdiri dari sabut, tempurung, daging buah dan air daging.

2.22. Arang Tempurung Kelapa Arang adalah suatu bahan padat yang berpori dan

merupakan hasil pembakaran dari bahan yang mengandung unsur

13

Laporan Tugas Akhir


C. Sebagaian besar dari pori-porinya masih tertutup dengan

hidrokarbon dan senyawa organic lainya. Komponennya terdiri

dari : “fixed Carbon”, abu, air nitrogen dan sulfur. Dibawah ini

gambar tempurung kelapa dan arang tempurung kelapa sebagai bahan baku karbon aktif.

Gambar 2.7 Tempurung Kelapa

Gambar 2.8 Arang Tempurung Kelapa

Arang tempurung (coconut shell charcoal) adalah arang

yang dibuat dengan cara karbonisasi dari tempurung atau batok

14

Laporan Tugas Akhir


kelapa. Arang tempurung yang baik adalah berwarna hitam

seragam dan jika dipatahkan atau dihancurkan, maka pada

pinggiran bekas patahannya tidak mengkilap.Sedangkan

tempurung yang terlalu lama pembakarannya (hangus) maka arang itu mudah hancur dan bila dijatuhkan pada benda keras

akan berbunyi nyaring. Komposisi arang tempurung yang baik

adalah sebagai berikut :

Tabel 2.1 Komposisi Arang Tempurung Kelapa

2.3 Karbon Aktif

Karbon aktif adalah suatu bahan padat berpori yang

merupakan hasil pembakaran bahan yang mengandung karbon.

Karbon aktif merupakan suatu bentuk arang yang telah melalui aktifasi dengan menggunakan gas CO2, uap air atau bahan-bahan

kimia sehingga pori-porinya terbuka dan dengan demikian daya

absorpsinya menjadi lebih tinggi terhadap zat warna dan bau. Karbon aktif mengandung 5 sampai 15 persen air, 2 sampai 3

persen abu dan sisanya terdiri dari karbon. Karbon yang sekarang

banyak digunakan berbentuk butiran (granular) dan berbentuk bubuk (tepung). Karbon yang berbentuk bubuk memerlukan

waktu kontak lebih sebentar dibandingkan karbon berbentuk

butiran, tetapi karbon berbentuk bubuk lebih sukar ditangani.

Karbon berbentuk butiran dapat diaktifkan kembali untuk digunakan selanjutnya, yaitu dengan cara memanaskan di dalam

pembakar (furnace) ganda.

15

Laporan Tugas Akhir


Karbon aktif dapat mengeluarkan bahan organik terlarut

pada konsentrasi yang rendah pada air. Keduanya, baik itu karbon

aktif granular (Granular Activated Carbon/GAC) maupun bubuk

(Powdered Activated Carbon/PAC) diterapkan sebagai perkembangan dalam pengolahan limbah cair. Luas permukaan

karbon aktif yang besar akan mengasimilasi bahan organik

sedangkan mikroba mendegradasi untuk membuka kembali pori pada granular. Karenanya, bahan beracun pada limbah cair dapat

dikurangi kapasitasnya. Beberapa bahan yang dengan cepat

dibiodegradasi sulit mengadsorp karbon, membuatnya sulit untuk memprediksi effluent dari limbah (Tri Widjaja dkk, 2009).

Hampir semua bahan yang mengandung karbon tinggi

dapat dijadikan karbon aktif. Bahan-bahan yang umum digunakan

untuk karbon aktif adalah batu bara, kayu, batok kelapa dan residu minyak bumi. Serta banyak lagi bahan-bahan yang telah

diteliti dapat dijadikan karbon aktif terutama bahan organik

seperti kulit kacang, kelapa, buah persik dan bahkan Tempurung Kelapa dan Tempurung Kluwak. Tetapi bahan-bahan alternatif

tersebut memiliki keterbatasan jumlah. Keterbatasan ini

dikarenakan kebutuhan bahan yang tinggi namun hasil yang didapat hanya sedikit. Sebagai gambaran dari 1000 ton bahan

organik hanya didapatkan 100 ton karbon aktif dengan kualitas

yang bagus.

Bahan-bahan yang digunakan untuk karbon aktif biasanya memiliki nilai porositas tertentu dan luas pemukaannya sekitar

10-15 m2/g. Namun saat diaktifasi luas permukaan tersebut dibuat

lebih tinggi dengan mengontrol oksidasi atom-atom karbon yang biasanya menggunakan uap air dengan temperatur tinggi. Setelah

proses aktifasi selesai luas permukaannya bisa mencapai 700-

1200 m2/g. Luas permukaan yang tinggi harus diimbangi dengan

tingginya fleksibilitas untuk dilewati zat cair ataupun gas. Karena fleksibilitas inilah yang akan menjadi kekuatan karbon aktif untuk

dapat memiliki kemampuan daya serap yang tinggi.

16

Laporan Tugas Akhir


Besarnya daya serap karbon aktif sangat dipengaruhi oleh

keadaan pori-pori yang terbentuk. Pori-pori pada karbon aktif

memiliki beberapa jenis sebagai berikut :

1. Mikropori dengan ukuran dibawah 40 Angstrom 2. Mesopori dengan ukuran antara 40 - 5000 Angstrom

3. Makropori dengan ukuran diatas 5000 Angstrom

Gambar pori-pori seperti ditunjukkan pada gambar 2.9. Selama proses pembuatan karbon aktif pori-pori yang dibentuk pertama

kali oleh oksidasi pada temperatur rendah adalah makropori.

Makropori terbentuk dipermukaan bahan baku. Setelah itu mesopori terbentuk pada daerah yang lebih dalam yang terlihat

seperti saluran dari dinding yang terdapat makropori. Akhirnya

mikropori terbentuk karena akibat penyerangan oksidasi pada

struktur bahan baku. Pada bahan baku yang berbeda dan perlakuan yang berbeda

maka dominasi pori-pori yang terbentuk juga berbeda. Pada

karbon aktif dengandominasi mikropori sangat sesuai untuk digunakan sebagai penyerap molekul-molekus kecil seperti

molekul gas dan dengan tingkat kontaminan rendah. Sedangkan

karbon aktif dengan dominasi makropori sesuai untuk menyerap molekul yang lebih besar seperti molekul cairan dan sangat cocok

untuk decolorizing (cameron carbon corporated 2006).

. Gambar 2.9 pori-pori arang dan arang aktif (Harsanti, 2011)

17

Laporan Tugas Akhir


Jika Menurut Meilita Tryana (2003) dan Gitun (2002),

karbon aktif merupakan arang yang telah mengalami perubahan

sifat-sifat fisika dan kimianya karena dilakukan perlakuan aktifasi

dengan aktifator bahan-bahan kimia ataupun dengan pemanasan pada temperatur tinggi (pirolisis pada temperatur 600-900

oC),

sehingga daya serap dan luas permukaan pertikel serta

kemampuan arang tersebut akan menjadi lebih tinggi. Karbon aktif merupakan senyawa amorf yang dapat

dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon atau dari

arang yang diperlakukan dengan cara khusus untuk mendapatkan permukaan lebih luas. Karbon aktif memegang peranan yang

sangat penting baik sebagai bahan baku maupun sebagai bahan

pembantu pada proses industri dalam meningkatkan kualitas atau

mutu produk yang dihasilkan. Banyaknya bermunculan proses industri didalam dan diluar negeri semakin banyak pula

kebutuhan arang aktif, untuk itu semakin banyak peluang untuk

memproduksi dan memasarkan karbon aktif. Permintaan yang sangat besar, baik domestik maupun internasional, maka tingkat

persaingan dalam memproduksi arang aktif juga semakin

membaik. Kompetisi pasar saat ini telah didukung dengan

dikeluarkannya Standard Industri Indonesia (SII) yang mencakup

persyaratan - persyaratan minimum yang harus dipenuhi untuk

menjaga kualitas produk karbon aktif. Namun SII telah diperbarui dengan dikeluarkannya SNI (1995) yang menentukan nilai

minimum daya serap terhadap larutan iodine sebesar 750 mg/g.

Karbon aktif dibagi atas dua tipe yaitu arang aktif sebagai pemucat dan arang aktif sebagai penyerap uap. Bahan baku arang

aktif berasal dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah ataupun

mineral yang mengandung karbon antara lain : tulang, kayu

lunak, sekam, tongkol jagung, tempurung kelapa, sabut kelapa, ampas penggilingan tebu, ampas pembuatan kertas, serbuk

gergaji, kayu kertas dan batu bara. Produksi arang aktif di

Indonesia masih banyak dijumpai industri arang aktif secara tradisional, proses sangat sederhana atau disebut proses

18

Laporan Tugas Akhir


bergantian (batch process) dalam scale produces yang sangat

kecil dan rendahnya kualitas, disebabkan oleh investasi dan

teknologi proses yang terbatas, namun pasar masih tetap

menyerap produk tersebut.

Tabel 2.2 Persyaratan Karbon Aktif Menurut SNI 1995

2.4 Proses Pembuatan Karbon Aktif

Di negara tropis masih dijumpai arang yang dihasilkan

secara tradisional, itu dengan menggunakan drum atau lubang

dalam tanah, dengan tahap pengolahan sebagai berikut: bahan yang akan dibakar dimasukkan dalam lubang atau drum yang

terbuat dari plat besi. Kemudian dinyalakan sehingga bahan baku

tersebut terbakar. Pada saat pembakaran, drum atau lubang ditutup sehingga hanya ventilasi yang dibiarkan terbuka. lni

bertujuan sebagai jalan keluarnya asap. Ketika asap yang keluar

berwarna kebiru-biruan, ventilasi ditutup dan dibiarkan selama kurang lebih 8 jam atau satu malam. Dengan hati-hati lubang

dibuka dan dicek apakah masih ada bara yang menyala. Jika

masih ada yang menyala drum ditutup kembali. Tidak dibenarkan

mengggunakan air untuk mematikan bara yang sedang menyala, karena dapat menurunkan kualitas arang.

19

Laporan Tugas Akhir


Selain cara di atas, arang juga dapat dihasilkan dengan

cara destilasi kering. Dengan cara ini, bahan baku dipanaskan

dalam suatu ruangan vakum. Hasil yang diperoleh berupa residu

yaitu arang dan destilat yang terdiri dari campuran metanol dan asam asetat. Residu yang dihasilkan bukan merupakan karbon

murni, tetapi masih mengandung abu dan tar yang mempunyai

titik didih 1991oC. Hasil yang diperoleh seperti metanol, asam

asetat dan arang tergantung pada bahan baku yang digunakan dan

metoda destilasi.

Proses aktifasi merupakan hal yang penting diperhatikan, disamping bahan baku yang digunakan. Yang dimaksud dengan

aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan

untuk memperluas pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan

hidrokarbon atau mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun

kimia, dimana luas permukaannya bertambah besar dan

berpengaruh terhadap daya adsorpsi (Meilita Tryana S, 2003). Proses yang berlangsung selama pembuatan karbon aktif

pada dasarnya adalah penghilangan air (dehidrasi), pemecahan

senyawa-senyawa organik dan dekomposisi tar yang sekaligus memperluas pori-pori. Proses aktifasi karbon aktif dapat dibagi

dua:

1. Proses Kimia

Bahan baku dicampur dengan bahan-bahan kimia tertentu, kemudian dibuat padatan. Selanjutnya padatan tersebut

dibentuk menjadi batangan dan dikeringkan serta dipotong-

potong. Aktivasi dilakukan pada temperatur 100°C. Karbon aktif yang dihasilkan, dicuci dengan air selanjutnya dikeringkan pada

temperatur 300 °C. Dengan proses kimia, bahan baku dapat

dikarbonisasi terlebih dahulu, kemudian dicampur dengan bahan-

bahan kimia. 2. Proses Fisika

Bahan baku terlebih dahulu dibuat arang. Selanjutnya

arang tersebut digiling, diayak untuk selanjutnya diaktivasi dengan cara pemanasan pada temperatur 1000 °C yang disertai

20

Laporan Tugas Akhir


pengaliran uap. Proses fisika yang banyak digunakan dalam

aktivasi arang adalah suatu proses penguraian suatu bahan akibat

adanya pemanasan pada temperatur tinggi dalam keadaan sedikit

maupun tanpa udara. Dengan cara destilasi kering, diharapkan daya serap karbon aktif yang menghasilkan dapat menyerupai

atau lebih baik dari pada daya serap arang aktif yang diaktifkan

dengan menyertakan bahan-bahan kimia. Dengan cara ini, pencemaran lingkungan sebagai akibat adanya penguraian

senyawa-senyawa kimia dari bahan-bahan pada saat proses

pengarangan dapat dihindari. Jadi bisa disimpulkan bahwa dalam pembuatan karbon

aktif terdiri dari tiga tahap yaitu:

a. Dehidrasi:

Proses penghilangan air. Bahan baku dipanaskan sampai temperatur 170 °C.

b. Karbonisasi:

Pemecahan bahan-bahan organik menjadi karbon. Karbonasi dilakukan pada suhu 400-900ºC hasilnya didinginkan

dan dicuci, untuk menghilangkan dan mendapatkan kembali

bahan kimia pengaktif, disaring dan dikeringkan Temperatur diatas 170°C akan menghasilkan CO, CO2 dan asam asetat. Pada

temperatur 275°C, dekomposisi menghasilkan tar, metanol dan

hasil sampingan lainnya. Pembentukan karbon terjadi pada

temperatur 400-600 ºC. c. Aktivasi:

Dekomposisi tar dan perluasan pori-pori. Dapat dilakukan

dengan uap atau CO2 sebagai aktivator. Karbon dihasilkan dari pembakaran tidak sempurna. Secara umum reaksinya dapat ditulis

sebagai berikut: CxHyOn + O2 (g) → C(s) + CO(g) + H2O(g)

Pembakaran tidak sempurna tidak terjadi bila hidrokarbon

berlebih atau kekurangan oksigen pada penukaran sempurna hanya dihasilkan CO2 dan H2O, sedangkan pada pembakaran

tidak sempurna selain dihasilkan CO2 dan H2O juga dihasilkan

CO2 dan C (Siti Salamah, 2008).

21

Laporan Tugas Akhir


Pada penelitian yang dilakukan oleh Abu A Busana pada

tahun 2012 menerangkan bahwa setelah dilakukan proses

pengeringan kembali dan dilakukan pengujian proximate, sampel

yang terbuat dari eceng gandok selanjutnya dikarbonisasi. Proses karbonisasi dilakukan didalam furnace dengan variasi temperatur

300oC, 500

oC, dan 700

oC dengan waktu tahan 2 jam pada masing-

masing variasi temperatur. Proses annealing dilakukan pada spesimen setelah selesai waktu holdingnya. Sampel hasil

karbonisasi tersebut selanjutnya dihaluskan hingga lolos 120

mesh sebelum dilakukan aktivasi kimia. Pada aktivasi kimia, aktifier yang digunakan adalah zink klorida (ZnCl2) dengan dua

variasi yakni 5% ZnCl2 dan 30% ZnCl2. Dalam proses

ini,digunakan perbandingan 1:10 antara karbon aktif dan air. Pada

proses ini, alat yang digunakan adalah hot plat magnetic stirrer dengan putaran 200 rpm dan temperatur 80

oC serta waktu tahan 4

jam. Setelah aktivasi selesai, dilakukan proses netralisasi pada

hasil aktivasi kimia tersebut. Proses ini bertujuan untuk menghilangkan pengotor hasil aktivasi kimia. Proses penetralan

dilakukan dengan pencucian sampel secara berulang-ulang

menggunakan aquades sampai aquades jernih atau mendekati pH normal. Setelah penetralan selesai, dilakukan pengeringan sampel

pada T=100oC selama 4 jam hingga sampel kering. Proses

pengeringan sampel dilakukan di hot plate.

Selanjutnya, sampel kering hasil aktivasi kimia di aktivasi fisika dengan cara steam. Steam adalah proses

pembesaran luas permukaan karbon aktif dengan cara penguapan.

Autoclave digunakan sebagai alat dalam proses ini. Sampel kering hasil aktivasi kimia dimasukkan kedalam crussibel

kemudian crussibel tersebut dimasukkan kedalam autoclave.

Didalam autoclave terdapat 2 bagian yakni bagian atas tempat

crussibel dan bagian bawah tempat air. Kedua bagian tersebut dipisahkan oleh saringan yang terbuat dari tembaga. Selanjutnya,

autoclave ditutup sedemikian rupa hingga autoclave tersebut

kedap udara. Tujuan pengkedapan ini adalah untuk meminimalisir oksigen sehingga proses penguapan yang terjadi diiringi dengan

22

Laporan Tugas Akhir


oksigen yang terbatas sehingga karbon aktif yang dihasilkan

optimal. Proses aktivasi fisika dilakukan didalam furnace pada

temperatur 700oC selama 2 jam. Selanjutnya dilakukan annealing

pada proses tersebut. Kemudian, Rio Latifan (2012) juga melakukan penelitian

mengenai penggunaan karbon aktif dari Tempurung Kluwak

sebagai elektroda EDLC. Dari

Tabel 2.3 Penelitian tentang karbon aktif yang pernah dilakukan

beserta hasilnya

Nama Bahan Aktifier SBET

(m2/g)

Bil. iodine

(mg/g)

Siti Salimah

(2008)

Kulit Buah

Mahoni KOH 3,8438 311

Busana (2011)

Eceng gondok ZnCl - 352,22

Suhariyono (2011)

Eceng gondok KOH 331 430,70

Wei Li

(2008)

Tempurung

kelapa Steam 1926

Tidak

diuji

Latifan

(2012)

Tempurung

Kluwak KOH 303,26 1657,88

2.5 Kapasitor Kapasitor merupakan perangkat elektronik yang dapat

menyimpan dan memberikan energi dengan sama baiknya.

Kapasitor memiliki dua jenis yaitu kapasitor elektrolitik dan kapasitor elektrokimia. Kapasitor elektrolitik terdiri dari dua

keping permukaan logam sejajar yang merupakan elektroda

23

Laporan Tugas Akhir


dipisahkan pada jarak kecil dengan udara, vakum, cair atau

padatan berupa film tipis, yang disebut „dielektrik‟. Kapasitansi

sebanding dengan luas permukaan plat elektroda dan permitivitas

dielektrik antar dua plat serta berbanding terbalik dengan jarak antar dua plat. Kapasitansi dalam kapasitor keping sejajar dapat

ditulis sebagai berikut :

Sedangkan Kapasitor elektrokimia adalah kapasitor jenis khusus yang bekerja berdasarkan charging (pemasukan muatan)

dan discharging (pelepasan muatan) dari interface dari material-

material yang mempunyai luas spesifik yang tinggi seperti material karbon yang berpori atau beberapa oksida logam yang

berpori. Kapasitansinya 10000 kali lebih tinggi daripada

kapasitansi kapasitor elektrolitik dengan ukuran yang sama. Oleh karenanya, kapasitor elektrokimia sering juga disebut

„superkapasitor‟ atau „ultrakapasitor‟ (Conway, 1999).

Kapasitor elektrokimia (ECs) dibuat untuk menjebatani

perbedaan kinerja kritis diantara kapasitor konvensional yang mempunyai densitas daya yang tinggi dengan baterai / sel bahan

bakar yang mempunyai densitas energi yang tinggi, karena

karakteristik uniknya yang mencakup wilayah yang luas pada densitas daya dan densitas energi. Kapasitor elektrokimia

24

Laporan Tugas Akhir


merupakan tipe perangkat yang berorientasi pada daya dengan

efisiensi densitas energi yang tinggi dan siklus hidup yang

lama.(Chang, 2010).

Kapasitor elektrokimia telah mampu menarik banyak perhatian karena densitas dayanya yang lebih tinggi dan siklus

hidupnya yang lebih panjang jika dibandingkan dengan baterai,

dan densitas energinya yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan kapasitor konvensional (elektrolitik). Gambar Plot Ragone

menunjukkan posisi berbagai alat penyimpan energi ditinjau dari

energi spesifik dan daya spesifiknya, yang menempatkan kapasitor elektrokimia di antara kapasitor elektrolitik dan

baterai.Berikut ini gambar plot Ragone.

Gambar 2.10 Plot Ragone untuk berbagai alat penyimpan

dan pengkonversi energi

2.6 EDLC (Electric Double Layer Capasitor)

Kapasitor elektrokimia itu secara prinsip berdasar dari dua jenis perilaku kapasitative. Yang pertama diklasifikasikan dengan

nama Double Layer yang terletak pada antar muka pada elektroda

dan yang kedua diklasifikasikan dengan nama Pseudocapasitor yang dibentuk dalam macam-macam proses elektroda tertentu.

Skeme EDLC secara lengkap seperti terlihat pada gambar

25

Laporan Tugas Akhir


2.11.Seperti yang telah banyak dijelaskan, prinsip kerja dari

kapasitor elektrokimia double-layer adalah penggunaan dari

pengembangan capasitansi yang besar pada material serbuk

karbon atau karbon berpori yang memiliki luas permukaan spesifik yang tinggi kira-kira 1000 hingga 2000 m

2 g

-1. Hal yang

paling penting dalam penjelasan sistem kerja pada kapasitor dua

layer adalah kapasitor itu menggunakan antar permukaan elektroda/larutan pada double-layer capasitance, yang harus

disusun dari dua permukaan yang berlawanan (+/-) yang dipicu

oleh larutan elektrolit dengan separator yang biasanya diletakkan diantara dua elektroda.

Gambar 2.11 Skema EDLC

Prosedur yang paling banyak dipilih untuk perlakuan sebelum

aktivasi pada material karbon untuk pembuatan kapasitor

elektrokimia double-layer adalah karbonisasi thermal yang dibuat dari batu bara, kayu, tempurung kelapa atau polimer seperti

polyacrylonitrile. Hal ini dibutuhkan untuk mendapatkan luas

26

Laporan Tugas Akhir


area yang terbaik, pori yang optimum dan begitu juga kapasitansi

per gramnya (Conway, 1999)

Kapasitor listrik dua layer atau EDLC didasari pada prinsip

kerja dari lapisan listrik ganda yang terbentuk pada antar permukaan lapisan antara karbon aktif dan elektrolit sebagai

dielektrik. Adanya mekanisme absorpsi dan desorpsi ion pada

kedua layer elektroda karbon aktif berperan dalam pengisian dan pengosongan EDLC. Dengan memberikan tegangan pada

elektroda yang saling berhadapan maka ion akan tertarik ke

permukaan kedua elektroda dan terjadilah proses pengisian atau charging. Sebaliknya, ion akan bergerak menjauh saat EDLC

digunakan atau discharging (Murata Manufacturing Co., Ltd

2011). Proses charging and discharging dari EDLC dapat dilihat

pada gambar 2.12.

Gambar 2.12Skema proses charging and discharging pada

EDLC

Pada mekanisme kerja EDLC sangat bergantung pada

adanya ion yang memiliki muatan listrik. Ion yang digunakan didapat dari elektrolit yang berada diantara kedua elektroda

karbon aktif terdisosiasi. Disosiasi sendiri merupakan peristiwa

terurainya suatu zat menjadi beberapa zat yang lebih sederhana. Pada EDLC misalnya, sebuah larutan elektrolit AB terdisosiasi

menjadi komponennya A- dan B+. Hal tersebut dinamakan

disosiasi elektrolit atau ionisasi dan reaksi ini juga merupakan

27

Laporan Tugas Akhir


reaksi reversibel atau berjalan bolak-balik karena ion-ion A- dan

B+ juga bisa kembali membentuk elektrolit AB seperti yang

terlihat pada persamaan 2.2. Melalui proses seperti inilah ion-ion

bermuatan listrik dapat dimanfaatkan pada sistem kerja EDLC (Takeuchi, 2006).

AB ⇄ A- + B

+ (2.2)

Setelah ion bermuatan listrik diproduksi selanjutnya ion-

ion tersebut akan bergerak secara difusi menuju elektroda seperti yang terlihat pada gambar 2.8 dan terjadilah proses charging. Dan

hal tersebut akan terjadi juga saat proses discharging.

Karbon aktif digunakan sebagai elektroda, karena (1) biaya

rendah, (2) luas permukaan yang tinggi, (3) ketersediaan, dan (4) teknologi produksi mudah. Karbon aktif yang tersedia dapat

memiliki luas permukaan spesifik hingga 2500 m2g

-1. Karbon

aktif yang digunakan dalam bentuk padatan sedangkan larutan elektrolitnya dalam bentuk cair. Ketika bahan-bahan ini

melakukan kontak antara satu dengan yang lainnya, maka kutub

positif dan negatif didistribusikan relatif terhadap satu dan yang

lainnya dengan jarak yang sangat dekat. Fenomena seperti ini dikenal dengan sebutan listrik layer ganda (elektrical double

layer). Ketika medan listrik eksternal diterapkan, maka listrik dua

layer yang terbentuk disekitar permukaan karbon aktif didalam cairan elektrolit itulah yang digunakan sebagai struktur dasar

kapasitor.

Desain pada EDLC tidak memiliki dielektrik padat seperti yang digunakan pada desain sebelumnya, juga tidak memiliki

reaksi kimia seperti yang ditemukan dalam baterai selama

pengisian dan pemakaian. Sebaliknya desain EDLC memiliki

karakteristik sebagai berikut :

28

Laporan Tugas Akhir


Kelebihan

Desain ini memungkinkan orde farad kapasitansi

dalam perangkat kecil. (Bila arang aktif dengan

luas permukaan yang besar, digunakan ketebalan dielektrik yang sangat tipis).

Tidak dibutuhkan sirkuit charging khusus atau

untuk kontrol selama discharging Charging yang berlebihan atau pemakaian berlebih

tidak memiliki efek negatif pada jangka hidup

Teknologi ini sangan clean energy dalam hal ramah lingkungan.

Karena bagian elektroniknya dapat disolder maka

tidak akan ada masalah dengan kontak yang tidak

stabil karena penggunaan bersama dengan baterai. Kelemahan

Jangka hidup terbatas karena penggunaan elektrolit

Elektrolit bisa bocor jika kapasitor tidak digunakan dengan benar (ELNA Co., Ltd 2011)

29

Laporan Tugas Akhir


2.7 Kajian Penelitian Sebelumnya

Penelitian tentang pembuatan karbon aktif telah banyak

dilakukan oleh beberapa orang. Seperti penelitian yang dilakukan

oleh Suhariyono (2011) tentang potensi Eceng Gondok untuk bahan baku karbon aktif. Proses pembuatan karbon aktif dari

Eceng Gondok dimulai dengan pengeringan dan pemotongan

hingga bahan berukuran 1-3 mm. Lalu potongan Eceng Gondok dihaluskan hingga berbentuk serbuk dan dipanas pada temperatur

110oC selama 24 jam. Serbuk Eceng Gondok, dikarbonisasi pada

temperatur 300oC, 500

oC dan 700

oC selama 2 jam. Berikutnya

arang hasil karbonisasi diaktifasi kimia menggunakan KOH

dengan perbandingan massa 1:2 (arang:KOH) pada temperatur

80oC selama 4 jam. Sampel selanjutnya dicuci menggunakan

aquades untuk menghilangkan pengotornya dan dikeringkan. Setelah itu sampel diayak hingga lolos 120 mesh dan diaktifasi

fisika menggunakan Steam pada temperatur 300oC dan 700

oC

selama 2 jam pada furnace kedap. Hasil arang aktif yang didapat selanjutnya dikarakterisasi menggunakan pengujian XRD, BET,

Iodine dan SEM dengan hasil sebagai berikut :

1. XRD : dari pengujian ini suhariyono mendapatkan bahwa

hasilnya bukan hanya karbon namun terdapat juga K2CO3

2. BET : besarnya luas permukaan spesifik tertinggi yang

didapat adalah 331,539 m2/g.

3. Iodine : besarnya daya serap terhadap larutan iodine

tertinggi adalah 430,70 mg/g

4. SEM : pada karbon aktif eceng gondok terdapat banyak pori-pori.

Pada tahun 2008 Wei Li dkk melakukan penelitian terhadap karbon aktif yang dibuat dari tempurung kelapa.

Prosedur yang digunakan dalam pembuatan karbon aktif dari

tempurung kelapa adalah dengan melakukan dehidrasi pertama

kali pada temperatur 110OC selama 48 jam dan menghaluskan

sampel menggunakan roller mill. Kemudian sampel diuji

proximate dan didapatkan nilai fixed karbon sebesar 20,96%.

30

Laporan Tugas Akhir


Sampel dikarbonisasi pada temperatur 400 O

C, 600OC, 800

OC dan

1000OC dengan dialiri gas Nitrogen selama 2 jam. Setelah itu

tempurung kelapa diaktifasi fisika pada temperatur 750OC,

800OC, 850

OC, 900

OC dan 950

OC selama 30, 60, 90 dan 120

menit. Pada penelitian ini didapatkan hasil sebagai berikut :

1. TGA/DTA : terdapat 3 puncak endoterm yang menunjukkan

terjadinya dehidrasi dan dekomposisi selulosa, hemiselulosa dan lignin yang menyebabkan adanya pengurangan massa

selama proses pembuatan karbon aktif. Grafik TGA/DTA

dapat dilihat pada gambar 2.9 2. BET : luas permukaan tertinggi adalah 1926 m

2/g. Dari uji

BET juga didapatkan bahwa semakin tinggi temperatur

karbonisasi maka semakin tinggi luas permukaannya dan

aktifasi fisika dapat meningkatkan luas permukaan karbon aktif.

Kemudian, penelitian mengenai karbon aktif juga dilakukan oleh Rio Latifan(2012) dengan menggunakan

Tempurung Kluwak (Pangium Edulee) sebagai bahan baku

karbon aktifnya. Secara garis besar penelitiannya adalah sebagai berikut.

Sampel dari tempurung Kluwak dikeringkan didalam

furnace pada temperature 1100C selama 24 jam.Kemudian

sebagian hasil dari pemanasan tersebut di haluskan menjadi serbuk untuk uji proximate dan sebagian lagi dilakukan proses

Karbonisasi.Dari pengujian Proximate didapat nilai fixed carbon

tempurung kluwak sebesar 92,15% dengan begitu tempurung kluwak sangat berpotensi sebagai bahan karbon aktif.

Tempurung kluwak dikarbonisasi pada temperatur 300OC

dan 700OC selanjutnya diaktifasi kimia dengan KOH dan

diaktifasi fisika dengan metode hidrothermal pada temperatur 200

OC, 300

OC dan 500

OC. Hasilnya didapatkan nilai kapasitif

tertinggi adalah 9 mF/gr pada sampel yang dikarbonisasi 700OC

dan didehidrasi 110OC. Sedangkan luas permukaan spesifik

tertinggi adalah 311,24 m2/gr pada sampel dengan karbonisasi

31

Laporan Tugas Akhir


700OC dan diaktifasi fisika 500

OC serta bilangan iodine tertinggi

sebesar 1787,411 mg/g pada sampel yang dikarbonisasi 300OC

dan diaktifasi fisika 500OC. Sehingga dapat dikatakan bahwa

karbon aktif dari tempurung kluwak memilki kualitas yang sesuai standar SNI dan dapat dimanfaatkan sebagai EDLC.

Namun demikian,penelitian yang dilakukan oleh Rio

Latifan ini masih memiliki beberapa kelemahan, diantaranya proses karbonisasi dilakukan pada Muffle Furnace sehingga

kondisi vakum yang disyaratkan belum tercapai. Selain itu juga

dalam proses karbonisasi tidak dialiri gas N2, dimana gas N2

berfungsi sebagai pengatur ukuran pori-pori karbon aktif yang

terbentuk. Selain itu,dalam pencucian setelah aktivasi kimia

hanya dengan menggunakan aquades sehingga waktu yang

digunakan untuk pencucian sangat lama dan terbentuk senyawa lain yaitu K2CO3, yang justru akan mengurangi kualitas karbon

aktif.

32

Laporan Tugas Akhir


~ halaman ini sengaja dikosongkan ~

2709100075-chapter2.docx.pdf

Documents

Transcript of 2709100075-chapter2.docx.pdf