Preparasi Karbon Aktif Berbantuan Microwave dari Limbah Pertanian untuk Aplikasi Pengolahan Limbah Tambang

Ni`mah, Lailan (2024) Preparasi Karbon Aktif Berbantuan Microwave dari Limbah Pertanian untuk Aplikasi Pengolahan Limbah Tambang. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02211960010008-Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 April 2026. Download (11MB) | Request a copy

Abstract

Air asam tambang merupakan masalah penting dan serius didalam industri pertambangan, karena itu diperlukan suatu metoda untuk mereduksi logam–logam berat terlarut. Beberapa teknik yang telah dikembangkan dalam pengolahan limbah yang mengandung logam berat, proses yang paling diminati yakni proses adsorpsi karena ekonomis, efisien, efektif dan murah. Adsorpsi merupakan suatu proses dimana satu atau lebih unsur-unsur pokok dari suatu larutan fluida lebih terkonsentrasi pada permukaan suatu padatan tertentu (adsorben). Adsorben yang umumnya digunakan untuk pengolahan limbah ion logam adalah karbon aktif. Karbon aktif dapat dibuat dari bahan yang mengandung karbon, seperti limbah pertanian yakni limbah tumbuhan sereh (Cymbopogon S.P), kulit buah langsat (Lansium domesticum cortex) dan tempurung kelapa (Cocos nucifera L.). Aktifasi karbon/arang dapat secara kimia maupun fisika. Secara kimia dengan perendaman aktifator sedangkan fisika melalui pemanasan dengan injeksi nitrogen pada suhu tinggi, serta pemanasan dengan bantuan microwave. Tujuan dari penelitian ini adalah pertama, mempelajari proses pembuatan karbon aktif dari limbah pertanian yakni limbah tumbuhan sereh (Cymbopogon S.P), kulit buah langsat (Lansium domesticum cortex) dan tempurung kelapa (Cocos nucifera L.) dengan metode kimia dengan parameter pengaruh aktifator asam dan basa (H3PO4 20% dan NH4OH 20%) terhadap standar kualitas arang aktif teknis pada pembuatan adsorben. Kedua, melakukan karakterisasi karbon aktif hasil preparasi dengan bantuan microwave. Ketiga, mengetahui dan mempelajari proses pembuatan karbon aktif dari limbah pertanian yakni limbah tumbuhan sereh (Cymbopogon S.P), kulit buah langsat (Lansium domesticum cortex) dan tempurung kelapa (Cocos nucifera L.) dengan metode fisika dengan parameter pengaruh suhu proses pembakaran serta pembuatan karbon aktif dengan bantuan microwave terhadap standar kualitas arang aktif teknis pada pembuatan adsorben. Terakhir, mempelajari adsorpsi dan kinetika adsorpsi karbon aktif pada limbah air asam tambang dengan menggunakan karbon aktif yang telah di preparasi secara fisika, kimia dan dengan bantuan microwave.
Metoda aktifasi/preparasi yang digunakan dalam pembuatan arang aktif pada penelitian ini menggunakan metoda secara kimia dan fisika serta pemanasan dengan bantuan microwave. Arang aktif yang dihasilkan dikarakterisasi dengan analisis kadar air, kadar abu, volatile matter, fixed carbon, bilangan iodin, SEM-EDX, dan BET BJH. Arang aktif yang memenuhi standar SNI 06-3730-1995 selanjutnya diaplikasikan sebagai adsorben pada pengolahan limbah air asam tambang (Cu2+, Fe2+ dan Mn2+ artifisial) dengan cara mencampurkan arang aktif dari limbah pertanian masing-masing sebanyak 2g, 3g, 4g, 5g, 6g, dan 7g ke dalam sampel air limbah (larutan induk sampel mengandung FeSO4 dengan kadar 127,20 ppm; MnO2 dengan kadar 37,00 ppm dan CuSO4 dengan kadar 25,61 ppm dengan masing-masing volume 100 mL) selama 60 menit. Kemudian dianalisa kualitasnya, SNI 6989.4:2009 untuk total penetapan besi, SNI 6989.5:2009 untuk total penetapan mangan dan SNI 6989.6:2009 untuk total penetapan tembaga. Cairan hasil pemisahan dianalisis kandungan ion logamnya secara spektrofotometri serapan atomik. Data yang diperoleh dipakai untuk menentukan model isoterm adsorpsi pada proses adsorpsi karbon aktif dalam limbah air asam tambang. Sedangkan untuk menentukan kinetika adsorpsi dengan cara mencampurkan arang aktif dari limbah pertanian masing-masing sebanyak 4 gram dengan variasi waktu 15, 30, 45, 60, 75, 90 menit.
Berdasarkan hasil penelitian pada preparasi karbon aktif dengan metode kimia dapat disimpulkan bahwa karbon dari limbah pertanian yang diarangkan pada suhu 300˚C, memenuhi semua syarat SNI 01-1682-1996 tentang syarat mutu arang tempurung kelapa. Karbon yang diaktifkan dengan H3PO4 lebih memenuhi semua syarat yang ditetapkan pada SNI 06-3730-1995 (syarat mutu arang aktif teknis), merupakan pori yang berukuran skala mesopori. Sedangkan pada preparasi karbon aktif dengan metode fisika, hasil terbaik pada suhu 700˚C, merupakan pori yang berukuran skala mesopori. Pada preparasi karbon aktif dengan bantuan microwave, hasil terbaik pada daya 400 watt, merupakan pori yang berukuran skala mesopori. Preparasi karbon aktif dengan metode fisika maupun dengan bantuan microwave memenuhi semua syarat SNI 06-3730-1995 (syarat mutu arang aktif teknis). Hasil penelitian preparasi karbon aktif dengan menggunakan microwave, yakni karbon dari limbah pertanian (kulit buah langsat, limbah sereh dan tempurung kelapa) yang diarangkan menghasilkan karbon/arang terbaik pada daya 400 watt, memenuhi semua syarat SNI 01-1682-1996 tentang syarat mutu arang tempurung kelapa dan karbon/arang yang dihasilkan yakni sebesar 75.79% untuk arang limbah kulit langsat; 75,57% untuk arang limbah sereh serta 88,02% untuk arang tempurung kelapa. Nilai ini karbon yang dihasilkan pada daya 400 watt lebih besar daripada karbon yang diarangkan pada daya 500 watt dan daya 600 watt. Karbon yang diarangkan pada daya 400 watt pembentukan pori lebih banyak, besar dan bersih daripada daripada karbon yang diarangkan pada daya 500 watt dan daya 600 watt. BET Surface Area (luas area spesifik) pada arang aktif limbah kulit langsat, limbah sereh dan tempurung kelapa masing-masing adalah sebesar 1183,8189 m²/g; 818,2605 m²/g dan 1367,0385 m²/g. BJH Adsorption cumulative volume of pores (volume kumulatif pori desorpsi BJH) between 1.7000 nm and 300.0000 nm diameter pada arang aktif limbah kulit langsat, limbah sereh dan tempurung kelapa masing-masing adalah sebesar 0,978 cm³/g; 0,769 cm³/g cm³/g dan 1,112 cm³/g. BJH adsorption average pore diameter (diameter pori rata-rata BJH) (4V/A) pada arang aktif limbah kulit langsat, limbah sereh dan tempurung kelapa masing-masing adalah sebesar 2,28 nm; 1,91 nm dan 2,25 nm. Sehingga karbon aktif dari limbah kulit langsat, limbah sereh dan tempurung kelapa merupakan pori yang berukuran skala mesopori. Karbon aktif terbaik dalam menjerap logam pada air asam tambang ada pada massa 4 gram dengan masing-masing persen removal, yakni logam Mn2+ pada KA kulit langsat sebesar 90,67%; 86,37% pada KA limbah sereh dan 98,16% pada KA tempurung kelapa. Sedangkan pada logam Cu2+, KA kulit langsat sebesar 83,69%; 54,18% pada KA limbah sereh dan 82,21% pada KA tempurung kelapa dan logam Fe2+, KA kulit langsat sebesar 94,08%; 68,96% pada KA limbah sereh dan 96,44% pada KA tempurung kelapa. Analisis data pengaruh konsentrasi terhadap kapasitas adsorpsi digunakan persamaan isoterm Langmuir dan Freundlich. Persamaan Langmuir untuk penyerapan logam Mn2+ diperoleh kapasitas adsorpsi maksimum (qmax) karbon aktif kulit langsat= 14,52 mg/g; KL= 76,65 mol/L dan R2= 0,9633; karbon aktif limbah sereh dihasilkan qmax = 12,62 mg/g; KL= 43,78 mol/L dan R2= 0,960014. Sedangkan qmax karbon aktif tempurung kelapa sebesar 16,04 mg/g; KL= 73,05 mol/L dan R2= 0,9648. Sedangkan pada penyerapan logam Cu2+ diperoleh kapasitas adsorpsi maksimum (qmax) karbon aktif kulit langsat= 8,61 mg/g; KL= 77,11 mol/L dan R2= 0,9823; karbon aktif limbah sereh dihasilkan qmax = 3,60 mg/g; KL=43,27 mol/L dan R2= 0,9825. Sedangkan qmax karbon aktif tempurung kelapa sebesar 9,52 mg/g; KL= 73,21 mol/L dan R2= 0,9806. dan pada penyerapan logam Fe2+ diperoleh hasil kapasitas adsorpsi maksimum (qmax) karbon aktif kulit langsat= 41,72 mg/g; KL=76,68 mol/L dan R2= 0,987934; karbon aktif limbah sereh dihasilkan qmax = 32,01 mg/g; KL=43,32 mol/L dan R2= 0,97882. Sedangkan qmax karbon aktif tempurung kelapa sebesar 58,58 mg/g; KL=73,16 mol/L dan R2= 0,987418. Pada persamaan Freundlich, pada penyerapan logam Mn2+, dihasilkan KF= 15,40 mol/L; R2= 0,96209 pada karbon aktif kulit langsat; KF= 12,60 mol/L; R2= 0,95058 pada karbon aktif limbah sereh dan KF= 15,10 mol/L; R2= 0,961389 pada karbon aktif tempurung kelapa. Sedangkan pada penyerapan logam Cu2+, dihasilkan KF= 8,60 mol/L; R2= 0,979684 pada karbon aktif kulit langsat; KF= 3,60 mol/L; R2= 0,967723 pada karbon aktif limbah sereh dan KF= 9,50 mol/L; R2= 0,978816 pada karbon aktif tempurung kelapa. Dan pada penyerapan logam Fe2+, dihasilkan KF= 47,70 mol/L; R2= 0,986223 pada karbon aktif kulit langsat; KF=31,99 mol/L; R2= 0,978767 pada karbon aktif limbah sereh dan KF= 54,90 mol/L; R2= 0,985818 pada karbon aktif tempurung kelapa. Berdasarkan data, kurva isoterm adsorpsi pada arang aktif yang dihasilkan melalui metode kimia, fisika dan dengan bantuan microwave lebih mengikuti model isoterm Langmuir (adsorpsi berlangsung satu lapis (monolayer)). Sedangkan, kinetika adsorpsi mengikuti persamaan laju pseudo orde pertama.
=================================================================================================================================
Mine acid water is a significant and serious problem in the mining industry, hence a method is required to reduce soluble heavy metals. Several techniques have been developed for the treatment of waste containing heavy metals, with the most favored process being adsorption due to its economic, efficient, effective, and cost-effective nature. Adsorption is a process in which one or more key elements from a fluid solution become more concentrated on the surface of a specific solid (adsorbent). The commonly used adsorbent for the treatment of metal ion waste is activated carbon. Activated carbon can be produced from carbon-containing materials, such as agricultural waste, including lemongrass plant waste (Cymbopogon S.P), rambutan fruit peel (Lansium domesticum cortex), and coconut shells (Cocos nucifera L.). Carbon activation can occur through chemical or physical means. Chemical activation involves soaking with an activator, while physical activation involves heating with nitrogen injection at high temperatures and microwave-assisted heating. The objectives of this research are, firstly, to study the process of producing activated carbon from agricultural waste, specifically lemongrass plant waste (Cymbopogon S.P), langsat fruit peel (Lansium domesticum cortex), and coconut shells (Cocos nucifera L.), using chemical methods with parameters of the influence of acid and base activators (H3PO4 20% and NH4OH 20%) on the standard quality of technical activated carbon in adsorbent production. Secondly, to characterize the activated carbon produced through microwave-assisted preparation. Thirdly, to understand and study the process of producing activated carbon from agricultural waste, namely lemongrass plant waste (Cymbopogon S.P), langsat fruit peel (Lansium domesticum cortex), and coconut shells (Cocos nucifera L.), using physical methods with parameters of the influence of combustion process temperature and the production of activated carbon with microwave assistance on the standard quality of technical activated carbon in adsorbent production. Lastly, to study the adsorption and adsorption kinetics of activated carbon on mine acid water waste using activated carbon prepared through physical, chemical, and microwave-assisted methods. The activation/preparation methods used in the production of activated carbon in this research employ both chemical and physical methods, along with heating assisted by microwave. The resulting activated carbon is characterized through analyses of moisture content, ash content, volatile matter, fixed carbon, iodine number, SEM-EDX, and BET BJH. The activated carbon that meets the SNI 06-3730-1995 standards is then applied as an adsorbent in the treatment of mine acid water waste (Cu2+, Fe2+, and Mn2+ artificial) by mixing activated carbon from agricultural waste, each in amounts of 2g, 3g, 4g, 5g, 6g, and 7g, into the wastewater sample (parent sample solution containing FeSO4 with a concentration of 127.20 ppm; MnO2 with a concentration of 37.00 ppm, and CuSO4 with a concentration of 25.61 ppm, each with a volume of 100 mL) for 60 minutes. The quality is then analyzed according to SNI 6989.4:2009 for total iron determination, SNI 6989.5:2009 for total manganese determination, and SNI 6989.6:2009 for total copper determination. The separated liquid is analyzed for its metal ion content using atomic absorption spectrophotometry. The obtained data is used to determine the adsorption isotherm model in the activated carbon adsorption process in mine acid water waste. Meanwhile, to determine the adsorption kinetics, activated carbon from agricultural waste, each in an amount of 4 grams, is mixed with varying times of 15, 30, 45, 60, 75, and 90 minutes. Based on the research results on activated carbon preparation using the chemical method, it can be concluded that carbon from agricultural waste, carbonized at 300˚C, meets all the requirements of the Indonesian National Standard (SNI) 01-1682-1996 regarding the quality criteria for coconut shell charcoal. Carbon activated with H3PO4 meets all the specified criteria in SNI 06-3730-1995 (quality criteria for technical activated carbon) and exhibits pores in the mesopore scale. Meanwhile, in the preparation of activated carbon using the physical method, the best results are obtained at 700˚C, and it exhibits pores in the mesopore scale. In the preparation of activated carbon with microwave assistance, the best results are achieved at a power of 400 watts, and it also exhibits pores in the mesopore scale. The preparation of activated carbon using the physical method and microwave assistance meets all the requirements of SNI 06-3730-1995 (quality criteria for technical activated carbon). The results of the research on activated carbon preparation using a microwave, specifically carbon from agricultural waste (rambutan peel, lemongrass waste, and coconut shells) carbonized at 400 watts, produce the best carbon that meets all the requirements of the Indonesian National Standard (SNI) 01-1682-1996 regarding the quality criteria for coconut shell charcoal. The percentage of carbon/charcoal produced is 75.79% for langsat peel waste, 75.57% for lemongrass waste, and 88.02% for coconut shell charcoal. The carbon produced at 400 watts is greater than the carbon carbonized at 500 watts and 600 watts. The carbon carbonized at 400 watts shows a higher quantity, size, and cleanliness of pores compared to the carbon carbonized at 500 watts and 600 watts. The BET Surface Area for activated carbon from rambutan peel waste, lemongrass waste, and coconut shells are 1183.8189 m²/g, 818.2605 m²/g, and 1367.0385 m²/g, respectively. The BJH Adsorption cumulative volume of pores (between 1.7000 nm and 300.0000 nm diameter) for activated carbon from langsat peel waste, lemongrass waste, and coconut shells are 0.978 cm³/g, 0.769 cm³/g, and 1.112 cm³/g, respectively. The BJH adsorption average pore diameter (4V/A) for activated carbon from langsat peel waste, lemongrass waste, and coconut shells are 2.28 nm, 1.91 nm, and 2.25 nm, respectively. Thus, the activated carbon from langsat peel waste, lemongrass waste, and coconut shells exhibit pores in the mesopore scale. The most effective activated carbon in adsorbing metals in mine acid water is at a mass of 4 grams, with respective removal percentages for each metal. For Mn2+, the removal percentages are 90.67% for langsat peel waste activated carbon (AC), 86.37% for lemongrass waste AC, and 98.16% for coconut shell AC. For Cu2+, the removal percentages are 83.69% for rambutan peel waste AC, 54.18% for lemongrass waste AC, and 82.21% for coconut shell AC. For Fe2+, the removal percentages are 94.08% for rambutan peel waste AC, 68.96% for lemongrass waste AC, and 96.44% for coconut shell AC. The data analysis of the concentration's influence on adsorption capacity used the Langmuir and Freundlich isotherm equations. The Langmuir equation for the adsorption of Mn2+ metal yielded maximum adsorption capacity (qmax) for rambutan peel waste activated carbon= 14.52 mg/g; KL= 76.65 mol/L and R2= 0.9633; lemongrass waste activated carbon resulted in qmax= 12.62 mg/g; KL= 43.78 mol/L and R2= 0.960014. Meanwhile, the qmax for coconut shell activated carbon was 16.04 mg/g; KL= 73.05 mol/L and R2 = 0.9648. For the adsorption of Cu2+ metal, the Langmuir equation yielded maximum adsorption capacity (qmax) for langsat fruit peel waste activated carbon= 8.61 mg/g; KL= 77.11 mol/L and R2= 0.9823; lemongrass waste activated carbon resulted in qmax= 3.60 mg/g; KL= 43.27 mol/L and R2= 0.9825. Meanwhile, the qmax for coconut shell activated carbon was 9.52 mg/g; KL= 73.21 mol/L and R2= 0.9806. In the adsorption of Fe2+ metal, the Langmuir equation yielded maximum adsorption capacity (qmax) for langsat fruit peel waste activated carbon= 41.72 mg/g; KL= 76.68 mol/L and R2= 0.987934; lemongrass waste activated carbon resulted in qmax= 32.01 mg/g; KL= 43.32 mol/L and R2= 0.97882. Meanwhile, the qmax for coconut shell activated carbon was 58.58 mg/g; KL= 73.16 mol/L and R2= 0.987418. In the Freundlich equation, for the adsorption of Mn2+ metal, the results were KF= 15.40 mol/L; R2 = 0.96209 for langsat fruit peel waste activated carbon; KF= 12.60 mol/L; R2= 0.95058 for lemongrass waste activated carbon, and KF= 15.10 mol/L; R2= 0.961389 for coconut shell activated carbon. Meanwhile, for the adsorption of Cu2+ metal, the results were KF= 8.60 mol/L; R2= 0.979684 for langsat fruit peel waste activated carbon; KF= 3.60 mol/L; R2= 0.967723 for lemongrass waste activated carbon, and KF= 9.50 mol/L; R2= 0.978816 for coconut shell activated carbon. In the adsorption of Fe2+ metal, the results were KF= 47.70 mol/L; R2= 0.986223 for langsat fruit peel waste activated carbon; KF= 31.99 mol/L; R2= 0.978767 for lemongrass waste activated carbon, and KF= 54.90 mol/L; R2= 0.985818 for coconut shell activated carbon. Based on the data, the adsorption isotherm curves for activated carbon produced through chemical, physical, and microwave-assisted methods better fit the Langmuir model (monolayer adsorption). Meanwhile, the adsorption kinetics follow the first-order pseudo-rate equation.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	Agricultural waste, activated carbon preparation, heavy metal ion adsorption in mine acid water, isothermal adsorption, and adsorption kinetics.Limbah pertanian, preparasi karbon aktif, adsorpsi ion logam berat dalam air asam tambang, adsorpsi isotermal, dan kinetika adsorpsi
Subjects:	T Technology > TP Chemical technology T Technology > TP Chemical technology > TP248.3 Biochemical engineering. Bioprocess engineering
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Chemical Engineering > 24001-(S3) PhD Thesis
Depositing User:	Lailan Ni'mah
Date Deposited:	09 Feb 2024 17:03
Last Modified:	09 Feb 2024 17:03
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/106599

Actions (login required)

View Item