© Manufacture of Carbon (Activated Carbon) from Coal

PENGANTAR

Karbon aktif dapat dibuat dari berbagai macam bahan sumber seperti batubara, tempurung kelapa dan kayu. Bahan sering hangus untuk mencapai karbon, diikuti oleh aktivasi kimia atau aktivasi oleh uap suhu tinggi. Ini menghasilkan karbon aktif dengan jaringan pori-pori yang luas dan luas permukaan yang sangat tinggi (kisaran tipikal adalah 300 hingga 2000 m2/g). Pori-pori menyediakan situs untuk adsorpsi kontaminan kimia dalam gas atau cairan.

AKTIVASI

Bahan seperti kayu, tempurung kelapa atau batu bara yang diaktifkan dengan uap terlebih dahulu dikarbonisasi untuk membuat arang. Karbonisasi dilakukan pada suhu sekitar 550 degC dalam atmosfer bebas oksigen. Proses ini menghilangkan semua senyawa organik yang mudah menguap dan meninggalkan karbon dan mineral (abu).

Aktivasi Uap

Aktivasi uap arang kemudian dilakukan pada suhu yang lebih tinggi (sampai 1000°C) dalam suasana uap. Reaksi aktivasi antara arang dan steam dapat digambarkan sebagai berikut:

        C + H₂O   =====>   CO + H₂

        C + CO₂   =====>   2 CO

Proses aktivasi dapat dikontrol untuk menghasilkan karakteristik produk tertentu. Konsentrasi uap, suhu, waktu aktivasi dan konsentrasi CO2 mempengaruhi perkembangan pori, yang pada gilirannya mempengaruhi distribusi ukuran pori dan tingkat aktivitas.

Aktivasi Kimia

Aktivasi arang dapat dilakukan dengan menggunakan bahan kimia selain steam. Contoh atmosfer aktivasi adalah nitrogen (N2) dan karbon dioksida (CO2) dengan atau tanpa melibatkan asam kuat (misalnya asam klorida) atau basa (kalium hidroksida). Bahan kimia yang berbeda menciptakan karakteristik karbon aktif yang berbeda.

Impregnasi

Impregnasi adalah proses di mana karbon aktif diperlakukan dengan reagen kimia yang bereaksi dengan berat molekul rendah atau gas polar seperti klorin, sulfur dioksida, formaldehida, dan amonia, mengikatnya pada karbon dan dengan demikian menghilangkannya dari aliran udara. Proses ini, biasanya disebut sebagai "chemisorption", mungkin melibatkan netralisasi atau reaksi katalisis.

Proses impregnasi harus dikontrol dengan hati-hati untuk memastikan tingkat pemuatan yang benar dan pemerataan reagen pada karbon, tanpa membatasi akses ke situs reaksi di dalam pori-pori. Sifat seperti aktivitas, kadar air, dan ukuran partikel mempengaruhi kinerja adsorben, dan dapat dikontrol untuk mengoptimalkan efisiensi filter dan masa pakai.

Bentuk Karbon Aktif

Ada tiga bentuk utama karbon aktif.

Karbon Aktif Granular (GAC)

Karbon aktif digiling dan diayak untuk mencapai partikel dalam kisaran 0,2 hingga 5 mm. Biasanya industri air minum menggunakan mesh 8 x 30 (ukuran efektif 0,80-1,0 mm), atau mesh 12 x 40 (ukuran efektif 0,5 - 0,7 mm). GAC digunakan dalam aplikasi fase cair dan gas.

Karbon Aktif Bubuk (PAC)

Serbuk karbon aktif juga digiling dan diayak serta memiliki ukuran partikel yang lebih kecil dari GAC. Partikel PAC terutama kurang dari 0,18 mm (US Mesh 80) biasanya dengan diameter median 15 sampai 30 mikron. PAC umumnya digunakan dalam aplikasi fase cair dan untuk pengolahan gas buang.

Karbon Aktif Pelet / Diekstrusi

Karbon aktif telah diekstrusi menjadi pelet berbentuk silinder dengan diameter mulai dari 0,8 hingga 5 mm. Ini terutama digunakan untuk aplikasi fase gas karena penurunan tekanannya yang rendah, kekuatan mekanik yang tinggi, dan kandungan debu yang rendah.

Karbon aktif juga tersedia dalam bentuk khusus seperti kain dan serat.

Activated Carbon Technologies memasok rangkaian lengkap produk karbon aktif Acticarb berkualitas tinggi yang digunakan dalam berbagai aplikasi, dari yang tradisional hingga yang lebih inovatif.

( http://www.activatedcarbon.com.au/carbonbasics.htm )

Karbon Aktif (Indonesia)

Pembuatan karbon aktif telah dilakukan dalam skala laboratorium sejak tahun 1990 yang menghasilkan karbon aktif dengan bilangan iodine 1060 mg/g. Pada tahun 2006 ditingkatkan ke skala bench dan dilanjutkan ke skala pilot pada tahun 2007 yang memiliki kapasitas 35-50 kg/jam atau 1 ton/hari. Pembuatan karbon aktif berada di Sentra Pengolahan Batubara Puslitbang TEKMIRA di Palimanan, Cirebon, Jawa Barat.

Optimalisasi pembuatan karbon aktif berbahan bakar batubara melalui proses karbonisasi yang dilakukan pada temperatur 500-600°C dan proses aktivasi pada temperatur ± 900°C. Hasil dari kegiatan tersebut ternyata tungku siklon berbahan bakar batubara dapat digunakan untuk proses aktivasi karbon aktif pada temperatur 900°C.

Proses karbonisasi dengan menggunakan tungku siklon menghasilkan kondisi stabil pada temperatur 500-600°C, dengan kadar zat terbang berkisar antara 7-14%. Distribusi uap air sepanjang ruang kiln telah menghasilkan karbon aktif dengan kualitas yang lebih baik, yaitu spesifikasi yang sesuai dengan kualitas standar menurut Standar Industri Indonesia.

Telah tersedia boiler berkapasitas 300 kg/jam yang terpasang secara terpadu dengan rotary kiln, dan akan digunakan dengan pemanfaatan gas buang sebagai bahan bakar boiler. Karbon aktif hasil percobaan telah dapat digunakan untuk penjernihan air di sektor perikanan dan TEKMIRA bekerja sama dalam pemanfaatan karbon aktif dengan Balai Pembenihan dan Pembibitan Ikan Air Laut dan Payau di daerah Pangandaran, Ciamis..

(http://www.litbang.esdm.go.id/index.php?option=com_content&view=article&id=87:karbon-aktif&catid=82:batubara&Itemid=96)

BATUBARA

Batubara merupakan senyawa hidrokarbon padat yang terdapat di alam dengan komposisi yang cukup kompleks. Bahan organik utamanya yaitu tumbuhan yang dapat ditengarai berupa jejak kulit pohon, daun, akar, struktur kayu, spora, pollen, damar, dan lain-lain. Selanjutnya bahan organik tersebut mengalami berbagai tingkat pembusukan (dekomposisi) sehingga menyebabkan perubahan sifat-sifat fisik maupun kimia baik sebelum ataupun sesudah tertutup oleh endapan lainnya.

Pada dasarnya terdapat dua jenis material yang membentuk batubara, yaitu:

Combustible Material, yaitu bahan atau material yang dapat dibakar/ dioksidasi oleh oksigen. Material tersebut umumnya terdiri dari karbon padat (Fixed Carbon), senyawa hidrokarbon, total Sulfur, senyawa Hidrogen, dan beberapa senyawa lainnya dalam jumlah kecil.

Non Combustible Material, yaitu hahan atau material yang tidak dapat dibakar/dioksidasi oleh oksigen. Material tersebut umurnnya terdiri dan senyawa anorganik (SiO₂, A1₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, Mn₃O₄, CaO, MgO, Na₂O, K₂O dan senyawa logam lainnya dalam jumlah kecil) yang akan membentuk abu dalam batubara. Kandungan non combustible material ini umumnya tidak diingini karena akan mengurangi nilai bakarnya. 

Pada proses pembentukan batubara, dengan bantuan faktor fisika dan kimia alam, cellulosa (C₄₉H₇O₄₄) yang berasal dan tanaman akan mengalami perubahan menjadi Lignite (C₇₀H₅O₂₅), Subbituminous (C₇₅H₅O₂₀), Bituminous (C₈₀H₅O₁₅) atau Anthracite (C₉₄H₃O₃).

Untuk proses pembatubaraan fase lanjut dengan waktu yang cukup lama atau dengan bantuan pemanasan, maka unsur senyawa karbon padat yang terbentuk akan bertambah sehingga grade batubara akan menjadi lebih tinggi. Pada fase ini unsur Hidrogen yang terikat pada molekul air yang terbentuk akan menjadi semakin sedikit.

Konsep bahwa batubara berasal dari sisa tumbuhan diperkuat dengan ditemukannya cetakan tumbuhan di dalam lapisan batubara. Dalam penyusunannya batubara diperkaya dengan berbagai macam polimer organik yang berasal dari antara lain karbohidrat, lignin, dll. Namun komposisi dari polimer-polimer ini bervariasi bergantung pada spesies dari tumbuhan penyusunnya. 

( http://ptba.co.id/id/library/detail/3 )

REAKSI KIMIA

Reaksi-reaksi yang terjadi dalam proses pembuatan carbon aktif ada di alat Rotary Kiln 01 dan Rotary Kiln 02. Di dalam Kiln-01 terjadi proses Karbonisasi yaitu memutuskan ikatan rantai senyawa karbon kompleks menjadi ikatan karbon murni dengan dekomposisi thermal.

Proses yang terjadi di Rotary Kiln-01 ini adalah:

- Proses penguapan kadar air batubara hingga seluruh kandungan habis

- Proses pembakaran unsur-unsur batubara menjadi karbon

- Proses karbonisasi ini membutuhkan oksigen, dimana 5-30% oksigen terserap untuk oksidasi,   atau hanya sebagian senyawa yang teroksidasi (oksidasi parsial)

Suhu operasi 150-350°C.

Reaksi oksidasi terbatas di Kiln-01:                        

C         +    O_{2                 =====>}       CO₂

C         +  ½  O_{2              =====>}      CO

H₂        +  ½  O_{2              =====>}       H₂O

N         +    O_{2                  =====>}       NO₂

S          +    O_{2                 =====>}       SO₂

C₆H₅OH  +  7  O_{2          =====>}       6  CO₂+ 3 H₂O

Di dalam Kiln-02 terjadi proses Aktivasi Karbon yaitu pembentukan pori-pori dalam carbon dimana senyawa akan dioksidasi yang memberikan peningkatan sangat besar dalam volume pori-pori dan luas permukaaan produk dengan menghilangkan hasil volatile dari carbon yang terbakar,

Proses yang terjadi di Kiln-02 ini adalah:

'- Proses penguapan kandungan phenol sehingga keluar dari padatan

'- Proses oksidasi karbon sehingga meninggalkan volume pori-pori yang besar dalam carbon

'- Proses aktivasi ini membutuhkan steam dan oksigen, dimana reaksi dengan steam adalah  endotermis sehingga membutuhkan oksigen agar ada panas reaksi yang eksotermis sehingga   suhu operasi tidak turun dibawah 800°C.

Suhu operasi 800-1000°C

Persamaan reaksi aktivasi carbon:

C         +     H₂O            _=====>       CO    +    H₂

C         +  2 H₂O            _=====>      CO₂   + 2 H₂

CO      +  ½  O_{2             =====>}       CO₂

H₂        +  ½  O_{2            =====>}       H₂O

Tidak ada Reaktor yang digunakan pabrik ini. Kalau mau disebut Kiln-lah reaktornya.

URAIAN PROSES

Batubara diumpankan ke dalam Rotary Kiln-01. Pada saat yang bersamaan diumpankan juga udara ke dalam RK-01 dengan arah yang berlawanan, dimana udara ini akan membakar sebagian batubara sehingga suhu juga akan naik. Suhu operasi di RK-01 berkisar antara 150-350°C. Massa keluar RK-01 ada 2 fase yaitu gas-gas hasil oksidasi yang masih membawa debu abu , dan padatan batubara yang telah terkabonisasi.

Gas-gas yang masih membawa abu kemudian diumpankan ke dalam Cyclon Separator-01 (CS-01) untuk memisahkan abu yang terikut pada gas-gas hasil oksidasi parsial. Dari sisi atas akan keluar gas yang selanjutnya bisa diflare, dari bagian bawah akan keluar padatan abu.

Batubara terkarbonasi yang keluar dari RK-01 selanjutnya diumpankan ke dalam Rotary Kiln 02 (RK-02) untuk dilakukan proses aktivasi dengan bantuan steam dan oksigen. Jika diperlukan bisa ditambahkan gas alam (methane) untuk dibakar dalam Kiln untuk mempertahankan suhu operasi tetap tinggi.

Sama seperti kasuk RK-01, maka Massa keluar RK-01 ada 2 fase yaitu gas-gas hasil oksidasi yang masih membawa abu , dan padatan carbon yang telah teraktivasi. Gas-gas yang masih membawa abu kemudian diumpankan ke dalam Cyclon Separator-02 (CS-02) untuk memisahkan abu yang terikut pada gas-gas hasil oksidasi parsial. Dari sisi atas akan keluar gas yang selanjutnya bisa diflare, dari bagian bawah akan keluar padatan abu.

Carbon yang telah diaktivasi keluar dari RK-02 pada bagian bawah, selanjutnya diumpankan ke dalam Rotary Cooler 01 (RC-01) untuk dilakukan pendinginan sebelum ditampung ke dalam bin atau gudang.

DIAGRAM ALIR

Data US Patent untuk proses produksi Carbon aktif dari coal adalah United States Patent No 4.102.812,  25 Juli 1978 dengan label Production of Carbon from CoalGranules Pepared In A Flood Enegy mill

Jum'at, 10 Safar 1443 H / 17 September 2021 M