## PEMBUATAN KARBON AKTIF DARI LIMBAH BIOMASSA SEBAGAI BAHAN BAKU KATODA UDARA
Fabricated of Activated Carbon from Biomass Waste for Air Cathode Application
Rizqi Auliaur Rahman 1 , Nur Latifah 1 , Mardiah 1 *
1 Department of Chemical Engineering, Engineering Faculty, Mulawarman University Jl. Sambaliung No. 9, Gunung Kelua, Samarinda, Indonesia
*email : mardiah@ft.unmul.ac.id

## Abstrak
Indonesia  merupakan  negara  yang  kaya  akan  sumber  daya  alam  seperti  kelapa  sawit  dan  padi.  Limbah biomassa  tersebut  yang  berupa  tandan  kosong  kelapa  sawit  dan  sekam  padi  dapat  dimanfaatkan    sebagai karbon aktif melalui proses pirolisis. Baterai logam udara terdiri dari tiga bagian utama, anoda berupa logam seperti aluminium dan seng, elektrolit sebagai media penghantar dan katoda yang dapat berupa karbon aktif sebagai media penyerap oksigen di udara. Penelitian ini menggunakan dua jenis karbon aktif yaitu dari sekam padi  dan  tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS),  dua  jenis  logam  yaitu  alumunium  dan  seng,  serta  tiga  jenis larutan  elektrolit,  yaitu  NaOH,  HCl,  dan  NaCl.  Berdasarkan  hasil  penelitian  diperoleh  bahwa  kuat  arus tertinggi  terdapat  pada  elektrolit  HCl  dengan  anoda  berupa  seng  dan  karbon  aktif  yang  berasal  dari  sekam padi dan tegangan tertinggi diperoleh pada elektrolit NaOH dengan anoda berupa aluminium dan karbon aktif berasal dari tandan kosong kelapa sawit.
Kata Kunci : Metal-air batteries, sekam padi, tandan kosong kepala sawit (TKKS)

## Abstract
Keywords : Metal-air batteries, rice husk, empty fruit bunches (EFB)

## 1. PENDAHULUAN
Baterai  logam  udara    memiliki  keunggulan diantara  nya  energi  spesifik  yang  jauh  lebih tinggi  dibandingkan  dengan  baterai  yang bersifat rechargeable seperti  Li  ion,  Ni– Baterai  Cd,  dan  timbal-asam.  Untuk  jenis baterai  ini,  anoda  yang  digunakan  adalah logam  aktif  seperti  Li,  Ca,  Mg,  Al,  Fe,  dan Zn.Aluminium  (Al)  dan  seng  (Zn)  adalah logam  yang  paling  melimpah  dikerak  bumi (Mori, 2017).
Baterai  logam  udara seperti  baterai  aluminum udara    adalah  jenis  baterai  yang  termurah karena  harga  alumunium  pada  tahun  2014 seharga  $0.88/lb  dan  melimpahnya  unsur
aluminium.  Bahkan  dapat  menjadi  lebih ekonomis  dengan  memanfaatkan  limbah aluminium seperti kaleng bekas (Morris R.K., 2002).  Selain  itu,  baterai  logam  udara memiliki  densitas  energi  teoritis  yang  besar mencapai 8,14 kwh/kg (Liu Y 2017).
Limbah  biomassa  seperti  Tandan  Kosong Kelapa  Sawit    (TKKS)  dan  sekam  padi mempunyai potensi yang besar sebagai katoda udara.  Berdasarkan  data  statistik  Departemen Pertanian  pada  tahun  2015  produksi  kelapa sawit  Indonesia  mencapai  23  juta  ton.  Dari produksi    tersebut    dihasilkan  limbah biomassa  TKKS  sebanyak  22-23  %  atau sekitar  5  juta  ton.  Sedangkan  limbah  sekam padi yang  dihasilkan  dari proses penggilingan
beras  diperoleh  sekam  sekitar  20-30%  dari bobot  gabah  (Ashari,  2013).    Sekam  dengan persentase yang tinggi tersebut dapat menimbulkan  masalah lingkungan. Umumnya kedua limbah biomassa tersebut dimanfaatkan sebagai  bahan  bakar tungku  perebusan  kelapa sawit,  mejadi  pupuk,  atau  hanya  dibakar  dan belum  bisa  dimanfaatkan  secara  maksimal. Sehingga salah satu cara untuk memanfaatkan pada  kedua  limbah  biomassa  tersebut  adalah dengan  menjadikan  sumber  bahan  baku baterai katoda udara.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui perbandingan  performansi  dari  pengaruh katoda  udara  dari  karbon  aktif  hasil  proses pirolisis TKKS dan sekam padi serta pengaruh penggunaan  anoda,  yakni  seng  (Zn)  dan alumunium (Al) dengan  menggunakan 3 jenis larutan elektrolit, yakni NaOH 1 M, NaCl 1 M, dan  HCl  1  M  terhadap  perolehan  tegangan dan  kuat  arus  listrik  yang  dihasilkan  oleh baterai logam udara.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1.  Pembuatan  Karbon  Aktif  dari  Sekam Padi dan TKKS
Sekam  padi  dan  TKKS  (Tandan  Kosong Kelapa  Sawit)  yang  sudah  halus  dimasukkan kedalam  silinder/  reaktor  pirolisis.  Suhu proses  diatur  pada  suhu  550-600°C.  Cairan berbentuk  gas  yang  keluar  dari  silinder/ reaktor  dikondensasi  dan  ditampung  dalam gelas ukur.  Proses dihentikan ketika tidak ada lagi  gas  dan  liquid  yang  terbentuk  di kondensor.  Char  yang  dihasilkan  dari  proses pirolisis  diambil  dan  dilakukan  aktivasi dengan  direndam  pada  larutan  NaOH  1  M selama 24 jam. Setelah itu  dilarutkan kembali dengan  HCl  1  M  dan  dicuci  dengan  akuades hingga pH ±7. Setelah itu, dikeringkan dengan oven  pada  suhu  100°C  hingga  berat  konstan. Char  yang  diperoleh  dilakukan  analisa proksimat.

## 2.2  Perakitan  Baterai,  Pengukuran  Kuat Arus dan Tegangan Listrik
Pipa  1  in  dipotong  dengan  panjang  1,5  cm. Karbon  aktif  yang  telah  siap  dimasukan kedalam    pipa  dan  ditekan  hingga  menyatu dengan  tissu.  Plat  alumunium  dan  plat  seng dipotong  menjadi  ukuran  6  x  6  cm  dan  tebal dengan  menggunakan  jangka  sorong  sebesar
0,03  cm  untuk  seng  dan  0,003  cm  untuk alumunium.  Karbon  aktif  dan  tissu  disusun kedalam  pipa  1  in  seperti  Gambar  1.  Larutan elektorlit  NaOH  1  M  sebanyak  6  mL dimasukan  ke  dalam  pipa  1  in  hingga  tissu menyerap larutan dan menyentuh  keseluruhan plat.  Pengukuran  kuat  arus  dan  tegangan listrik  menggunakan  avometer  setiap  1  gram karbon  aktif  hingga  3  gram  karbon  aktif Perlakuan  diulang  dengan  larutan  elektrolit NaCl  dan  HCl  1  M  masing-masing  sebanyak 6 mL.
Gambar  1. Rangkaian Baterai

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Karakteristik karbon aktif
Berdasarkan  hasil  analisa  proksimat  pada Tabel  1 , TKKS  memiliki  nilai Fixed  Carbon lebih  tinggi  dibandingkan  sekam  padi.  Kadar air  pada  karbon  aktif  dari  kedua  bahan  sesuai dengan  SNI  (Standar  Nasional  Indonesia) yaitu  lebih  rendah  dari  15%.  Kadar  air  yang tinggi  akan  menurunkan  mutu  karbon  aktif karena  air  yang  teradsoprsi  pada  karbon  aktif akan  menurunkan  kapasistas  dan  daya adsoprsi terhadap cairan maupun gas.
Tabel  1. Hasil Analisa Proksimat Sampel
Karbon Aktif Karbon Kadar Air (%) Kadar Abu (%) Volatile Matter (%) Fixed Carbon (%) Sekam Padi 13,93 41,00 15,46 29,50 TKKS 2,02 9,85 20,72 67,41 Karbon Aktif SNI <15% < 10% < 25% > 65%
Kadar  zat  terbang  ( volatile  matter )  yang dihasilkan  pada  penelitian  ini  dibawah  25%. Semakin  rendah  kadar  zat  terbang    dari karbon  aktif,  semakin  baik  mutu  karbon  aktif tersebut. Sementara  kadar  abu  yang  diperoleh karbon  aktif  sekam  tidak  memenuhi  SNI karena  kandungannya  jauh  lebih  tinggi dibandingkan  standar  yang  telah  ditetapkan yakni kurang dari 10 % sehingga mengakibatkan  karbon  yang  terikat  (fixed carbon)  semakin  rendah.  sedangkan  karbon
aktif dari TKKS memenuhi SNI baik dari segi kadar  abu  dan  karbon  terikat.  Semakin  luas plat logam beserta karbon aktif maka semakin besar kemungkinan media penyerapan udara.

## 3.2. Pembuatan Baterai Logam Udara
Asam  kuat,  garam,  dan  basa  kuat  bersifat konduktor  karena  dapat  terionisasi  dengan sempurna  berbeda  dengan  asam  lemah  dan basa  lemah  yang  hanya  dapat  terionisasi sebagian atau tidak sempurna. Larutan NaOH, NaCl,  dan  HCl  dapat  terionisasi  sempurna dalam  air.  Ion-ion  tersebut  bergerak  aktif sehingga  dapat  menghantarkan  arus  listrik dengan  baik  dari  kutub  positif  ke  kutub negatif pada baterai. Reaksi ionisasi logam Zn, Al,  dan  Udara  pada  larutan  elektrolit  Basa, Garam, dan Asam dilihat pada Tabel 2, Tabel 3, dan Tabel 4.
Tabel  2. Tabel Reaksi Zn pada Aqueous Elektrolit Elektrolit Reaksi E° (V) Basa Zn  +  2OH - →  ZnO  + H 2 O + 2e - + 1,25
Garam
Zn → Zn 2+ + 2e - - 0,76 Asam Zn → Zn 2+ + 2e -
- 0,76 Sumber: Mainar, Aroa R. dkk., (2018) Tabel  3. Tabel Reaksi Al pada Aqueous Elektrolit Elektrolit Reaksi E° (V) Basa Al + 3OH - → Al(OH) 3 +
3e - + 2,30 Garam Al → Al 3+ + 3e - - 1,67 Asam Al → Al 3+ + 3e -
- 1,67 Sumber: Chen, Leane D., dkk., (2015)
Tabel  4. Tabel Reaksi Udara pada Aqueous Elektrolit Elektrolit Reaksi E° (V) Basa O 2 +  2H 2 O  +  4e - → 4OH - +0,40
Garam 2H + +  ½  O 2 +  2e - → H 2 O +1,29 Asam O 2 + 4H + + 2e - → 2H 2 O +1,29 Sumber: Mainar, dkk., (2018)
Logam  Al  memiliki  tegangan  listrik  lebih besar  dibanding  logam  Zn  sesuai  dengan perhitungan teoritis.
Hasil  dari  pengujian  dalam  bentuk  grafik perbandingan  tegangan  dan  kuat  arus  baterai
pada  berbagai  Elektrolit  dengan  Avometer yang  dihasilkan    oleh  baterai  dapat  dilihat pada Gambar 3, 4, 5 dan 6.
Keterangan  :  Al-TKKS  (anoda  aluminium  dan  karbon aktif  dari  TKKS);  Al-Sekam  (anoda  aluminium  dan karbon aktif dari sekam padi; Zn-TKKS (anoda seng dan karbon  aktif  dari  TKKS);  Zn-Sekam  (anoda  aluminium dan karbon aktif dari sekam padi)
Gambar 3. Grafik Perbandingan Tegangan Listrik
Dari  grafik  pada  Gambar  3  menunjukkan bahwa tegangan listrik tertinggi pada elektrolit NaOH yakni  Al-TKKS sebesar 1,38 V  dan  Al-sekam  1,09  V.  Sementara  itu,  Zn- TKKS sebesar 1,18 V dan Zn-sekam 1,22 V.
Pada  elektrolit  HCl  yakni  Al-TKKS  sebesar 0,5  V  dan  Al-sekam  0,67  V.  Sementara  itu, Zn-TKKS  sebesar 0,76  V  dan  Zn-sekam  0,79 V.
Dan  Pada  elektrolit  NaCl  yakni  Al-TKKS sebesar 1,3 V dan Al-sekam 0,6 V. Sementara itu,  Zn-TKKS  sebesar  0,83  V  dan  Zn-sekam 0,87  V.  Dari  hasil  penelitian  diketahui, tegangan baterai tetap sama walaupun dengan penambahan karbon aktif 1-2 gram.
Mardwianta  (2017)  menjelaskan  tegangan baterai diperoleh karena adanya beda potensial  dua  terminal  di  sirkuit.  Terminal  di aluminium  potensial  yang  lebih  rendah menuju  ke  terminal  udara  yang  ada  di  karbon aktif  dengan  potensial  yang  lebih  tinggi.  Liu (2017)  menjelaskan  dengan  larutan  basa  kuat lebih  baik  karena  ionik  yang  lebih  baik  dari segi konduktivitas, viskositas rendah, koefisien  difusi  oksigen  lebih  tinggi  dan kinetika reaksi lebih cepat.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 NaOH HCl NaCl V o lt Jenis Elektrolit Al-TKKS Zn-TKKS Al-Sekam Zn-Sekam
Keterangan  :  Al-TKKS  (anoda  aluminium  dan  karbon aktif  dari  TKKS);  Al-Sekam  (anoda  aluminium  dan karbon aktif dari sekam padi; Zn-TKKS (anoda seng dan karbon  aktif  dari  TKKS);  Zn-Sekam  (anoda  seng  dan karbon aktif dari sekam padi)
Gambar 4. Grafik Perbandingan Kuat Arus per Gram karbon aktif  pada Elektrolit HCl
Keterangan  :  Al-TKKS  (anoda  aluminium  dan  karbon aktif  dari  TKKS);  Al-Sekam  (anoda  aluminium  dan karbon aktif dari sekam padi; Zn-TKKS (anoda seng dan karbon  aktif  dari  TKKS);  Zn-Sekam  (anoda  aluminium dan karbon aktif dari sekam padi)
Gambar  5. Grafik Perbandingan Kuat Arus per Gram karbon aktif pada  Elektrolit NaOH
Mardwianta  (2017)  menjelaskan  pengukuran tegangan  listrik  ini  mampu  terjadi  karena rangkaian  baterai  membangkitkan  medan listrik  sehingga  menyebabkan  timbulnya  arus listrik  dalam  sebuah  konduktor  listrik  yang terhubung  dengan  alat.  Mardwianta  (2017) juga  menjelaskan  bahwa  kinerja  baterai melibatkan  transfer  elektron  melalui  suatu media  yang  bersifat  konduktif  dari  anoda menuju  katoda  sehingga  menghasilkan  arus listrik.
Arus  listrik  yang  dihasilkan  tertinggi  pada elektrolit HCl pada logam Zn dan karbon aktif dari  Sekam  padi  sebesar  17,58  mA.  Pada
elektrolit  NaOH  pada  logam  Al  dan  karbon aktif  dari  TKKS  sebesar  7  mA.  Dan  pada elektrolit  NaCl  pada  logam  Al    dan  karbon aktif dari Sekam padi sebesar 4,6 mA.
Dari  hasil  penelitian  menunjukan  bahwa massa  karbon  aktif  (katoda)  mempengaruhi jumlah arus yang dihasilkan yang dapat dilihat pada  Gambar  4,  Gambar  5,  dan  Gambar  6 yang  menunjukan perubahan arus listrik yang dihasilkan  dari  rangkaian  baterai  setiap penambahan  1  gram  karbon  cenderung menurun.  Hal  ini  kemungkinan  dapat  terjadi karena  adanya  penetrasi  larutan  elektrolit  ke dalam  pori-pori  karbon  aktif  sehingga menghambat penyerapan udara ke dalam pori- pori karbon.
Keterangan  :  Al-TKKS  (anoda  aluminium  dan  karbon aktif  dari  TKKS);  Al-Sekam  (anoda  aluminium  dan karbon aktif dari sekam padi; Zn-TKKS (anoda seng dan karbon  aktif  dari  TKKS);  Zn-Sekam  (anoda  seng  dan karbon aktif dari sekam padi)
Gambar  6. Grafik Perbandingan Kuat Arus per Gram karbon aktif pada Elektrolit NaCl
Selain  itu,  pada  Gambar  4,  Gambar  5,  dan Gambar 6 menunjukan bahwa setiap elektrolit memiliki  perbedaan  kuat  arus  yang  berbeda sehingga  kuat  arus  dipengaruhi  oleh  jenis elektrolit.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan,  dapat disimpulkan  bahwa  nilai  tegangan  listrik tertinggi pada Al-TKKS pada elektrolit NaOH sebesar 1,38 V. Sedangkan kuat arus tertinggi
0 5 10 15 20 1 2 3 mA massa karbon aktif (gram) Al-TKKS Zn-TKKS Al-Sekam Zn-Sekam 0 2 4 6 8 1 2 3 mA massa karbon aktif (gram) Al-TKKS Zn-TKKS Al-Sekam
Zn-Sekam
0 1 2 3 4 5 1 2 3 mA massa karbon aktif (gram) Al-TKKS Zn-TKKS Al-Sekam Zn-Sekam
pada  variasi  elektrolit  HCl  pada  variasi  Zn- Sekam sebesar 17,58 mA.

## REFERENSI
Anonymous,  2015. Statistik  Perkebunan Indonesia  Palm  Oil.  Jakarta.  Direktorat Jenderal Perkebunan. Ashari,  Moh.  Yusuf.,  2013. Adsorbsi  Ion Cr(VI)  Oleh  Arang  Aktif  Sekam  Padi . Surabaya.  UNESA  Journal  of  Chemistry
Vol. 2, No. 1.
Chen,  Leane  D.,  Jens  K.  Nørskov,  Alan  C.
Luntz. 2015. Al−Air Batteries: Fundamental Thermodynamic Limitations from First-Principles Theory. California:  The  Journal  of  Physical Chemistry Letter
Liu, Yisi, Qian Sun, Wenzhang Li, Keegan R. Adair,  Jie  Li,  Xueliang  Sun.  2017. Review Article : A comprehensive review on  recent  progress  in  aluminume  air batteries . Elseiver ScienceDirect. Mainar,  Aroa  R.,  Elena  Iruin,  Luis  C. Colmenaresa,  Andriy  Kvashaa,  Iratxe  de Meatzaa,  Miguel  Bengoecheaa,  Olatz Leoneta,  Iker  Boyanoa,  Zhengcheng Zhangc,  J.  Alberto  Blazqueza.  2018. An overview  of  progress  in  electrolytes  for secondary  zinc-air  batteries  and  other storage  systems  based  on  zinc .  Spain: Elseiver, Energy Storage Mardwianta,  Benedictus.  2017.  Pembangkit
Energi  Listrik  Padda  Baterai  Udara dengan Bahan Karbon Aktif dan
Elektrolit  Air  Laut.  Seminar  Nasional
Teknologi  Informasi  dan  Kedirgantaraan (SENATIK) Vol. III, 21 Desember 2017, P-ISSN: 2337-3881, E-ISSN: 2528-1666
Mori, Ryoehei. 2017. Electrochemical properties of a rechargeablealuminum–air battery  with a  metal–organic  framework as  air  cathode  material .  The  Royal Society of Chemistry. Morris, R. K., Ottewil, G. A., Barker, B. D. & Walsh,  F.  C.,  2002. The  Aluminium-air Cell:  A  Hands-on  Approach  to  The Teaching of Electrochemical Technology . Tempus, XVIII(3), pp. 379-388.