## PISTON Journal of Technical Engineering:
Pemanfaatan Tandan Kosong Kelapa Sawit sebagai Bahan Baku Kertas Karbon
Fredina Destyorini* dan Nanik Indayaningsih
Pusat Penelitian Fisika – LIPI, Gd. 440 Kawasan PUSPIPTEK, Tangerang Selatan, Indonesia
E-mail: *fred007@lipi.go.id
Masuk : 9 Agustus 2017
Direvisi : 30 Agustus 2017 Disetujui : 11 Agustus 2017
Abstrak : Limbah perkebunan berupa tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dapat dimanfaatkan sebagai bahan karbon yang bernilai  guna  lebih  tinggi.  Pada  penelitian  ini  dibahas  tentang  proses  pembuatan  dan  karakterisasi  kertas  karbon  dengan memanfaatkan  serat  TKKS  sebagai  bahan  bakunya.  Kertas  karbon  yang  dihasilkan  dapat  diaplikasikan  sebagai Gas Diffusion Layer (GDL) PEMFC. Pembuatan kertas karbon pada penelitian kali ini terdiri dari 2 tahap yaitu pembuatan bahan karbon dari serat TKKS dan pembuatan kertas karbon. Pada tahap pertama, bahan karbon dihasilkan dari proses karbonisasi dan  pirolisis  serat  TKKS  hingga  suhu  1300 o C.  Bahan  karbon  yang  dihasilkan  selanjutnya  digunakan  sebagai  bahan  dasar untuk  pembuatan  kertas  karbon  pada  tahap  kedua.  Pembuatan  kertas  karbon  dilakukan  dengan  cara  mencampurkan  bahan karbon  yang  dihasilkan  pada  tahap  pertama  dengan  polimer ethylene  vinyl  acetate (EVA)  dan poly  ethylene  glycol (PEG) sebagai binder ke  dalam  pelarut xylene .  Proses  pencampuran  dilakukan  pada  suhu  90 o C  hingga  membentuk slurry ,  dan dilanjutkan  dengan  proses  pencetakan  pada  cetakan  kaca . Berdasarkan  hasil  pengujian  konduktivitas  listrik  terlihat  bahwa nilai  konduktivitas  listrik  karbon  TKKS  meningkat  seiring  dengan  pertambahan  suhu  pirolisis.  Nilai  konduktivitas  listrik serbuk karbon TKKS 500 o C sebesar (1,02x10 -6 )-(3,90x10 -5 )S/cm; 700 o C sebesar (0,021-0,025) S/cm; 900 o C sebesar (2,95- 2,96)  S/cm;  dan  untuk  1300 o C  sebesar  (7,97-8,03)  S/cm.  Penggunaan  bahan  polimer  yang  tidak  konduktif  menyebabkan kertas karbon yang dihasilkan memiliki nilai konduktivtas listrik yang lebih rendah dibandingkan bahan karbonnya.
Kata kunci: Tandan kosong kelapa sawit, pirolisis, kertas karbon, Gas Diffusion Layer
Abstract: Farm by-products such as oil palm empty fruit bunches (EFB) can be used as the carbon material with higher use- value.  In  this  study  discussed  about  the  manufacture  process  and  characterization  of  carbon  paper  using  EFB  as  raw materials. The carbon paper can be applied as a Gas Diffusion Layer (GDL) PEMFC. Manufacture of carbon paper in the present study consisted of two stages, namely the manufacture of carbon materials and paper making. In the first stage, the carbon  material  produced  from  carbonization  and  pyrolysis  process  of  EFB  to  a  suhu  of  1300 o C.  The  resulting  carbon material is further used as a raw material for the manufacture of carbon paper on the second stage. Manufacture of carbon paper made by mixing the carbon material produced in the first stage with a polymer of ethylene vinyl acetate  (EVA) and poly ethylene glycol (PEG) as binder in the solvent xylene. The mixing process is done at a suhu of 90°C to form slurry, and then  cast  it  on  the  glass  mold.  Based  on  the  result  of  electrical  conductivity  test  shows  that  the  electrical  conductivity  of carbon  material  from  TKKS  increases  with  pyrolysis  suhu.  The  electrical  conductivity  value  of  carbon  TKKS  500 o C  are (1,02x10 -6 ) - (3,90x10 -5 ) S/cm; 700°C (0,021-0,025) S/cm; 900 o C (2,95 to 2,96) S/cm; and 1300 o C (7,97 to 8.03) S/cm. The use of non-conductive polymer materials in the second stage produced carbon paper with lower electrical conductivity than the carbon materials.
Keywords: Oil palm empty fruit bunches, pyrolysis, carbon paper, Gas Diffusion Layer

## PENDAHULUAN
Indonesia merupakan salah satu  penyuplai minyak kelapa sawit mentah (Crude Palm Oil/ CPO) terbesar di dunia [1]. Pada tahun 2011  Indonesia menguasai pasar CPO (crude palm oil) atau minyak mentah sawit dunia sebesar  47  %,  Malaysia  sebesar  39  % dan  selebihnya di  produksi  oleh  negara  lain  di  seluruh  dunia.  Dari  total seluruh produksi CPO tahun 2011 dengan jumlah 46 juta ton yang di hasilkan dari lebih kurang 12 juta hektar kelapa sawit di seluruh dunia, Indonesia berkontribusi sebanyak 7,5 juta hektar [2-4]. Dalam proses pengolahan
minyak  kelapa  sawit  terdapat  produk  samping  (limbah)  salah  satunya  berupa  tandan  kosong  kelapa  sawit (TKKS)  yang  selama  ini  belum  dimanfaatkan  secara  optimal,  contohnya  sebagai  pupuk  tanaman  dan  pakan ternak  saja.  Sedangkan  TKKS  merupakan  limbah  padat  yang  paling  banyak  dihasilkan  yaitu  >20%  dari  total tandan  buah  segar  (TBS)  kelapa  sawit  yang  diolah  [5].  Pada  penelitian  ini  akan  dilakukan  pengolahan  tandan kosong kelapa sawit menjadi arang aktif dan kertas karbon sebagai alternatif pemanfaatan limbah kelapa sawit yang  sudah  ada  selama  ini.  TKKS  merupakan  bahan  organik  komplek  yang  kaya  unsur  karbon.  Kandungan karbon  inilah  yang  dapat  dimanfaatkan  untuk  berbagai  aplikasi,  salah  satunya  sebagai  arang/karbon  aktif  dan kertas  karbon  konduktif.  Tujuan  dari  penelitian  kali  ini  yaitu  untuk  mempelajari  teknik  pengolahan  TKKS menjadi arang/karbon aktif dan pembuatan kertas karbon konduktif dari arang/karbon aktif TKKS pada variasi temperatur  pemanasan.  Hasil  penelitian  ini  diharapkan  dapat  meningkatkan  nilai  tambah  limbah  TKKS dibanding dengan aplikasi yang sudah ada selama ini.

## METODOLOGI

## Bahan Baku
Bahan  baku  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  yaitu  serat  dari  tandan  kosong  kelapa  sawit  (TKKS). Pembuatan  kertas  karbon  diawali  dengan  proses  karbonisasi  serat  dari  TKKS  pada  suhu  500 o C  dalam  kondisi inert gas (N 2 ) selama 1 jam untuk  menghasilkan arang 500 o C  menggunakan tungku tabung. Berdasarkan hasil DTA/TG,  serat  TKKS  telah  mengalami  dekomposisi  seluruh  komponen  hemi-cellulose,  cellulose  and  lignin pada suhu ±500 o C [3].  Pembuatan arang/karbon aktif 700 o C, 900 o C, dan 1300 o C dilakukan dengan melanjutkan proses pemanasan pada suhu 700 o C, 900 o C, dan 1300 o C dalam kondisi  inert  gas (N 2 ) selama 1 jam dari arang 500 o C.

## Pembuatan Kertas Karbon Konduktif
Kertas  karbon  konduktif  (CCP)  dibuat  menggunakan  teknologi  komposit,  dengan  bahan  serbuk arang/karbon TKKS (200 mesh), polimer dan pelarut. Polimer yang digunakan yaitu jenis Ethylene vinyl acetate (EVA)  dan  Polyethylene  glycol  (PEG),  sedangkan  pelarut  yang  digunakan  yaitu  jenis  Xylen.  Detil  proses pembuatan kertas kabon konduktif dapat dilihat pada diagram alir  (Gambar 1).
Gambar 1. Diagam alir pembuatan kertas karbon.

## Karakterisasi
Nilai konduktivitas listrik serbuk arang/karbon TKKS dan kertas karbon diukur  menggunakan LCR-meter HIOKI  3522-50  HITESTER.  Untuk  serbuk  arang/karbon  ukuran  partikel  dibuat  homogen  sebesar  200  mesh. Sedangkan sampel kertas karbon dipotong seluas ± (1x1)cm 2 . Dari alat LCR-meter ini didapatkan nilai resistansi (R) dengan satuan Ω, dan untuk mendapatkan nilai konduktivitas listriknya (σ) S/cm digunakan persamaan (1):
σ = 𝑅𝐴 𝐿 (1)
dimana L adalah jarak 2 elektroda dengan satuan cm, dan A adalah luas penampang lintang dengan satuan cm 2 [6].  Pengamatan  morfologi  kertas  karbon  konduktif  dilakukan  menggunakan  SEM  (JEOL  JSM-6390A). Pengamatan dilakukan pada penampang atas, bawah, dan melintang dari kertas karbon.
Polimer (EVA + PEG) Pelarut (Xylen) Karbon Pencampuran (Stirrer; 90 o C; 75 menit)
Pencetakan (Cetakan kaca)
Kertas karbon konduktif

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Tandan  kosong  kelapa  sawit  merupakan  serat  organik  yang  kaya  akan  unsur  karbon.  Unsur  kabon  yang terikat dalam bentuk hemi-cellulose, cellulose and lignin inilah yang harus diuraikan dengan teknik karbonisasi pada suhu tertentu. Pada penelitian ini unsur karbon yang terkandung dalam serat TKKS dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan kertas karbon konduktif. Proses pengarangan serat karbon untuk mendapat unsur karbon yang diinginkan dilakukan dengan teknik karbonisasi (inert gas) dimulai pada suhu 500 o C selama 1 jam. Serat TKKS  yang  telah  melalui  proses  karbonisasi  akan  berubah  warna  menjadi  hitam  pekat  seperti  warna  arang. Bentuk serat TKKS sebelum  dikarbonisasi dan arang TKKS setelah  karbonisasi dapat dilihat pada Gambar 2a dan  2b.  Dengan  mengalirkan  gas  inert  (N 2 )  selama  proses  karbonisasi  akan  menyebabkan  serat  TKKS terdekomposisi  sempurna  dan  mencegah  terbentuknya  abu  sebagai  akibat  dari  reaksi  dengan  oksigen.  Indikasi tidak  terbentuknya  abu  dapat  ditandai  dengan  warna  arang  yang  hitam  pekat  dan  tidak  ada  bagian  yang berwarna abu-abu atau putih. Proses karbonisasi pada suhu 500 o C ini menghasilkan produk samping berupa tar dan cuka kayu yang harus dipisahkan dari arang/karbon. Selanjutnya arang 500 o C ini dipanaskan lagi pada suhu yang lebih tinggi yaitu 700 o C, 900 o C, 1300 o C dengan tujuan meningkatkan kualitasnya.
(a) (b)
Gambar 2. Foto TKKS (a) sebelum dikarbonisasi dan (b) arang setelah dikarbonisasi.
Sebagai bahan baku untuk membuat kertas karbon konduktif, arang/karbon dari serat TKKS harus memiliki konduktivitas listrik yang tinggi. Oleh karena itu perlu adanya pengukuran nilai konduktivitas arang/karbon dari serat TKKS hasil karbonisasi  pada suhu 500, 700, 900, dan 1300 o C.  Arang/karbon dari serat TKKS ini harus diserbukkan  terlebih  dahulu  dengan  ukuran  serbuk  homogen  200  mesh  untuk  memaksimalkan  kontak  antar partikelnya  selama  proses  pengukuran.  Hasil  pengukuran  nilai  konduktivitas  listrik  arang/karbon  TKKS disajikan pada Gambar 3.
Gambar 3. Konduktivitas listrik serbuk arang/karbon TKKS dengan variasi suhu pemanasan.
Dari  Gambar  3  terlihat  bahwa  nilai  konduktivitas  listrik  arang/karbon  TKKS  meningkat  seiring  dengan pertambahan suhu proses karbonisasi. Nilai konduktivitas listrik arang/karbon TKKS 500 o C sebesar (1,02x10 -6 )- (3,90x10 -5 )S/cm; 700 o C sebesar (0,021-0,025) S/cm; 900 o C sebesar (2,95-2,96) S/cm; dan untuk 1300 o C sebesar (7,97-8,03)  S/cm.  Peningkatan  suhu  karbonisasi  berpengaruh  terhadap  pertambahan  nilai  konduktivitas  listrik arang/karbon  TKKS.  Berdasarkan  hasil  penelitian  sebelumnya  menyebutkan  bahwa  pertambahan  suhu karbonisasi  pada  serat  TKKS  menyebabkan  meningkatnya  derajat  kristalinitas  dari  arang/karbon  TKKS  [7-8]. Derajat  kristalinitas  merupakan  tingkat  keteraturan  struktur  suatu  material  [9].  Penetapan  derajat  kristalinitas dapat dilakukan dengan cara membagi luas daerah kristalin dan luas daerah seluruhnya (kristalin+amorf)  [10]. Peningkatan derajat kristalinitas pada arang 500 o C, 700 o C, 900 o C, dan 1300 o C memperlihatkan bahwa struktur kristal  karbon  pada  arang  semakin  teratur  mendekati  struktur  grafit  dan  hal  ini  juga  mempengaruhi konduktivitas listriknya [11].
Hasil  pembuatan  kertas  karbon  konduktif  dari  arang/karbon  TKKS  dapat  dilihat  di  Gambar  4.  Kertas karbon dibuat dari arang/karbon TKKS dan polimer yang dicetak dengan teknik tape casting . Komposisi yang digunakan  antara  arang/karbon  :  polimer  adalah  8:2  dengan  berat  total  campuran  sebesar  1,5  gram.  Dimensi kertas yang dihasilkan sebesar ± (10x10) cm dan tebal ± (0,1-0,2) mm. Pembuatan kertas karbon ini dilakukan menggunakan  bahan  dasar  arang/karbon  TKKS  hasil  karbonisasi  suhu  500,  700,  900,  dan  1300 o C  dengan komposisi  yang  sama.  Pengukuran  konduktivitas  listrik  pada  kertas  karbon  juga  dilakukan  dan  hasilnya  dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 4. Kertas karbon dari arang TKKS.
Pada Gambar 5 terlihat bahwa konduktivitas listrik kertas karbon meningkat sesuai dengan suhu karbonisasi serbuk  arang/karbon  TKKS  yang  digunakan.  Kertas  karbon  yang  menggunakan  bahan  dasar  arang/karbon TKKS  bersuhu  500 o C  memiliki  konduktivitas  listrik  paling  rendah  yaitu  sebesar  (1,37x10 -9 )-(1,44x10 -6 )  S/cm. Nilai konduktivitas listrik ini semakin naik nilainya pada kertas karbon yang menggunakan arang/karbon dengan suhu  karbonisasi  lebih  tinggi  pada  700,  900,  dan  1300 o C  yaitu  berturut-turut  sebesar;  (3,68-3,81)  x10 -4 S/cm; (5,77-5,98)  x10 -2 S/cm;  dan  (2,34-2,40)x10 -1 S/cm.  Dan  kertas  karbon  yang  paling  konduktif  dihasilkan  dari arang/karbon  TKKS  bersuhu  1300 o C.  Nilai  konduktivitas  listrik  kertas  karbon  jika  dibandingkan  dengan  nilai konduktivitas listrik bahan dasarnya berupa serbuk arang/karbon TKKS secara keseluruhan terlihat mengalami penurunan  nilai.  Hal  ini  disebabkan  adanya  penambahan  polimer  non-konduktif  sebagai  binder  yang  dapat mengurangi kontak antar partikel karbon sehingga nilai konduktivitasnya menurun.
Gambar 5. Konduktivitas listrik kertas karbon dari TKKS dengan variasi suhu pemanasan serbuk karbon.
Pengamatan  menggunakan  SEM  juga  dilakukan  untuk  melihat  stuktur  mikro  pada  kertas  karbon. Pengamatan  dilakukan  pada  permukaan  bagian  atas,  permukaan  bawah  dan  penampang  lintangnya.  Hasil  foto SEM  kertas  karbon  masing-masing  bagian  dapat  dilihat  pada  Gambar  6.  Dari  hasil  foto  SEM  pada  pemukaan bagian atas dan bawah (Gambar 6a dan 6b) terlihat bahwa partikel karbon saling terikat satu sama lainnya tetapi masih  terbentuk  pori  yang  tersebar  merata  di  seluruh  permukaan.  Terbentuknya  pori  merupakan  salah  satu syarat yang dibutuhkan oleh sebuah komponen elektoda PEMFC Gas Diffusion Layer yang memiliki salah satu fungsi sebagai pendistribusi gas H dan O [12].  Sedangkan keterikatan antar partikel karbon mempengaruhi sifat listrik dari kertas karbon yang dihasilkan. Partikel karbon yang saling terikat satu sama lain menyediakan jalur bagi elektron untuk bergerak, dan hal ini berpengaruh tehadap nilai konduktivitas listriknya. Pengamatan pada penampang  lintang  kertas  karbon  (Gambar  6c)  memberikan  informasi  bahwa  tebal  kertas  yang  dihasilkan  ± 194,47 µ m. Keterikatan antar patikel karbon dan pori yang terbentuk juga terlihat jelas. Dari penelitian ini dapat disimpulkan  bahwa  karbon  dari  arang  TKKS  dapat  dimanfaatkan  untuk  membuat  kertas  karbon  konduktif dengan teknologi komposit. Pemanfaatan serat tandan kosong kelapa sawit menjadi kertas karbon konduktif ini dapat  menambah  nilai  manfaat  dari  limbah  industri  sawit  yang  melimpah  jumlahnya.  Seperti  kita  tahu  bahwa Indonesia  merupakan  negara  penghasil  sawit  terbanyak  di  dunia,  tetapi  limbah  TKKS  yang  dihasilkan  masih belum  termanfaatkan  secara  optimal.  Dengan  demikian  hasil  penelitian  ini  dapat  memberikan  informasi mengenai alternatif pemanfaatan limbah sawit TKKS.
(a) (b) (c)
Gambar 6. Foto SEM kertas karbon dari arang TKKS tampak (a) permukaan atas, (b) permukaan bawah, dan (c) penampang lintang

## KESIMPULAN
Proses karbonisasi serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dalam suasana inert gas hingga suhu 1300 o C dapat menghasilkan serbuk karbon yang cukup konduktif dengan nilai konduktivitas listrik sebesar ± (7,97-8,03) S/cm  (tidak  ada  dipembahasan).  Pembuatan  kertas  karbon  dengan  memanfaatkan  serbuk  karbon  dari  serat TKKS  ini    berhasil  dilakukan  dengan  teknologi casting yang  sederhana  dan  menghasilkan  kertas  dengan dimensi  sebesar  ±  (10x10)  cm  dan  tebal  ±  (0,1-0,2)  mm  Kertas  karbon  yang  paling  konduktif  dihasilkan  dari karbon TKKS 1300 o C dengan nilai konduktivitas listrik kertas karbon (2,34-2,40)x10 -1 S/cm.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini merupakan bagian dari penelitian berjudul “Peningkatan Nilai Tandan Kosong Kelapa Sawit Menjadi Karbon Aktif Untuk Bahan Kertas Konduktif Sebagai Komponen Fuel Cell” dan didanai oleh kegiatan Insentif  Peningkatan  Kemampuan  Peneliti  dan  Perekayasa  (PKPP)  Tahun  Anggaran  2012,  Kementerian  Riset dan  Teknologi.  Penulis  juga  ingin  mengucapkan  terima  kasih  kepada  semua  pihak  yang  telah  berkontribusi membantu pelaksanaan penelitian ini.

## Pori
Karbon

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Mo,  Y.  “7  Negara  Tujuan  Utama  Ekspor  Minyak  Kelapa  Sawit  dari  Indonesia”, http://www.isw.co.id/single-post/2017/02/27/Negara-Tujuan-Utama-Ekspor-Minyak-Kelapa-Sawit-dari- Indonesia, akses tanggal 21 Desember 2017.
[2] Indonesian Palm Oil Magazine. http://www.infosawit.com/. Akses tanggal 1 November 2012.
[3] Manambangtua A P, Barri N L dan Palma B 2016 Warta Penelitian dan Pengembangan Tanaman Industri 22 18
[4] Nurbahar  I  R,  Hendaryati  D  D,  Ariyanto  Y  Y,  Zuraina  W  K,  Pudjianto  E,  Udin  A,  Kurniawati  N, Darmajati  S  N  dan  Magdalena  E  2017 Statistik  Perkebunan  Indonesia,  Kelapa  Sawit  2015-2017 Sekretariat Direktorat Jenderal Perkebunan, Direktorat Jenderal Perkebunan, Kementerian Pertanian.
[5] Fuadi A M dan Pranoto H 2016 Chemica 3 1 [6] Mochidzuki K et al. 2003 Ind. Eng. Chem. Res. 42 5140
[7] Indayaningsih  N, Zulfia A, Priadi D dan Kartini E 2010 Carbon Studies On The Oil Palm Fibers For Gas Diffusion  Layer  Material Proceeding  12th  Asian  Conference  on  Solid  State  Ionics  and  15th  Chinese Conference on Solid State Ionics , Fundamental researches and Technological Applications (Wuhan, China) p 1045
[8] Indayaningsih  N, Zulfia A, Priadi D dan Hendrana S 2011 Jurnal Advanced Materials Research 277 137
[9] Hussain R, Qadeer R, Ahmad M dan Saleem M 2000 Turk J. Chem. 24 177
[10] Kercher A K dan Negle D C 2003 Carbon 41 15
[11] Destyorini F, Suhandi A, Subhan A dan Indayaningsih N 2010 Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonesia 10 122
[12] Cindrella  L,  Kannan  A  M,  Lin  J  F,  Saminathan  K.,  Ho  Y,  Lin  CW  and  Wertz  J  2009 Journal  of  Power Sources 194 146