kajian kekonduksian terhadap karbonteraktif daripada...

Pertanika J. Sci. & Techno!. 2(2): 207-214 (1994)

ISSN: 0128-7680

© Universiti Pertanian Malaysia Press

Kajian Kekonduksian terhadap Karbon Teraktif daripadaKayu Bakau (Rhizophora apiCl,data)

Z. Zulkamain, Mohd Zobir Hussein,Md. Nor Ismail dan M. BadrF

Jabatan KimiaFakulti Sains dan Pengajian Alam Sekitar

Universiti Pertanian Malaysia43400 UPM Serdang, Selangor D.E., Malaysia

lfnstitiut Penyelidikan Minyak Sawit Malaysia (PORlM)No. 6 Pesiaran Institusi

Bandar Baru Bangi 43650, Selangor D.E., Malaysia

Received 11 November 1993

ABSTRAK

Karbon teraktif yang disediakan daripada kayu bakau (Rhizophora apiculata)menu~ukkan sifat kekonduksian seperti semikonduktor. Kekonduksiannyabertambah secara eksponen dengan suhu. Terdapat dua mekanisme pengalirancas yang dikenal pasti iaitu pada suhu rendah dan pada suhu tinggi. Pertambahanyang jelas pada nilai kekonduksian terutamanya pada suhu yang lebih tinggiberlaku apabila karbon teraktif didopkan dengan gula ringkas. Kekonduksianjuga didapati bertambah dengan kepekatan gula.

ABSTRACT

Activated carbon prepared from mangrove wood (Rhizophora apiculata) showsconduction behaviour similar to that of semiconductors. The conductivityincreases exponentially with the temperature. Two types of charge transfermechanism are identified, i. e. at low and high temperature. A significantincrease in the conductivity was observed especially at high temperature, whenthe carbon was doped with simple sugar. The conductivity was also found toincrease with the sugar concentration.

Katakunci: karbon teraktif, kayu bakau, kekonduksi

PENDAHULUANKarbon teraktif telah banyak digunakan dalam industri denganmengeksploitasikan sifat jerapan bahan tersebut, Bagi karbon teraktif yangdisediakan daripada sumber semulajadi, kuasajerapan ini dikaitkan denganluas permukaannya yang tinggi melebihi 100 m2/g dan kehadiran liang-liangseni yang banyak dengan pelbagai saiz (Dubinin 1966; Mattson dan Mark1971). Kajian terhadap sifat karbon teraktif sebagai bahan penjerap telahbanyak dilakukan. Walau bagaimanapun kajian terhadap sifat elektrik karbonteraktif masih kurang mendapat perhatian.

Z. Zulkarnain, Mohd Zobir Hussein, Md. Nor Ismail dan M. Badri

Karbon teraktif dapat dikelaskan sebagai semikonduktor amorfusberdasarkan sifat kekonduksiannya. ~ian kekonduksian ke atas karbonteraktif daripada tempurung kelapa sebelum ini menu~ukkan bahawapembawa cas utama adalah lubang positif pada suhu kurang dari 385 K(Daud et at. 1990). Atas daripada suhu ini pembawa cas utama adalahelektron. Kekonduksian dalam karbon teraktif mungkin berpunca daripadakehadiran logam surih yang diperlukan oleh tumbuhan atau disebabkanoleh penarikan elektron daripada sistem-1t gelang grafit. Mekanismepengangkutan cas pula berbeza-beza pada beberapa julat suhu yangberlainan.

Kajian kekonduksian karbon teraktif yang disediakan daripadakayu bakau yang mana pencirian beberapa sifat kimia dan fiziknya yanglain telah pun dilakukan (Zulkarnain et at. 1993) akan dibincangkan.Perkaitan di antara kekonduksian karbon teraktif ini dengan kandunganlogam surih yang diperolehi daripada data analisis pengaktifan neutronjuga akan dibincangkan. Selain daripada itu kesan penambahan bendasingorganik kepada karbon teraktif juga akan dikaji.

BAHAN DAN KAEDAH

Kepingan karbon teraktifkayu bakau disediakan dengan kaedah persulinganmemusnah (British Patent Office 1984) pada suhu dan tekanan optimumseperti yang dinyatakan oleh Zulkarnain et at. (1993), bagi menghasilkanluas permukaan yang terbaik. Kepingan tersebut kemudiannya dipotongdan diasah menjadi cakra-eakra berbentuk bulat dengan garis pusat 10 mmdan ketebalan 1.3 mm.

Pengukuran kekonduksian dilakukan di dalam tiub kacayangdivakumkan.Cakra karbon teraktif dikepit di antara dua plat selari keluli tahan karat.Nilai kekonduksian dibaca pada Wayne Kerr Autobalance Universal BridgeB642. Pemanasan dilakukan dengan menggunakan pita pemanas yang dibalutpada tiub kaca dan dikawal dengan menggunakan pengubah voltan.

Untuk sampel yang perlu dibasuh, setiap kali pembasuhan, sampel cakrakarbon direfluks dalam 1 M asid hidroklorik diikuti dengan air suling selamasatu minggu.

Proses pendopan dilakukan dengan merendamkan cakra karbon teraktifdi dalam larutan gula selama tiga hari. Cakra tersebut kemudiannyadikeringkan di dalam ketuhar pada suhu 110°C sebelum pengukurankekonduksian dijalankan.

Penentuan kandungan unsur surih tak organik dilakukan dengan kaedahanalisis pengaktifan neutron. Sampel karbon teraktif yang telah dibasuhdihantar ke Unit Tenaga Nuklear untuk tujuan tersebut.

KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN

Plot kekonduksian karbon teraktif tanpa pra-rawatan terhadap suhu di dalamRajah 1 menunjukkan kekonduksian berada pada nilai yang rendah pada

208 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vo!. 2 No.2, 1994

Kajian Kekonduksian terhadap Karbon Teraktif daripada Kayu Bakau (Rhizophora apiculata)

julat suhu 290 K hingga 490 K. Walau bagaimanapun nilai ini tidaklahtetap atau bertambah secara seragam apabila berlakunya turon naik nilaikekonduksian di sekitar 400 hingga 460 K. Penambahan suhu melebihi490 K mengakibatkan pertambahan yang besar pada nilai kekonduksian.Kenaikan ini agak seragam pada peringkat awal tetapi pada suhu yang agaktinggi iaitu di sekitar 550 K ketidakseragaman mula berlaku. Walaubagaimanapun apa yang jelas berlaku adalah pertambahan dalam nilaikekonduksian dengan suhu yang menunjukkan karbon teraktif daripadakayu bakau juga bersifat seperti semikonduktor.

0.80..,--------------------,

••• •

...... 0.60 •~

E •(,)

6J~s:: 0.40IIIiii •~

::::l"0s::0~CII 0.20 •~

•••

.........0.00

200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0

Suhu (K)

Rajah 1. Plot kekonduksian (J1fl.lcm·1) melawan suhu (K) bagi karbon teraktifkayu bakau yang tidak dibasuh

Pertambahan yang tidak seragam dalam nilai kekonduksian bolehlahdihubungkan dengan kehadiran unsur surih dalam karbon teraktif tersebut,seperti yang ditunjukkan di dalamJaduall. Sampel A adalah karbon teraktifyang tidak dibasuh. Pembasuhanjuga dapat mengurangkan kandungan unsursurih (sampel B) seperti yang telah dijelaskan oleh Zulkarnain et at. (1993).Kehadiran unsurini mungkin dapatmemberikan sumbangan sebagai pembawacas kepada karbon teraktifdisamping pembawa cas dari sistem-1t gelang grafit.Fenomena ini terbukti apabila pengukuran kekonduksian dilakukan ke ataskarbon teraktifyang telah dibasuh (Rajah 2). Gangguan pembawa cas unsursurih telah dapat dihapuskan apabila satu lengkuk kekonduksian melawansuhu yang lebih baik diperolehi. Ia menunjukkan bahawa nilai kekonduksianbertambah dengan suhu. Peningkatan ini lebih ketara pada suhu yang lebihtinggi.

Pertanika J. Sci. & Techno!. Va!. 2 No.2, 1994 209

Z. Zulkarnain, Mohd Zobir Hussein, Md. Nor Ismail dan M. Badri

2.00-r------------------,----,

- 1.50";"

E0

6l:::!.- 1.00celliii.:.:.::::s'CC0

0.50.:.:.~

700.0600.0500.0400.0300.0O.oo-L=~~~~=-__r--_r__-J

200.0

Suhu (K)

Rajah 2. Plot kekonduksian (f.Jfl-l em-I) rnelawan suhu (K) bagi karbon teraktif

kayu bakau yang dibasuh

JADUALIKandungan unsur-unsur utama dalam karbon teraktif yang disediakan

daripada kayu bakau. Sampel A: karbon teraktifyang tidak dibasuh.Sampel B: Karbon teraktifyang telah dibasuh

Unsur Kepekatan

Sarnpel A Sarnpel B

Na(%)

K (%)

Ca(%)

Cl(%)

Mn(p.p.m.)

0.299 ± 0.0110.155 ± 0.003

l.I5 ± 0.020.026 ± 0.004

38 ± 2

0.067 ± 0.0030.020 ± 0.0020.33 ± 0.041.208 ± 0.013

50 ±2

Rajah 3 pula menunjukkan perbandingan kekonduksian bagi karbonteraktif yang didopkan dengan gula ringkas dan yang tidak didopkan.Pendopan didapati telah meningkatkan nilai kekonduksian karbon teraktifdengan banyaknya. Pertambahan tersebut seolah-olah berlaku secara lineardengan pertambahan suhu.



5.00

0

4.00 WI.........E0

6J 3.00-:!:I:IIIiii.ll: 2.00::J"CI:0.ll:

~1.00

700.0600.0500.0400.0300.00.001---=i~~EE1~~~~~:~---r------J

200.0

Suhu (K)

Rajah 3. Plot perbandingan kekonduksian di antara karbon teraktifyang didopkan dengan gula ringkas dan yang tidak didopkan

Hubungan kekonduksian (0) dengan suhu (T) diberikan oleh persamaanberikut:-

0=0 exp (-E jkT)o n (1)

dengan 00

ialah nilai kekonduksian apabila salingan suhu adalah sifar. Enialah tenaga pengaktifan yang mesti diatasi oleh elektron untuk melompatkejalur konduksi atau ke paras penerima darijalurvalensi untuk membentuklubang. Manakala k ialah pemalar Boltzmann.

Plot In 0 melawan salingan suhu bagi karbon teraktifyang tidak didopkan(Rajah 4) menunjukkan duajenis garis lurus dengan kecerunan yang berbeza.Sempadan pemisah di antara dua garis ini berlaku pada suhu 370 K yangmerupakan nilai sempadan bagi pembawa cas elektron dan lubang sepertiyang dijelaskan oleh Daud et at. (1990) dan Wan Mohd Daud (1991). Dibawah suhu ini adalah dipercayai bahawa pembawa cas utama adalah lubang,manakala di atas daripada suhu tersebut elektron merupakan pembawa casutama.

Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 2 No.2, 1994 211

Z. Zulkamain, Mohd Zobir Hussein, Md. Nor Ismail dan M. Badri

1.00.,--------------------,

0.00

•c •III •u; (1.00) •.¥ •::::l"C •c: •0.¥ •Q) •~

E (2.00)

3.503.002.502.00(3.00) +------r-----~---...,.....---__l

1.50

1fT (10-3 K-1)

Rajah 4. Plot In(kekonduksian) melawan liT bagi sampel karbonteraktifkayu bakau yang tidak didopkan

2.00-.------------------------,

•1.00 • • • •'2111U).>0: 0.00 •;:]1Js::

.~0.>0:Ql

~

.:(1.00)

•

3.503.002.502.00(2.00) +-------,,..-------,-----.------1

1.50

1fT (1o-3K-l)

Rajah 5. Plot In(kekonduksian) melawan liT bagi sampel karbonteraktifkayu bakau yang didopkan dengan gula ringkas

Plot yang sarna bagi karbon teraktif yang didopkan dengan gula ringkas(Rajah 5) juga rnenunjukkan sernpadan yang sarna. Nilai En dapat dikira

212 Pertanika J. Sci. & Techno!. Va!. 2 No.2, 1994


dari keceiunan graf seperti yang diberikan dalam Jadual 2. Didapati nilaiE

abagi sampel yang dopkan meningkat pada suhu kurang dari 385 K tetapi

menurun apabila suhu melebihi 385 K Keadaan ini dapat menerangkannilai tenaga pengaktifan untuk elektron menurun dengan pendopan untukmemudahkan perlompatan ke jalur konduksi. Penurunan ini adalahdisebabkan oleh kewujudan paras-paras tenaga tambahan dalam ruanglarangan di antarajalur konduksi danjalur valensi. Iajuga dapat dilihatsebagai pengurangan rintangan akibat daripada penyumbatan liang-liangdalam karbon teraktif untuk memudahkan pergerakan cas.

JADUAL2Perbandingan nilai tenaga pengakifan (Ea ) di antara karbon teraktif

yang didopkan dan yang tidak didopkan

En] « 385 K)

En2

(>385 K)

Tanpadop

0.006 eV

0.268 eV

Dop

0.293 eV

0.088 eV

Penambahan nilai Ea pada suhu kurang dari 385 K untuk karbon teraktifyang didopkan pula membuktikan bahawa pada tahap ini lubang memainkanperanan sebagai pembawa cas utama.

20.00

Kepekatan glukos

0 1.0 M

15.00 • 0.8M0

~ 0 OAM

1: ... 0.2MlJ

6: 10.00~I::III"iii~

:J"t:lI:: 5.000~QI:.::

0.00

200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0

Suhu (K)

Rajah 6. Plot kekonduksian (j.1fl-1cm- l) melawan suhu bagi karbon teraktif

kayu bakau yang direndam selama dua han dalam beberapa kepekatan glukos

Pertanika J. Sci. & Techno!. Vok2 No.2, 1994 213

Z. Zulkamain, Mohd Zobir Hussein, Md. Nor Ismail dan M. Badri

Rajah 6 pula menunjukkan bahawa peningkatan nilai kekonduksianbergantung kepada kepekatan gula di dalam lamtan semasa proses pendopan.Semakin tinggi kepekatan gula akan meninggikan juga nilai kekonduksian.Walau bagaimanapun kajian hubungan kepekatan, tempoh rendaman dankekonduksian masih dalam kajian.

KESIMPULAN

Karbon teraktif daripada kayu bakau didapati bersifat seperti semikonduktoramorfus. Nilai kekonduksiannya bertambah dengan suhu dan dapatditingkatkan melalui pendopan. Di samping itu kekonduksian jugabergantung kepada kuantiti bahan pendopan yang terdapat di dalam karbonteraktif. Proses pendopan ini didapati telah dapat mengurangkan nilai tenagapengaktifan (En) bagi elektron.

PENGHARGAAN

Kami ingin merakamkan setinggi-tinggi penghargaan kepada MPKSN keranamembiayai projek ini dibawah gran IRPA 2-07-05-009-]01 dan Unit TenagaNuklear kerana memberikan perkhidmatan analisis pengaktifan neutron.

RUJUKANBRITISH PATENT OFFICE. 1984. British Patent No. 2086867.

DAUD, W. M., M. BADRI and H. MANSOR. 1990. Possible conduction mechanism in coconutshell activated carbon. J Appl. Phys. 67: 1915-1917.

DUBININ, M. M. 1966. Porous structure and adsorption properties of activated carbons.In Chemistry and Physics of Carbon, ed. Philip L. Walker Jr. Vol. 11. New York: MarcelDekker.

MAnSON, J. S. and H. B. MARK, Jr. 1971. Activated Carbon: Surface Chemistry and Adsorptionfrom Solution. New York: Marcel Dekker.

WAN MOHD DAUD. 1991. Electrical transport and related dielectric phenomena in coconutshell activated carbon. PhD Thesis, UPM.

ZULKARNAIN, Z., H. MOHD ZOBIR and M. BADRI. 1993. Preparation and characterizationof activated carbon from mangrove wood (Rhizophora apiculata). Pertanika J Sci& Technol.. 1(2): 169-177.


kajian kekonduksian terhadap karbonteraktif daripada...

Documents