Biochar adalah karbon non-grafit yang dihasilkan dari proses pirolisis lambat biomassa dalam lingkungan minim oksigen. Material berpori ini memiliki berbagai manfaat, mulai dari penyerapan karbon hingga perbaikan kualitas tanah, menjadikannya topik penelitian yang menarik di bidang lingkungan dan ilmu material.
Dalam penelitian biochar, banyak ilmuwan menggunakan reaktor skala laboratorium (LSR) untuk mensintesis biochar dan menentukan karakteristiknya. Di sisi lain, reaktor termogravimetri (TG) digunakan untuk menganalisis proses pirolisis. Namun, penggunaan kedua metode ini sering kali menghasilkan ketidakkonsistenan dalam menghubungkan struktur biochar dengan karakteristik pirolisisnya. Oleh karena itu, muncul pertanyaan: dapatkah reaktor TG juga berfungsi sebagai LSR untuk sintesis biochar? Jika memungkinkan, maka penelitian ini dapat mengurangi ketergantungan pada reaktor LSR yang mahal, meningkatkan reprodusibilitas, serta menghubungkan karakteristik pirolisis dengan sifat biochar yang dihasilkan.
Selain itu, meskipun banyak studi telah meneliti kinetika dan karakterisasi pirolisis biomassa menggunakan reaktor TG, belum ada penelitian yang secara khusus membahas bagaimana variasi massa sampel awal dalam reaktor mempengaruhi sifat biochar yang dihasilkan. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk memahami pengaruh skala massa terhadap proses pirolisis dan karakteristik biochar yang terbentuk.
Metode dan Temuan
Cangkang kenari yang kaya lignin digunakan sebagai model substrat. Proses pirolisis dilakukan di dalam reaktor TG-DSC/FTIR pada sepuluh skala massa yang berbeda. Hasil penelitian menunjukkan bahwa skala massa memengaruhi proses pirolisis dan struktur biochar yang dihasilkan.
Ditemukan bahwa terdapat titik infleksi pada sekitar 200 mg, di mana perubahan karakteristik pirolisis dan sifat biochar menjadi minimal. Pada skala kecil (≤10 mg), karbonisasi lebih tinggi meskipun reaksi pembentukan arang berkurang. Selain itu, proses pirolisis di skala kecil lebih bersifat endotermik dengan peningkatan emisi CO2 dan H2O.
Analisis lebih lanjut menggunakan spektroskopi Raman, 13C-NMR, dan berbagai teknik lainnya menunjukkan bahwa setelah mencapai titik infleksi, sifat karbon seperti persentase aryl-C, karakteristik pori, dan tingkat cacat dalam nanostruktur menjadi seragam. Dengan kata lain, di atas massa tertentu, reaktor TG dapat digunakan tidak hanya untuk karakterisasi pirolisis, tetapi juga sebagai alat sintesis biochar untuk penelitian material karbon yang lebih spesifik.
Hasil studi memberikan wawasan baru tentang bagaimana skala massa mempengaruhi mekanisme pirolisis dan sifat biochar. Selain itu, penelitian ini membuka peluang bagi ilmuwan untuk menggunakan reaktor TG sebagai alternatif yang lebih hemat biaya dan lebih mudah direproduksi dibandingkan dengan reaktor LSR konvensional.
Dengan memahami efek skala massa, peneliti kini dapat lebih efektif mendesain biochar dengan karakteristik tertentu sesuai dengan kebutuhan aplikasi, baik untuk penyimpanan karbon, perbaikan tanah, maupun penggunaan lainnya. Penelitian ini juga menunjukkan bahwa penggunaan TG sebagai LSR dapat menjadi pendekatan baru dalam optimasi produksi biochar yang lebih efisien dan berkelanjutan.
Studi ini membuktikan bahwa skala massa memiliki dampak signifikan terhadap pirolisis biomassa dan sifat biochar yang dihasilkan. Dengan adanya titik infleksi pada sekitar 200 mg, penggunaan reaktor TG untuk sintesis biochar menjadi lebih dapat diandalkan. Hasil ini memberikan pemahaman lebih dalam tentang hubungan antara proses pirolisis dan struktur biochar, serta membuka jalan bagi penelitian lebih lanjut dalam desain dan aplikasi material karbon yang lebih inovatif.