MENGENAL KARAKTER BIOCHAR DAN PIROLYSIS Persiapan Produksi Biotron

Ditulis Oleh:

Budiono, SP, MM

Widyaiswara Ahli Madya BBPP Binuang

Biochar

Suatu kajian biochar sebagai material yang dapat menjadi solusi. Namun untuk mencapainya memerlukan waktu yang tak ekonomis 15-125 tahun. Informasi kekinian menunjukkan rekayasa biochar dengan meningkatkan kualitas sejak proses pyrolysis, pemanfaatan limbah pertanian lokal, penambahan nutrisi layaknya pupuk majemuk dan pengkayaan agen hayati. Inovasi ini telah meminimalkan waktu pengembalian didukung secara simultan interaksi dengan tanaman, mikroba, tanah dan lingkungan, telah meningkatkan efisiensi dan profitabilitas system tanah. Sehingga dapat mengeliminir hambatan dan menstimulasi pemulihan system tanah lebih ekonomis dan ekologis(Abdillah & Budi, 2021; Asadi et al., 2021; Dey & Mavi, 2022; Glaser et al., 2002; Lehmann, 2012; Pourret & Houben, 2018; Ravenni et al., 2018). Sifat fisiko-kimia konten elemen biochar menunjukkan bahwa setelah dilakukan modifikasi, kandungan komponen biochar mengalami perubahan, yaitu menunjukkan bahwa gugus fungsi biochar telah berubah. Setelah periode impregnasi di pengubah, beberapa gugus fungsi telah rusak dan tersusun kembali selama proses pirolisis pada suhu tinggi.

Salah satu solusi untuk membenahi permasalahan tanah telah banyak diterapkan penggunaan kapur, abu sekam, kaolin, ziolit dan bahan mineral lain yang kaya kalsium, silikat almunium dan magnesium. Namun dari kelebihan – kelebihan tersebut ditemukan kekurangan diantaranya bahan anorganik jika diterapkan terus menerus dapat menimbulkan pencemaran tanah dan air(Akbari et al., 2021). Potensi kelimpahan limbah tanaman jagung sangat besar yang meliputi batang, daun dan tongkol sebesar 85% dari total biomasa tanaman jagung yang berkisar 20-25 ton/Ha, yang berpotensi sebagai bahan biochar. Bahan pembenah tanah dari limbah jagung dapat dihasilkan sebesar 4.13-5.25 ton biochar/Ha (Saleh, 2010).

Peran biochar meliputi: mengontrol pH,aerasi,porositas tanah pada posisi idial untuk tumbuh dan produksinya tanaman; immobilisasi POC dan Konsorsium Mikrobia; mengontrol status air dan ketersediaan nutrisi tanah (serap , simpan, melepas); meningkatkan potensi KTK, sehingga idial sebagai habitat (tumbuh, reproduksi, perlindungan) mikrobia; mempunyai gugus karbon rantai dan cincin memperkokoh stabilitasnya dalam lingkungan; dan mampu menjadi remidiator bagi lingkungan yang mengalami stressing ecology. Karena keracunan bahan berbahaya, terpapar logam berat, dan akumulasi disharmonisasi aspek kimia, fisik dan biologi tanah(Abdillah & Budi, 2021; Shan et al., 2016; Shi et al., 2022).

Solusi yang menjadi bahan kajian dan pertimbangan penelitian ini adalah penerapan kolaborasi biochar dengan pupuk organik cair (POC) Suplemen Tanaman BMT, yang diperkaya konsorsium mikrobia sebagai material “tri in one”(BIOTRON). Kolaborasi biochar dengan POC dan konsorsium mikrobia merupakan keniscahyaan, untuk saling memperkuat peran dan kapasitasnya(Ichriani et al., 2018; Kang et al., 2021; Khataee et al., 2018; Liu et al., 2021; Mian & Liu, 2018; Wang et al., 2023; Yayu Zhang ab; et al., 2022).

Mengingat pemberian POC pada tanaman secara langsung mengalami proses leaching, evaporasi, perkolasi dan run off . Tentu kondisi ini akan tidak efesien dan kompetitif dalam proses produksi. Kedudukan konsorsium mikrobia dalam POC secara terbuka akan mengancam produktifitas, efektifitas dan eksistensinya. Karena akan mudah terpapar matahari, kontaminasi bahan berbahaya, dan keluar dalam sistem agroekologi lahan pertanian (Muktamar et al., 2017). Oleh karena itu menjadi keniscahyaan akan memberikan optimalisasi peran dan kapasitas jika diintegrasikan dengan biochar. Karena biochar mampu memerankan dan mendorong proses immobilisasi nutrisi dan agency hayati (konsorsium mikrobia) kedalam biochar. Biotron sebagai material yang telah diperkaya nutrisi organic dan agen hayati , kaya akan pori-pori, kandungan senyawa karbon sebesar 43.86%,struktur persenyawaannya stabil dengan ikatan cincin dan rantainya, berpotensi beraviliasi lebih beragam dengan senyawa/unsur lain, potensi muatan yang dinamis, dan ragam peran lainnya yang tak dimiliki bahan pembenah tanah dari material anorganik(Caidi Yang ab, Jingjing Liu ab, Huanchang Ying ab, 2022; Hossain et al., 2020; Jyati Rawat, 2019; Wong & Ogbonnaya, 2021).

Penelitian multidisiplin karena karakteristik khusus, aplikasi yang luas, dan prospek pengembangan yang menjanjikan. Penelitian dasar dan terapan tentang penerapan biochar di bidang pertanian, lingkungan, dan energi telah meningkat secara dramatis dalam menghadapi ketahanan pangan, pencemaran lingkungan, dan kekurangan energi. Meskipun ada beberapa perselisihan tentang penelitian biochar, banyak penelitian telah menunjukkan pentingnya penelitian biochar dari perspektif kemajuan ilmiah dan aplikasi praktis. Makalah ini secara singkat mengingat kembali sejarah aplikasi biochar; memperkenalkan kemajuan penelitian tentang karakteristik dasar biochar dan teknologi produksi terkaitnya; merangkum status penelitian dan permasalahan aplikasi biochar yang ada di bidang pertanian, lingkungan, dan energi; dan menganalisis potensi masalah dan tren pengembangan penelitian biochar di masa depan(Chen et al., 2019) .

Konsep dasar produksi biochar sebagai bahan pembenah tanah, telah banyak dikembangkan dalam proses fisikokimia tanah (Haider dkk., 2017; Liao & Thomas, 2019; Mohammadi dkk., 2017; Wijitkosum & Jiwnok, 2019).

Usaha pertanian merupakan kegiatan produksi yang meninggalkan limbah pertanian berlimpah pada tanaman jagung mencapai 45- 60% jika tidak dikelola akan menjadi musibah lingkungan dan meningkatkan resiko usaha pada musim selanjutnya. Oleh karena itu, perlu dikelola menjadi bahan baku sebagai biochar seperti sekam padi, tongkol jagung dan batang singkong. Limbah-limbah ini jumlahnya terus meningkat setiap tahun seiring dengan peningkatan produktivitasnya(Budiono,2020).

Pengelolaan ekosistem dan agro-ekosistem yang berkelanjutan melalui konservasi tanah dan air mendukung usaha pertanian intensif. Fasilitas untuk mengatasi tantangan ini dapat diwujudkan melalui penambahan biochar pada pupuk organik atau pupuk an organik. Efisiensi biochar dapat ditingkatkan melalui prosedur fisik, kimia dan mikroba. Improvisasi material biochar dengan pengkayaan nutrisi dan material hayati berkolaborasi menyusun biochar three in one (Biotron). Peran biotron pada pertanian berkelanjutan, remediasi polusi dan percepatan reaksi pembenahan tanah. Karakter biochar yang optimal dapat diwujudkan melalui improvisasi biochar menjadi biotron(Budiono.2020).

Pemanfaatan karakter biochar yang menguntungkan dan untuk meningkatkan efisiensinya sekaligus meminimalkan resiko. Produksi dan penerapan biochar telah banyak dikaji dan diterapkan sifat fisik dan kimia biochar dan faktor-faktor yang mempengaruhinya (yaitu, sifat biomassa dan kondisi pirolisis) telah dibahas terdahulu secara rinci. Kualitas biochar dapat ditingkatkan kualitasnya melalui metode aktivasi/modifikasi fisika dan kimia untuk meningkatkan karakteristik biochar dan aplikasi pada lingkungan telah diteliti secara khusus, untuk memutakhirkan rekayasa produksi, sifat, dan aplikasi biochar(Kazemi Shariat Panahi et al., 2020).

Bahan baku biochar berasal dari lignoselulosa dan pupuk kandang yang mengandung kumpulan senyawa organik dan anorganik sebagai bahan pembenah tanah. Namun, tidak semua biochar merupakan bahan pembenah tanah yang layak; ini karena sifat fisik dan kimianya bervariasi karena komposisi unsur bahan baku, proses pengolahan, dan perbedaan ukuran partikel. Biochar dapat memberikan fungsi dan peran yang lebih efektif sebagai pembenah tanah, dengan sifat-sifat yang relevan sebagai bahan pembenah tanah yang berhasil melalui pemilihan bahan baku, kondisi pirolisis, dan pilihan ukuran partikel (Novak et al., 2014).

Identifikasi dan kuantifikasi sifat biochar penting untuk mencapai hasil yang optimal dalam pertanian atau lingkungan. Teknik spektroskopi canggih dapat diadopsi dalam karakterisasi biochar. Pemilihan metode yang tepat sangat penting untuk menilai sifat biochar secara akurat dan konsisten. Metode untuk mengkarakterisasi biochar dapat dilakukan dengan analisis proksimat, ultimate, fisikokimia, permukaan dan struktural, dan sifat biochar penting untuk berbagai aplikasi(Igalavithana et al., 2018).

Peran biochar diantaranya dapat meningkatkan kualitas fisik tanah, kapasitas aerasi dan menahan air lebih baik,jika dibandingkan bahan pembenah tanah lainnya seperti kapur, zeolite, kaolite, dan biomasa bentuk lainnya. Biochar mampu memperbaiki kepadatan tanah, meningkatkan porositas dan mengurangi evapotranspirasi (Haider dkk., 2017).

Kualitas biochar ditentukan oleh proses produksi dan pemanfaatan biochar yang sesuai tujuan (Hossain dkk., 2020). Sifat fisikokimia biochar yang dihasilkan selama pirolisis, berpengaruh terhadap penyimpanan (Hou.J a,dkk. 2022); slow release nutrisi tanah (Nyambishi & Mapope, 2017); ketersediaan karbon, menyediakan perlindungan fisik mikroorganisme terhadap predator sehingga keragaman mikroba dan jasa ekosistem tanah dapat meningkatkan eksistensinya. Struktur biochar dengan luas permukaan yang tinggi memberikan perlindungan bagi bakteri, dan mempengaruhi pengikatan kation dan anion nutrisi yang penting (Rawat et al., 2019).

Selain itu struktur molekul biochar menunjukkan tingkat stabilitas kimia dan perlekatan mikroba yang tinggi. Efek perbaikan biochar terhadap sifat tanah berdampak langsung terhadap pertumbuhan tanaman karena ketersediaan udara dan air di zona perakaran. Biochar yang dihasilkan oleh pirolisis suhu rendah, dicirikan oleh kadar volatil yang tinggi dengan kandungan substrat yang mudah terurai, sehingga dapat mendukung pertumbuhan tanaman (Robertson et al., 2012; Mukherjee & Zimmerman, 2013).

Jenis bahan baku adalah faktor penting lain yang menentukan aplikasi biochar dan efeknya di dalam tanah, karena sifat-sifatnya dipengaruhi oleh biomassanya (Jindo et al.,2014). Studi tentang struktur biomassa mengungkapkan bahwa selulosa, hemiselulosa dan lignin adalah bahan utama biomassa yang mempengaruhi hasil produk pirolisis (Tripathi, Sahu & Ganesan 2016). Kandungan lignin dan selulosa memiliki pengaruh terhadap pembentukan biochar (Klosset al.,2012). Potensi bahan baku biochar yang sangat besar ini memberikan peluang perbaikan lahan terutama di lahan kering. Hal ini berkaitan dengan peran biochar yang dapat meningkatkan retensi air dan unsur hara. Karakter fisik biochar seperti luas permukaan,bentuk, struktur dan porositas, berperan penting terhadap retensi air tanah (Andrenelli et al.,2016; Liu et al., 2017), retensi hara dan aerasi, (Githinji, 2014, Drahansky et al., 2016). Selain itu, biochar dapat memperbaiki sifat kimia tanah seperti pH tanah (Agegnehu et al., 2017)dan KTK yang berkaitan dengan retensi hara (Novak et al., 2009), sehingga efisien dalam penggunaan nitrogen dengan biochar.

Pengaruh jenis bahan baku biomassa, suhu pirolisis, pH media reaksi, dan perlakuan bahan baku pra-pirolisis pada kapasitas penukar anion biochar , kapasitas tukar kation, titik muatan bersih nol, dan titik efek nol garam . Hubungan antara titik muatan bersih nol (TMBN), dan titik efek nol garam (TENG). Peran permukaan biochar dipengaruhi keberadaan gugus fungsional muatan permukaan yang tidak stabil (dapat dihidrolisis). Biochar Tongkol Jagung, Cangkang, Tandan Kosong Kelapa Sawit berdasarkan Sifat Kimia (Rogovska et al., 2014) dan berkontribusi terhadap aktivitas mikroba(Herliana dkk., 2021). Kapasitas biochar untuk menyerap kontaminan ionik sangat dipengaruhi oleh kimia permukaan biochar.

Pirolisis

Pirolisis berasal dari kata Pyro (Fire/api) dan Lyo (Loosening/pelepasan). Pirolisis merupakan suatu proses dekomposisi biomassa secara termal dengan kondisi sedikit atau tanpa oksigen sama sekali. Pirolisis menggunakan suhu tinggi menghasilkan biochar dengan luas permukaan dan kandungan aromatik-karbon yang tinggi. Hal ini meningkatkan kemampuan serapan dan bersifat rekalsitran yang sesuai untuk bioremediasi dan penyerapan karbon(Lehmann, 2012). Produk utama yang dihasilkan dari pirolisis adalah arang (char), tar dan gas. Zat-zat yang dihasilkan dari pembakaran bahan organik umumnya merupakan campuran tar (CxHyO), senyawa fenol (CxHyOz), methanol (CH3OH), aseton (CH3COCH), asam asetat (CH3COOH), karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), gas hydrogen(H2), metana (CH4), serta juga dihasilkan minyak hidrokarbon dan bahan padat berupa arang (Kadir, 1987). Menurut Basu (2010), faktor- faktor yang mempengaruhi hasil pirolisis adalah sebagai berikut :

1. Komposisi biomassa, berpengaruh terhadap hasil pirolisis, karena dengan komposisi lignin dan selulosa yang berbeda dari biomassa mempunyai temperatu pirolisis yang berbeda. Berikut temperatur yang dibutuhkan untuk peruraian biomassa :

a. Hemiselulosa : 150 – 350°C

b. Selulosa : 275 – 350°C

c. Lignin : 250 – 500°C

2. Suhu pirolisis, berpengaruh terhadap komposisi produk dan jumlah produk. Suhu yang rendah akan menghasilkan lebih banyak arang, sedangkan suhu yang tinggi akan lebih sedikit mengasilkan arang.

3. Laju pemanasan, berpengaruh terhadap komposisi produk dan jumlah produk.

Bahan dan Alat

Bahan dan alat disediakan sesuai kemampuan, lokalita dan tujuan / sasaran produk. Perencanaan harus memperhatikan aspek ekonomi, sosial budaya dan lingkungan. Sebagaimana dibawah ini sarana pembuatan bahan baku biotron yaitu biochar dapat di proses dengan berbagai alternatif sesuai dana yang tersedia.

Adapun bahan yang diperlukan dalam produksi biotron disesuaikan lokalita, misal bahan baku biochar:

a. Limbah land clenning/pembersihan kayu,tunggul kayu

b. Limbah pertanian Jerami, tongkol jagung, sekam padi, batang jagung, pelepah dan tangkos kelapa sawit, dan seresah lainnya

c. Limbah tungku pabrik CPO ( arang cangkang sawit, tempurung kelapa, cangkang kemiri, pala dan limbah pembakaran arang kayu

Bahan yang telah menjadi arang diproses untuk menjadi bubuk arang (80-100 Mesh/ ukuran ayakkan tepung). Bahan merupakan bahan organik/biomassa tidak boleh bercampur plastik, logam , batu dll.

Metode/Prosedur Khusus Produksi Biochar

Beberapa metode untuk memproduksi biotron mulai dari penyiapan bahan bakunya hingga penerapan biotron dilapangan.

1. Penyiapan Biochar dapat dengan metode hidrothermal carbonization (HTC) ATAU

2. Proses Pirolysis Namun yang sering digunakan dan praktis dimanfaatkan

oleh petani adalah cara pirolysis.

Bahan baku biochar yang berupa tempurung kelapa kita jemur terlebih dahulu hingga kering. Karena dengan berkurangnya kadar air dalam tepurung kelapa maka akan mempercepat proses pirolisis. Alat pirolizer yang kita gunakan alternatif model Vertikal Drum Pirolizer (VDP), Rotary Drum Pyrolizer (RDP) atau piroliser dengan sistem tong berputar atau cukup membuat lubang dalam tanah dengan penutup plate besi. RDP mempunyai Keunggulan panas pembakaran yang merata disemua sisi dinding tong. Dengan adanya pemanasan yang merata maka waktu pirolisis akan relatif singkat dan hasil dari biochar yang didapat akan lebih sempurna. RDP yang digunakan disini juga dilengkapi dengan penutup, sehingga panas yang lepas kelingkungan akan lebih berkurang. Untuk sumber pembakaran kita menggunakan kompor gas dengan pengapian yang horizontal merata, sehingga sisi di sepanjang dinding tong akan terkena api. Proses pembakaran berlangsung + 2-5 jam dengan suhu + 300 – 500 ºC.

Alat piroliser yang kami gunakan adalah desain dari kami sendiri dengan melihat referensi alat yang sudah ada, kemudian kami re-design. Disamping itu, alat piroliser kami ini portable, sehingga akan mudah dioperasikan di berbagai tempat.

Potensi Pemanfaatan Biochar untuk Rehabilitasi Lahan Kering . Perbaikan Sifat Kimia Tanah Penambahan biochar juga dilaporkan mampu meningkatkan pH tanah dan kapasitas tukar kation (KTK) tanah. Peningkatan KTK tanah dengan penambahan biochar akan meminimalkan resiko pencucian kation seperti K+ dan NH4 + (Yamato et al. 2006; Novak et al. 2009a).