Graphene dan Carbon Nanotube Ternyata Bisa Menjadi Solusi Mengatasi Krisis Air Bersih Dunia

Dunia sedang berada dalam ujung krisis air bersih. Pergeseran musim akibat pemanasan global dan juga pertumbuhan populasi manusia yang tinggi menjadi pendorong krisis tersebut. PBB memprediksi 2,4 miliar orang akan hidup di area kekurangan air bersih pada tahun 2025. Lebih lanjut akan ada 700 juta orang pergi meninggalkan tempat tinggal mereka demi mencari air bersih di tahun 2030.

Indonesia yang tersusun atas belasan ribu pulau, sangat familiar dengan permasalahan air bersih. Krisis air bersih di negara kita sering kita dengar saat musim kemarau panjang terjadi. Menurut data PDAM, dari 250 juta lebih penduduk Indonesia, hanya 68,8% saja yang sudah terlayani air bersih. Bahkan di ibu kota negara kita ini saja, Jakarta, kota berpenduduk terpadat di Indonesia, masih kekurangan 9.100 liter per detik air bersih untuk memenuhi kebutuhan sehari-hari penduduk kota tersebut. TAk hanya itu, Pulau Jawa yang menjadi tempat tinggal bagi sekitar 60% penduduk Indonesia sudah mendekati zona krisis air karena jumlah lahan resapan air yang terus menurun.

Proses desalinasi atau pemurnian air laut menjadi air bersih menjadi salah satu bentuk solusi terbaik untuk saat ini. Seperti yang telah dilakukan oleh PDAM Kabupaten Klungkung, Bali, yang telah membangun pabrik pengolahan air laut menjadi air bersih untuk memenuhi kebutuhan warga dan wisatawan di Pulau Nusa Lembongan dan Nusa Ceningan, Indonesia membutuhkan proyek-proyek serupa dibangun di area rawan krisis air.


Proses desalinasi sendiri sebenarnya bukan sesuatu yang baru karena sudah dikenal sejak abad keempat sebelum masehi. Aristoteles sempat membuat catatan bahwa para nelayan Yunani telah mengevaporasi air laut, meninggalkan garam di wadah air, lalu mengondensasi uap air tadi untuk dapat menggunakan air tersebut sebagai air minum. Memang desalinasi klasik ini masih layak dilakukan untuk saat ini terutama untuk memenuhi kebutuhan air di daerah yang tidak terjangkau listrik, karena metode ini cukup membutuhkan tenaga panas dari matahari saja. Namun air yang dihasilkan melalui metode ini kurang baik jika dikonsumsi untuk jangka waktu lama, karena proses ini 100% menghilangkan kandungan mineral di dalam air, maka zat-zat mineral yang dibutuhkan oleh tubuh tidak dapat dipenuhi oleh air dari proses desalinasi ini.

Metode desalinasi air laut lain yang lebih modern dikenal dengan nama proses reverse osmosis. Proses ini melewatkan air laut ke sebuah membran khusus sehingga setelah melewati membran tersebut dihasilkan air bersih layak minum. Membran tersebut memiliki lubang berskala nanometer, sehingga hanya molekul-molekul air saja yang bisa melewatinya. Molekul-molekul lain seperti mineral, akan tertinggal di sisi lain dari membran. Sekali waktu mineral-mineral tersebut dibersihkan dari membran melalui proses backwash. Sisa-sisa mineral tadi dapat dilarutkan kembali ke air laut dan dibuang kembali ke lautan.

Selama ini membran reverse osmosis menggunakan material dasar poliamid, sejenis polimer sintetis yang ongkos produksinya sangat murah. Namun ternyata material tersebut menyimpan kelemahan tersendiri yang berdampak kepada biaya tambahan. Poliamid diketahui terdegradasi cukup cepat saat berinteraksi langsung dengan klorin. Sehingga jika membran ini digunakan untuk mengolah air berkandungan klorin tinggi, seperti air laut, maka biasanya ada proses tambahan yakni pengikatan klorin sebelum selanjutnya masuk ke tabung reverse osmosis. Tentu saja proses tambahan tersebut menambah ongkos proses. Maka dari itu beberapa ilmuwan telah meneliti material jenis lain yang cocok digunakan sebagai membran reverse osmosis, seperti material-super graphene dan satu material dasar yang akhir-akhir ini sering kita bahas yakni karbon nanotube.

Graphene

Sejak diketemukan pada tahun 2004, graphene menjelma menjadi satu material-super yang penggunaannya sangat luas mulai dari material superkonduktor hingga dapat digunakan untuk mengontrol kandungan gula dalam darah secara real-time. Satu lembar graphene memiliki ketebalan single-atom, yang tersusun atas atom-atom karbon yang membentuk susunan sarang lebah (honeycomb). Graphene sangat kuat jika digunakan sebagai membran reverse osmosis, dan memiliki resistansi rendah terhadap air sehingga akan mengurangi kebutuhan energi.

Harga graphene cukup mahal dan juga sulit jika dibuat dalam lembaran besar. Maka sebuah tim peneliti dari Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, membuat alternatif membran dengan harga yang lebih murah namun tetap berbahan dasar graphene, yakni material graphene oksida. Graphene oksida tersusun atas atom-atom karbon yang dibatasi dengan atom oksigen dan hidrogen. Atom-atom tambahan tersebut membuat graphene menjadi memiliki lebih banyak ‘saringan’, namun akan mengurangi sifat elektromagnetik dari graphene.

“Namun untuk sebuah membran, kami tidak mempedulikannya,” demikian ungkap Profesor Jeffrey Grossman, sang pemimpin tim peneliti berusaha menjelaskan. “Kami tidak mencoba mengaliri arus listrik kepadanya, atau juga menggunakan sifat optikalnya. Kami hanya mencoba membuat sebuah material tipis yang memiliki lubang nano.”

Para peneliti mulai membuat graphene oksida dengan mengupas bongkahan grafit, bentuk karbon yang ditemukan dalam pensil, dan membuat serpihan graphene. Kemudian mereka merubah bentuk serpihan graphene menjadi cairan. Saat vakum menyedot cairan keluar dari wadah, material yang awalnya berbentuk serpihan tadi membentuk lembaran. Lalu para peneliti mengikat serpihan tersebut bersama-sama dengan menambahkan rantai atom karbon dan oksigen. Rantai-rantai baru tersebut akan mengikat serpihan oksida graphene dan membentuk lapisan labirin yang saling berhubungan. Lapisan-lapisan labirin tersebut memiliki ukuran yang sangat pas sehingga akan sangat mudah dilewati oleh molekul air namun tidak akan cukup untuk dilewati molekul-molekul mineral.

 photo A9D1CFC1-717A-494E-9623-D8386F7C886B.jpg

Ukuran membran graphene oksida yang tipis membuat molekul air lebih mudah melewatinya daripada melewati membran poliamid. Hal inilah yang membuat penggunaan membran ini akan menghemat energi cukup signifikan. Profesor Grossman dan timnya memperkirakan akan menghemat energi 46% jika membran tersebut digunakan untuk mengolah air tanah. Sedangkan jika digunakan untuk memproses air laut, maka penggunaan membran ini akan memotong kebutuhan energi sebanyak 15%.

Sejauh ini membran reverse osmosis jenis baru ini cukup awet. Profesor Grossman menjelaskan bahwa tidak seperti poliamid, membran graphene oksida sangat mudah membersihkan zat kimia penting semacam klorin, dan ia juga tahan terhadap lingkungan dengan kandungan kimia keras serta temperatur tinggi. Dengan kebutuhan energi yang rendah dan tidak perlunya proses pengikatan klorin sebelum proses reverse osmosis, maka membran graphene oksida ini bisa dijadikan solusi untuk banyak tantangan proses desalinasi.

Carbon Nanotube

Material lain yang dikembangkan oleh ilmuwan untuk menggantikan posisi membran poliamid adalah Carbon Nanotube (CNT). Sama seperti graphene, CNT juga tersusun atas atom-atom karbon rantai panjang, namun membentuk struktur tabung berskala nanometer. Penelitian gabungan yang dilakukan oleh dua institut berbeda negara yakni University of Malaya, Malaysia, dan National University of Singapore ini, menjelaskan bahwa material CNT dapat memberikan pori-pori membran yang kuat untuk proses desalinasi dan dekontaminasi air. Ukuran pori-pori CNT tersebut mampu menghalangi lewatnya mineral-mineral namun tetap dapat dilewati oleh molekul air. Tak hanya itu, ukuran pori-pori CNT dapat dimodifikasi untuk menyaring hanya ion-ion mineral tertentu saja, tentu hal ini sangat cocok jika dibutuhkan membran reverse osmosis CNT untuk proses produksi standard air minum bersih. Selain kelebihan tersebut, bentuk tabung CNT membuat aliran air rendah gesekan, sehingga dapat lebih menghemat kebutuhan energi. Tak hanya itu, membran CNT juga tidak mudah tersumbat karena terbentuknya gumpalan, mampu membersihkan sendiri, dan juga reusable.

 photo DE9235A9-430C-4681-9ED7-392A32CC66C1.jpg

Performa membran CNT tergantung dari metode proses dan fabrikasinya. Dikenal ada dua tipe dari CNT sesuai dengan proses pembuatannya, yakni Vertically Aligned (VA-CNT) dan Mixed Matrix (MM-CNT). VA-CNT merupakan satu jenis CNT yang memiliki bentuk serat vertikal. Pembuatannya yakni melalui proses sintesis dengan jalan menyusun CNT secara tegak lurus dengan substansi pengisi diantaranya. Beberapa jenis matriks pengisi yang digunakan adalah epoxy, silikon nitrit, dan zat lain yang tidak memiliki sifat permeabilitas air. Sedangkan untuk MM-CNT tersusun atas beberapa lapis polimer atau komposit. Dengan desain yang lebih berlapis-lapis, membuat MM-CNT lebih kuat daripada tipe VA-CNT. Kelemahan utama membran tipe VA-CNT yang memiliki bentuk pori-pori yang tidak teratur, teratasi oleh tipe MM-CNT.

 photo B2DAFF57-B2DF-4E3D-B2B4-8DDF36382475.jpg

Penggunaan komposit carbon nanotube menjadi alternatif untuk mengganti membran RO konvensional dengan material yang dapat lebih menghemat energi dan mempersingkat proses pemurnian air. Tim peneliti mengklaim penggunaan membran CNT dapat meringkas beberapa proses filtrasi. Tak hanya filtrasi kandungan mineral dalam air, filtrasi terhadap kandungan padatan terlarut juga dapat sekaligus dilakukan oleh membran ini. Hal ini dapat dilakukan karena kekuatan khas komposit serat karbon membuat membran CNT tak mudah rusak. Pengaturan ukuran pori-pori membran yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan filtrasi juga menjadi kelebihan tersendiri membran ini. Selain itu, jika proses reverse osmosis menggunakan membran konvensional membutuhkan aliran air berkekuatan 30 hingga 60 bar agar proses dapat berjalan, penggunaan membran CNT untuk proses pengolahan air diklaim tidak membutuhkan energi yang besar dan bahkan besarnya dapat diabaikan. Tentu penghematan energi ini menjadi kelebihan tersendiri bagi penggunaan membran carbon nanotube untuk proses reverse osmosis.

Credit: Science News, MIT Website, Science Direct (PDF version), Tempo, Kabar Bisnis, The Jakarta Post

Post Author: Onny Apriyahanda

"Science is the highest Art in the universe."

Leave a Reply