Preparasi Memban Graphene Oxide Untuk Desalinasi Air Laut

Preparasi Memban Graphene Oxide Untuk Desalinasi Air Laut Usamah Zaki Teknik Kimia, ITB, Jalan Ganesa No. 10, Bandung, Indonesia [email protected]

Abstrak Dunia masa kini memiliki permasalahan yang besar tentang air bersih. Salah satu teknik mendapatkan air bersih yang sangat potensial untuk mengamankan kebutuhan air dunia yaitu desalinasi. Pencarian bentuk paling efisien dan rendah konsumsi energi proses desalinasi menjadi agenda utama penelitian. Pengembangan terkini menunjukkan teknologi desalinasi dapat menggunakan bahan Graphene Oxiede. GO’s mengandung gugus-gugus seperti epoksida, karboksil, dan hidroksil menyebabkannya memiliki sifat hidrofilik dan reaktif. Membran ini memiliki tebal beberapa nanometer, telah diterapkan dalam filtrasi, dan masih menjadi membran paling ideal untuk desalinasi. Lapisan GO memiliki struktur yang unik dan performa tinggi, serta dapat dikembangkan lebih lanjut. Kekuatan mekanis yang bagus dari GO mudah difabrikasi dan berpotensi diproduksi skala industri. Tulisan ini memberikan pertimbangan sistem fabrikasi yang berbeda dan strategi inovasi membran GO untuk desalinasi, beserta performa membran GO. Kata kunci: desalinasi, graphene oxide, membran, membran anorganik

1. Pendahuluan Populasi manusia merupakan masalah serius yang akan dihadapi di masa mendatang. Menurut perkiraan pada tahun 2050 akan ada 7-10 miliar manusia yang akan hidup. Konsekuensi dari meledaknya populasi manusia ini adalah semakin langkanya sumber air tanah bersih yang dapat digunakan, yang hanya mewakili 0,5% dari sumber daya air bumi secara keseluruhan, dibandingkan dengan air laut (97%) [1]. Baru-baru ini, kebutuhan dunia untuk air bersih telah meningkat lebih cepat daripada sebelumnya. Pertanian dan sektor produksi makanan adalah pemakai utama air di sebagian besar negara, membutuhkan 100 kali lebih banyak daripada penggunaan domestik [2]. Desalinasi adalah salah satu metode yang penting dan paling menjanjikan untuk penambahan sumber air tawar yang bersih [3]. Membran berdasarkan proses desalinasi dapat dikategorikan sesuai dengan membran ukuran pori dan faktor rejeksi: distilasi membran (MD), elektrodialisis (ED), mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO) [4]. Teknologi membran RO saat ini dianggap berpotensi besar untuk dimanfaatkan untuk desalinasi karena menunjukkan hasil yang baik terhadap rejeksi garam dan konsumsi energi yang rendah. konsumsi energi RO berkurang dari sekitar 5 kW h / m3 pada 1990-an menjadi 1,8 kWh / m3 hari ini, dibandingkan dengan teknik lain, di antaranya metode desalinasi berbasis termal [5]. Teknologi desalinasi membran memerlukan pengembangan untuk meningkatkan

fluks air, rejeksi terhadap garam dan pencegahan fouling. Pada umumnya, membran menggunakan material berupa polimer, anorgaki, dan material campuran [6]. Perkembangan yang cepat dari nanoteknologi, menciptakan kesempatan emas untuk menggabungkan nanoteknologi dengan perkembangan membran RO polimer. Kemajuan sudah dicapai dalam taraf laboraturium seperti menggabungkan Nanomaterials seperti karbon nanotube (CNT), graphene dan zeolit ke dalam membran RO termodifikasi atau proses fabrikasi [7]. Namun, ada tantangan dalam menggunakan bahanbahan baru dalam skala besar, di antranya penolakan garam yang rendah pada penggunaan CNT berbasis membran [8] dan fluks air yang rendah pada penggunaan zeolit [9].

Gambar 1 Proses membran berdasarkan beda tekan

2

2. Tantangan Masa Kini Fouling membran, kebutuhan energi yang tinggi dan trade-off antara rejeksi garam dan fluks air konstan sebagai tantangan membran desalinasi air (Gbr. 2). Secara umum, biaya dari proses RO tetap tinggi karena tantangan permeabilitas air yang terbatas, energi yang tinggi dan Penggunaan bahan kimia [7]. Meskipun tekanan kerja yang dibutuhkan di sistem modern dekat dengan batas termodinamika, modifikasi tekanan tidak terlalu berpengaruh pada kinerja membran [8]. Cohen-Tanugi et al. [9] mengamati bahwa tiga kali lipat dalam permeabilitas akan menurunkan tekanan sebesar 44% dan 63% untuk RO air laut dan plan BW; ini setara dengan pengurangan 15% dan 46% dalam konsumsi energi. Penurunan konsumsi energi akan signifikan karena biaya energi tinggi, yang menyumbang 50% dari total biaya desalinasi air. Fouling Membran adalah salah satu perhatian utama dalam teknologi desalinasi; timbulnya fouling menimbulkan penurunan kinerja membran RO [10]. Umumnya, fouling membran terjadi melalui salah satu dari dua mekanisme: yang pertama adalah fouling di pori-pori membran, yang kedua adalah fouling permukaan membran. fouling permukaan adalah hasil dari berbagai kotoran material suspensi organik atau anorganik dan material biogenik dan solid yang melarut maupun material organik larut dalam air umpan. Selain itu, kotoran, terutama material biologi, biasanya mengendap pada permuakaan membran dan membentuk biofilm, yang menjadi faktor pembatas. Bio-fouling adalah paling faktor penting yang mempengaruhi proses desalinasi membran [10]; menyebabkan turunnya selektivitas membran, fluks permeat air, konsumsi energi yang lebih tinggi dan daya tahan membran lebih pendek [11]. Desinfektan suchaschlorine, yang secara teratur digunakan untuk menghilangkan biofilm membran yang terus berkembang, yang bereaksi dengan poliamida (PA) pada lapisan permukaan membran; hal ini dibuktikan oleh sejumlah studi penelitian pada membran RO [12]. 3. Potensi Pengembangan Membran GO Sejak Geim dan Novoselov dianugrahi nobel fisika di tahun 2010, peneliti graphene telah mengembangkan dengan cepat sisi keilmuan maupun aplikasi dalam industri. Graphene adalah sebuah lapisan yang kuat terdiri dari susunan atom karbon yang salim berikatan membentuk matriks sarang

madu yang berbentuk heksagonal. Lebih detail lagi, graphene adalah allotrop karbon yang tersusun dengan orbital SP3 yang memiliki jarak antar atom yang sangat kecil (0.142 nm). Grafit adalah material 3 dimensi yang terbentuk dari penyusunan lapisan graphene yang saling tindih satu sama lain, dengan ketebalan 0.335 nm antar lapisan [13]. Material ini telah berkembang cepat tempo ini, mampu memproduksi 30-inchi graphene membran berisi lapisan graphene ganda [14]. Ketipisan grapehene yang unik kekuatan tarik [15]. Banyak peneliti meneliti kemungkinan penggunaan bahan graphene untuk dijadikan membran desalinasi. Lebih dari itu, pori nano dapat dibuat dari atom karbon tak jenuh, yang bereaksi secara pasif pada tepi pori pada struktur graphene. Sekarang, prosedur eksperimen untuk mengenalkan poros nano dengan grahene sudah secara luas dieksplorasi dan pengembangan sudah dicapai dengan cepat. Metode awal dilandaskan pada elekton beam bombardment; bagaimanapun, pencapaian modern lain seperti helium ion beam drilling, diblock copolymer templating dan chemical etching sudah diterapkan untuk mendapatkan densitas poros yang lebih besar dan memperbesar presisi distribusi besar poros [16]. Kedepannya, efisiensi rejeksi NaCl dengan membran graphene disimulasikan dengan pendekatan model molekul dinamis. Penelitian ini menyimpulkan, satu lapis graphene berporos nano dapat menyaring garam dari air dengan laju berkisar 10 sampai 100/cm2/day/MPa, yang berarti 2-3 kali lebih besar dari pencapaian yang dihasilkan membran difusi RO [17]. Material berbasis nanokarbon seperti graphene dan CNT juga memiliki kemampuan untuk mencegah pertumbuhan bakteri saat berkontak dengan sel bakteri. Kemampuan bakterisida ini bekerja sepanjang waktu, mengharuskan adanya lapisan antimikroba yang tidak harus dibasuh atau dicuci. Liu et al. [18] membandingkan 4 derivat material dari graphene yaitu graphene oksida (GO), Graphene Oksida tereduksi (rGO), Grafit (Gt), dan grafit oksida (GtO) dalam kemampuan mereka sebagai antibakteri untuk melawan bakteri Escherichia coli. Hasil observasi menunjukkan pada konsetrasi, waktu inkubasi, dan kondisi yang sama, dispersi GO memiliki kemampuan terbesar dalam aktifitas antibakteri dibandingkan dengan rGO, Gt, dan GtO. Sebagai tambahan, telah dijelaskan bahwa graphene adalah material innert yang susah larut dalam pelarut

3

organik klasik [19]. Oleh karena itu, ini menandakan bahwa graphene murni dapat dimodifikasi secara kimia.

membran dan ketiga GO dimasukkan pada matriks polimer.

Lembaran graphene cenderung membentuk agregat berat dan mengendap dari medium karena ada domain grafit yang terlindungi meningkatkan hidrofobisitas dan berhubungan dengan susun interaksi molekular. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan kelompok fungsional sulfonat ke permukaan yang mereduksi GO. Sisi negatif dari sulfonat secara efektif dapat mencegah agregasi [20]. GO dalam kondisi kovalen dapat dimodifikasi melalui aminasi pasangan karboksilat atau kelompok epoksi [21], atau gugus fungsi non kovalen [22]. Meskipun berbagai aplikasi yang melibatkan GO telah banyak diketahui, aplikasinya sebagai membran untuk pemisahan belum ada penyelidikan serius dan luas.

Berbagai teknik yang diterapkan untuk membuat membran berkomponen utama GO diantaranya memanfaatkan kesenjangan antara nanosheets GO dengan menggunakan teknik filtrasi vakum terus menerus, seperti yang dilaporkan oleh Xuetal[28]. Kelompok ini telah memfabrikasi komposit GO / TiO2 sebagi membran NF dengan ukuran pori ratarata 3,5 nm dengan memperkenalkan TiO2 nanopartikel antara nanosheets GO untuk memperlebar kesenjangan dan membentuk kanal aliran. Membran NF dari GO / TiO2 telah mencapai 100% rejeksi terhadap Rhodamin B (RB) dan metil orange (MO) dari air. Dalam sebuah studi yang berbeda, oleh Nair dkk. [23], kesenjangan intersheet minimal adalah 1 nm. peneliti memfabrikasi membran GONF Cu melalui metode semprot-orspin lapisan, yang memanfaatkan kestabilan GO / air yang untuk menciptakan lebih banyak laminasi antara lembaran nano GO. Maka diperoleh membran yang benar-benar kedap gas, uap dan cairan serta helium; Namun, membran ini mengizinkan untuk mendapatkan jumlah permeat air yang terlarang sebelumnya. Selain itu, air dapat melewati membran sekitar 1.010 kali lebih cepat dari helium. Sun dkk. [30] membuat membran GO NF melalui teknik, yang memisahkan intersheets 0.82 nm. Membran yang diperoleh dapat diterapkan secara efisien untuk memisahkan garam natrium dan garam tembaga dari kontaminasi material organik. Barubaru ini, kelompok Nicolai ini [31] melaporkan penggunaan simulasi dinamika molekul (MDS), dan membran GO adalah kandidat yang luar biasa untuk aplikasi membran RO untuk mewujudkan desalinasi air yang optimal. membran GO memiliki kemampuan untuk menolak garam dengan 100%, sementara secara bersamaan memungkinkan perembesan air yang sangat baik, dengan dua kemampuan perembesan ini digunakan membran GO 'Ultra tipis dengan ketebalan (mencapai 10 nm).

Penyeleidikan serius tentang GO sebagai membran pertama kali dilaporkan oleh Nair dan kelompoknya [23], yang menggabungkan membran GO dengan kemampuan tanpa hambatan untuk dilewati uap air dan hampir penahan seluruh molekul gas. Kedepannya, dilanjutkan oleh Cohen-Tanugiand Grossman [17], dimana kemampuan poros nano graphene untuk menahan garam sebagai membran RO telah disimulasikan. Hal ini diyakini bahwa GO memiliki kemampuan untuk meningkatkan kinerja pemisahan membran, mirip dengan nanomaterial karbon lain seperti CNT, yang merepresentasikan saluran air alami [24]. Namun demikian, ketika GO benar berasimilasi ke keramik atau polimer matriks, sifat-sifat yang diperoleh komposit nano akan meningkat secara signifikan, dan membran GO dapat digunakan dalam berbagai aplikasi yang berbeda contohnya fuelcells [25], nanofiltrasi [26], ultrafiltrasi [27], pemisahan gas [28] dan pervaporasi [4]. Dalam konteks yang sama, GO dapat meningkatkan kinerja membran hibrid polimer, seperti mekanik, anti fouling dan muatan properti permukaan.

4.1 Membran GO sebagai komponen utama

4. Pengembangan terbaru membran Graphene Oksida pada membran desalinasi

4.2 GO untuk Modifikasi Permukaan Membran

Dalam pembuatan membran desalinasi, GO bisa berpotensi diterapkan untuk komponen utama membran, pada permukaan membran atau dicor pada membran . Teknik pertama memanfaatkan GO sebagai lapisan pemisahan langsung, kedua menggunakan GO untuk modifikasi permukaan

Modifikasi permukaan membran GO dapat meningkatkan beberapa sifat membran, termasuk efek antimikroba, yang sangat meningkat ketika GO pada permukaan membran berinteraksi langsung dengan sel-sel bakteri [7]. Selain itu, modifikasi membran GO lebih tahan klorin sembari

4

mempertahankan kinerja RO. Selanjutnya, modifikasi permukaan membutuhkan jumlah nanomaterial (GO) yang relatif kecil, sehingga biaya lebih sedikit dan meminimalkan dampak lingkungan yang disebabkan oleh fabrikasi GO. Sebuah percobaan awal untuk mempersiapkan modifikasi membran GO dilakukan oleh Kim et al. [32], menyimpan nanosheets GO diikuti oleh GO amino nanosheets pada permukaan polietersulfon amino, membran menggunakan lapisan lapis demi lapis metode self-assembly (LBL-SA). Membran yang didapat / GO / Apes RO yang diperoleh memiliki ketahanan klorin jauh lebih tinggi daripada membran PA RO asli, dan penolakan baik garam (98%) dan aliran air (28 L / m2 jam) juga dicapai. Teknik modifikasi yang sama diterapkan pada membran PA-TFC; teknik LBL-SA digunakan untuk deposit dan GO multilayers pada permukaan membran. Sebuah lapisan pelindung dual-fungsional dilaporkan untuk meningkatkan sifat antifouling membran dan ketahanan klorin, sambil mempertahankan kinerja pemisahan. Fluks air ditingkatkan dengan 10% dan penolakan garam sedikit menurun sebesar 0,7%, dibandingkan dengan membran tidak dimodifikasi. Pengaruh modifikasi GO pada membran antibakteri dieksplorasi lebih lanjut oleh Perreault et al. [33]. Percobaan ini dilaporkan, pertama penyediaan GO nanosheets secara kovalent ke permukaan PA (TFC) membran untuk tujuan antimikroba. GO nanosheets memiliki ikatan kovalen dengan lapisan tipis PA. membran dimodifikasi menunjukkan inaktivasi efektif dari 65% sel bakteri setelah satu jam, tanpa mengorbankan fluks air dan penolakan garam. Selain itu, ia mengamati bahwa selaput dimodifikasi menjadi lebih hidrofilik, yang dibuktikan dengan penurunan sudut kontak air. 5. Mekanisme Pembuatan Membran GO Untuk Desalinasi Air Laut

yang membentuk lapisan saling bertautan yang dikemas dan ditumpuk di atas satu sama lain; kesenjangan yang diciptakan oleh ruang yang ada interlayer (d). Laminasi membran GO memiliki kekuatan mekanik yang kuat serta fleksibel. Dilaporkan bahwa membran GO dengan tebal sub milimeter bisa kedap uap, gas dan cairan serta helium; Namun, membran GO memungkinkan molekul air diserap tanpa halangan apapun. Fenomena ini disebabkan adanya kelompok oksigen fungsional (yaitu, hidroksil, epoxy, dan sebagainya) yang melekat pada nanosheets GO, yang bertanggung jawab untuk menjaga kesenjangan interlayer ini (d). Hal penting, kelompok-kelompok fungsional mengelompok berdasarkan afinitas dan menciptakan daerah nanosheets GO non-oksidasi yang meresap besar. Akibatnya, diharapkan kesenjangan terbuat antara daerah non-oksidasi dari laminasi GO, karena d untuk mengurangi GO (RGO) adalah sekitar 4 Å, sedangkan ukuran lebar celah dapat diprediksi sebagai sekitar 5 Å, yang cocok untuk memfasilitasi berlalunya air monolayer. Perkiraan kesenjangan ini membentuk jaringan nanocapillaries graphene dalam laminasi GO. Selanjutnya, itu menunjukkan bahwa aliran rendah gesekan air monolayer melalui dua dimensi (2D) nanocapillaries graphene adalah dicapai. Namun, daerah teroksidasi yang cenderung bereaksi kuat dengan memperkenalkan air molCules, sehingga tidak berpartisipasi dalam perembesan air. Membran GO yang dijelaskan dapat digunakan sebagai membran penghalang untuk filtrat dan bahan terpisah dengan selektivitas untuk menyerap air. Lembar GO / TiO2 dapat berperforma baik saat dikemas pada membran GO / TiO2. Nanopartikel TiO2 dapat mendukung nanosheets GO dan memperbesar ruang interlayer, yang menyebabkan penciptaan saluran yang cocok dan pori-pori dalam membran dibuat dan memungkinkan mereka untuk menjadi menjanjikan filtrasi membran [29].

5.1. Fabrikasi Membran GO

5.2. modifikasi GO-permukaan terstruktur

Membran GO sebagai komponen utama dianggap kandidat yang paling menjanjikan untuk aplikasi desalinasi air di masa depan karena struktur yang unik. Ia telah mengemukakan bahwa GO nanosheets cenderung membentuk laminasi, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3C. Ini bisa digambarkan sebagai perakitan GO microcrystallites,

5.2.1. Ikatan kovalen GO dapat digunakan untuk memodifikasi permukaan membran desalinasi. Ikatan kovalen bisa dicapai dengan menggunakan pasangan amida dengan karboksilat untuk melekat GO nanosheets dan kelompok karboksilat lainnya pada permukaan poliamida lapisan tipis PA (TFC). Langkah

5

fungsionalisasi tidak memiliki efek negatif pada kinerja membran. Juga, ketika PA (TFC) adalah permukaan functionalised, GO nanosheets dapat dirakit baik pada permukaan membran, yang memiliki pengaruh positif dan kuat pada sifat antimikroba dan hidrofilik membran dimodifikasi. Dilaporkan bahwa hidrofilisitas permukaan tidak meningkatkan fluks air membran sebagai aliran air diatur melalui mekanisme larutan difusi oleh lapisan aktif PA (TFC), terpisah dari permukaan termodifikasi [6]. 5.2.2. ikatan non-kovalen melalui LBL-SA GO dapat memodifikasi permukaan membran desalinasi non-kovalen menggunakan pendekatan LBL-SA. GO dapat digunakan secara langsung atau melalui bahan bridging, tergantung pada biaya bersih permukaan membran (yaitu, lalu atau TiO2) untuk non-kovalen memodifikasi membran. Metode modifikasi LBL-SA dilaporkan menyebabkan penyerapan preferensial molekul air ke dalam kelompok fungsional oksigen yang melekat pada GO nanosheets, yang kemudian masuk melalui 'celah' antara laminasi GO dan segera tersebar. Interaksi rendah gesekan air mol-Cules diperlihatkan dengan daerah hidrofobik tengah yang kaya karbon dari GO, dan menciptakan 'saluran' yang difasilitasi perjalanan mereka melalui GO laminasi membran. Mekanisme yang diusulkan mungkin bisa menjelaskan kemampuan pemisahan membran dan mengapa konsentrasi permeat air dengan membran GO / PAN mencapai sekitar 99,5% melalui proses pervaporasi. Banyak jembatan nanomaterials diuji oleh para peneliti. Salah satu bahan-bahan ini yang digunakan untuk mencapai keuntungan ganda meningkatkan ketahanan permukaan membran untuk klorin dan fouling dengan menggunakan teknik pelapisan tahan lama pada permukaan dua substrat yang berbeda yaitu, PA (TFC) dan aPES melalui metode desposisi LBL-SA dari GO dan nanosheets [29]. Deposisi langkah diulang sebagai lapisan bermuatan negatif nanopartikel GO diaplikasikan pada permukaan membran Apes, diikuti oleh lapisan bermuatan positif; alternatif, proses bisa dibalik [30]. PA aktif lapisan tipis membran TFC digambarkan sebagai hubungan erat cross-linked 'lapisan dalamcore' dimasukkan di tengah-tengah dua lapisan luar. Pada prinsipnya, kontrol lapisan dalam-core menolak garam; Namun, sebagian besar padatan dari PA

(TFC) adalah lapisan selektif yang mengakomodasi permeasi air. Dapatkah multilayer GO sendiri dianggap lapisan penolakan garam ? Selanjutnya, bisakah mengatasi masalah berkurangnya rejeksi garam oleh lapisan selektif PA disebabkan oleh klorinasi? Choi et al. [29] menemukan bahwa penolakan NaCl dengan multilayer GO diendapkan pada permukaan substrat PSF (GO membran) terbatas pada 12.2706%. Mereka melaporkan bahwa GO multilayers sendiri tidak memberikan selektivitas yang cukup untuk penolakan garam NaCl; Temuan ini mendukung laporan sebelumnya pada perilaku penolakan membran berbasis GO LBL-SA [18]. Meskipun kesimpulan bahwa GO laminasi tidak cukup untuk menjadi pemisah lapisan tipis, seperti yang disebutkan dalam karya sebelumnya, Kim et al. [32] telah melaporkan menggunakan kovalen nonteknik pelapisan (LBL-SA) untuk aGO / GO / APSF. Membran digambarkan sebagai membran TFC RO baru, dengan karakteristik kinerja RO tinggi dan tahan klorin yang kuat. GO / nanopartikel lalu diperkenalkan ke permukaan membran aPES dan GO-permukaan membran termodifikasi menunjukkan ketahanan klorin meningkat. membran aGO / GO / GO yang dimodifikasi menunjukkan rejeksi garam (NaCl) 98,4%, lebih tinggi dibandingkan dengan aPES murni dan membran PA (masing-masing 94,3% dan 98%). Baru-baru ini, GO laminasi telah diteliti untuk filtrasi bertekanan, untuk memperjelas potensi sifat menjanjikan mereka [29]. Hasil bervariasi, sesuai dengan metode fabrikasi yang digunakan. Selain itu, tidak dapat konsisten untuk menyerap molekul besar melalui laminasi GO. Ini dapat dijelaskan dengan terjadinya lubang pin atau celah-celah di laminasi ini, yang menghambat sifat yang melekat mereka [15]. Setelah pengenalan GO / nanopartikel aGO ke membran, ikatan amida lebih jelas. Juga, kehadiran nanopartikel dalam membran meningkatkan ikatan hidrogen melalui reaksi antarmolekul antara PA dan nanopartikel, yang diasumsikan menghambat penggantian ion hidrogen pada terminal amida dari membran PA oleh klorin. Selain itu, ikatan amida di lapisan aktif dari membran RO terbentuk sebagai hasil dari penggabungan antara situs amino pada GO / aGO. Ikatan ini berkontribusi bersama-sama dengan kelompok amino nanopartikel yang tersisa terhadap perlindungan lebih lanjut dari lapisan membran aktif dari klorin [32].

6

Nanopartikel TiO2 digunakan untuk menjembatani GO nanosheets ke permukaan membran berbasis PSF melalui pendekatan LBL-SA [32]. Pertama, TiO2 nanopartikel berikatan pada membran melalui link Ti-O dibuat antara kelompok sulfonat dan Ti4 þ dan, sampai batas tertentu, dengan ikatan hidrogen antara kelompok sulfonat dan hidroksil dari TiO2. GO nanopartikel kemudian berlapis-lapis di deposit TiO2 dengan Ti-O dan / atau ikatan hidrogen antara gugus karboksil GO dan Ti4 þ. Akhirnya, GO menjalani pengurangan parsial dan physiochemically terikat TiO2 melalui metode etanol-UV; maka, warna GO berubah dari cokelat muda sampai hitam. 5.3. Casting GO-dimasukkan membran komposit 5.3.1. Unfunctionalised GO Secara umum, ditemukan bahwa penggabungan nanomaterials karbon ke membran mempengaruhi konfigurasi pori [10]. Dibandingkan dengan membran yang murni, permukaan membran dimodifikasi menunjukkan struktur berpori padat yang dihasilkan dari pengendapan nanomaterial melalui prosedur fase-inversi [4]. Setelah modifikasi, permukaan selaput dicapai kepadatan pori menguntungkan dan struktur pori penampang menguntungkan. Peningkatan yang cukup besar dalam hidrofilisitas membran mengakibatkan permeabilitas meningkatkan pada membran dimodifikasi. Akibatnya, pengenalan nanomaterial karbon dianugerahi membran dengan kemampuan dry-loading tanpa mempengaruhi permeabilitas, yang bermanfaat untuk melestarikan resistensi membran untuk bakteri dan memfasilitasi transportasi. permeabilitas membran ditingkatkan dengan konsentrasi GO yang semakin meningkat, sampai konsentrasi kritis tertentu dicapai; setelah ini, fluks mulai menurun. Penurunan ini dianggap berasal dari penyumbatan pori-pori dan pengurangan ukuran pori oleh konsentrasi tinggi dari nanoplates GO. Porositas menurun ditemukan di permukaan membran menegaskan bahwa kandungan GO tinggi meningkatkan viskositas larutan, memperlambat pengendapan dan mengembangkan densitas permukaan dan perluasan pori, yang lebih lanjut diperpanjang menuju daerah tengah atau bawah selaput. Lee et al. [34] menjelaskan peran progresif GO di inversi fasa dari proses membran-casting. Biasanya, larutan polimer membeku dengan cepat selama

pemisahan di tepi antara polimer dan larutan nonpelarut karena gradien konsentrasi dan aktivitas yang cepat dari semua komponen. Pada situs rapuh di permukaan polimer mengeras, retak muncul sebagai akibat dari tekanan yang dihasilkan oleh penyusutan terjadi melalui desolvasi terus menerus. Penggabungan GO dalam larutan pengecoran ditingkatkan hidrofilisitas dan mempengaruhi derajat substitusi antara non-pelarut dan pelarut selama pemisahan fase. Sebagai hasilnya, forma-tion retak dan macrovoids diminimalkan. Telah dinyatakan bahwa GO, dengan kelompok asam, dapat menghasilkan muatan negatif pada sepanjang permukaan membran seluruh rentang pH, yang mengarah ke memukul mundur secara signifikan antara permukaan bermuatan negatif dan ion bermuatan negatif. GO telah mengakibatkan peningkatan sifat hidrofilik membran, dan menyebabkan permeasi fluks ditingkatkan (JP) dan fluks air murni (JW1); membran lebih hidrofilik menjadi lebih menarik dengan molekul air dalam jaringan membran, memungkinkan mereka untuk mengalir melalui membran. 5.3.2. functionalised GO Ia juga melaporkan bahwa functionalised hidrofilik nanopartikel bisa dicampur dengan matriks polimer untuk meningkatkan fitur amorphous dari membran. Porositas ditingkatkan dengan memperoleh pori-pori lebih padat melalui pertukaran cepat antara pelarut dan non-pelarut selama prosedur fase inversi. Umumnya, ukuran pori-pori dan porositas membran ditingkatkan dengan menggunakan sejumlah kecil f-GO, tapi kemudian menurun dengan hubungan yang lebih aditif [35]. Hal ini mungkin akibat dari tingkat kekentalan tinggi dari solusi pengecoran, yang biasanya menghambat pertukaran antara non-pelarut dan pelarut, bersama dengan penghambatan pembentukan pori berkukuran besar. Hal ini dikonfirmasi oleh peningkatan fluks air pada penambahan sejumlah kecil f-GO, ketika fluks terus menurun sejalan dengan jumlah menambahkan f-GO. Peningkatan dalam fluks dengan jumlah f-GO rendah dapat dikaitkan dengan peningkatan properti hidrofilik membran, serta penciptaan linear dan lebih macrovoids jari-seperti. Ketika jumlah f-GO melampaui 0,05%, pembekuan f-GO seluruh metode fase-inversi meningkat viskositas larutan casting dan porositas membran sangat menurun [35].

7

Umumnya, GO dapat menarik molekul air ke dalam matriks membran dan memfasilitasi mereka yang menyebar melalui membran, meningkatkan permeabilitas. Sebagai f-GO memiliki daya tarik yang lebih besar untuk air dari GO, laju difusi air (non-pelarut) ke dalam membran ditingkatkan di seluruh inversi fase. Lebih-lebih, ketidakstabilan termodinamika yang diperkuat dari solusi pengecoran dengan penggabungan f-GO mengakibatkan peningkatan difusi pelarut dari membran. Fenomena ini mengakibatkan pembesaran ukuran pori membran dimodifikasi, yang meningkatkan permeabilitas. Namun demikian, dengan f-GO konten tinggi, interferensi statik dan interaksi elektrostatik antara fGO nanosheets atau antara f-GO nanosheets dan membran polimer menyebabkan beberapa f-GO nanosheets menjadi non-seragam dicampur dalam membran matrix [35]. Selanjutnya, ia mengamati bahwa peningkatan jumlah lapisan GO mengakibatkan keterlambatan rejeksi beberapa ion logam yaitu, Nath dan Mg2þ dengan penurunan bersamaan dalam permeabilitas air. Ini mungkin karena peningkatan jumlah lapisan f-GO meningkatkan densitas muatan efektif dan menghasilkan peningkatan potensi zeta pada permukaan membran. 6. Prospek Masa Depan Tantangan dalam teknologi membran antara lain permasalahan fouling, permeabiltas dan selektivitas yang rendah, beberapa material membran yang masih relatif mahal, dan umur membran yang ralatif singkat [36-39]. GO telah digunakan dalam cara yang berbeda untuk meningkatkan sifat membran untuk aplikasi desalinasi, termasuk perakitan membran GO berdiri bebas, GO-permukaan dimodifikasi membran dan dicor membran GO-dimasukkan. Telah dibuktikan bahwa berbagai sifat membran termasuk kekuatan mekanik, antimikroba dan antifouling properti, selektivitas, fluks air dan panas yang tepatikatan secara signifikan membaik setelah penggabungan GO. Membran GO-dimodifikasi seperti (yaitu, TFC RO, NF, UF, MF, fotokatalitik, membran bioreaktor dan pervaporasi) dilakukan secara signifikan lebih baik daripada membran murni. Pertunjukan yang dilaporkan membran GOmembantu dalam penghapusan pewarna, pemisahan monovalen dan divalen ion, dan dehidrasi campuran pelarut air yang positif. Secara umum, GO-assisted membran tidak terbatasi larangan praktis dan

kemunduran; ditemukan bahwa ikatan GO dan polimer yang bermanfaat bagi perbaikan sifat membran. Ketertarikan ini telah difokuskan pada pengembangan membran desalinasi GO-assisted efisien melalui berbagai strategi fabrikasi. Lebih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mencapai pemahaman yang benar tentang peran dan mekanisme GO dan interaksi membran, untuk meningkatkan kinerja membran, khususnya untuk berdiri bebas membran GO. GO nanosheet adalah sebuah blok bangunan yang menjanjikan untuk fabrikasi membran desalinasi GO-assisted, tapi lebih banyak perhatian harus dibayar untuk kekurangan potensinya, seperti ketidakstabilan mekanik, keselarasan yang tidak ideal dan perakitan, dan cacat permukaan. Selain itu, scaling up fabrikasi komersial tinggi-permeabilitas membran GO ultratipis merupakan salah satu tantangan terbesar yang dihadapi oleh para peneliti; hasil penelitian yang sukses di sektor ini akan menyebabkan pengurangan energi yang dibutuhkan untuk tanaman RO. Kunci kesuksesan adalah untuk mencapai keseimbangan antara biaya produksi dan kesederhanaan dalam operasi manufaktur. Secara keseluruhan, membran GO-assisted bisa memberikan salah satu alat yang paling menjanjikan untuk membantu mengatasi krisis air global.

8

Daftar Pustaka References [1] B.S. Lalia, V. Kochkodan, R. Hashikeh, N. Hilal, Are View On Membrane Fabrication: Structure, properties and performance relationship, Desalination 326 (2013) 77–95. [2] M.Qadir, B.R. Sharma, A. Bruggeman, R. Choukrallah, F. Karajeh, Non-Conventional Water Resources And Opportunities for Water Augmentation to Achieve Food Security in water scarce countries, Agric. Water Manag. 87 (2007)2–22. [3] I.G. Wenten. “Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia.”Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [4] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [5] M. Elimelech, W.A. Phillip, The Future of Sea Water Desalination: Energy, Technology, and The Environment, Science 333 (2011) 712– 717. [6] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin, A.N. Hakim. “Proses Pembuatan Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2011. [7] K.P. Lee, T.C. Arnot, D. Mattia, Are View of Reverse Osmosis Membrane Materials for Desalination – Development to Date and Future Potential, J. Membr. Sci. 370 (2011) 1–22. [8] F. Fornasiero, J. BinIn, S. Kim, H.G. Park, Y.Wang, C. P. Grigoropoulos, et al., pHtunable Ion Selectivity in Carbon Nanotube Pores, Langmuir 26 (2010) 14848–14853. [9] L. Lai, J. Shao, Q. Ge, Z. Wang, Y. Yan, The Preparation of Zeolite NaA Membranes on the Inner Surface of Hollow Fiber Supports, J.Membr.Sci. 409-410(2012)318–328. [10] I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti. “Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Pada Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2013. [11] A. Matin, Z. Khan, S.M.J. Zaidi, M.C. Boyce, Bio fouling in Reverse Osmosis Membranes for Sea Water Desalination: Phenomena and Prevention, Desalination 281 (2011) 1–16. [12] E. Alayemieka, S. Lee, Modification of polyamide membrane surface with chlorine

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

dioxide solutions of differing pH, Desalin. Water Treat. 45 (2012) 84–90. D.C. Tanugi, J.C. Grossman, Water Desalination Across Nanoporous Graphene, Nano Lett. 12 (2012) 3602–3608. A. Nicolaï, B.G. Sumpter, V. Meunier, Tunable Water Desalination Across Graphene Oxide Framework Membranes, Phys. Chem. Chem. Phys. (2014) J.E. Cadotte, R.J. Petersen, R.E. Larson, E.E. Erickson, A New Thin-film Composite Sea Water Reverse Osmosis Membrane, Desalination 32 (1980) 25–31. D.C. Bell, M.C. Lemme, L.A. Stern, J.R. Williams, C.M. Marcus, Precision Cutting and Patterning of Graphene With Helium Ions, Nanotechnology 20 (2009) Z. Hu, Y. Chen, J. Jiang, Zeolitic Imidazolate Framework-8 as a Reverse Osmosis Membrane for Water Desalination: Insight from Molecular Simulation, J. Chem. Phys. 134 (2011) 134705. S. Liu, T. H. Zeng, M. Hofmann, E. Burcombe, J. Wei, R. Jiang, et al., Antibacterial Activity of Graphite, Graphite Oxide, Graphene Oxide, and Reduced Graphene Oxide: Membrane and Oxidative Stress, ACS Nano5 (2011)6971– 6980. S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, et al., Synthesis of Graphene Based Nanosheets Via Chemical Reduction of Exfoliated Graphite Oxide,Carbon45(2007)1558–1565. B. Jia, L. Zou, Graphene Nanosheets Reduced by a Multistep Process as High Performance Electrode Material for Capacitive Deionisation, Carbon50 (2012)2315–2321. A.B. Bourlinos, D. Gournis, D. Petridis, T. Szabó, A. Szeri, I. Dékány, Graphite Oxide: Chemical Reduction to Graphite and Surface Modification with Primary Aliphatic Amines and Amino Acids, Langmuir 19(2003)6050– 6055. H. Bai, Y. Xu, L. Zhao, C. Li , G. Shi, Noncovalent Functionalization of Graphene Sheets by Sulfonated Polyaniline, Chem. Commun. (2009) 1667–1669. R.R. Nair, H.A. Wu, P.N. Jayaram, I.V Grigorieva, A. K. Geim, Unimpeded Permeation of Water Through Helium-Leak-

9

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

[29]

[30]

[31]

[32]

[33]

[34]

Tight Graphene-based Membranes, Science (2012) 442–444. S. Qiu, L. Wu, X. Pan, L. Zhang, H. Chen, C. Gao, Preparation and Properties of Functionalized Carbon Nanotube / PSF Blend Ultrafiltration membranes, J. Membr. Sci. 342 (2009)165–172. A. Enotiadis, K. Angjeli, N. Baldino, I. Nicotera, D. Gournis, Graphene-based on Nano Composite Membranes: Enhanced proton Transport and Water Retention by Novel Organo-Functionalized Graphene Oxide Nanosheets,Small 8 (2012)3338–3349. I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti. “Ultrafiltrasi dan Aplikasinya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. C. Sun, B. Wen, B. Bai. 2015. Recent advances in nanoporous graphene membrane for gas separation and water purification. Science Bulletin, 60 (2015) 1807-1823. C. Xu, A. Cui, Y. Xu, X. Fu, Graphene Oxide– TiO2 Composite Filtration Membranes and Their Potential Application for Water Purification, Carbon 62 (2013) 465–471. P. Sun, M. Zhu, K. Wang, M. Zhong, J. Wei, D. Wu, et al., Selective Ion Penetration of Graphene Oxide Membranes, ACS Nano 7 (2013) 428–437. A. Nicolaï, B.G. Sumpter, V. Meunier, Tunable water desalination across graphene oxide framework membranes, Phys. Chem. Chem. Phys. (2014), S.G. Kim, D.H. Hyeon, J.H. Chun, B.-H. Chun, S. H. Kim, Novel Thin Nanocomposite RO Membranes for Chlorine Resistance, Desalin. Water Treat. 51(2013) 6338–6345. F. Perreault, M. E. Tousley, M. Elimelech, Thin-Film Composite Polyamide Membranes Functionalized With Biocidal Graphene Oxide Nanosheets, Environ. Sci. Technol. Lett. 1 (2014) 71–76. J. Lee, H.R. Chae, Y.J. Won, K. Lee, C.H. Lee, H. H. Lee, et al., Graphene Oxide Nano Platelets composite Membrane With Hydrophilic and Antifouling properties for

[35]

[36]

[37]

[38]

Waste Water Treatment, J. Membr. Sci. 448 (2013) 223–230. H. Zhao, L. Wu, Z. Zhou, L. Zhang, H. Chen, Improving the Antifouling Property of Polysulfone Ultrafiltration Membrane by Incorporation of Isocyanate Treated Graphene Oxide, Phys. Chem. Chem.Phys.15 (2013) 9084–9092. I.G. Wenten, “Perkembangan Terkini di Bidang teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, “Troubleshooting dalam Operasi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2013. I.G. Wenten, “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.