Pengolahan Air dengan Membran Karbon Nanomaterial Apsari Puspita Aini Teknik Kimia, ITB,
[email protected] Abstrak Penggunaan teknologi membran dalam pengolahan air telah banyak dilakukan dan diterapkan oleh sebagian masyarakat dan skala industri. Membran mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), dan reverse osmosis (RO) merupakan beberapa contoh membran yang prinsip kerjanya berdasarkan gaya dorong tekanan. Semakin kecil ukuran pori membran, maka akan semakin besar pula tekanan yang diperlukan dalam pengoperasiannya. Walaupun dapat menghilangkan kontaminasi-kontaminasi yang terdapat dalam air, namun penggunaan energi yang tinggi inilah yang menjadikan banyak peneliti mencari alternatif jenis membran lain yang dapat mengatasi kekurangankekurangan yang dimiliki oleh membran tersebut. Membran karbon nanomaterial yang terdiri dari graphene dan carbon nanotube adalah membran yangbeberapa tahun ini banyak dikembangkan. Membran graphene mempunyai stablitas termal yang baik dan fleksibilitas yang tinggi dan pada aplikasinya dapat digunakan untuk desalinasi air laut. Membran karbon nanotube pada aplikasinya adalah untuk menghilangkan kontaminasi biologi yang terkandung di dalam air. Kemampuan yang luar biasa dalam hal permeabilitas air, kapasitas desalinasi, selektivitas zat terlarut, ketahanan, antifouling, dan penghematan energi, dapat meminimalisir penggunaan tekanan yang diperlukan dalam beberapa membran konvensional. Kata kunci : pengolahan air,karbon nanomaterial, graphene,carbon nanotube;
1. Pendahuluan Air merupakan kebutuhan bagi setiap makhluk hidup dan menjadi bagian yang sangat penting dalam keberlangsungan ekosistem yang ada. Seiring dengan meningkatnya modernisasi terhadap gaya hidup manusia dari tahun ke tahun, maka secara tidak langsung juga akan menambahkan polutan-polutan antroponik yang berbeda-beda, logam berat, senyawa organik yang bisa masuk ke dalam sistem perairan, dan akhirnya muncul pada sistem pengolahan air. Berbagai macam cara dilakukan untuk bisa mendapatkan air bersih yang layak untuk kebutuhan rumah tangga maupun kebutuhan industri. Teknologi pemurnian air mulai dari konvensional sampai teknologi yang modern telah banyak dikembangkan. Pemurnian air dengan cara konvensional dilakukan didasarkan tiga konsep penting, yaitu sumber air dari perairan yang memasuki instalasi pengolahan hanya terdiri dari kontaminan alami kimia dan biologi; munculnya air pada sumber utamanya karena aliran air permukaan, kondisi lokal yang ada di sumber perairan, kontaminasi yang dihasilkan dari limbah yang tidak diolah; kontaminasi yang terkandung dalam sumber air dapat secara mudah dihilangkan dengan pengolahan sederhana [1]. Pertama, teknologi pengolahan air meliputi: skrining, penyaringan, sentrifugasi, pemisahan, sedimentasi, koagulasi, dan flokulasi. Kedua, pengolahan air juga melibatkan perlakuan
aerobik dan anaerobik. Ketiga, pengolahan air berlanjut dengan menggunakan peralatan yang lebih rumit seperti tahap distilasi, kristalisasi, evaporasi, ekstraksi pelarut, oksidasi, presipitasi, ion exchange, membran reverse osmosis (RO), membran nanofiltrasi (NF), membran ultrafiltrasi (UF), membran mikrofiltrasi (MF), tahap adsorpsi, elektrolisis, dan elektrodialisis [1, 2, 3]. Perusahaan daerah air minum (PDAM) yang ada di setiap kota di Indonesia menerapkan sistem pengolahan air yang masih tergolong konvensioanl, yang meliputi proses koagulasi dan flokulasi (bertujuan membentuk partikel koloid menjadi berukuran flok-flok kecil dan flok besar), sedimentasi (mengendapkan partikel koloid yang berbentuk flok), filtrasi (menyaring flok halus yang belum terendapkan di bak sedimentasi), dan klorinasi (untuk membunuh zat desinfektasn) [4]. Dalam pengolahan air yang konvensional ini walaupun terlihat sederhana, namun penggunaan bahan-bahan kimia yang jika digunakan secara terus-menerus pada akhirnya akan berdampak buruk bagi lingkungan. Penggunaan klorin sebagai desinfektan untuk memusnahkan mikroorganisme yang terdapat dalam air. Dari beberapa literatur menyebutkan bahwa klorin juga dapat bereaksi dengan senyawa-senyawa organik yang terdapat di dalam air dan membentuk kloroamina tersubstitusi. Ditemukan juga senyawa organik lainnya seperti trihalometan seperti kloroform, diklorobromometan, dibromoklorometan dan bromoform [1, 5].
akan lebih banyak diulas dalam artikel ini. CNT dan bahan graphene diharapkan mampu mengatasi permasalahan dalam pemurnian air yang memerlukan biaya tinggi (karena memerukan energi tinggi) dan dapat terkontaminasi dengan sendirinya. Membran dari nanomaterial memiliki porositas permukaan yang lebih tinggi sehingga dapat meningkatkan kemampuan menolak garam dan dapat menghindari pembentukan makrovoid. Struktur membran CNT yang berongga dapat mengurangi gesekan saat transportasi molekul air, sehingga membuat membrane ini cocok untuk dikembangkan dalam teknik pemisahan dengan fluks yang tinggi. Lapisan tipis tunggal yang terdapat pada graphene dapat meningkatkan permeabilitas air. Hal ini dikarenakan fluks air berbanding terbalik dengan ketebaan membran, dimana lapisan tunggal graphene pada ketebalan monoatomik merupakan membrane tertipis dengan tahanan hidrodinamik terendah [2, 19].
Dengan kata lain, penggunaan klorin ini juga akan berdampak buruk pada kesehatan dalam jangka panjang. Teknologi membran yang telah berkembang sekarang telah banyak diaplikasikan dalam pengolahan air untuk bisa memperbaiki kelemahan yang ada pada teknologi pengolahan konvensional [6, 7]. Keuntungan dari teknologi membran adalah tidak memakai bahanbahan kimia apapun dalam proses operasi sehingga dinilai lebih aman dari segi kesehatan maupun segi lingkungan. Aplikasi teknologi membran dalam pengolahan air yang dikenal luas adalah berbasis gaya dorong tekanan seperti mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), dan reverse osmosis (RO). Membran MF dapat menghilangkan partikel tersuspensi yang terkandung di dalam air. Membran UF dapat menghilangkan tidak hanya partikel terlarut, namun juga makro molekul yang ada di dalam air [8, 9]. Dengan ukuran pori yang lebih kecil dari UF, selain dapat menghilangkan partikel tersuspensi dan makro molekul, membran NF juga dapat menghilangkan molekul kecil garam divalen dan asam terlarut. Membran reverse osmosis (RO) disebut juga hyperfiltration, menggunakan membran tanpa pori (dense), dimana mekanisme transport terjadi melalui fenomena difusi. Selain dapat menghilangkan molekul-molekul yang telah disebutkan sebelumnya, membran RO juga dapat menghilangkan garam monovalen dan asam terdisosiasi dan sudah banyak aplikasinya pada desalinasi air laut [10]. Semakin kecil ukuran pori membran maka akan semakin besar pula tekanan yang diperlukan saat pengoperasiannya [11]. Proses pengolahan air yang dikembangkan dan diaplikasikan tersaji dalam gambar 1. Membran reverse osmosis (RO) contohnya telah banyak diaplikasikan untuk skala rumah tangga maupun industri [10, 12-14]. Tetapi air yang dihasilkan dari membran RO merupakan air yang tidak ada mineralnya sehingga dapat dikatakan air tersebut tidak menyehatkan bagi tubuh. Selain itu permasalahan yang sering ditimbulkan dari membran RO adalah terjadinya fouling. Fouling dapat terjadi karena adanya kontaminasi biologis, senyawa makromolekul, senyawa anorganik tertentu dan bahan koloid. Fouling pada dinding membran dapat menyebabkan penurunan fluks yang melewat membran [15, 16]. Sehingga diperlukan pretreatment serta pencucian secara berkala untuk mengatasi fouling, dimana pencucian dapat dilakukan baik secara fisik maupun secara kimia tergantung tingkat fouling yang terjadi [10, 18]. Berkembangnya nanoteknologi pada dekade terakhir ini juga memberikan dampak baik pada teknologi pengolahan air, khususnya dengan menggunakan teknologi membran. Novel membran seperti Carbon Nanotubes (CNT) dan bahan graphene
2. Membran Karbon Nanomaterial Goh dkk tahun 2013 menyebutkan bahwa pengetahuan mengenai desalinasi dan teknologi mengalami revolusi yang menakjubkan, dimana paradigma baru penelitian yang melibatkan penggunaan nanoteknologi berkembang pesat. Nanoteknologi diharapkan dapat diterapkan menjadi teknologi masa depan. Graphene dan carbon nanotubes (CNT) dapat menjadi pilihan yang baik dalam meningkatkan efisiensi dan kemampuan proses desalinasi saat ini dalam rangka unutk memenuhi kebutuhan air kota dan industri. Berbeda dengan membran RO, dimana transportasi air secara lambat melalui mekanisme solutiondiffusion, membran nanopori mentransformasikan air dengan cara konveksi air secara cepat mengalir melewati kanal-kanal. Karena dimensi membran yang kecil, membran nanopori dapat digunakan sebagai filter pada ukuran molekular, karena molekul kecil dapat lolos melewati membran sedangkan molekul besar tidak dapat lolos [20]. Material nanokarbon, yaitu modifikasi graphene oxide membran juga memiliki kemampuan untuk menghambat pertumbuhan bakteri pada kontak langsung dengan sel. Membran jenis ini memunya resistensi terhadap klorin yang lebih tinggi jika dibandingan dengan membran RO [21-26]. Graphene dan CNT mempunyai sifat dapat mentransformasikan air dengan sangat cepat serta mempunyai kemapuan pemisahan yang baik. Goh dkk. tahun 2016 dalam tulisannya menyebutkan bahwa kinerja membran karbon nano material dibatasi oleh polarisasi konsentrasi dan fouling. Tantangan tersebut, bersamaan dengan karakteristik karbon nanomaterial, skalabilitas membran, dan biaya produksi merupakan hambatan yang memerlukan perhatian khusus dan usaha untuk meningkatkan performa membran. 2
karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Gambar 2 berikut menampilkan sturktur alotrop karbon [27]. Graphene merupakan lapisan atomik grafit, merupakan bahan kimia yang luar biasa karena mempunyai stablitas termal yang baik dan fleksibilitas yang tinggi. Menurut Goh dkk. tahun 2016, graphene dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu graphene lapis tunggal dan graphene komposit. Graphene lapis tunggal dengan ketebalan monoatomik, mempunyai ketahanan hidrodinamik yang rendah. Lapis tunggal graphene dapat berfungsi sebagai membran untuk pengolahan air dengan menciptakan pori subnano pada lapisan graphene.
Goh dkk. tahun 2013 menyebutkan bahwa salah satu sifat CNT yang palng menonjol, yang membuat CNT menarik untuk transportasi air dan desalinasi adalah ukuran dan keseragaman tabung, skala atom yang kecil, dan sifat inert pada dinding grafit yang memungkinkan mencapai fluks air dan rejeksi garam yang diinginkan. Graphene juga mempunyai aplikasi yang potensial dalam menghilangkan senyawa anorganik Arsenik dengan konsentrasi tinggi secara simultan dan ion natrium menggunakan superkapasitor yang berbasis air sebagai pengisi [19]. 2.1 Membran Graphene Graphene merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana setiap atom
Gambar 1. Proses Pengolahan Air [2]
3
ada pada lembaran graphene berfungsi sebagai membran untuk pengolahan air. Dalam struktur tunggal ini, orientasi dipol molekul air dibalikkan. dan menginduksi putusnya ikatan hidrogen dan sehingga fluks air dapat diatur dari graphene lapisan tunggal. Dalam diameter ini, transportasi air di pori-pori menunjukkan perilaku seperti bulk dan mengalami pengurangan hambatan energi permeas pada input. Selain itu, beberapa hasil simulasi condong ke arah penggunaan fungsi nanopori sebagai strategi yang menjanjikan untuk meningkatkan energi bebas hambatan dan mewujudkan pengeluaran ion yang efektif pada nanopori [30]. Penyaringan air dan desalinasi menggunakan graphene nanopori telah dipelajari pada research centre di Amerika. Membran reverse osmosis mempunyai permeabilitas air yang rendah dan membutuhkan daya yang tinggi untuk proses desalinasi [28, 31]. Modifikasi yang diterapkan pada graphene ini adalah dengan membentuk nanopori pada permukaan graphene. Pori yang terbentuk ini diharapkan dapat memfasilitasi aliran air dan membuat alirannya lebih cepat. Sehingga tidak hanya garam yang dapat tertahan pada membran, tetapi juga bahan-bahan lainnya, pada ukuran molekul [30]. Ketebalan membran GO pada tingkat µm, menyebabkan membran ini tidak dapat ditembus oleh uap, gas dan cairan se[erti helium. Namun, membran ini dapat melewatkan air sebagai permeat tanpa halangan apapun. Fenomena ini dapat dikarenkaan keberadaan gugus fungsi oksigen yang melekat pada membran GO, yang berperan dalam menjaga kekosongan pada interlayer [14, 32-35]. Dalam artikel yang ditulis oleh Goh, ia menyebutkan bahwa O’Hern dkk mendemonstrasikan lapisan tunggal membran nanopori dengan transportasi ion selektif unutk proses NF dan desalinasi. Pori-pori yang dihasikan pada deposisi uap kimia mensintesis lapisan tunggal graphene dengan membombardir dengan ion Gallium untuk menciptakan defect sebelum dilakukan etching dengan KMnO4. Pori yang terbentuk adalah subbnanometer dan berukuran < 1 nm. Transportasi melalui pori tersebut menunjukkan keadaan alami selekti dimana KCl dapat terpemeasi melalui pori yang terbentuk tetapi molekul Allura Red (AR, Dar ~ 1,0 nm, 1 mM) terserap hanya ketika pori-pori ter-etching cukup besar untuk penyebaran molekul. Fragmenfragmen kecil pada lembaran graphene dihasilkan ketika grafit dikikis. Produk turunan dari graphene yaitu graphene oxide terbentuk dengan cara mengoksidasi graphene secara kimiawi dilanjutkan dengan perendaman dalam air yang tersonikasi. Proses ini menghasilkan lapisan teroksidasi yang terkelupas membentuk lembaran tunggal yang mempunyai ikatan kuat [27].
Gambar 2. Struktur Graphene [28] Dalam artikel Goh dkk tahun 2016, disebutkan bahwa dalam penelitian Cohen–Tanugi dan Grossman, graphene lapis tunggal dengan modifikasi ukuran pori tersebut, menunjukkan permeabilitas air yang lebih tinggi dari membran reverse osmosis 2 sampai 3 kali lipat [19, 24]. Hal tersebut diperlihatkan pada gambar 3 berikut ini. rejeksi garam (%)
2
permeabilitas air (L/cm /hari/MPa)
Gambar 3. Grafik Permeabilitas Air dan Rejeksi Garam pada berbagai Jenis Membran [20] Graphene, merupakan material yang sangat ringan, namun juga dapat menahan tekanan air yang membuat material ini lebih menguntungkan dibandingkan dengan bahan nanofiltrasi lainnya [28, 29]. Selain ukuran membran yang tipis, graphene juga mempunyai kekuatan mekanik yang tinggi, membutuhkan tekanan yang rendah, serta transport air yang cepat. Graphene dengan lapisan tunggal mempunyai tahanan hidrodinamika yang paling rendah karena ukuran yang sangat tipis dan monoatomik. Pori subnanometer yang
4
bisa mengakomodasi ukuran makromolekul yang kontaminan. Ruang intertisial yang terbentuk antara bundel nanotube merupakan suatu ruang yang baik untuk adsorpsi beberapa absorbat kecil yang memiliki berat molekul rendah (contohnya logam). Sementara, kemungkinan ruang adsorpsi ketiga dan keempat berpotensi untuk adsoprsi dan menyediakan ruang pori yang besar yang bisa dimanfaatkan oleh mikroorganisme [1]. Penggunaan CNT sebagai adsorben langsung, diaplikasikan pada makromolekul atau okida logam dengan kemampuan adsorpsi intrinsik. Susunan kimia pada permukaan yang baik, dan ukuran pori yang terkontrol membuat CNT menjadi support yang baik unutk adsorben komposit. Sebagai contoh adalah CNT digunakan untuk penghilangan polutan yaitu CNT-besi oksida untuk adsorpsi europium, CNT-kitosan untuk adsorpsi methyl orange, CNT-polianilin untuk adsorpsi malachite green dan CNT-ceria nanoparticles untuk adsorpsi kromium [37]. Morfologi CNT termasuk kurvatur skala nano, dan sifat kiral pada lapisan graphene, diharapkan dapat memiliki pengaruh yang besar dalam adsorpsi polutan organik. Sifat kimia pada lapisan CNT juga merupakan salah satu hal yang mempengaruhi sifat adsorpsi. Gugus fungsi seperti –OH, –C=O, dan –COOH dapat dengan sengaja masuk ke dalam lapisan CNT oleh oksidasi asam atau udara. Gugus fungsi tersebut membuat CNT lebih hidrofilik dan cocok untuk adsorpsi senyawa dengan berat molekul yang rendah dan kontaminan polar seperti fenol [39] dan 1,2-diklorobenzen [40]. Dalam hal kinetika adsorpsi, struktur pori pada CNT memudahkan difusi polutan menuju situs adsorpsi. Hal berbeda ini terlihat pada karbon aktif, dimana mikropori yang dimiliki oleh karbon aktif terkadang tidak memungkinkan untuk diakses oleh molekul organik yang relatif besar. Bentuk pori yang seragam pada CNT menjadi keuntungan untuk proses difusi polutan kedalam pori yang berada didalam. Disamping kapasitas dan kinetika adsorpsi, selektivitas adsorpsi atau ketananan terhadap lingkungan yang keras merupakan kriteria yang penting untuk suatu adsorben [37]. Kemampuan CNT dalam mentransportasikan air selain disebabkan oleh struktur pori yang dimilikinya, juga disebabkan oleh sifat hidrofobik CNT. Simulasi dinamik molekular memperlihatkan bahwa sifat alami pori CNT yang hidrofobik menciptakan interaksi yang lemah dengan molekul air, sehingga memungkinkan aliran yang cepat dan hampir tanpa adanya gesekan [38, 41]. Observasi komputasional menyebutan bahwa air secara spontan mengisi CNT interior nanoscopic dengan mengadopsi konfigurasi tunggal ikatan molekular hidrogen, yang sama dengan lapisan tunggal graphene [30, 42]. Simulasi menggunakan membran
Penelitian yang dilakukan oleh Tanugi dkk. tahun 2012 menyebutkan bahwa performa desalinasi lebih sensitif terhadap ukuran pori membran dan struktur kimia pori. Dalam penelitian lainnya, Tanugi dan Grossman menjelaskan bahwa rejeksi garam dalam proses desalinasi tergantung ada dua elemen, yakni ukuran pori dan tekanan. Kenaikan yang terjadi pada ukuran pori dan tekanan akan menurunkan kemampuan membrane untuk rejeksi garam [20]. Struktur air disekitar pori-pori menunjukkan bahwa karakter hidrofobik dari pori yan terhidrogenasi mengurangi aliran air dengan memaksakan perintah konformasi tambahan pada sistem, bahkan ikatan hidrogen yang terbatas memungkinkan rejeksi garam yang lebih besar dibandingkan dengan pori terhidroksilasi [18]. Selain graphene lapis tunggal, jenis graphene lainnya adalah graphene komposit, yang terdiri menjadi modifikasi permukaan graphene, tumpukan graphene, serta campuran graphene-matrix. Kedua jenis graphene ini lebih dapat diterima untuk komersialisasi scale-up. Salah satu turunan dari campuran graphene-matrix adalah membran graphene oxide (GO). Pada konsentrasi yang sama, dengan waktu inkubasi dan kondisi, dispersi pada membran GO mempunyai kemampuan antibakterial yang paling tinggi, diikuti dengan membran reduced graphene oxide (rGO), graphite (Gt) dan graphite oxide (GtO). Membran campuran matrix ini sukses dipabrikasi dipadukan dengan berbagai polimer, sepertipolivinilidin florida, polisufonat, dan polietersulfonat [21, 36]. 2.2 Membran Karbon Nanotube (CNT) Carbon nanotube (CNT), yang berbasis pada nanoteknologi ditemukan untuk banyak aplikasi pada pengolahan air, yaitu sebagai penyerap, katalis, penyaring atau membran. CNT dapat dianalogikan sebagai karbon aktif generasi ketiga. Hal ini dikarenakan struktur hollow dan lapisan yang dimiliki CNT, serta lokasi penyerapan baik yang berada didalam maupun diluar permukaaan CNT. Stuktur satu dimensi yang dimiliki oleh CNT mirip dengan struktur yang dimiliki oleh karbon aktif fiber (yang merupakan generasi kedua karbon aktif, karena mempunyai sifat adsorpsi kinetik yang lebih cepat) [37]. Walaupun CNT lebih mahal daripada karbon aktif konvensional, sifat adsorpsi dan desorpsi yang dimilikinya lebih efisien dari pada karbon aktif konvensional [38]. Adsorpsi pada CNT dapat terjadi di empat daerah, yaitu dirongga interior nanotube yang terbuka, di ruang pori intertisial antara bundel tube, di dalam boundary bundel nanotube, atau di lapisan eksternal yang terluar dari membran CNT. Ruang interior pada CNT digunakan untuk proses adsorpsi karena pada ruang yang pertama, CNT secara individu mempunyai topi tertutup dan pada ruang kedua, walaupun tube dalam keadaan terbuka, diameter tube yang kecil tidak
5
menggunakan metoda CVD sebelum mengisi ruangruang interstitial antara CNT dengan filler yang sesuai [30, 43]. CVD merupakan netoda yang paling baik unutk mnsisntesis membran VA-CNT [2]. Alur proses pembuatannya tersaji dalam gambar 4. dibawah ini.
CNT berdiameter besar juga menyebutkan bahwa energi bebas positif adalah dorongan entropi ketika air berada dalam skala nano. Analog dengan lapisan tunggal graphene, proses pembuatan nanofluida CNT seperti membran CNT yang vertikal sejajar merupakan tantangan besar dan membutuhkan tahapan proses yang panjang. Fabrikasi pertama melibatkan sintesis CNT Bahan Baku Si
Penipisan tebal katalis Fe dengan proses penguapan berkas elektron
Oksidasi permukaan Fe (500°C, 1 jam 10 sccm oksigen)
Pengisian ruang kosong nanotube dengan bahan impermeabel SiNx
Nanopartikel besi bertindak sebagai situs nukleasi untuk pertumbuhan nanotube dengan C2H4 masingmasing 850°C
Proses CVD [Ar/H2 (600 sccm/400 sccm) dengan suhu pertumbuhan 850°C selama 20 menit]
Proses Reactive Ion Etching (RIE), rasio CF4/O2 3,6:1 pada 150 W menggunakan substrat silikon yang sisi belakangnya terbuka
Etching KOH pada bagian silikon untuk membuka nanotube/lapisan silikon nitrit
Perlakuan RIE ulang untuk menghilangkan kelebihan silikon nitrit dan membuka permukaan bagian atasnya
Penghilangan oksidatif pada CNT
Menghilangkan Fe (24 jam) dalam perlakan HCl
Etching RIE/ion mill SiNx untuk membuka Fe bagian bawah
Gambar 3. Cara Pembuatan Membran VA-CNT [2, 44] menghasilkan air minum secara langsung dan dapat berfungsi sebagai filter air yang universal berikutnya. Pemodelan molekular mengungkapkan bahwa gesekan molekul air melewati CNT hollow tube hidrofobik yang tinggi. Hal inilah yang dapat meminimalisir penggunaan tekanan yang diperlukan dalam beberapa membran konvensional. Bahkan penyerapan air dapat diatur dengan mengubah sifat struktural nanotube dan fungsionalisasi tips dan sumbu inti. Informasi mengenai perbandingan metoda penyarigan air yang sudah berkembang dan diaplikasikan
Kemudian proses dilanjutkan dengan etching untuk menghilangkan pengisi yang berlebih dari permukaan membran dan untuk membuka ujung CNT untuk menghasilkan membran dengan kanal dalam pada CNT yang bertindak sebagai nanopori [30]. Membran CNT mempunyai kemampuan yang luar biasa dalam hal permeabilitas air, kapasitas desalinasi, selektivitas zat terlarut, ketahanan, antifouling, dan penghematan energi. Membran ini secara potensial dapat
6
49]. Oleh karena itu, mengisi kekosongan pada inter-tube CNT dan menghilangkan isian lapisan yang berlebihan merupakan tahapan yang krusial yang perlu dipertimbangkan selama sintesis membran CNT [48, 50]. Salah satu hal yang dapat tercapai dalam aplikasi teknologi desalinasi menggunakan membran CNT adalah melalui penggabungan material membran ini dengan fasa polimer yang kontinyu untuk membentuk apa yang disebut dengan mixed matrix membrane (MMM) yang secara simultan menunjukkan kinerja pemisahan yang baik, stabilitas mekanik dan funsi yang baik [48, 51]. MMM terdiri dari filler anorganik yang tergabung kedalam matrik polimer dan berpotensi untuk melampaui kegunaannya pada proses pemisahan yang ditunjukkan oleh platform emmbran polimer [48]. Novel membran yang terdiri dari material polimer yang tergabung dengan CNT sebagai material dispersi anorganik diharapkan secara signifikan mengurangi biaya dan energi pada proses desalinasi [52]. Permeabilitas yang unggul dan selektivitas dari filler anorganik yang dikombinasikan dengan material polimer, diharapkan dapat meningkatkan kinerja pemisahan yang baik [48]. Untuk menciptakan karbon nanomaterial sebagai antifouling membran, kombinasi karbon nano material dengan rGO laminates atau MWCNT dapat digunakan unutk pencegahan pada fouling dengan mengeksploitasi konduktivitas listrik yang ada pada membran tersebut [30], untuk mencapai nonaktivasi elektrokimia sel bakteri yang dapat secara efektif mengurangi pembentukann biofilm [30, 53-56], atau untuk mendapatkan permukaan membran yang aktif secara elektrokimia sehingga dapat meregenerasi permukaan membran yang terkena fouling [30].
saat ini dibandingkan dengan membran karbon nanomaterial disajikan dalam tabel 1. Kegunaan CNT sebagai katalis atau ko-katalis untuk biorefraktori dan polutan organik juga disebutkan dalam artikel yang ditulis oleh Liu dkk tahun 2013. Beberapa alasan yang menjadi penyebab CNT sebagai katalis adalah karena (1) CNT memiliki luas permukaan yang besar yaitu lebih dari 150 m2/gram, (2) CNT dapat dengan mudah diberi gugus fungsional karbonil atau hidroksil melalui perlakuan asam, (3) struktur pori yang seragam pada CNT mengurangi keterbatasan transfer massa dari reaktan menuju larutan untuk mencapai situs aktif pada katalis, (4) CNT mempunyai stabilitas termal yang baik dan ketahanan pada media asam maupun basa sehingga dapat digunakan dalam kondisi ekstrim [37]. Salah satu aplikasi membran CNT adalah untuk menghilangkan kontaminasi biologi yang terkandung di dalam air [1, 37, 38]. Bentuk agregat CNT adalah karena lilitan puluhan dan ratusan tabung (tube) yang berikatan satu sama lain sebagai akibat dari gaya van der waals [1, 45-47]. Pori agregat ini mempunyai dimensi mesopori atau lebih besar dari itu. dan mempunyai luas area eksternal yang dapat melumpuhkan kontaminan biologis [1]. Teknologi membran termasuk mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis, merupakan unit penting pada sistem pengolahan air. Bahan polimer yang digunakan pada membran memiliki stabilits kimia dan mekanik yang baik. Namun membran tersebut memiliki sifat alami hidrofobik, dan dapat terjadi fouling pada membran. Hal ini disebabkan oleh adsorpsi nonreversibel senyawa organik, anorganik, dan biologi ke permukaan membran. Fouling yang terjadi ini dapat menurunkan fluks pada membran sehingga kinerja membran pun menurun [29]. Studi mengenai filtrasi beberapa tahun belakangan ini menyebutkan bahwa CNT memiliki kemampuan untuk menghilangkan mikroorganisme patogen seperti protozoa, bakteri, dan virus pada pengolahan air limbah, dengan menahan mikroorganisme pada permukaan CNT dengan mekanisme berbasis deep filtration. Mengaplikasikan CNT untuk desinfektan air dapat mencegah pembentukan desinfection by products (DBPs) seperti trihalometan, haloasam asetat, dan aldehid. Hal ini dikarenakan CNT bukan merupakan oksidan kuat, dan juga relatif inert di air. CNT dengan kemurnian tinggi dapat memperlihatkan aktivitas antimikrobial yang tinggi terhadap bakteri gram positif dan gram negatif, serta spora bakteri [38]. Beberapa studi yang dilakukan berdasarkan prediksi secara komputasi, melaporkan bahwa membrane CNT berpotensi sebagai membrane yang efektif untuk rejeksi garam dalam proses desalinasi. Pada kenyataannya, aplikasi membrane CNT pada tekanan hidostatik yang besar memperlihatkan bahwa membrane CNT memerlukan packing dengan material padat nonpori untuk mencegah dari pemisahan material membran [48,
3. Kesimpulan Ketersediaan air bersih untuk keperluan seharihari seperti untuk air minum, memasak, air mencuci, dan mandi ditengah masyarakat menjadi hal yang sangat penting. Pengolahan air mulai dari konvensional sampai teknologi modern sudah dikembangkan guna memenuhi ketersediaan air minum. Berbagai membran seperti membran reverse osmosis (RO), membran nanofiltrasi (NF), membran ultrafiltrasi (UF), dan membran mikrofiltrasi (MF) telah dikenal dapat digunakan untuk pengolahan air dengan kegunaan spesifiknya masingmasing. Pengolahan air berbasis nanoteknologi diharapkan mampu menciptakan proses pengolahan air yang lebih ramah lingkungan dan lebih ekonomis. Karakteristik membrane karbon nanomaterial terutama CNT dengan kemampuan rejeksi garam dan fluks yang tinggi menjadikan proses lebih efisien. Namun biaya produksi yang tinggi dan sulitnya dalam pembuatan lembaran besar pada graphene dan mempunyai sifat yang tidak hidrofilik pada CNT menjadikan salah satu penyebab membrane ini belum dikomersialisasikan. Perlu penelitian lebih lanjut unutk mengatasi hal tersebut 7
agar ke depan membrane karbon nanomaterial benar benar bisa diaplikasikan untuk pengolahan air.
Kelebihan
Kekurangan
Aplikasi
Nanopori Graphene
ukuran pori dimodifikasi, rejeksi garam yang tinggi, tekanan operasi rendah dan tinggi, efisien dalam daya dan biaya Permeabilitas air dan rejeksi garam yang baik, tidak menyebabkan fouling pada membrane
Stabilitas mekanik menurun dengan jumlah pori, kontrol ukuran pori, dan produksi massa belum tercapai
Filtrasi dan Desalinasi
-
Memerlukan biaya tinggi dan metoda yang rumit dalam untuk menghasilkan ukuran dan distribusi pori yang seragam, dan efisiensi rejeksi ion tergantung pada diameter pori yang dimiliki Bisa terjadi degradasi membran, harus ada penggantian secara periodik, membutuhkan energi dan biaya operasi yang tinggi, Air hasil penyaringan masih mengandung ion monovalen
Desalinasi dan penghilangan selektif polutan dari campuran yang kompleks
-
Desalinasi, air re-use, produksi air ultra murni
30-60 bar
penghilangan material organik terlarut, logam berat, dan menghilangkan hardness
20-40 bar
belum bisa menghilangkan mikromolekul dengan
Penghilangan dan koloid
1-10 bar
Belum bisa menghilangkan ion multivalent maupun ion monovalent serta virus yang terdapat pada air
Penghilangan padatan terlarut, protozoa, dan bakteri
Membran CNT
RO
NF
UF
MF
Mempunyai efisiensi yang baik, aplikasi diberbagai bidang, menghilangkan banyak kontaminan termasuk mineral Bahan organik dengan berat molekul yang rendah dapat dihilangkan. Untuk proses pelunakan air, NF tidak memerlukan bahan kimia lain seperti proses ion exchange. Menghilangkan zat terlarut dengan ukuran > 1-100 nm dengan menggunakan membran semipermeable seperti RO, namun tekanan operasi yang lebih rendah Membutuhkan konsumsi energi yang rendah karena dioperasikan pada tekanan rendah
Sumber: [2, 24, 28, 31, 57-62]
Tekanan Operasi
Metoda
8
virus
< 1 bar
[17] R.M. Nur, Sebuah Studi Tentang Fenomena Fouling pada Membran Hollow Fiber, Hasil Penelitian, Pusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif, BATAN, 2000. [18] P.S. Goh, A.F. Ismail, B.C. Ng, Carbon nanotubes for desalination: performance evaluation and current hurdles, Desalination 308 (2013) 2–14. [19] D.C. Tanugi, J.C. Grossman, Water Desalination across Nanoporous Graphene, J. Nano Lett 12 (2012) 3602-3608. [20] H.M. Hegab, L. Zou, Graphene oxide-assisted membranes: Fabricated and Potential Applications in desalination and water purification. J. Membrane Science 484 (2015) 95-106 [21] O. Akhavan, E. Ghaderi, Toxicity of graphene an graphene oxide nano walls against bacteria, ACS Nano 4 (2010) 5731–5736. [22] S. Kang, M. Pinault, L.D. Pfefferle, M. Elimelech, Single-walled carbon nanotubes exhibit strong antimicrobial activity, Langmuir 23 (2007) 8670– 8673. [23] D. Cohen-Tanugi, J.C. Grossman, Water Desalination across Nanoporous Graphene, Nano Lett. 12 (7) (2012) 36022-3608. [24] Y. Tu, M. Lv, P. Xiu, T. Huynh, M. Zhang, M. Castelli, et al., Destructive extraction of phospholipids from Escherichia coli membranes by graphene nanosheets, Nat. Nanotechnol. 8 (2013) 594–601. [25] C. D. Vecitis, K. R. Zodrow, S. Kang, M. Elimelech, Electronic structure dependent bacterial cytotoxicity of single-walled carbon nanotubes, ACS Nano 4 (2010) 5471–5479. [26] G. Sukmawati, Graphene Oxide: Bahan Baru Membran. Artikel. Program Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana, IPB, 2016. A. Aghigh, V. Alizadeh, H.Y. Wong, M.S. Islam, N. Amin, M. Zaman, Recent Advances in Utilization of Graphene for Filtration and Desalination of Water : A Review, J. Desalination 365(2015) 389397. [27] D. Cohen-Tanugi, S. Dave, R. McGovern, J. Lienhard, J. Grossman, Novel nanomaterials for water desalination technology, Technologies for Sustainability, 2013 1st IEEE Conference, August 2013. [28] K. Goh, H. E. Karahan, L. Wei, T. Bae, A. G. Fane, R. Wang, Y. Chen, Carbon Nanomaterials for Advancing Separation Membranes: A Strategic Perspective, J.Carbon 109 (2016) 694-710 [29] D. Cohen-Tanugi, J. Grossman, Water permeability of nanoporous graphene at realistic pressures for reverse osmosis desalination, J. Chem. Phys. 141 (2014). [30] S. Cerveny, F. Barroso-Bujans, A. Alegriá , J. Colmenero, Dynamics of waterintercalated in
Reference Daftar Pustaka [1] V.K.K. Uphadhyayula, S. Deng, M.C. Mitchell, G. B. Smith, Application of Carbon Nanotube Technology for removal of Contaminants in Drinking Water, J. Science of Total Environment, 408 (2009) 1–13. [2] R. Das, M.E. Ali, S.B.A. Hamid, S. Ramakrishna, Z.Z. Chowdhury, Carbon Nanotube Membranes for Water Purification : A Bright Future in Water Desalination, J. Desalination. 336 (2014) 97–109. [3] V.K. Gupta, I. Ali, T.A. Saleh, A. Nayak, S. Agarwal, Chemical treatment technologies for waste-water recycling an overview, RSC Advances 2 (2012) 6380–6388 [4] Anonim, Proses Pengolahan Air, PDAM Kota Semarang, http://www.pdamkotasmg.co.id/produksi/prosespengolahan.html, (20 Oktober 2016). [5] Hasan, Dampak Pengunaan Klorin, J. Tek. Ling P3TL-BPPT,7 (2006) 90-96. [6] I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [7] I.G. Wenten. “Perkembangan Terkini di Bidang Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [8] I.G. Wenten. Ultrafiltration in water treatment and its evaluation as pre-treatment for reverse osmosis system. Institut Teknologi Bandung, 1996. [9] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti. “Ultrafiltrasi dan Aplikasinya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [10] I.G. Wenten. “Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [11] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim, K. Khoiruddin. “Karakterisasi Membran.”, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2011. [12] D. Ariyanti, I.N. Widiasa, Aplikasi Teknologi Reverse Osmosis untuk Pemurnian Air Skala Rumah Tangga, J. Teknik 32 (2011) 193-198. [13] Fisher, A., Reisig, J., Powell, P., Walker, M, Reverse osmosis (R/O): How it Works. 2007, University of Nevada. [14] Singh, R., 2006, Hybrid Membrane Systems for Water Purification: Technology Systems Design and Operations., Elsevier Science & Technology Books, 1-3. [15] I.G. Wenten. Application of crossflow membrane filtration for processing industrial suspensions. The Technical University of Denmark, 1994. [16] I.G. Wenten, I.N. Widiasa. “Enzymatic hollow fiber membrane bioreactor for penicilin hydrolysis.” Desalination 149.1 (2002): 279-285.
9
[31] A.
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
A.
[38] [39]
[40] [41] [42]
graphite oxide, J. Phys. Chem. C114 (2010) 2604– 2612 H.K. Jeong, Y.P. Lee, M.H. Jin, E.S. Kim, J.J. Bae, Y.H. Lee, Thermal stability of graphite oxide, Chem. Phys. Lett. 470 (2009) 255–258 Lerf, A. Buchsteiner, J. Pieper, S. Schöttl, I. Dekany, T. Szabo, Hydration behavior and dynamics of watermolecules in graphite oxide, J. Phys. Chem. Solids 67 (2006) 1106–1110. M.J. McAllister, J.-L. Li, D.H. Adamson, H.C. Schniepp, A.A. Abdala, J. Liu, Single sheet functionalized graphene by oxidation and thermal expansion of graphite, J. Chem. Mater. 19 (2007) 4396–4404. S. Stankovich, D.A. Dikin, R.D. Piner, K.A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Synthesis of graphene based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide, Carbon 45 (2007) 1558–1565. X. Liu, M. Wang, S. Zhang, B. Pan, Application Potential of Carbon Nanotubes in Water Treatment: Review, J. Environmental Sciences, 25-7 (2013) 1263-1280. Y. T. Ong, A. L. Ahmad, S. H. S. Zein, dan S. H. Tan, A Review on Carbon Nanotubes in an Environmental Protection and Green Engineering Perspective, Braz. J. Chem. Eng., 27 (2010) D.H. Lin, Xing B S, Tannic acid adsorption and its role for stabilizing carbon nanotube suspensions, J. Environmental Science and Technology , 42-16 (2008) : 5917–5923. Peng X J, Li Y H, Luan Z K, Di Z C, Wang H Y, Tian B H, Adsorption of 1,2-dichlorobenzene from water to carbon nanotubes. Chemical Physics Letters, 376(2003) 154–158. Noy, Park, H. G., Fornasiero, F., Holt, J. K., Grigoropoulos, C. P. and Bakajin, O., Nanofluidics in carbon nanotubes. Nano Today, 2, No. 6, 22 (2007). G. Hummer, J.C. Rasaiah, J.P. Noworyta, Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube, Nature 414 (2001) 188-190. B.J. Hinds, Dramatic transport properties of carbon nanotube membranes for a robust protein channel mimetic platform, Curr Opin Solid St M 16(1) (2012) 1-9. J.K. Holt, A. Noy, T.Huser, D. Eaglesham, O. Bakajin, Fabrication of a carbon nanotubeembedded silicon nitride membrane for studies of nanometerscale mass transport, Nano Lett. 4 (2004) 2245– 2250. S. Agnihotri, Mota JPB, Rostam-Abadi M, Rood MJ. Structural characterization of single walled carbon nanotube bundles by experiment and
[43]
[44]
[45] [46] [47]
[48]
[49]
[50]
[51]
[52]
[53]
[54] [55] 10
molecular simulation. Langmuir 21 (2005) 896– 904. K. Donaldson, Aitken R, Tran L, Stone V, Duffin R, Forrest G, et al. Carbon nanotubes: a review of their properties in relation to pulmonary toxicology and workplace safety. Toxicol Sci 92 (2006) 5-22. X.M. Yan, Shi BY, Lu JJ, Feng CH, Wang DS, Tang HX. Adsorption and desorption of atrazine on carbon nanotubes. J Colloid Interface Sci 2008; 321: 30–8. P.S. Goh, A.F. Ismail, B.C. Ng, Cabon Nanotubes for Desalination: performance evaluation and current hurdles, J. Desalination 308 (2013) 2-14. B. Corry, Designing carbon nanotube membranes for efficient water desalination, J. Phys. Chem. B 2112 (2008) 1427–1434. M.A. Tofighy, Y. Shirazi, T. Mohammadi, A. Park, Salty water desalination using carbon nanotubes membrane, Chem. Eng. J. 168 (2011) 1064–1072. E.M.V. Hoek, A.K. Ghosh, Nanotechnology based membrane for water purification, in: Savage, et al., (Eds.), Nanotechnology Applications for Clean Water, Willian Andrew Inc., New York (2009) 48– 55. M.S. Shannon, P.W. Bohn, M. Elimelech, J.G. Georgiadis, B.J. Marinas, A.M. Mayes, Science and technology for water purification in the coming decades, Nature 452 (2008) 301–310. F. Perreault, A. Fonseca de Faria, M. Elimelech, Environmental applications of graphene-based nanomaterials, Chem. Soc. Rev. 44(16) (2015) 5861-5896. I.E. Mejias Carpio, C.M. Santos, X. Wei, D.F. Rodrigues, Toxicity of a polymer graphene oxide composite against bacterial planktonic cells, biofilms, and mammalian cells, Nanoscale (15) (2012) 4746-4756. M.S. Catherine, M. Joey, A. Farid, L. Alex, C.A. Rigoberto, F.R. Debora, Graphene nanocomposite for biomedical applications: fabrication, antimicrobial and cytotoxic investigations, Nanotechnology 39 (2012) 395101. C.D. Vecitis, M.H. Schnoor, M.S. Rahaman, J.D. Schiffman, M. Elimelec h, Electrochemical Multiwalled Carbon Nanotube Filter for Viral and Bacterial Removal and Inactivation, Environ. Sci. Technol. 45(8) (2011) 3672-3679. P. Bernardo, E. Drioli, G. Golemme, Membrane gas separation: a review/state of the art, Ind. Eng. Chem. Res. 48 (2009) 4638–4663. M. Ulbricht, Advanced functional polymer membranes, Polymer 47-7 (2006) 2217–2262.
[56] M.M. Pendergast, E.M. Hoek, A review of water treatment membrane nanotechnologies, Energy Environ. Sci. 4 (6) (2011) 1946–1971. [57] P. Wu, M. Ima, Novel Biopolymer Composite Membrane Involved with Selective Mass Transfer and Excellent Water Permeability, http://www.intechopen.com (28 Desember 2016) [58] M. Thomas, Energy efficiency in reverse osmosis systems, ADU-RES Seminar September 2005. [59] Reverse Osmosis & RO Membranes. http://www. reverseosmosischemicals.com (28 Desember 2016)
11
