Aplikasi Nano Carbon Pada Waste Water Treatment

By Annisya, Khairahma, Wella, dan Diana

Modified Carbon Nanotubes (MCNTs), atau dalam bahasa Indonesia disebut "Nanotuba Karbon Termodifikasi," adalah struktur nanoskala yang terdiri dari atom karbon yang tersusun dalam bentuk tabung.

MCNTs menarik untuk digunakan pada pengelolahan air limbah karena MCNTs memiliki luas permukaan spesifik yang sangat besar. Ini memungkinkan penyerapan efisien terhadap polutan dalam air limbah, Struktur tabung MCNTs memberikan kekuatan mekanik yang tinggi. Ini memungkinkan penggunaan MCNTs dalam berbagai aplikasi pengolahan air limbah, MCNTs dapat difungsionalisasi dengan berbagai gugus kimia. 

Fungsionalisasi ini memperluas kemampuan MCNTs dalam mengikat dan menghilangkan polutan, MCNTs memiliki konduktivitas elektrik yang baik. 

Ini memungkinkan penggunaan MCNTs dalam teknologi elektrokimia untuk menghilangkan polutan, MCNTs telah digunakan untuk menghilangkan polutan organik seperti minyak, fenol, dan pestisida.Mereka juga efektif dalam mengikat logam berat seperti merkuri, timbal, dan kadmium.

Beberapa metode modifikasi MCNTs :

• Fungsionalisasi Permukaan, melibatkan penambahan gugus kimia pada permukaan MCNTs. Gugus ini dapat meningkatkan interaksi dengan polutan dan matriks. Contoh gugus fungsional: amina, karboksilat, atau silanol.
• Penggabungan dengan Membran, MCNTs dapat dicampur dengan membran polimer yang akan meningkatkan kemampuan membran dalam memisahkan partikel dan molekul dari air limbah. Contoh teknologi: membran komposit, membran berbasis MCNTs.
• Penggunaan dalam Filtrasi Elektrokimia, Ketika arus listrik diterapkan, MCNTs menarik dan mengadsorpsi partikel dari larutan penggunaan MCNTs dalam filtrasi elektrokimia ini Efektif untuk menghilangkan polutan organik dan logam berat.
• MCNTs dapat dikombinasikan dengan nanopartikel lain misalnya, logam atau oksida.

Fungsionalisasi permukaan pada MCNTs (Multi-Walled Carbon Nanotubes) dapat signifikan memengaruhi kemampuan dalam menghilangkan polutan. Berikut adalah beberapa dampak fungsionalisasi permukaan pada MCNTs.

• Peningkatan Adsorpsi, Fungsionalisasi dengan menambah gugus kimia pada permukaan MCNTs akan meningkatkan daya tarik terhadap polutan, memperluas area permukaan yang aktif, dan meningkatkan kapasitas adsorpsi.
• Selektivitas Fungsionalisasi dapat mengubah afinitas MCNTs terhadap jenis polutan tertentu. Misalnya, penambahan gugus tertentu dapat meningkatkan selektivitas terhadap logam berat atau senyawa organik tertentu.
• Fungsionalisasi memodifikasi sifat reaktif MCNTs sehingga dapat mempercepat reaksi oksidasi atau reduksi polutan yang teradsorpsi pada permukaan MCNTs.
• Fungsionalisasi dapat meningkatkan stabilitas dan durabilitas MCNTs terhadap lingkungan dan perubahan kondisi yang akan memastikan kinerja yang berkelanjutan dalam pengolahan polutan.

Aplikasi MCNTs dalam Pengelolahan Air Limbah 

Membran CNT Untuk Pemurnian Air

            Beberapa teknik seperti mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis adalah teknik yang dikenal untuk sistem pengolahan air. Membran sering disintesis dari polimer untuk meningkatkan filtrasi air, tetapi membran berbasis polimer memiliki kelemahan dalam stabilitas kimia dan mekanik, serta kecenderungan menyerap organik alih-alih menyaring zat organik, anorganik, dan biologis.

CNT (Carbon Nanotubes) memiliki keunggulan seperti porositas yang sebanding, kimia permukaan yang unik, dan aktivitas antimikroba yang kuat, yang membuka jalan baru dalam teknik filtrasi air limbah. Membran CNT terbagi menjadi dua jenis berdasarkan penggunaannya: (1) Membran CNT swadaya, dan (2) Nanokomposit CNT. Membran CNT swadaya digunakan dalam desalinasi dan pengolahan air, di mana CNT tersusun secara vertikal sebagai pori-pori silinder yang membantu aliran cairan.

Membran CNT yang berbentuk kertas Bucky memiliki jaringan 3D berpori yang sangat besar, membuatnya sangat efektif karena luas permukaan dan ukuran nanotube-nya. Membran CNT ini juga menghasilkan potensi bau yang lebih rendah dibandingkan dengan membran RO dan NF, yang mengurangi biaya dan pemeliharaan membran.

Gambar 1. (a) Membran CNT dapat dibedakan tergantung pada penggunaan aplikasinya, membran tersebut terdiri dari dua jenis; (b) Membran CNT mandiri; (c) CNT campuran membran; (d) Membran CNT kertas bucky.

Nanotube dan medan listrik digunakan untuk logam berat nanofiltrasi dengan dinamika molekuler

Studi pemodelan komputasi dilakukan untuk menguji dinamika molekul filtrasi logam berat dalam air menggunakan CNT dan BNNT di bawah medan listrik konstan. Medan listrik menggerakkan air keluar dari nanotube sambil menahan ion logam berat di dalamnya. Dibutuhkan waktu 100 ps pada suhu dan tekanan konstan dengan medan listrik sekitar 108,5 hingga 101,5 au.

Pengaruh medan listrik pada ikatan hidrogen menunjukkan bahwa ikatan lebih stabil dan lebih pendek. Hasil penelitian menunjukkan bahwa baik CNT maupun BNNT sangat efisien dalam menghilangkan logam berat dari air, tetapi BNNT menunjukkan hidrofobisitas dan konduktivitas termal yang lebih baik, menghasilkan performa yang lebih baik dibandingkan CNT dalam kondisi yang diuji.

Jain dkk., 2021

Gambar 2. Penyaringan nano: (a) model nyata dan (b) model dasar untuk simulasi di bawah EF. (c) Ruang antar atom ikatan hidrogen dalam air dibatasi tanpa EF dan di bawah EF

Karbon nanotube mempengaruhi bentuk dan struktur desalinasi

Untuk CNT berbentuk kerucut, efisiensi meningkat dengan bertambahnya sudut kerucut dan ketika larutan dilewatkan dari ujung hingga kaki. Simulasi MD menunjukkan bahwa efisiensi desalinasi meningkat seiring dengan peningkatan kecepatan rotasi CNT, karena gaya sentrifugal yang lebih tinggi mendorong molekul air menjauh dari pori-pori di dinding. 

Hasil simulasi konfigurasi lain dengan celah yang dipisahkan oleh CNT yang ditumpuk secara horizontal dan berjarak 1 nm menunjukkan konfigurasi ini memiliki efisiensi desalinasi yang sangat baik dibandingkan dengan membran celah graphene skala atom, dengan penurunan adsorpsi ion klorin karena penggabungan MWCNT yang menolak penyerapan klorin. 

Dinamika molekuler menunjukkan bahwa stabilitas tinggi MWCNT mengurangi klorinasi struktur PA. Ketahanan klorin ini terlihat karena cross linking yang tinggi. Ketika ikatan silang antara polimer dan CNT meningkat, hasilnya lebih baik.

Jain dkk., 2021

Gambar 3. Laju aliran air simulasi dinamika molekul CNT

Jain dkk., 2021

Gambar 4. (a)-(b) Persiapan membran komposit CNT

 

Nanokomposit polimer berbasis karbon untuk pemisahan minyak dan air 

Penggabungan bahan nano berbasis karbon ke dalam membran polimer meningkatkan sifat-sifat seperti hidrofobisitas/hidrofilisitas serta stabilitas mekanik, termal, dan kimia. Hal ini memungkinkan minyak atau air dengan mudah dihilangkan dari campuran minyak-air. Gambar 5 (a) menunjukkan pemisahan minyak dan kinerja pemulihan kedua MCNFF, sementara Gambar 5. (b) mengilustrasikan proses fabrikasi.

Jain dkk., 2021

Penggunaan karbon nanotube (CNT) dalam pengolahan air limbah menawarkan potensi yang menarik. Berikut beberapa hal yang perlu diperhatikan:

1. Efisiensi Adsorpsi: CNT memiliki luas permukaan yang besar dan sifat adsorpsi yang kuat. Ini memungkinkan CNT untuk menghilangkan polutan dari air limbah dengan efisien.
2. Peluang CNT:

• CNT memiliki luas permukaan yang sangat besar dan kemampuan adsorpsi yang tinggi, sehingga efektif dalam menghilangkan berbagai kontaminan dari air limbah, termasuk logam berat, senyawa organik, dan mikroorganisme. Sehingga penggunaan CNT dalam filter dan sistem adsorpsi bisa meningkatkan efisiensi pengolahan air limbah secara signifikan.
• CNT dapat digunakan sebagai katalis dalam proses fotokimia untuk degradasi polutan organik yang tahan terhadap metode konvensional. Integrasi CNT dengan teknologi fotokatalitik dapat menciptakan sistem pengolahan air limbah yang lebih efisien dan ramah lingkungan.
• CNT dapat dikombinasikan dengan teknologi pengolahan air limbah lainnya, seperti membran filtrasi dan teknik elektrokimia, untuk meningkatkan efektivitas dan efisiensi.Pengembangan sistem hibrida yang menggabungkan CNT dengan teknologi membran atau elektrokimia dapat menghasilkan solusi pengolahan air limbah yang lebih komprehensif.
• Masih banyak potensi inovasi dalam aplikasi CNT yang belum dieksplorasi sepenuhnya. Penelitian berkelanjutan dapat membuka jalan bagi metode baru dan lebih efektif dalam pengolahan air limbah. Mendorong kolaborasi antara institusi akademik, industri, dan pemerintah untuk mendanai dan mendukung penelitian dan pengembangan teknologi CNT.

1. Tantangan:

• Karbon nanotube (CNT) dapat memiliki efek toksik pada organisme hidup jika tidak dikelola dengan benar. Keamanan lingkungan dalam jangka panjang perlu dipertimbangkan, terutama jika CNT masuk ke ekosistem air atau tanah.
• Produksi CNT dalam skala besar dengan biaya yang efektif masih menjadi kendala. Proses produksi yang ada saat ini bisa mahal dan memerlukan kondisi khusus.
• CNT cenderung menggumpal dan kehilangan efisiensi dalam air, terutama dalam kondisi pH yang bervariasi atau kehadiran ion-ion tertentu.
• Belum adanya standar dan regulasi yang jelas untuk penggunaan CNT dalam pengolahan air limbah bisa menghambat penerapannya.

Meskipun tantangan ada, penggunaan CNT dalam pengolahan air limbah menjanjikan dan terus menjadi fokus penelitian.

Karbon nanotube (CNT) berbentuk kerucut menunjukkan peningkatan efisiensi desalinasi dengan bertambahnya sudut kerucut dan peningkatan kecepatan rotasi, yang mendorong molekul air menjauh dari pori-pori di dinding.

Penggabungan bahan nano berbasis karbon dalam membran polimer meningkatkan sifat hidrofobisitas/hidrofilisitas serta stabilitas mekanik termal dan kimia. Ini memungkinkan pemisahan minyak dan air dengan lebih efisien.

Membran CNT menawarkan keunggulan dalam porositas, kimia permukaan unik, dan aktivitas antimikroba yang kuat. Penggunaan CNT dalam filter dan sistem adsorpsi dapat meningkatkan efisiensi pengolahan air limbah secara signifikan.

Menggabungkan CNT dengan teknologi pengolahan air limbah lainnya seperti membran filtrasi dan teknik elektrokimia untuk meningkatkan efektivitas dan efisiensi.

Integrasi CNT dengan teknologi fotokatalitik untuk degradasi polutan organik yang tahan terhadap metode konvensional, menciptakan sistem pengolahan air limbah yang lebih efisien dan ramah lingkungan.

Penelitian lebih lanjut mengenai efek toksik CNT pada organisme hidup dan memastikan keamanan lingkungan jangka panjang perlu dilakukan, terutama dalam pengelolaan CNT yang masuk ke ekosistem air atau tanah.

Pengembangan standar dan regulasi yang jelas untuk penggunaan CNT dalam pengolahan air limbah guna memfasilitasi penerapan teknologi ini secara luas.

Penelitian berkelanjutan dan kolaborasi antara institusi akademik, industri, dan pemerintah akan menjadi kunci dalam mendukung inovasi dan pengembangan teknologi CNT untuk pengolahan air limbah.

TERIMAKASIH TELAH MEMBACA KESELURUHAN CATATAN INI :)