Elektrodialisis Kejut, Terobosan dalam Mengolah Air Laut Menjadi Air Siap Minum

Tim MIT (Massachusetts Institute of Technology) menemukan proses yang efisien berbasiskan gelombang kejut (shockwave) untuk desalinasi air laut. Metode baru yang ditunjukkan pada gambar menunjukkan bagaimana gelombang kejut (ditunjukkan oleh garis merah) dibangkitkan pada air laut yang mengalir melalui medium berpori (porous medium), dengan arus listrik yang dikenakan pada elektroda (hijau) pada masing-masing saluran. Gelombang kejut mendorong ion garam untuk menuju kesalah satu sisi dari aliran, sedang sisi yang lain mengalir air bersih, yang dapat dengan mudah dipisahkan dengan saluran yang terbagi dua.

Peneliti MIT tersebut mengatakan bahwa metode desalinasi yang sangat inovatif ini dapat bermanfaat untuk menyelesaikan permasalahan pengolahan air yang paling rumit, yakni membersihkan air yang tercemar dari proses perekahan hidrolik atau fraking. Perekahan hidrolik adalah proses pembuatan sumur minyak pada permukaan bumi yang tertutup oleh batu dengan larutan perekah (sangat beracun) bertekanan sangat tinggi.

Dikarenakan ketersedian dari air bersih, terutama yang dapat dimimun, menjadi suatu hal yang sangat penting pada berbagai daerah di belahan dunia, peneliti mencari cara baru untuk memproses air garam, air payau, atau air yang tercemar. Tim dari MIT menawarkan solusi inovatif yang tidak seperti sistem desalinasi tradisional dan konvensional yakni memisahkan ion atau molekul dengan filter/membran yang menyebabkan membran menjadi tersumbat, atau dengan cara mendidihkan air hingga air menjadi uap dan terpisah dari larutan garam yang tentu saja mengkonsumsi energi dalam jumlah besar.

Sistem inovatif tersebut menggunakan sebuah gelombang kejut kedalam air laut yang mengalir, yang mendorong air laut ke satu sisi dan mengalirkan air bersih ke sisi yang lain, membuat pemisahan yang mudah dari dua aliran. Metode baru tersebut dijelaskan pada jurnal Environmental Science and Technology Letters. Metode ini secara fundamental adalah baru dan berbeda pada sistem pemurnian air pada umumnya. Tidak seperti metode lain dalam desalinasi atau pemurnian air, metode ini menunjukkan sebuah pemisahan tanpa membran dari ion dan partikel.
Membran pada sistem desalinasi tradisional, seperti yang dipakai pada osmosis balik atau elektrodialisis adalah penghalang selektif, membran mengizinkan molekul dari air untuk lewat, tetapi menahan molekul yang lebih besar seperti ion natrium dan ion klorin dari garam. Ketika dibandingkan dengan metode elektrodialisis konvensional, metode ini terlihat sama tetapi berbeda secara fundamental. Metode elektrodialisis ditunjukkan oleh gambar berikut.

Metode elektrodialisis, memisahkan air dari larutan garam dengan penggunaan elektroda dan 2 membran

Metode baru yang diteliti oleh tim MIT tersebut disebut dengan elektrodialisis kejut. Air mengair melalui material berpori, terbuat oleh gelas yang berlubang dengan ukuran pori 0,8-1,4 um dan posorsitas 0,31 , disebut dengan sebuah frit, kemudian elektrode yang ditumpuk (sandwitch) pada material berpori pada masing-masing sisi. Ketika arus elektrik mengalir melalui sistem, air garam dibagi kedalam daerah dimana konsentrasi garam bernilai tinggi. Dengan arus lsitrik yang dinaikkan pada titik tertentu, hal tersebut menghasilkan gelombang kejut diantara dua zona, secara cepat membagi aliran air, membuat air yang bersih dan air garam terpisah dengan pemisahan fisis sederhana ditengah aliran. Struktur ini dapat dengan mudah diduplikasi untuk membuat tumpukan dari selang seling elektroda dan gelas frit sehingga dapat dengan mudah dibuat skala besar. Sistem peralatan dapat dibuat dari lembaran akrilik dan lembaran gasket. Elektrodenya dibuat oleh mesh platinum yang dihubungkan dengan kabel platinum sebagai sumber arus. Material berporinya yang dilalui oleh air laut adalah gelas frit silika . Pemisah juga terbuat dari material teflon yang dapat ditekan melawan ujung frit. Hal tersebut menghasilkan gradien pemisahan antara garam dan air bersih yang tinggi. Bentuk fisiknya dapat dilihat pada gambar dibawahBentuk fisik pada sistem desalinasi air garam dengan metode elektrodialisis kejut

Meskipun sistem tersebut menggunakan membran pada masing-masing material berpori, Bazant menjelaskan bahwa aliran air laut sejajar dengan membran, artinya tidak melalui membran, sehingga dapat dikatakan juga sistem tanpa membran. Hal tersebut berarti sistem tidak rentan terhadap fouling/scaling – suatu tumpukan dari material yang disaring atau penipisan membran karena tekanan air, seperti yang terjadi pada desalinasi konvensional berdasarkan membran, termasuk elektrodialisis konvensional. Garamnya tidak harus mendorong sesuautu, partikel garam bermuatan atau ion berpindah ke salah satu sisi.

Fenomena yang mendasari dari pembangkitan gelombang kejut pada konsentrasi garam ditemukan beberapa tahun yang lalu oleh grup Juan Santiago dari universitas Standord, Tetapi penemuan itu, yang melibatkan percobaan dengan perakatan mikrofuluidik kecil dan tidak ada aliran air, tidak digunakan untuk memisahkan garam dari air. Sistem yang baru, perbedaan mendasar dengan yang diteliti di Stanford adalah proses kontinyu, mengunakan air laut yang mengalir melalui media berpori yang murah yang harusnya lebih mudah dibuat dan mudah untuk di scale up untuk desalinasi atau penjernihan air.

Salah satu aplikasi yang cukup prospektif adalah membersihkan sejumlah besar air yang tercemar dari proses perekahan hidrolik atau fracking. Air dari sistem tersebut berisi air yang cenderung asin dan beracun, sehingga menemukan cara yang praktis dan tidak mahal dari proses penjernihannya akan sangat diinginkan. Sistem ini tidak hanya membuang garam, tetapi juga varietas yang luas dari pengotor yang lain, dan karena arus listrik melaluinya, hal itu juga mensterilisasi aliran air. Arus listriknya cukup tinggi, sehingga dapat membunuh bakteri.

Penelitian ini pada tahun 2015 bulan november masih dalam skala laboratorium yang fokus pada analisis teori mengapa proses dapat berlangsung. Tahap selanjutnya adalah mendesain sistem skala besar yang dapat secara langsung diterapkan pada pengolahan air laut. Dari hasil laboratorium, metode ini bahkan dapat memisahkan garam dari air laut hingga 99,99% pada konsentrasi (1 mM,10 mM, dan 100 mM). Tegangan yang dibutuhkan sekitar 1 V, yang merupakan nilai dibawah potensial standar untuk elektrolisis air (1,229 V). Sedangkan arus yang dibutuhkan sekitar 3 A seperti grafik yang ditunjukkan di bawah

Arus listrik yang dibutuhkan untuk mendesalinasi berbagai air tercemar pada sistem elektrodialisis kejut

Tidak seperti metode lain untuk desalinasi, metode ini membutuhkan lebih sedikit infrastruktur, sehingga memungkinkan pembuatan sistem portable yang dapat digunakan pada lokasi terpencil dan kondisi gawat darurat dimana pasokan air habis karena gempa bumi, banjir, atau badai.

Maarten Biesheuvel, ilmuan terkemuka dari Netherland Water Tehnology Institute, yang tidak terlibat pada penelitian ini mengatakan bahwa “Metode ini memiliki pengaruh yang tinggi dalam bidang desalinasi air laut. Membuka cakrawala dari kemungkinan yang baru untuk penjernihan air, baik untuk air laut dan sumber air payau, seperti air bawah tanah.” Biesheuvel menambahkan bahwa timnya menunjukkan desain yang secara inovatif adalah desain baru dimana dengan satu dan beberapa saluran ion dipisahkan diantara wilayah yang berbeda. Biesheuvel berharap bahwa penemuannya tersebut akan menjadi terobosan besar dalam bidang akademik.

Sumber:

• http://news.mit.edu/2015/shockwave-process-desalination-water-1112
• Schlumpberger, Sven, Nancy B. Lu, Matthew E. Suss, and Martin Z. Bazant. “Scalable and Continuous Water Deionization by Shock Electrodialysis.” Environmental Science & Technology Letters 2, no. 12 (December 8, 2015): 367–72. doi:10.1021/acs.estlett.5b00303.