Terobosan Nanotek 3D Menawarkan Air Bersih yang Dimurnikan oleh Sinar Matahari

Setiap orang yang memiliki akses ke air minum yang aman dan bersih adalah salah satu tantangan utama yang dihadapi dunia saat ini.

Sekitar setengah populasi dunia, menurut Laporan Pengembangan Air Dunia UN 2024, mengalami kekurangan air yang parah setidaknya sebagian tahun. Defisit air sebenarnya telah terkait dengan peningkatan 10% migrasi global.

Tingkat rendah pengolahan air limbah menyebabkan kualitas air yang buruk di negara berpenghasilan rendah, sedangkan limpasan dari pertanian menjadi masalah besar di negara berpenghasilan tinggi.

Sementara itu, permintaan akan air minum bersih terus meningkat seiring pertumbuhan populasi dunia. Pertumbuhan populasi yang cepat, urbanisasi, dan meningkatnya kebutuhan air dari sektor energi, pertanian, dan industri berkontribusi pada meningkatnya permintaan air.

Namun, data menunjukkan bahwa miliaran orang akan kekurangan akses ke air bersih, sanitasi, dan kebersihan pada tahun 2030. Pada tahun 2022, 703 juta orang tidak memiliki layanan air dasar, sementara jumlah yang jauh lebih tinggi, 2,2 miliar, tidak memiliki air minum yang dikelola dengan aman.

Di tengah situasi ini, ketersediaan air menjadi semakin tidak dapat diprediksi, sementara kekurangan air diproyeksikan meningkat seiring naiknya suhu global akibat perubahan iklim. Sumber daya air juga terancam oleh polusi dan penyakit yang ditularkan melalui air.

Tantangan Air Limbah yang Tidak Diolah

Sebagian besar limbah industri, menurut Perserikatan Bangsa-Bangsa, dibuang di negara berkembang tanpa diolah sepenuhnya.

Sementara itu, hanya sebagian kecil dari air limbah dunia yang diolah dengan memadai. Menurut PBB, perkiraan bahwa semua air limbah menerima tingkat pengolahan tertentu hanya dapat dihitung untuk 73 negara (42% populasi dunia), dari 107 negara (73% populasi global) yang melaporkan statistik air limbah untuk tahun 2022.

Pelaporan tentang pengolahan air limbah industri sangat terbatas, dengan data hanya dilaporkan dari 22 negara (8% populasi dunia), di mana hanya 38% air limbah industri dilaporkan telah diolah. Lebih lagi, hanya 27% air limbah yang diolah dengan aman.

Untuk air limbah domestik (rumah tangga), 42% tidak diolah dengan aman. Alasan utama adalah kurangnya sistem yang tepat untuk mengumpulkan air abu-abu dan air hitam.

Air limbah adalah air yang dihasilkan setelah penggunaan domestik, industri, dan komersial air mentah, air tawar, atau air minum. Air ini mengandung berbagai zat yang dapat berbahaya bagi ekosistem dan kesehatan manusia.

Zat seperti logam berat, polutan organik dan anorganik, patogen, serta limbah industri, antara lain, yang masuk ke dalam air tidak terdegradasi secara alami, sehingga tetap berada di lingkungan.

Selain itu ada kontaminan yang muncul, termasuk deterjen, bahan kimia industri, farmasi, sianotoksin, hormon, zat per- dan poli-fluoroalkil (PFAS), serta nanomaterial, yang menyebabkan kerusakan.

Inovasi teknologi dapat menyediakan opsi pengolahan berperforma tinggi dan biaya rendah untuk memastikan air bersih yang cukup dan terjangkau bagi semua orang.

Beberapa inovasi dalam pemurnian air meliputi teknologi membran canggih seperti reverse osmosis (RO), ultrafiltrasi (UF), dan distilasi membran kontak langsung (DCMD).

Filter bertenaga surya menggunakan energi matahari untuk membuat air bersih dapat diakses di daerah terpencil. Teknologi baru seperti elektrokoagulasi, sel bahan bakar mikroba, dan proses oksidasi lanjutan juga membantu meningkatkan kualitas air.

Inovasi teknologi lain yang mendorong pemurnian air adalah nanoteknologi, yang menawarkan penghilangan polutan dan kuman secara efisien.

Nanoteknologi untuk Pengolahan Air yang Efektif

Metode desinfeksi air konvensional sangat efektif dan, oleh karena itu, banyak digunakan, tetapi mereka memiliki kekurangan masing-masing. Misalnya, pada proses klorinasi, ada risiko terbentuknya produk sampingan desinfeksi yang berbahaya. Sementara radiasi ultraviolet memerlukan input energi yang besar dan memiliki efektivitas terbatas terhadap bakteri seperti E. coli yang resisten terhadap tetrasiklin.

Untuk meningkatkan proses pengolahan air, para ilmuwan telah membuat kemajuan teknologi yang mengarah pada penggunaan nanoteknologi dalam pemurnian air untuk konsumsi yang aman.

Nanoteknologi melibatkan manipulasi sengaja materi pada skala sangat kecil, dan memiliki potensi untuk memainkan peran kunci dalam memungkinkan manajemen air terintegrasi guna meningkatkan efektivitas pengolahan dan bahkan memperluas pasokan air dengan menggunakan sumber air yang tidak konvensional.

Untuk meningkatkan akses ke air minum yang bersih dan aman, nanoteknologi mengolah air tanah, air permukaan, dan air limbah dengan nanomaterial inovatif. Beberapa kemajuan dalam nanoteknologi yang digunakan untuk pengolahan air limbah meliputi nanopartikel magnetik, nanopartikel bioaktif, nanofiltrasi, nano adsorben, nanokatalis, nanopowder, nano biocide, dan nanofiber.

Para ilmuwan secara luas telah menunjukkan penggunaan karbon nanotube dan nanocellulose untuk filtrasi air. Metode ini menghilangkan logam berat beracun dari air, mencegah bahaya biologis dan kimia masuk ke dalam air, serta menyerap kontaminan dari aliran air. Bahkan nanopartikel emas telah digunakan untuk membersihkan air dari polutan seperti pestisida dan farmasi.

Meskipun nanotek menawarkan solusi menjanjikan untuk air minum bersih, teknologi ini menghadapi potensi risiko kesehatan dan lingkungan dari nanomaterial serta tantangan yang lebih besar dalam produksi skala besar dan biaya, sehingga implementasinya terbatas.

Sekarang, peneliti di Ohio State University menawarkan metode baru untuk memurnikan air minum: selimut nanotek 3D.

Terbuat dari nanofiber titanium dioksida (TiO₂), selimut ini memanfaatkan sinar matahari untuk memecah polutan berbahaya dalam air dan menghasilkan energi berkelanjutan. Mereka tidak menghasilkan produk sampingan beracun, dan tim memiliki alat untuk meningkatkan produksi secara komersial.

Metode Baru untuk Memurnikan Air Minum

Dalam studi terbaru yang didukung oleh National Science Foundation, para peneliti telah menciptakan material baru untuk memurnikan air dengan menghilangkan polutan berbahaya.

Material baru ini dikembangkan dengan menggabungkan dua metode — gel kimia lunak dan elektrospinning campuran.

Dalam elektrospinning, metode produksi serat, gaya listrik diterapkan pada larutan untuk menghasilkan nanofiber. Metode ini biasanya digunakan untuk menyiapkan nanofiber panjang dan kontinu. Tim mengembangkan strip tipis berbentuk serat titanium dioksida dengan cara ini.

Titanium dioksida (TiO₂) adalah senyawa anorganik yang biasanya digunakan dalam sensor gas, sel surya, fotokatalisis, dan teknologi self-cleaning.

Meskipun senyawa ini merupakan sumber energi alternatif yang bagus, sistem bahan bakar surya yang menggunakan nanopartikelnya biasanya terbatas dalam daya. Hal ini karena mereka hanya dapat melakukan fotokatalisis dengan menyerap cahaya ultraviolet (UV) yang tidak terlihat, menghasilkan efisiensi rendah dan memerlukan sistem filtrasi kompleks yang menimbulkan tantangan dalam implementasinya.

Selain itu, umur pendek elektron dan hole yang dihasilkan secara foton dalam nanopartikel TiO₂ menghambat pemanfaatannya secara efektif, sementara kurangnya struktur nano yang dapat dipulihkan secara mandiri tetap menjadi tantangan.

Berbagai studi telah mengeksplorasi doping dengan ion logam seperti Ag (perak), Fe (besi), Pd (palladium), Pt (platinum), Zn (seng), Mn (mangan), B (boron), dan Zr (zirkonium) untuk mengatasi keterbatasan ini dan meningkatkan sifat fotokatalitik titanium dioksida.

Namun tembaga (Cu) yang menunjukkan harapan. Penambahan logam lunak ini dengan konduktivitas termal dan listrik yang sangat tinggi ke dalam material mengubah segalanya. Namun, hal ini memerlukan pengurangan bandgap optik dan peningkatan rasio luas permukaan terhadap volume pada TiO₂ yang didoping tembaga untuk memperoleh aktivitas fotokatalitik yang diinginkan, yang menimbulkan masalah lain.

Jadi, para peneliti harus merancang sistem yang menyediakan nanopartikel TiO₂ yang didoping Cu secara stabil dengan rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi melalui proses berbasis nanofiber.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana desalinasi bertenaga surya menyelesaikan kelangkaan air.

Alat Remediasi Air & Pembangkit Energi

Studi, dipublikasikan dalam jurnal Advanced Science¹, merinci struktur baru yang dihasilkan, yang disebut nano mat. Nano mat ini dapat menyerap cukup energi cahaya untuk memecah polutan berbahaya di udara dan air.

Menurut penulis utama studi, Pelagia-Iren Gouma, yang merupakan profesor ilmu dan teknik material di The Ohio State University:

“Tidak ada cara mudah untuk membuat sesuatu seperti selimut yang dapat Anda letakkan di atas air dan mulai menghasilkan energi. Namun kami satu-satunya yang telah membuat struktur ini dan satu-satunya yang menunjukkan bahwa mereka benar-benar berfungsi.”

Penambahan tembaga pada titanium dioksida mempercepat proses penghancuran polutan.

Dalam proses ini, ketika TiO₂ menyerap cahaya, elektron terbentuk, yang mengoksidasi air dan menyerang polutan, yang dihancurkan hingga menjadi tidak berbahaya.

Untuk menentukan efektivitas tinggi material baru ini, peneliti mengkarakterisasi properti terbaru dari nano mat. Hal ini membantu mereka memahami bagaimana perilakunya dan apa yang membuatnya berbeda dari nanopartikel self-cleaning lainnya.

Peneliti menemukan bahwa ketika terpapar sinar matahari alami, nano mat ini dapat menghasilkan energi lebih efektif dibandingkan sel surya tradisional.

“Nano mat ini dapat digunakan sebagai pembangkit listrik, atau sebagai alat remediasi air. Dalam kedua cara, Anda memiliki katalis dengan efisiensi tertinggi yang pernah dilaporkan hingga saat ini.”

– Gouma

Selain itu, mat serat ini ringan, mudah dilepas, dan dapat mengapung serta bekerja di atas permukaan air apa pun. Mereka juga dapat digunakan kembali dan dapat menjalani beberapa siklus pembersihan.

Mengingat efektivitas tinggi nano mat ini, peneliti melihat penggunaannya dalam menghilangkan polutan industri dari air di negara berkembang dan mengubah sungai serta danau yang tercemar menjadi sumber air minum bersih.

Selain itu, fakta bahwa teknologi ini tidak menghasilkan produk sampingan beracun menjadikan nano mat ramah lingkungan.

“Ini adalah material yang aman, tidak akan merusak apa pun, dan sebersih mungkin.”

– Gouma

Mengenai komersialisasi teknologi efisien ini, yang bagi tim memiliki alat yang tepat, hal itu bergantung pada industri yang memperhatikannya.

“Kami memiliki alat untuk memproduksinya dalam jumlah besar dan menerapkannya ke berbagai industri. Satu-satunya batasan adalah diperlukan pihak yang memanfaatkan sumber daya melimpah ini.”

– Gouma

Secara keseluruhan, tim percaya pada potensi nano mat. Mereka dapat digunakan untuk menyediakan air minum bersih di instalasi pengolahan air, daerah terpencil, dan upaya bantuan bencana. Bergantung pada pengujian lebih lanjut dan skalabilitas, aplikasi komersial dapat muncul dalam 3 hingga 5 tahun.

Tim percaya bahwa nano mat ini juga dapat menjadi alat yang menjanjikan dalam banyak aplikasi fotokatalitik di masa depan. Ini termasuk upaya keberlanjutan jangka panjang seperti produksi hidrogen berbasis surya dan remediasi lingkungan.

Saat ini, tim sedang bekerja untuk mengembangkan material ini lebih lanjut, yang sepenuhnya baru. Bentuk nanoteknologi baru ini, kata Gouma, “sangat mengesankan dan sesuatu yang sangat kami antusiaskan.”

Perusahaan Inovatif

Xylem Inc. (XYL ) 

Pemimpin global dalam teknologi air, Xylem mengembangkan solusi inovatif untuk pemurnian dan pengolahan air, menjadikannya kandidat kuat untuk mengintegrasikan sistem pemurnian air berbasis nanotek.

Perusahaan ini menawarkan produk dalam berbagai aplikasi, termasuk air, pompa air, peralatan pengolahan, pompa, katup, dan penukar panas. Mereka juga menyediakan instrumen analitik untuk pengujian air serta solusi untuk penggunaan cerdas dan konservasi sumber daya air dan energi yang kritis.

Dalam hal pengolahan air limbah, Xylem menyediakan proses biologis yang disebut pengolahan aerobik, yang terjadi di hadapan oksigen dan mengubah bahan organik menjadi karbon dioksida dan biomassa baru. Selanjutnya ada pengolahan air limbah anaerobik, yang terjadi tanpa oksigen, di mana mikroorganisme memecah limbah organik. Biasanya digunakan untuk pengolahan air limbah industri bertemperatur hangat dengan konsentrasi tinggi bahan organik yang dapat terdegradasi secara biologis.

Xylem juga menawarkan solusi manajemen air digital bernama Water One® yang mengoptimalkan sistem pengolahan air Anda untuk efisiensi yang lebih tinggi.

Sistem desinfeksi perusahaan ditawarkan untuk aplikasi air kota, industri, dan rekreasi. Sistem tersebut meliputi analyzer dan pengendali proses, peralatan pembangkit klorin dioksida, sistem pasokan gas, sistem ozon, sistem pembangkit hipoklorit, sistem desinfeksi ultraviolet, dan lainnya.

Sistem air kemurnian tinggi mereka, di sisi lain, mengolah air melalui beberapa tahapan untuk membantu Anda memenuhi standar kualitas untuk aplikasi kritis di laboratorium, perawatan kesehatan, farmasi, dan industri semikonduktor.

Solusi filtrasi Xylem mencakup segala hal mulai dari filter media regeneratif, filter disc, filter pasir, filter mikro pasir berefisiensi tinggi, hingga filter tekanan, membran reverse osmosis, pompa sekrup, sistem UF, mikro filtrasi, sistem kontrol bau fase uap, dan pelembut air. Ini menawarkan berbagai pilihan untuk penggunaan rekreasi dan industri serta untuk kolam renang dan pengolahan air limbah sekunder bagi kota.

Saat ini, Xylem adalah perusahaan dengan kapitalisasi pasar $29,65 miliar yang sahamnya, pada saat penulisan, diperdagangkan pada $122,02, naik 5,17% YTD. Perusahaan ini memiliki EPS (TTM) sebesar 3,65, rasio P/E (TTM) sebesar 33,40, dan ROE (TTM) sebesar 8,55%. Perusahaan membayar dividen dengan hasil 1,31%.

Mengenai keuangan perusahaan, untuk Q4 2024, perusahaan melaporkan peningkatan pendapatan sebesar 7% menjadi $2,3 miliar, sementara pesanan mencapai $2,2 miliar. Laba per saham untuk kuartal tersebut sebesar $1,34, naik 22%, dan $1,18 pada basis yang disesuaikan, naik 19%.

“Tim kami berhasil menyelesaikan kuartal keempat yang kuat untuk menutup tahun rekor bagi Xylem. Semua segmen memberikan pertumbuhan pesanan Q4 yang kuat, memberi kami momentum menjelang 2025 dengan permintaan dasar yang tangguh.”

– CEO Matthew Pine

Laba bersih selama kuartal tersebut sebesar $326 juta, dan laba bersih yang disesuaikan sebesar $287 juta. Xylem meningkatkan dividen kuartal pertama sebesar 11% menjadi $0,40 per saham, yang dibayarkan kepada pemegang saham bulan ini.

Untuk tahun penuh 2024, pendapatan sebesar $8,6 miliar, meningkat 16%. Laba per saham sebesar $3,65, naik 31% dan $4,27 pada basis yang disesuaikan, naik 13%.

Untuk seluruh tahun ini, outlook Xylem adalah pendapatan antara $8,6 hingga $8,7 miliar, dan margin arus kas bebas diperkirakan 9 hingga 10 persen.

Perusahaan memperkirakan laba per saham tahun ini berada dalam kisaran $4,50 hingga $4,70. Menurut Pine:

“Panduan kami untuk 2025 mencerminkan komitmen tim terhadap kerangka kerja jangka panjang kami saat kami terus memungkinkan pelanggan kami mengatasi tantangan air terbesar di dunia.”

Berita Terbaru tentang Xylem Inc.

Kesimpulan

Dunia menghadapi krisis air dengan jutaan orang yang kekurangan akses ke air minum yang aman dan sanitasi. Kekurangan air ini merupakan hasil dari pertumbuhan populasi, polusi, eksploitasi berlebihan, dan perubahan iklim. Situasi diproyeksikan akan semakin memburuk dalam beberapa tahun mendatang, menciptakan kebutuhan akan solusi yang biaya-efektif dan lebih efisien untuk mengatasi masalah ini.

Pengolahan air limbah adalah salah satu strategi penting yang dapat membantu mengurangi kekurangan air dengan meningkatkan kualitas air, meningkatkan akses ke air, mengurangi ketergantungan pada sumber air tawar, dan menjadikan air sumber yang lebih berkelanjutan.

Nanoteknologi telah lama menjanjikan revolusi dalam pemurnian air, namun belum mendapatkan adopsi luas. Oleh karena itu, pengembangan selimut nanotek 3D menandai terobosan signifikan. Selimut ini memanfaatkan sinar matahari untuk menghilangkan polutan sekaligus menghasilkan energi berkelanjutan.

Sifat ringan dan dapat digunakan kembali dari nano mat ini, bersama dengan tidak adanya produk sampingan beracun, menjadikannya alternatif ramah lingkungan dibandingkan metode filtrasi konvensional. Seiring industri memperhatikan, teknologi baru ini dapat mendefinisikan kembali pendekatan kami terhadap pengolahan air secara global. Komersialisasi yang berhasil, pada gilirannya, akan memenuhi kebutuhan air minum bersih dan aman bagi ratusan juta orang di seluruh dunia!

Klik di sini untuk daftar saham nanoteknologi teratas.