3D Nanotech Breakthrough Offers Clean Water Purified by Sunlight

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

Kurang lebih setengah dari populasi dunia, menurut Laporan Pembangunan Air Dunia PBB 2024, mengalami kekurangan air parah setidaknya sebagian tahun. Kekurangan air sebenarnya telah terkait dengan peningkatan 10% dalam migrasi global.

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

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

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

Di tengah-tengah ini, ketersediaan air menjadi kurang dapat diprediksi, sedangkan kekurangan air diperkirakan akan meningkat dengan meningkatnya suhu global akibat perubahan iklim. Sumber daya air juga berisiko dari polusi dan penyakit yang ditularkan melalui air.

Tantangan Air Limbah yang Tidak Diolah

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

Sementara itu, hanya sebagian kecil dari air limbah dunia yang diolah dengan baik. Menurut PBB, proporsi total air limbah yang menerima beberapa tingkat pengolahan hanya dapat dihitung untuk 73 negara (42% dari populasi dunia), dari 107 negara (73% dari populasi global) yang melaporkan statistik air limbah untuk 2022.

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

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

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

Zat seperti logam berat, polutan organik dan anorganik, patogen, dan limbah industri, antara lain, yang dimasukkan ke dalam air tidak dapat diuraikan secara alami, sehingga tetap ada di lingkungan.

Kemudian ada polutan yang muncul, termasuk detergen, bahan kimia industri, farmasi, sianotoksin, hormon, per- dan poli-fluoroalkil (PFAS), dan nanomaterial, yang menyebabkan kerusakan.

Inovasi teknologi dapat menyediakan opsi pengolahan yang efektif, rendah biaya untuk memastikan air yang cukup bersih dan murah untuk semua.

Beberapa inovasi dalam pengolahan air termasuk teknologi membran canggih seperti osmosis terbalik (RO), ultrafiltrasi (UF), dan destilasi membran kontak langsung (DCMD).

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

Namun, inovasi teknologi lain yang mendorong pengolahan air adalah nanoteknologi, yang menawarkan penghapusan polutan dan kuman yang efisien.

Nanoteknologi untuk Pengolahan Air yang Efektif

Metode disinfeksi air konvensional sangat efektif dan, oleh karena itu, banyak digunakan, tetapi mereka memiliki kelemahan tersendiri. Misalnya, dalam klorinasi, ada risiko pembentukan produk disinfeksi yang berbahaya. Radiasi ultraviolet, sementara itu, memerlukan input energi yang substansial dan memiliki efikasi terbatas terhadap bakteri seperti E. coli yang resisten terhadap tetrasiklin.

Dalam upaya untuk meningkatkan proses pengolahan air, ilmuwan telah membuat kemajuan teknologi yang telah mengarah pada penggunaan nanoteknologi dalam pengolahan air untuk air minum yang aman.

Nanoteknologi melibatkan manipulasi bahan pada skala yang sangat kecil, dan memiliki potensi untuk memainkan peran kunci dalam memungkinkan pengelolaan air terpadu untuk meningkatkan efektivitas pengobatan dan bahkan memperluas pasokan air dengan menggunakan sumber air non-konvensional.

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

Ilmuwan telah secara luas mendemonstrasikan penggunaan nanotube karbon dan nanoselulosa untuk filtrasi air. Metode ini menghilangkan logam berat yang beracun dari air, mencegah bahaya biologis dan kimia memasuki air, dan mengadsorpsi polutan dari aliran air. Bahkan nanopartikel emas telah digunakan untuk membersihkan air dari polutan seperti pestisida dan farmasi.

Sementara nanoteknologi menawarkan solusi yang menjanjikan untuk air minum yang bersih, ia menghadapi risiko kesehatan dan lingkungan yang potensial dari nanomaterial dan bahkan kesulitan yang lebih besar dalam produksi skala besar dan biaya, sehingga penerapan yang terbatas.

Sekarang, peneliti di Universitas Ohio State menawarkan metode baru untuk mengolah air minum: selimut nanoteknologi 3D.

Dibuat dari nanofiber dioksida titanium (TiO₂), mereka memanfaatkan sinar matahari untuk menghancurkan polutan berbahaya dalam air dan menghasilkan energi yang berkelanjutan. Mereka tidak menghasilkan produk sampingan yang beracun, dan tim memiliki alat untuk menskala mereka secara komersial.

Metode Baru untuk Mengolah Air Minum

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

Bahan baru ini telah dikembangkan dengan menggabungkan dua metode — gel kimia lembut dan elektrospinning campuran.

Dalam elektrospinning, metode produksi serat, gaya listrik diterapkan pada larutan untuk menciptakan nanofiber. Metode ini umumnya digunakan untuk mempersiapkan nanofiber yang panjang dan kontinu. Tim mengembangkan strip serat tipis dari dioksida titanium dengan cara ini.

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

Sementara senyawa ini adalah sumber energi alternatif yang baik, sistem bahan bakar surya yang menggunakan nanopartikel ini biasanya terbatas dalam daya. Ini karena mereka hanya dapat menjalani fotokatalisis dengan menyerap cahaya ultraviolet yang tidak terlihat, sehingga efisiensi rendah dan memerlukan sistem filtrasi yang kompleks yang menciptakan tantangan dalam implementasinya.

Selain itu, umur panjang yang singkat dari elektron dan lubang yang dihasilkan dalam nanopartikel TiO₂ menghalangi penggunaan efektif mereka, sementara kurangnya struktur nano yang didukung sendiri yang mudah dipulihkan tetap menjadi tantangan.

Berbagai studi telah mengeksplorasi doping dengan berbagai ion logam seperti Ag (Perak), Fe (Besi), Pd (Palladium), Pt (Platina), Zn (Seng), Mn (Mangan), B (Boron), dan Zr (Zirkonium) untuk mengatasi keterbatasan ini dan meningkatkan sifat fotokatalitis dioksida titanium.

Tapi itu adalah tembaga (Cu) yang menunjukkan janji. Menambahkan logam lunak dengan konduktivitas termal dan listrik yang sangat tinggi ke dalam bahan ini mengubah hal-hal. Namun, ini memerlukan pengurangan celah pita optik dan peningkatan rasio luas permukaan terhadap volume Cu-doped titania untuk mendapatkan aktivitas fotokatalitis yang diinginkan, yang menimbulkan masalah lain.

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

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana desalinasi yang digerakkan oleh surya memecahkan kelangkaan air.

Alat Remediasi Air dan Pembangkit Listrik

Studi, diterbitkan di jurnal Advanced Science¹, merincikan struktur baru yang dihasilkan, yang disebut nano-mat. Nano-mat ini dapat menyerap energi cahaya yang cukup untuk menghancurkan polutan berbahaya di udara dan air.

Menurut penulis utama studi Pelagia-Iren Gouma, yang merupakan profesor ilmu bahan dan teknik di Universitas Ohio State:

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

Apa yang dilakukan penambahan tembaga pada dioksida titanium adalah bahwa itu mempercepat proses penghancuran polutan.

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

Untuk menentukan efektivitas bahan baru ini, peneliti mengkarakterisasi sifat-sifat nano-mat yang diperbarui. Ini membantu mereka memahami bagaimana nano-mat berperilaku dan apa yang membuatnya berbeda dari nanopartikel self-cleaning lainnya.

Peneliti menemukan bahwa ketika terkena sinar matahari alami, nano-mat ini dapat lebih sukses dalam pembangkitan daya daripada 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 dilaporkan hingga saat ini.”

– Gouma

Apa yang lebih penting, nano-mat ini ringan, mudah dilepas, dan dapat mengapung dan bekerja di atas setiap badan air. Mereka juga dapat digunakan kembali dan dapat menjalani beberapa siklus pembersihan.

Dengan efektivitas nano-mat yang tinggi, peneliti melihat penggunaannya dalam menghilangkan polutan industri dari air di negara-negara berkembang dan mengubah sungai dan danau yang terkontaminasi menjadi sumber air minum yang bersih.

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

“Ini adalah bahan yang aman, tidak akan menyakiti apa pun, dan sebersih mungkin.”

– Gouma

Sehubungan dengan komersialisasi teknologi yang efisien ini, untuk yang tim memiliki alat yang tepat, tergantung pada industri yang memperhatikannya.

“Kami memiliki alat untuk membuatnya dalam jumlah besar dan menerjemahkannya ke berbagai industri. Batasan satu-satunya adalah bahwa itu memerlukan seseorang untuk mengambil keuntungan dari sumber daya yang melimpah ini.”

– Gouma

Secara keseluruhan, tim percaya pada potensi nano-mat. Mereka dapat digunakan untuk menyediakan air minum yang bersih di pabrik pengolahan air, daerah terpencil, dan upaya bantuan bencana. Tergantung 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 fotokatalitis di masa depan. Ini termasuk upaya keberlanjutan jangka panjang seperti produksi hidrogen yang digerakkan oleh surya dan remediasi lingkungan.

Untuk saat ini, tim bekerja pada cara-cara untuk lebih memajukan bahan ini, yang sepenuhnya baru. Bentuk nanoteknologi ini, kata Gouma, “sangat mengesankan dan sesuatu yang kami sangat antusias.”

Perusahaan Inovatif

Xylem Inc. (XYL )

Sebagai pemimpin global dalam teknologi air, Xylem mengembangkan solusi inovatif untuk pengolahan air, membuatnya menjadi kandidat yang kuat untuk mengintegrasikan sistem pengolahan air berbasis nanoteknologi.

Perusahaan ini menawarkan produk di berbagai aplikasi, termasuk air, pompa air, peralatan pengolahan, pompa, katup, dan penukar panas. Perusahaan ini juga menyediakan instrumentasi analitik untuk pengujian air dan solusi untuk penggunaan cerdas dan konservasi sumber daya air dan energi yang penting.

Ketika datang ke pengolahan air limbah, Xylem menyediakan proses biologis yang disebut pengolahan aerobik, yang terjadi di hadapan oksigen dan mengubah organik menjadi karbon dioksida dan biomassa baru. Lalu ada pengolahan air limbah anaerobik, yang terjadi tanpa oksigen, di mana mikroorganisme menghancurkan limbah organik. Ini biasanya digunakan untuk pengolahan air limbah industri yang hangat dan kuat dengan sejumlah besar bahan organik yang dapat diuraikan.

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

Sistem disinfeksi perusahaan ini ditawarkan untuk aplikasi air munisipal, industri, dan rekreasi. Mereka termasuk analisis dan pengendali proses, peralatan pembangkit dioksida klorin, sistem pakan gas, sistem ozon, sistem pembangkit hipoklorit, sistem disinfeksi ultraviolet, dan lain-lain.

Sistem air murni perusahaan ini, sementara itu, mengolah air melalui beberapa tahap untuk membantu Anda memenuhi standar kualitas untuk aplikasi kritis di laboratorium, perawatan kesehatan, farmasi, dan industri semikonduktor.

Sementara itu, solusi filtrasi Xylem mencakup segalanya, dari filter media regeneratif, filter cakram, filter pasir, filter mikrosand efisiensi tinggi, dan filter tekanan hingga membran osmosis terbalik, pompa sekrup, sistem UF, mikrofiltrasi, 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 tersier untuk munisipalitas.

Sekarang, 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 ini membayar dividen sebesar 1,31%.

Sehubungan dengan keuangan perusahaan, untuk kuartal ke-4 2024, perusahaan melaporkan kenaikan 7% dalam pendapatan menjadi $2,3 miliar, sementara pesanan sebesar $2,2 miliar. Laba per saham untuk kuartal ini sebesar $1,34, naik 22%, dan sebesar $1,18 pada basis yang disesuaikan, naik 19%.

“Tim telah menghasilkan kuartal yang kuat untuk menutup tahun yang luar biasa untuk Xylem. Semua segmen menghasilkan pertumbuhan pesanan yang kuat di Q4, memberi kita momentum untuk memasuki 2025 dengan permintaan yang tangguh.”

– CEO Matthew Pine

Laba bersih selama kuartal ini sebesar $326 juta, dan laba bersih yang disesuaikan sebesar $287 juta. Xylem meningkatkan dividen kuartal pertamanya 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 tahun ini, Xylem memperkirakan pendapatan antara $8,6 dan $8,7 miliar, dan margin arus kas bebas yang diprediksi sebesar 9 hingga 10 persen.

Perusahaan ini memperkirakan laba per saham untuk tahun ini antara $4,50 dan $4,70. Menurut Pine:

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

Terbaru tentang Xylem Inc.

Kesimpulan

Dunia sedang menghadapi krisis air dengan jutaan orang kekurangan akses ke air minum yang aman dan sanitasi. Kelangkaan air ini adalah hasil dari pertumbuhan populasi, polusi, overeksploitasi, dan perubahan iklim. Situasi ini diperkirakan akan semakin buruk dalam beberapa tahun mendatang, menciptakan kebutuhan akan solusi yang efektif dan efisien untuk mengatasi masalah ini.

Pengolahan air limbah adalah salah satu strategi penting yang dapat membantu mengatasi kelangkaan air dengan meningkatkan kualitas air, meningkatkan akses ke air, mengurangi ketergantungan pada sumber air tawar, dan membuat air menjadi sumber daya yang lebih berkelanjutan.

Nanoteknologi telah lama berjanji untuk merevolusi pengolahan air, tetapi belum mencapai adopsi yang luas. Jadi, pengembangan selimut nanoteknologi 3D menandai terobosan yang signifikan. Selimut ini menggunakan sinar matahari untuk menghilangkan polutan sambil menghasilkan energi yang berkelanjutan.

Sifat ringan, dapat digunakan kembali, dan tidak menghasilkan produk sampingan yang beracun dari nano-mat ini, membuatnya menjadi alternatif yang ramah lingkungan untuk metode filtrasi konvensional. Ketika industri memperhatikannya, teknologi ini dapat mengubah cara kita mendekati pengolahan air secara global. Sukses komersialisasi, sementara itu, akan memenuhi kebutuhan air minum yang bersih dan aman untuk ratusan juta orang di seluruh dunia!

Klik di sini untuk daftar saham nanoteknologi teratas.