Meningkatkan Efisiensi Pengumpulan Air Atmosfer menjadi Kunci di Daerah Kering

Air Bersih dari Udara

Di banyak wilayah, air tawar sulit diperoleh atau mahal. Salah satu pilihannya adalah desalinasi, tetapi proses ini masih membutuhkan banyak energi, meskipun kemajuan teknologi tenaga surya membuka peluang untuk menekan kebutuhan tersebut. Desalinasi air laut juga kurang praktis bagi wilayah kering yang jauh dari pantai, seperti Asia Tengah, Mongolia, pegunungan Chile, dan sebagian besar Sahara.

Pilihan lain adalah mengumpulkan air yang terdapat di udara. Di sejumlah wilayah kering, udara tetap mengandung uap air meskipun kondisi iklim tidak mendukung hujan yang memadai. Inilah dasar pemanenan air atmosfer. Sebelumnya, kami membahas bagaimana pendinginan pasif dan lapisan silikon dapat membantu pengumpulan air dengan memanfaatkan gravitasi.

Para peneliti berupaya meningkatkan metode ini dengan jenis polimer baru. Tim Osaka Metropolitan University menerbitkan hasilnya di ACS ES&T Water dalam studi berjudul “Liquid Polyether-Based Water Harvester for Near Ambient Temperature Operation via Hydrophilicity-Difference-Induced Water Transfer¹”, yang membahas pemanen air berbasis polieter cair pada suhu mendekati suhu lingkungan.

Adsorpsi Air

Salah satu pendekatan menggunakan bahan yang dapat menangkap uap air. Adsorpsi adalah pengikatan molekul pada permukaan bahan, berbeda dari absorpsi ke dalam volumenya. Dalam pemanenan air atmosfer, bahan penangkap kelembapan mengambil air dari udara, kemudian melepaskannya kembali untuk dikumpulkan.

Contoh bahan pengikat kelembapan yang sering dijumpai adalah silika gel dalam kemasan produk. Bahan semacam ini dapat menangkap uap air dari lingkungan, tetapi jumlah yang diperoleh bergantung pada sifat bahan, kelembapan, dan kondisi pengoperasian.

Sumber: Osaka Metropolitan University

Tantangan berikutnya adalah melepaskan air yang telah ditangkap. Sejumlah bahan memerlukan pemanasan sekitar 100°C untuk regenerasi, sehingga membutuhkan energi dan biaya tambahan. Bahan yang dikembangkan tim Osaka dirancang untuk melepaskan air pada suhu lebih rendah.

Desorpsi Suhu Rendah

Sifat yang membuat suatu bahan mengikat air dengan baik juga dapat menyulitkan pelepasannya. Karena itu, regenerasi sering memerlukan pemanasan untuk mengatasi ikatan tersebut.

Sebelumnya, para peneliti mencampurkan poli(etilena glikol), atau PEG, dengan oligomer poli(propilena glikol), atau PPG. Campuran ini memanfaatkan mekanisme perpindahan air akibat perbedaan hidrofilisitas, yang disingkat HWT.

Secara sederhana, perbedaan afinitas kedua bahan terhadap air membantu memindahkan air ke komponen yang mengikatnya lebih lemah. Dengan pendekatan ini, bahan cair penangkap kelembapan dapat melepaskan air pada sekitar 35°C atau 95°F.

Namun, campuran sebelumnya memiliki kapasitas penangkapan air yang terbatas. Kebutuhan energinya lebih rendah, tetapi hasil pengumpulan air masih perlu ditingkatkan.

Kopolimer PEG-PPG

Dalam percobaan terbaru, tim mencampurkan kopolimer PEG-PPG dengan PEG.

Sumber: Publikasi ACS

Campuran ini memperkuat efek HWT dan menghasilkan dua manfaat dalam kondisi percobaan:

• Pelepasan air tetap dapat berlangsung pada suhu rendah.
• Laju pengumpulan air melampaui PEG saja dalam pengujian tersebut.

Kopolimer acak PEG-PPG menunjukkan laju pengumpulan air tertinggi, melampaui PEG. Peningkatan perolehan air berasal dari efek sinergis HWT dan pecahnya kelompok molekul air.

Aplikasi

Suhu regenerasi yang lebih rendah dapat mengurangi kebutuhan energi untuk memulihkan bahan dan mengumpulkan air. Namun, dampak lingkungan keseluruhan tetap bergantung pada rancangan sistem, sumber energi, produksi bahan, dan jumlah air yang dihasilkan.

“Peningkatan teknologi ini juga diharapkan dapat membantu mengurangi emisi gas rumah kaca dan meningkatkan efisiensi penggunaan sumber daya air. Selanjutnya, kami akan berupaya memperbaiki bahan cair penangkap kelembapan serta meningkatkan efisiensi keseluruhan sistem agar dapat diterapkan secara praktis.”

Masahide Takahashi — profesor di Osaka Metropolitan University

Karena suhu 35°C atau 95°F relatif lebih mudah dicapai, siklus suhu siang dan malam dapat menjadi salah satu sumber panas yang dipertimbangkan. Kemungkinannya bergantung pada kondisi setempat, termasuk kelembapan dan variasi suhu, misalnya di Sahara, Timur Tengah, India, Meksiko & wilayah barat daya Amerika Serikat.

Di wilayah lebih dingin seperti Mongolia, pemanasan surya dengan reflektor sederhana dapat menjadi gagasan untuk diuji. Pendekatan ini membuka peluang sistem berenergi rendah, tetapi penelitian tersebut belum membuktikan sistem yang sepenuhnya pasif dan siap beroperasi di semua kondisi.

Teknologi ini juga berpotensi dikembangkan untuk wilayah yang membutuhkan air dengan mendesak. Penerapan tersebut masih memerlukan pengujian kinerja, keamanan air, dan kesiapan peralatan.

“Teknologi ini berpotensi diterapkan bukan hanya untuk menyediakan air di wilayah kering dan tempat dengan sumber energi terbatas, tetapi juga untuk membantu memastikan akses air saat bencana dan keadaan darurat.”

Arisa Fukatsu — asisten profesor di Osaka Metropolitan University

Penelitian lanjutan dapat menguji campuran lain. Hasil ini belum menunjukkan bahwa komposisi yang digunakan merupakan pilihan optimal untuk semua kondisi.

Secara teori, kombinasi lain antara polimer dengan afinitas berbeda terhadap air juga dapat diteliti. Pengujian sistematis terhadap bahan baru berpotensi meningkatkan hasil dan membantu mendekatkan teknologi ini pada penerapan komersial.

Perusahaan yang Menangani Tantangan Air

Xylem Inc.

Xylem, bersama perusahaan seperti Veolia, merupakan salah satu penyedia besar teknologi air dan pengolahan air limbah. Materi perusahaan pada 2024 menyebut lebih dari 23.000 karyawan, termasuk lebih dari 6.000 insinyur dan tenaga penjualan secara gabungan, operasi di 150 negara, serta lebih dari 35.000 pelanggan industri langsung.

Pasar utamanya mencakup air minum dan air limbah perkotaan. Perusahaan juga menyediakan solusi untuk sektor seperti kesehatan, energi, makanan & minuman, minyak & gas, serta mikroelektronik.

Sumber: Xylem

Xylem menyediakan berbagai peralatan untuk pengolahan air, antara lain generator ozon, lampu ultraviolet, membran, dan sistem air ultramurni, sesuai produk dan aplikasinya. Perusahaan juga menawarkan pompa, sistem perpipaan, perangkat lunak, serta layanan pemasangan, pemeliharaan, dan perbaikan.

Sumber: Xylem

Industri teknologi air masih terfragmentasi. Dalam materi investornya pada 2024, Xylem memperkirakan pangsa sekitar 10% dari pasar yang dapat dilayaninya senilai 80 miliar dolar. Angka tersebut menggambarkan lingkup pasar menurut perusahaan, bukan seluruh pasar air dunia.

Perusahaan berinvestasi dalam penelitian & pengembangan. Peraturan tentang PFAS, yakni zat perfluoroalkil dan polifluoroalkil, yang sering disebut bahan kimia abadi dapat meningkatkan kebutuhan pengolahan air. Materi perusahaan menyebut perkiraan lebih dari 6.000 fasilitas utilitas yang mungkin membutuhkan pengolahan PFAS; ini bukan jumlah pesanan yang telah diperoleh.

Laba bersih Xylem meningkat dari 297 juta dolar pada 2012 menjadi 609 juta dolar pada 2023. Pada kuartal-kuartal 2023, margin EBITDA yang disesuaikan berada dalam kisaran 17,4% hingga 21,9%. Rentang ini menggambarkan periode tersebut, bukan margin tetap sepanjang sejarah perusahaan.

Permintaan atas layanan air dapat lebih stabil daripada sebagian kegiatan industri yang sangat siklis. Namun, Xylem tetap merupakan perusahaan teknologi dan peralatan air dengan risiko operasional serta pasar, bukan perusahaan utilitas yang memiliki profil pendapatan identik dengan pelanggannya.

Referensi Studi:

^{1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). Liquid polyether-based water harvester for near ambient temperature operation via hydrophilicity-difference-induced water transfer. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775}