Pemahaman Baru tentang Penguapan Dapat Membuat Foton Meningkatkan Proses Desalinasi Melalui ‘Efek Fotomolekuler’

Suhu, kelembapan, aliran udara, dan tekanan memengaruhi seberapa cepat air cair berubah menjadi uap. Namun, penelitian baru dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), yang diterbitkan pada 2023, menunjukkan kemungkinan peran langsung cahaya. Peneliti menemukan indikasi bahwa dalam kondisi tertentu foton dapat melepaskan gugus molekul air dari antarmuka air dan udara tanpa harus terlebih dahulu mengubah seluruh energinya menjadi panas.

Faktor penguapan yang telah dikenal

Untuk memahami arti temuan ini, mari meninjau faktor-faktor yang selama ini diketahui memengaruhi laju penguapan.

1. Panas:Molekul air selalu bergerak. Penyerapan energi panas meningkatkan energi gerak rata-ratanya. Molekul di permukaan yang memiliki energi cukup dapat mengatasi gaya tarik dalam cairan dan keluar sebagai uap.
2. Luas Permukaan:Laju penguapan juga bergantung pada luas permukaan air. Permukaan yang lebih luas memungkinkan lebih banyak molekul bersentuhan dengan udara dan menguap.
3. Kelembapan:Kandungan uap air dalam udara di dekat permukaan memengaruhi penguapan bersih. Semakin dekat udara dengan keadaan jenuh, umumnya semakin lambat penguapan. Pada suhu yang sama, udara kering biasanya lebih mendukung penguapan daripada udara lembap.
4. Pergerakan Udara:Angin dan aliran udara membawa uap air menjauh dari permukaan. Hal ini dapat menurunkan kelembapan setempat dan memungkinkan lebih banyak air menguap.
5. Tekanan:Tekanan lingkungan yang lebih rendah menurunkan titik didih air. Pengaruhnya terhadap penguapan permukaan juga bergantung pada suhu, tekanan parsial uap air, dan pembuangan uap. Pendidihan berbeda dari penguapan permukaan.
6. Suhu Air:Selain sumber panas dari luar, suhu air sendiri berperan. Air yang lebih hangat umumnya menguap lebih cepat karena energi rata-rata molekulnya lebih tinggi.

Dalam penguapan termal biasa, molekul meninggalkan cairan ketika energinya cukup. Suhu, kelembapan, tekanan, aliran udara, dan luas permukaan yang terbuka memengaruhi laju penguapan bersih. Studi 2023 meneliti kemungkinan kontribusi langsung foton.

Membedakan penguapan, pendidihan, dan kondensasi

Perubahan cairan menjadi gas dapat berlangsung melalui beberapa proses. Istilah berikut membantu menjelaskannya.

Vaporisasi:Istilah umum untuk perubahan cairan menjadi gas, yang mencakup penguapan permukaan dan pendidihan. Saat mendidih, gelembung uap terbentuk di dalam cairan ketika tekanan uap menyamai tekanan lingkungan.

Kondensasi: Dalam kondensasi, uap berubah menjadi cairan, misalnya akibat pendinginan.

Penguapan permukaan berlangsung pada batas antara cairan dan gas serta dapat terjadi di bawah titik didih.

Bagaimana penelitian dilakukan?

Tim MIT menjalankan eksperimen dan simulasi pada air yang berada dalam hidrogel, yaitu jaringan material yang dapat menahan banyak air. Mereka ingin memahami pengukuran terdahulu yang menunjukkan penguapan melebihi perkiraan berdasarkan energi panas yang diberikan.

Peneliti menyinari hidrogel berisi air dengan simulator surya dan berbagai panjang gelombang, lalu mengukur kehilangan massa serta suhu. Lampu diberi pelindung untuk membatasi tambahan panas. Penguapan paling kuat terjadi pada cahaya hijau sekitar 520 nanometer. Pemanasan listrik dengan masukan energi termal sebanding tidak menghasilkan pelampauan batas termal yang sama.

Tim menjelaskan hasil itu melalui hipotesis bahwa foton cahaya tampak dapat langsung melepaskan gugus molekul air dari antarmuka. Mereka menamainya efek fotomolekuler. Pengamatan mendukung adanya kontribusi nontermal pada penguapan; cahaya tetap memasok energi sehingga hukum kekekalan energi tetap berlaku.

Mengapa temuan ini penting?

Jika mekanismenya dikonfirmasi lebih lanjut dan dapat dimanfaatkan, penerapannya mungkin mencakup industri dan ilmu lingkungan. Pengaturan penguapan berpotensi membantu pengembangan material, pengelolaan panas, serta sistem penyimpanan dan pemulihan energi.

Dalam pertanian, penelitian lanjutan dapat menguji apakah pembatasan panjang gelombang tertentu membantu mengurangi kehilangan air akibat penguapan dan meningkatkan efisiensi irigasi.

Pemahaman yang lebih baik tentang penguapan pada tetesan dan permukaan lain dapat membantu pemodelan awan, kabut, dan siklus air.

Industri farmasi dan pangan dapat menjajaki proses pengeringan yang lebih efisien serta pengendalian pelepasan kelembapan yang lebih tepat.

Pada bangunan dan lingkungan perkotaan, mekanisme ini dapat membuka peluang pendinginan evaporatif bertenaga surya. Ini merupakan arah pengembangan potensial, belum berupa sistem komersial yang dibuktikan dalam studi tersebut.

Potensi penerapan dalam desalinasi

Peneliti menyoroti desalinasi bertenaga surya sebagai salah satu penerapan potensial. Tahap penguapan yang lebih efisien dapat bermanfaat jika uap kemudian ditangkap dan dikondensasikan menjadi air tawar.

Desalinasi memisahkan garam terlarut dari air. Prosesnya dapat memakai penguapan dan kondensasi atau membran, seperti osmosis balik. Energi surya dapat menyediakan panas maupun listrik. Perusahaan berikut menggambarkan berbagai kegiatan di sektor ini; studi tersebut tidak menunjukkan bahwa mereka telah memakai efek fotomolekuler.

Consolidated Water (CWCO ) (NASDAQ: CWCO): Consolidated Water berbasis di Kepulauan Cayman dan didirikan pada 1973. Perusahaan ini merancang, membangun, dan mengoperasikan fasilitas pengolahan air serta desalinasi air laut, terutama dengan osmosis balik.

Gambaran pasar dalam artikel asli tahun 2023 mencantumkan angka berikut untuk Consolidated Water.

Kapitalisasi pasar: US$465.675.764

Rasio harga terhadap proyeksi laba tahun berikutnya: 20,06

Laba per saham (EPS): tidak tersedia

Solar Water Plc: Perusahaan Inggris ini mengembangkan konsep kubah surya untuk desalinasi, yang ditujukan bagi wilayah dengan sinar matahari melimpah dan air tawar terbatas. Pada 2020, NEOM mengumumkan perjanjian proyek percontohan teknologi tersebut.

Abengoa:Grup Spanyol ini memiliki pengalaman dalam fasilitas desalinasi skala besar dan proyek energi surya, termasuk di Timur Tengah dan Afrika Utara.

Abengoa mengalami kesulitan keuangan selama bertahun-tahun. Pada April 2023, unit-unit produksinya ditetapkan untuk dialihkan kepada Cox Energy melalui proses insolvensi. Efisiensi proses air dan energi tetap penting bagi kegiatan tersebut.

Contoh-contoh ini menunjukkan beragam pendekatan penyediaan air. Desalinasi dapat membantu memenuhi kebutuhan air tawar di wilayah kering, dengan tetap mengelola penggunaan energi, biaya, dan air garam pekat yang dihasilkan.

Kesimpulan

Temuan ini menunjukkan bahwa bahkan konsep dan proses yang sudah dikenal masih dapat menyimpan mekanisme baru untuk diteliti. Potensi penerapannya mencakup desalinasi, pengeringan, pemodelan iklim, dan pendinginan.

Bagi perusahaan seperti Consolidated Water, Veolia, dan Solar Water Plc, kemajuan ilmiah dapat membuka peluang pengembangan. Mengubah hasil laboratorium menjadi solusi yang andal dan ekonomis memerlukan pengujian lanjutan.