Sterilisasi Air minum dengan secarik kain dan Nano desinfektan

Pengetahuan tentang material nano perlahan mulai merevolusi aneka proses industri dan kehidupan sehari-hari. Seiring dengan turunnya mutu air baku untuk air minum atau untuk industri kimia, teknologi proses untuk mendapatkan  air yang bersih dan bebas kuman juga semakin canggih. Pada masa kini kita sudah mengenal proses pemurnian air menggunakan membran penyaring dan menerapkan kaidah osmosis terbalik (reverse osmosis membrane, ROM). Walau teknologi tersebut bisa dikatakan sudah mapan dan jitu untuk mendapatkan air bersih, tetap saja memiliki masalah diantaranya adalah pembentukan biofilm mikroorganisme (biofouling) pada permukaan membran. OK, kita mungkin juga tahu bahwa menggunakan radiasi sinar ultra ungu bisa membunuh kuman tapi belum tentu mencegah terjadinya biofouling. Dalam praktek sehari-hari larutan encer sodium hipoklorit (NaClO) juga digunakan sebagai agen pembunuh bakteri dalam air, namun memanfaatkan cara ini untuk pengolahan air minum mungkin kurang sehat. Untuk mengatasi masalah-masalah tersebut, ilmuwan menawarkan salah satu pemecahan dengan memanfaatkan nano material.

Membran osmosis terbalik dan biofouling

Unit alat membran osmosis terbalik dan contoh terjadinya biofouling oleh mikroorganisme pada permukaan membran.

Proses penjernihan air menggunakan ROM prinsipnya adalah menekan aliran air umpan melewati membran polimer sehingga aneka pengotor akan tertahan pada sisi umpan dan mendapatkan air bersih pada sisi membran yang lain. Ukuran pori membran bakal menentukan mutu air bersih namun tidak secara selektif menahan semua mikroorganisme. Lagipula, sistem ROM tidak otomatis membunuh mikroorganisme yang tertahan pada permukaan membran akibatnya terjadi penumpukan populasi mikroorganisme hidup yang dikenal sebagai biofouling. Biofouling lama kelamaan bisa mengurangi produktifitas proses penjernihan air sekaligus merusak membran.

Mekanisme pembunuhan mikroorganisme dengan perak nano

Telah lama diketahui bahwa partikel perak berukuran nano memiliki aktifitas layaknya zat desinfektan yaitu membunuh kuman. Salah satu proposal teori menjelaskan bahwa perak nano perlahan-lahan mengalami oksidasi dan melepaskan ion Ag⁺ sehingga meracuni protein dan material genetis mikroorganisme. Pendapat lain menyebutkan bahwa partikel perak nano dapat menjebol membran sel yang mengakibatkan keluarnya material biologis dan kematian sel.

Nano material, tekstil, dan sterilisasi air [1]

Para penggemar nanoteknologi menemukan kenyataan bahwa banyak logam ukuran nano, karbon pipa nano (carbon nanotube, CNT), dan fullerene (klaster karbon berbentuk bola) memiliki afinitas (kelekatan) yang tinggi pada secarik kain katun (juga pada beberapa kain lain). Pengetahuan ini dimanfaatkan untuk melekatkan partikel nano pada selembar kain (immobilized) untuk kemudian digunakan pada berbagai keperluan dan salah satunya adalah proses sterilisasi air minum.

Kain atau tekstil, misalnya katun yang telah dibubuhi partikel perak nano (dengan cara mencelupkannya pada larutan yang mengandung partikel nano atau dikenal sebagai proses impregnasi lalu selanjutnya dikeringkan) ternyata mampu membunuh bakteri E. coli dalam air yang dilewatkan pada membran sederhana.

Mikroorganisme dapat pula terbunuh akibat terkena tegangan listrik dan pengetahuan ini juga dimanfaatkan dalam proses sterilisasi air. Dalam penerapannya, membran yang akan digunakan sebagai penyaring perlu dilapisi dengan material penghantar listrik (konduktor). Karena karbon pipa nano atau CNT memiliki kemampuan sangat baik dalam menghantarkan listrik sekaligus mudah melekat kuat pada kain, material ini dipilih dalam modifikasi penyaring air berbahan kain.

Skema alat sterilisasi air sangat sederhana terdiri dari komposit kapas-perak nano-CNT, corong gelas, dan rangkaian listrik.

Untuk mendapatkan hasil yang optimal, kombinasi dua sistem pembunuh sel mikroorganisme yang telah disebutkan tadi coba di terapkan pada secarik kapas (katun) yang dianggap sebagai representasi bahan kain. Secara ringkas metodenya dijelaskan sebagai berikut (lihat skema), secarik kapas dicelupkan pada larutan yang mengandung CNT selanjutnya ditambahkan larutan yang mengandung partikel perak nano dan kemudian dikeringkan. Kapas yang sudah mengandung material nano tadi (komposit kapas-perak nano-CNT) diuji dengan cara ditempatkan pada sebuah corong gelas. Sebuah rangkaian listrik dihubungkan dengan kapas tadi (yang sekarang telah memiliki kemampuan menghantar listrik karena ditempeli CNT).

Air yang mengandung bakteri E. coli kemudian dialirkan pada corong dan tetesannya dianalisa untuk mengetahui berapa persen bakteri yang berhasil dibunuh. Terlihat pada gambar, kurang lebih 80-90% bakteri berhasil dimatikan setelah kapas yang mengandung perak nano dan CNT dialiri listrik 20 volt (positif atau negatif). Pada saat aliran listrik dimatikan, kapas yang sama masih mampu membunuh bakteri hampir 20%. Sedangkan kapas yang hanya mengandung CNT jauh lebih sedikit membunuh bakteri walaupun sudah dialiri listrik.

Hasil percobaan eliminasi bakteri E. coli dalam air menggunakan komposit kapas-perak nano-CNT dibandingkan dengan komposit kapas-CNT yang dialiri listrik (kiri). Perbandingan populasi bakteri setelah dilewatkan pada aneka membran polos dibanding dengan membran yang ditempeli partikel perak nano (kanan).

Percobaan lain menggunakan material berbeda menunjukkan bahwa aktifitas serupa juga terjadi. Sebagaimana terlihat pada diagram statistik berikut ini, polimer PTFE (Teflon), kertas, maupun komposit kapas-CNT mampu menurunkan densitas populasi bakteri yang terkandung dalam air. Cara ini diharapkan suatu saat dapat diterapkan pada skala yang lebih besar atau disatukan dengan sistem penjernih air osmosis terbalik sehingga pembentukan biofilm mikroorganisme pada permukaan membran (biofouling) dapat dikurangi atau bahkan dicegah. Sistem ini juga memiliki keunggulan dalam lingkup kimia dan teknologi hijau karena bisa memperpanjang umur membran sehingga mengurangi sampah membran habis pakai. Selain itu, proses ini mungkin dapat menggantikan peran senyawa klorin sebagai agen pembunuh kuman dalam pengolahan air minum. Namun, hal yang wajib diteliti lebih lanjut adalah dugaan lepasnya (leaching) partikel nano sepanjang operasional alat yang tentu saja bisa memberikan dampak buruk pada kesehatan manusia dan lingkungan.

Salam Hijau!

Daftar pustaka

[1] D. T. Schoen, A. P. Schoen, L. Hu, H. S. Kim, S. C. Heilshorn, and Y. Cui, High speed water sterilization using one-dimensional nanostructures, Nano Letters 10 (2010) 3628-3632.

Ditandai sebagai:air, biofouling, carbon nano tube, membran, nanoteknologi, perak, sterilisasi

Posted in: Artikel Kimia