Menurut PBB, 2,2 miliar orang masih belum memiliki akses terhadap air minum yang dikelola secara aman. Untuk memenuhi permintaan yang terus meningkat, banyak wilayah, mulai dari California hingga sebagian Timur Tengah, mengandalkan pabrik desalinasi yang mengubah air laut menjadi air tawar.
Metode desalinasi tradisional seperti osmosis balik dan distilasi termal bisa mahal dan boros energi. Mereka sering kali memerlukan perawatan kimia sebelum dan sesudah pengolahan air dan menghasilkan air garam pekat dalam jumlah besar yang disebut air garam. Ketika dilepaskan ke laut, air garam dapat merusak ekosistem laut dengan meningkatkan salinitas dan menurunkan kadar oksigen.
Para peneliti di Universitas Rochester telah mengembangkan pendekatan baru yang dapat mengatasi banyak tantangan ini. Sistem desalinasi bertenaga surya mereka menghasilkan air bersih secara efisien, beroperasi tanpa pengolahan awal secara kimia, dan menghindari timbulnya limbah air garam. Penelitian ini dipimpin oleh Chunlei Guo, profesor optik dan fisika serta ilmuwan senior di Laboratorium Energi Laser Universitas. Tim menggambarkan teknologi tersebut dalam jurnal Cahaya: sains dan aplikasi.
Panel surya yang diolah dengan laser mendorong proses ini
Sistem ini mengandalkan panel surya logam hitam yang dirancang khusus dan bertekstur dengan laser femtosecond. Perawatan ini memberi permukaan dua sifat penting. Ia menyerap hampir semua sinar matahari yang masuk dan sangat menarik air, suatu karakteristik yang dikenal sebagai superwicking.
Wilayah berpola laser aktif menarik lapisan tipis air laut pada panel. Saat sinar matahari diserap, air menguap dan disuling menjadi air tawar. Pada saat yang sama, garam dan mineral terlarut dipindahkan dari zona aktif dan diendapkan pada bagian panel yang tidak diolah yang disebut daerah pasif.
Dengan mengarahkan garam menjauh dari zona penguapan, desain ini mencegah penumpukan apa pun yang mungkin mengganggu kelanjutan pengoperasian.
Gunakan efek cincin kopi untuk mencegah penyumbatan
Guo mencatat bahwa beberapa teknologi desalinasi panas matahari telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam penelitian laboratorium menggunakan air laut sederhana yang hanya terdiri dari air dan natrium klorida.
Dalam percobaan ini, kristal natrium klorida terbentuk dalam struktur berpori yang longgar saat air menguap. Air dapat terus mengalir melalui kristal-kristal ini, melarutkannya dan membuat sistem relatif mudah dibersihkan.
Air laut sebenarnya jauh lebih rumit.
Selain natrium klorida, lautan mengandung banyak mineral terlarut lainnya. Bahan yang mengandung magnesium dan kalsium sering kali membentuk kerak yang keras dan padat saat mengkristal. Endapan ini dapat menghalangi aliran air dan kemungkinan menghentikan proses desalinasi.
Masalahnya mirip dengan penumpukan kerak mineral di ketel teh atau pancuran yang tersumbat seiring berjalannya waktu, hanya saja air laut mengandung konsentrasi garam terlarut yang jauh lebih tinggi.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim Rochester dengan hati-hati merancang alur mikroskopis pada permukaan black metal. Pola ini mendorong garam dan mineral menjauh dari daerah aktif sebelum terakumulasi.
Para peneliti juga memanfaatkan fenomena fisik yang dikenal sebagai efek cincin kopi.
“Jika Anda menjatuhkan kopi ke permukaan, air pada akhirnya akan menguap dan Anda akan mendapatkan cincin di tepi luar yang berisi partikel kopi pekat,” kata Guo. “Kami menggunakan prinsip yang sama untuk memindahkan garam ke wilayah pasif.”
Ketika tim menguji teknologi tersebut menggunakan sampel air yang dikumpulkan dari Samudera Pasifik, Atlantik, dan Hindia, permukaannya secara efektif dibersihkan. Air tawar terus diekstraksi sementara garam dialirkan ke daerah pasif, yang kemudian dapat dikumpulkan tanpa mengurangi kinerjanya.
Pulihkan mineral berharga alih-alih menghasilkan limbah
Salah satu keuntungan terpenting dari sistem ini adalah apa yang terjadi pada sisa garam.
Desalinasi konvensional menghasilkan air garam cair yang harus diolah, dibuang atau dilepaskan ke lingkungan. Proses baru ini memulihkan hampir semua garam terlarut dalam bentuk padat.
Bahan-bahan yang diperoleh kembali ini dapat menjadi sumber daya yang berharga. Selain menghasilkan garam meja, proses ini dapat membantu mengekstraksi mineral penting seperti litium, bahan utama baterai litium-ion yang digunakan pada kendaraan listrik dan banyak barang elektronik konsumen.
Dalam penelitian terkait yang diterbitkan di Jurnal Kimia Material AGuo dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa panel surya superwick yang sama juga dapat memisahkan litium dari garam lainnya.
Untuk melakukan hal ini, para peneliti mengintegrasikan nanopartikel hidrogen titanat ke dalam alur mikroskopis di permukaan logam hitam. Partikel-partikel ini secara selektif mengisolasi litium dari mineral terlarut lainnya.
“Mengekstraksi litium dari Bumi terbukti sangat membebani dari sudut pandang energi dan lingkungan, sehingga mengekstraksi litium langsung dari air asin bisa menjadi jalur yang sangat penting di masa depan,” kata Guo.
Dengan menggunakan air dari Great Salt Lake di Utah, tim dapat memulihkan sekitar 50 persen litium yang terkandung dalam garam yang tersisa setelah desalinasi.
Potensi produksi air tawar skala besar
Meskipun teknologi tersebut sejauh ini hanya ditunjukkan pada perangkat pembuktian konsep, Guo yakin pendekatan ini dapat ditingkatkan secara signifikan.
Jika berhasil diperluas, sistem ini dapat membantu meningkatkan akses terhadap air bersih sekaligus menciptakan sumber mineral penting yang lebih berkelanjutan.
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation, Bill & Melinda Gates Foundation dan Global Universities Network. Kontributor Institut Optik lainnya termasuk ilmuwan senior Subash Singh, alumnus Ran Wei ’24 (PhD), mahasiswa doktoral Luheng Tang dan Tainshu Xu, dan Mingjiang Ma.
