Sebuah tim peneliti dari CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), Nanyang Technological University, Singapura dan SN Bose National Centre for Basic Sciences telah mengembangkan jenis baru membran filtrasi presisi tinggi. Studi yang dipublikasikan di Jurnal Persatuan Kimia Amerikamenjelaskan teknologi yang dapat membantu industri mengurangi konsumsi energi dan meningkatkan penggunaan kembali air secara signifikan.
Banyak kegiatan industri bergantung pada pemisahan zat yang berbeda satu sama lain. Proses pemisahan ini penting untuk tugas-tugas seperti pemurnian obat, pemrosesan pewarna tekstil, dan produksi makanan. Namun sektor ini juga merupakan salah satu aktivitas manufaktur yang paling boros energi, mencakup sekitar 40 hingga 50% konsumsi energi industri global.
Kebanyakan instalasi masih mengandalkan pendekatan tradisional seperti distilasi dan evaporasi. Meski efektif, metode ini memerlukan energi dalam jumlah besar dan berkontribusi signifikan terhadap emisi karbon. Filtrasi membran umumnya dianggap sebagai alternatif yang lebih bersih, namun membran polimer konvensional sering kali mengandung pori-pori yang berukuran tidak merata. Seiring waktu, pori-pori ini dapat berubah bentuk atau rusak, sehingga mengurangi kinerja dan membatasi kegunaannya dalam lingkungan industri yang berat.
POMbrane yang terinspirasi dari alam dengan pori-pori nanometer
“Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami merancang kelas baru membran kristal ultra-selektif yang disebut ‘POMbranes’, yang mengandung pori-pori selebar satu nanometer, ribuan kali lebih halus dari rambut manusia,” kata Dr. Shilpi Kushwaha, Ilmuwan Utama di CSMCRI.
Membran baru ini terinspirasi oleh sistem biologis seperti aquaporin, yang mengatur pergerakan molekul melalui saluran berukuran tepat. Untuk mencapai tingkat pengendalian tersebut, peneliti menggunakan cluster polyoxometalate (POM). Setiap cluster berisi bukaan alami yang lebarnya tepat 1 nanometer dan tetap stabil secara permanen.
Menurut Ibu Priyanka Dobariya, seorang peneliti di CSMCRI dan salah satu penulis pertama makalah ini, “POM ini adalah kelompok logam kecil berbentuk mahkota yang memiliki lubang permanen dan sempurna di tengahnya yang tidak berubah atau kehilangan bentuknya, yang merupakan kendala terbesar pada filter plastik tradisional.”
Membangun saringan molekuler ultrahalus
Membuat membran praktis memerlukan pengaturan miliaran struktur cincin kecil ini dalam lapisan yang berkesinambungan dan bebas cacat. Untuk melakukan hal ini, para peneliti memasangkan rantai kimia fleksibel pada kluster Badan POM.
Ketika cluster yang dimodifikasi ditempatkan di atas air, mereka secara alami menyebar dan disusun menjadi film ultra tipis dengan luas permukaan yang besar. Dengan mengubah panjang rantai yang terpasang, tim dapat mengontrol seberapa dekat cluster tersebut.
“Hal ini memaksa molekul untuk melewati membran melalui satu-satunya jalur terbuka, yaitu lubang nanometer yang tertanam di setiap kelompok, sehingga membran dapat bertindak sebagai saringan berteknologi tinggi,” tambah Dr Raghavan Ranganathan, profesor di Departemen Teknik Material di IITGN.
Dr Ranganathan dan Mr Vinay Thakur, seorang mahasiswa doktoral di IITGN dan salah satu penulis makalah tersebut, juga melakukan simulasi pada tingkat molekuler yang mengungkap bagaimana membran menjalankan fungsi penyaringannya.
Kinerja pemisahan hampir sepuluh kali lebih baik
Pengujian menunjukkan bahwa membran dapat membedakan molekul yang berbeda hanya 100 hingga 200 Dalton, tingkat presisi yang sangat sulit dicapai dengan membran polimer konvensional.
Menurut Dr Ketan Patel, ilmuwan senior di CSMCRI, kemampuan ini dapat menciptakan peluang baru untuk proses manufaktur yang lebih berkelanjutan.
“Membran kami menunjukkan kinerja pemisahan hampir sepuluh kali lebih baik dibandingkan teknologi yang ada, namun tetap fleksibel, stabil, dan terukur,” katanya.
“Selain itu, membran ini fleksibel, stabil pada tingkat keasaman (rentang pH) yang berbeda, dan dapat diproduksi dalam lembaran besar. Kombinasi ini penting jika membran ingin diadopsi secara luas di industri.”
Potensi manfaat untuk daur ulang tekstil dan air
Teknologi ini bisa sangat bermanfaat bagi industri tekstil dan farmasi India, yang keduanya memainkan peran penting dalam perekonomian negara tersebut.
Sektor tekstil dan pakaian India menyumbang lebih dari 2,3% PDB dan menyumbang sekitar 13% produksi industri. Pasar domestik saat ini bernilai $160-225 miliar dan diperkirakan akan mencapai $250-350 miliar pada tahun 2030.
Operasi pewarnaan dan penyelesaian akhir tekstil menghasilkan air limbah yang terkontaminasi dalam jumlah besar, sehingga pembuangan pewarna dan penggunaan kembali air menjadi tantangan yang terus-menerus. Membran baru ini secara selektif dapat menghilangkan molekul pewarna sekaligus memungkinkan daur ulang air, sehingga mengurangi kebutuhan air tawar dan limbah kimia. Keuntungan ini sangat penting mengingat pasar pengolahan air limbah India terus berkembang.
Aplikasi dalam manufaktur farmasi
Membran juga dapat bermanfaat bagi produksi farmasi, dimana pemisahan yang sangat presisi sangat penting untuk kualitas produk dan efisiensi produksi.
“Proses seperti pemurnian obat dan pemulihan pelarut memerlukan banyak energi dan sensitif terhadap kualitas,” tegas Vinay Thakur. “Membran yang sangat selektif seperti ini dapat mengurangi konsumsi energi namun tetap memenuhi standar ketat yang disyaratkan dalam produksi farmasi.”
Sebuah platform teknologi untuk manufaktur berkelanjutan
Para peneliti menggambarkan POMbranes baru sebagai platform teknologi serbaguna. Strukturnya yang dapat disesuaikan, selektivitas tinggi, dan kemampuannya menahan lingkungan kimia keras menjadikannya cocok untuk berbagai tugas pemisahan industri, mulai dari pengolahan air limbah hingga manufaktur bahan kimia tingkat lanjut.
Ketika industri semakin mencari teknologi yang menggabungkan efisiensi, daya tahan, dan keberlanjutan, membran molekuler dapat menjadi bagian penting dari sistem manufaktur generasi mendatang. Dengan menerapkan prinsip yang umum digunakan dalam biologi—kontrol presisi pada tingkat molekuler—dan mengadaptasinya ke teknologi material yang dapat diskalakan, para peneliti menunjukkan bagaimana desain yang terinspirasi dari alam dapat membantu memecahkan tantangan besar industri.
