Para peneliti di Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sedang menguji dua teknologi yang dirancang untuk menghancurkan zat per dan polifluoroalkil (PFAS), sejenis bahan kimia industri yang dikenal tahan terhadap proses degradasi alami dan konvensional.
Pendekatan pertama menggunakan kavitasi hidrodinamik, yang menciptakan dan menghancurkan gelembung uap kecil di air yang terkontaminasi. Yang kedua menggabungkan plasma atmosfer dingin dengan dispersi gas. Analisis yang dilakukan oleh spesialis dari Pusat Penelitian Lingkungan Helmholtz (UFZ) menegaskan bahwa molekul PFAS terdegradasi dan fluorida dilepaskan selama pemrosesan.
Ketika teknologi ini cukup dikembangkan untuk penggunaan komersial, teknologi ini dapat membantu industri mengolah air limbah yang terkontaminasi sebelum mencapai sungai, danau, dan lautan.
Mengapa PFAS sangat sulit dihancurkan
Beberapa PFAS diduga merusak materi genetik dan meningkatkan risiko kanker, meskipun efek biologis dari banyak senyawa dalam kelompok ini masih kurang dipahami. Lebih dari 10.000 bahan kimia industri rantai pendek dan rantai panjang diklasifikasikan sebagai PFAS.
Daya tahannya yang luar biasa berasal dari ikatan karbon-fluor yang sangat stabil, yang merupakan salah satu ikatan terkuat dalam kimia organik. Resistensi ini membuat PFAS mendapat julukan “bahan kimia selamanya.”
PFAS dapat memasuki sungai dan lautan melalui air limbah dan kini telah menyebar ke seluruh dunia. Para peneliti juga baru-baru ini mendeteksi konsentrasi tinggi di Elbe, yang menimbulkan potensi risiko kesehatan bagi tanaman, hewan, dan manusia.
Sebagai bagian dari “Strategi Air Nasional” Jerman, yang bertujuan untuk melindungi sumber daya air dan menjamin pasokan air minum negara tersebut, para ilmuwan HZDR sedang mempelajari cara-cara untuk mengurangi kontaminasi PFAS dan secara sistematis memusnahkan bahan kimia, bukan sekadar membuang atau memindahkannya.
Sebuah studi pendahuluan yang diluncurkan pada tahun 2022 dipimpin oleh peneliti pascadoktoral Dr Ysabel Huaccallo-Aguilar. Timnya meneliti apakah kavitasi hidrodinamik dapat menurunkan PFAS dalam air.
Runtuhnya gelembung menciptakan kondisi ekstrem
“Dalam kavitasi hidrodinamik, kita melewatkan air yang diperkaya PFAS melalui penyempitan, menghasilkan gelembung uap kecil,” jelas Dr. Sebastian Reinecke, kepala Departemen Teknologi Air dan Lingkungan di HZDR.
PFAS rantai panjang berperilaku seperti zat aktif permukaan, menyebabkan zat tersebut menumpuk di dalam gelembung. Saat air bergerak melewati bagian yang menyempit, tekanan meningkat dan gelembung-gelembung tersebut pecah dengan hebat.
“Saat gelembung pecah di bawah tekanan lingkungan yang meningkat di air di bagian hilir tersedak, PFAS yang menempel pada gelembung tersebut terkena lonjakan suhu lokal beberapa ribu derajat Celcius,” jelas Reinecke.
Kavitasi juga menciptakan radikal hidroksil yang sangat reaktif. Molekul-molekul ini mudah bereaksi dengan zat di sekitarnya dan dapat membantu menghancurkan senyawa yang dihasilkan pada tahap awal degradasi PFAS.
“Hipotesis kami adalah mereka menyerang produk antara, sehingga meningkatkan degradasi PFAS secara signifikan.”
Huaccallo-Aguilar dan rekannya menunjukkan bahwa kavitasi dapat menurunkan PFAS dalam air keran sekaligus memineralisasi fluorida yang terikat secara organik. Ketika perlakuan dilanjutkan, jumlah fluorida yang diukur dalam air terus meningkat, menunjukkan bahwa fluorida dipisahkan dari molekul PFAS asli.
Eksperimen ini berfokus pada perfluorooctane sulfonate (PFOS), anggota keluarga PFAS yang sangat gigih dan telah dipelajari dengan baik. Pada akhir pengujian, proses tersebut telah mendegradasi sekitar 37 persen molekul PFOS terlarut sambil mempertahankan laju degradasi yang stabil.
“Kami saat ini sedang melakukan eksperimen lanjutan untuk meningkatkan laju degradasi,” kata Reinecke. “Tujuan kami adalah untuk meningkatkan proses hingga tingkat degradasi lebih dari 80 persen PFAS dalam larutan dan untuk memineralisasi lebih dari 50 persen fluor yang terikat dalam bahan kimia – yang berarti memutus ikatan karbon-fluor yang merupakan ciri khas PFAS.”
Plasma dingin dengan cepat menyerang PFAS
Dalam serangkaian percobaan terpisah, insinyur lingkungan Dr. Amit Kumar menggabungkan plasma atmosfer dingin dengan dispersi gas untuk menghancurkan PFAS.
Metode ini bekerja dalam kondisi lingkungan normal dan tidak memerlukan katalis atau bahan kimia tambahan. Selama penelitian doktoralnya, Kumar telah mempelajari bagaimana spesies kimia reaktif yang dihasilkan plasma dapat memecah mikropolutan. Dia mengadaptasi hasil ini untuk eksperimen PFAS.
“Kami menghasilkan plasma di permukaan air sekaligus memasukkan gas ke dalam air yang terkontaminasi PFAS,” kata Sebastian Reinecke, menjelaskan pengaturan eksperimentalnya. “PFAS menempel pada permukaan gelembung gas. Ketika gelembung tersebut naik, air terus bersirkulasi. Hal ini membawa PFAS ke permukaan, di mana mereka dipecah menjadi plasma.”
Perawatan plasma hampir sepenuhnya mendegradasi PFAS rantai panjang dan rantai pendek. Hal ini juga melepaskan sekitar 35 persen atom fluor yang awalnya terikat pada bahan kimia, mengubahnya menjadi garam fluorida.
Hasilnya lebih cepat dibandingkan dengan kavitasi, namun metode ini juga memiliki kelemahan yang signifikan.
“Meski metode ini memiliki kinetika reaksi yang jauh lebih cepat dibandingkan kavitasi, metode ini juga mengonsumsi lebih banyak energi per satuan volume,” catat Reinecke. “Selain itu, proses tersebut menghasilkan banyak produk transformasi yang belum dapat kita pelajari secara detail, misalnya senyawa gas yang terbentuk selama reaksi.”
Eksperimen tambahan sedang dilakukan untuk menentukan apakah produk pengolahan ini dapat menimbulkan risiko kesehatan. Para peneliti juga ingin mengidentifikasi cara mencegah pembentukan zat yang berpotensi membahayakan.
Menggabungkan kavitasi dan plasma
Tim tersebut saat ini sedang mengadaptasi sistem plasma untuk mengolah air terkontaminasi dalam jumlah yang lebih besar. Dengan menggunakan beberapa elektroda dan injektor gas yang direkayasa, para peneliti meningkatkan volume reaksi dari sekitar 50 mililiter menjadi lima liter.
Tujuan jangka panjangnya adalah menggabungkan pemrosesan plasma dan kavitasi hidrodinamik, menyatukan kekuatan kedua teknologi dalam satu sistem.
“Saya pikir kita akan mencapai tingkat degradasi yang tinggi dengan menggabungkan spesies plasma yang sangat reaktif dengan efek kavitasi,” kata Reinecke.
Jika pendekatan gabungan ini terbukti efektif, hal ini dapat menghasilkan teknologi baru yang lebih efektif untuk menghancurkan PFAS dalam air yang terkontaminasi sebelum bahan kimia tersebut menyebar ke lingkungan.
Penelitian ini didanai oleh Helmholtz Association Impulse and Networking Fund melalui Clean Water Technology Lab (CLEWATEC), sebuah Lab Inovasi Helmholtz, dengan nomor referensi HIL-A02. Proyek “HyKaPro SAB-EFRE” dan “Plasma4PFAS SAB-EFRE” dibiayai bersama oleh Uni Eropa dan pendapatan pajak yang disetujui oleh Parlemen Saxon dalam anggaran negaranya.
