Abstrak
Perubahan iklim dan pergeseran sosial ekonomi membebani sumber daya air, mengancam kesejahteraan publik dan ekosistem, sehingga sangat penting untuk mengatasi polutan berbahaya dalam air limbah industri sebelum masuk ke lingkungan. Di tengah transisi global menuju bioekonomi sirkular, biopolimer telah muncul sebagai alternatif yang menjanjikan untuk membran polimer sintetis. Biodegradabilitasnya menjadi produk sampingan yang tidak berbahaya menjadikannya sebagai pilihan yang ramah lingkungan. Bahan biopolimer, terutama dalam bentuk berserat, menawarkan fluks dan permeabilitas yang luar biasa, peningkatan ketahanan terhadap pengotoran, dan penyaringan yang sangat selektif. Luas permukaan spesifiknya yang luar biasa dan struktur berpori yang saling berhubungan menjadikannya pilihan yang unggul untuk aplikasi penyaringan tingkat lanjut. Kemajuan progresif dalam domain ini terungkap dengan mengintegrasikan bahan berbasis karbon ke dalam membran penyaringan biopolimer. Diwakili oleh bahan-bahan seperti MXene, graphene oxide, dan karbon nanotube, pengisi tersebut melengkapi membran biopolimer, menawarkan atribut luar biasa seperti luas permukaan yang luar biasa, kemampuan penyerapan dan pertukaran ion yang unggul, permeabilitas selektif, keserbagunaan kimia, dan fitur antibakteri. Tinjauan komprehensif ini menyelidiki seluk-beluk rekayasa membran biopolimerik, menekankan evolusinya menjadi struktur yang efisien untuk pengolahan air limbah. Tinjauan ini juga mengeksplorasi penggabungan sinergis jaringan biopolimerik dengan nanostruktur berbasis karbon, menyoroti potensi kolektifnya dalam memajukan membran hijau yang sadar lingkungan dan mencapai tujuan akhir untuk memastikan sumber daya air bersih.
1 Pendahuluan
Kontaminasi sumber daya air oleh berbagai polutan organik dan anorganik telah melonjak dalam beberapa dekade terakhir, didorong oleh pembuangan air limbah industri, aktivitas pertanian, limbah kota, dan transformasi lingkungan karena pemanasan global. [ 1 ] Diperkirakan oleh [ 2 ] estimasi, pembangkitan air limbah global tahunan adalah ≈359,4 × 109 m 3 , yang mana 225,6 × 109 dan 188,1 × 109 m 3 dikumpulkan dan diolah, masing-masing. Penelitian dari Organisasi Kesehatan Dunia menunjukkan bahwa pengawasan air limbah, kebersihan air awal, dan tindakan sanitasi dapat mengurangi infeksi yang ditularkan melalui air seperti diare hingga 35%. [ 3 ] Selain itu, proyeksi menunjukkan bahwa hampir dua pertiga dari populasi global mungkin menghadapi tantangan kelangkaan air pada tahun 2050. [ 4 ]
Banyak metode—mulai dari filtrasi, [ 5 ] sedimentasi, [ 6 ] desinfeksi, [ 7 ] filtrasi membran, [ 8 ] dan adsorpsi, [ 9 ] telah dieksplorasi secara luas untuk mengolah air. Gambar 1a menggambarkan ilustrasi skematis dari berbagai langkah yang digunakan untuk menghilangkan kotoran dari air. Namun, metode tradisional mungkin memiliki kekurangan seperti penghilangan polutan yang tidak efisien, pengotoran, ketidakmampuan untuk regenerasi, pembentukan produk sampingan yang beracun, dan tingkat produksi yang rendah. [ 10 ] Akibatnya, ada kebutuhan mendesak untuk strategi pengolahan air canggih yang mampu menghilangkan polutan secara efisien.
Teknik filtrasi membran, yang meliputi mikrofiltrasi, nanofiltrasi, dan ultrafiltrasi, telah menjadi terkenal karena menghilangkan berbagai kontaminan air—mulai dari partikel dan koloid hingga patogen yang membandel dan terbawa air seperti bakteri, jamur, alga, protozoa, dan virus. [ 4 , 9 ] Membran dikategorikan menjadi struktur simetris dan asimetris, yang berbeda dalam homogenitas pori dan arsitektur. Sementara membran simetris memiliki satu lapisan dengan ukuran pori yang seragam, membran asimetris terdiri dari dua lapisan, yang memberikan peningkatan fluks air. [ 10 , 11 ]
Akibatnya, proses berbasis membran seperti adsorpsi dan filtrasi merupakan teknologi modern yang andal, yang memastikan penyediaan air bersih dan aman. Komposisi membran sangat memengaruhi kinerja dan biaya terkait dalam pengolahan air. [ 10 ] Elemen polimer dalam konfigurasi membran memainkan peran penting dalam efisiensi filtrasi jangka pendek dan jangka panjang. Polimer sintetis digunakan secara luas karena kemudahan produksi dan ketersediaannya, namun polimer tersebut rentan terhadap pengotoran, menunjukkan kepekaan terhadap berbagai kondisi, dan menimbulkan masalah lingkungan. [ 12 ] Namun, transisi dari polimer sintetis konvensional ke biopolimer menjanjikan, menawarkan fitur luar biasa seperti biodegradabilitas, biokompatibilitas, peningkatan kapasitas adsorpsi, kemampuan fungsionalisasi permukaan, dan keberlanjutan lingkungan. Dalam upaya mencapai tujuan ini, sejumlah penelitian telah mengeksplorasi kombinasi inovatif polimer sintetis dan biopolimer. Pendekatan ini bertujuan untuk menciptakan membran yang efisien dan ramah lingkungan, yang dirancang khusus untuk menghilangkan zat warna dan kontaminan logam berat secara efektif. Selain itu, pembuatan bahan biopolimer dalam arsitektur berserat telah menawarkan fluks dan permeabilitas yang lebih tinggi, serta meningkatkan ketahanan terhadap pengotoran sebagai hasil dari luas permukaan spesifik yang luar biasa dan struktur yang sangat berpori. [ 13 ] Inisiatif berkelanjutan ini telah dengan teguh memprioritaskan pembuatan membran berserat yang terbuat dari polimer alami, yang menekankan atributnya yang berkelanjutan dan ramah lingkungan. Komitmen ini memperjuangkan tanggung jawab lingkungan dan membuka jalan bagi solusi inovatif yang sejalan dengan masa depan yang lebih hijau. Meskipun tantangan tetap ada untuk membran berbasis biopolimer, kemajuan teknologi yang sedang berlangsung mendorong upaya untuk meningkatkan bahan ramah lingkungan ini.
Kemajuan terbaru dalam nanoteknologi telah membuka kemungkinan baru untuk meningkatkan kinerja dan efektivitas sistem pengolahan air. Secara khusus, mengintegrasikan nano-sorben ke dalam filtrasi membran telah muncul sebagai strategi yang layak dan praktis untuk meningkatkan kinerja membran. [ 14 ] Dalam bidang ini, bahan berlapis karbon seperti MXene, [ 15 ] graphene oxide (GO), [ 16 ] karbon aktif, [ 17 ] atau karbon nanotube (CNT), [ 18 ] telah menunjukkan kinerja yang luar biasa karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi dan sifat adsorpsi yang unik. Penggabungan nanostruktur berlapis karbon ke dalam membran berbasis biopolimer telah menunjukkan hasil yang luar biasa, termasuk peningkatan efisiensi filtrasi, peningkatan kapasitas adsorpsi, ketahanan terhadap pengotoran, peningkatan karakteristik mekanis, dan kemampuan pemisahan selektif. Integrasi ini menandakan langkah maju yang signifikan menuju pencapaian sistem filtrasi air efisiensi tinggi.
Lonjakan publikasi terindeks Scopus pada nanomaterial berbasis karbon berlapis 2D, dengan fokus pada MXene, GO, dan CNT, di samping penggunaan membran berbasis biopolimer untuk pengolahan air limbah, menggunakan biopolimer atau polimer alami sebagai kata kunci, digambarkan dalam Gambar 1b,c , masing-masing. Gambar-gambar ini menggambarkan fokus penelitian yang meningkat dalam domain ini, menegaskan minat substansial di antara para peneliti dalam menyelidiki potensi membran berbasis biopolimer yang dapat beradaptasi dan nanomaterial berlapis karbon. Gambar 1d menawarkan peta visualisasi bibliometrik komprehensif yang memamerkan pengolahan air limbah berbasis membran yang dibuat menggunakan perangkat lunak penampil VOS. Ini menguraikan dampak membran berbasis biopolimer dan aditif berlapis karbon, menyoroti potensi sinergis mereka dalam mencapai proses filtrasi kinerja tinggi. Selain itu, Gambar 1e secara skematis mengungkapkan peran penting membran berbasis biopolimer dalam pemurnian air dari kontaminan.
Meskipun ada kemajuan ini, masih belum ada tinjauan komprehensif yang meneliti komposit membran yang mengintegrasikan biopolimer dan nanostruktur berlapis karbon. Tinjauan ini bertujuan untuk menjembatani kesenjangan ini dengan terlebih dahulu menyelidiki peran penting membran berbasis biopolimer murni dalam pengolahan air limbah. Selanjutnya, tinjauan ini melakukan eksplorasi mendalam terhadap peningkatan yang diamati pada membran berbasis biopolimer setelah diintegrasikan dengan nanoarsitektur berlapis karbon, yang mencakup bahan-bahan seperti MXene, oksida grafena (GO), dan tabung nano karbon (CNT). Terakhir, tinjauan ini menguraikan cakrawala penelitian di masa mendatang, mengatasi tantangan yang ada, mengidentifikasi kesenjangan penelitian, dan mengusulkan pedoman untuk eksplorasi lebih lanjut dalam domain ini. Tinjauan ini menawarkan analisis komprehensif tentang lanskap membran berbasis biopolimer yang terus berkembang, yang menyajikan sintesis kritis potensinya bersama-sama dengan bahan berlapis karbon untuk solusi pengolahan air yang inovatif dan berkelanjutan.
2 Membran Berbasis Biopolimer Murni untuk Pengolahan Air Limbah
Telah terjadi lonjakan minat yang nyata seputar pemanfaatan material yang berkelanjutan secara ekologis, yang mengarah pada eksplorasi biopolimer dan nanokomposit terkait yang lebih luas. Material-material ini dianggap sebagai pengganti yang layak untuk polimer sintetis, yang menawarkan kualitas fungsional yang ditingkatkan. [ 19 ] Biopolimer adalah senyawa organik makromolekul yang tersebar luas pada hewan, tumbuhan, dan mikroorganisme. Mereka adalah sumber daya yang berkelanjutan dan ramah lingkungan dengan berbagai fungsi dan sifat fisik dan kimia yang sangat baik, yang digunakan secara luas dalam industri pembuatan kertas, makanan, dan minyak bumi. Sebagai jenis material hijau alami yang menghadapi masalah ekologi yang semakin serius, biopolimer telah menjadi substrat untuk memproduksi material komposit multifungsi. Misalnya, biopolimer, seperti selulosa, kitosan, lignin, dan alginat, memiliki kemampuan flokulasi yang luar biasa, [ 20 ] sifat antimikroba, [ 21 ] dan kapasitas adsorpsi, [ 22 ] yang membuatnya sesuai untuk berbagai aplikasi pengolahan air. [ 23 ] Gambar 2a menunjukkan sumber daya dan struktur beberapa biopolimer yang terkenal. Biopolimer menghadirkan solusi yang sangat baik untuk menggantikan membran sintetis, sehingga mengurangi konsumsi plastik dan meminimalkan limbah. Gambar 2b mengilustrasikan proses skematis dalam struktur membran berbasis bio untuk pengolahan air. Saat air melewati membran, partikel, padatan tersuspensi, bakteri, dan zat berbahaya lainnya tertahan, sehingga air bersih dapat melewatinya. Membran tersebut memiliki luas permukaan yang tinggi dan dapat menyerap polutan organik atau logam berat tertentu dalam air limbah.
Selulosa adalah polimer biologis yang terdistribusi secara luas di alam, yang memiliki keuntungan dari ekstraksi yang mudah, biodegradabilitas yang tepat, biokompatibilitas, dan keberlanjutan. Ini adalah bahan polimer alami yang kaya dan merupakan komponen utama dari sebagian besar dinding sel tanaman. [ 24 ] Membran selulosa bertindak sebagai penghalang yang secara selektif memisahkan kontaminan dalam air limbah, yang dihasilkan dari adsorpsi permukaan. [ 25 ] Dalam upaya yang dilakukan pada tahun 2015, Chan et al. [ 26 ] mengembangkan nanofibril selulosa dari sumber daya inti kenaf menggunakan teknik pemutihan klorit yang diasamkan, diikuti oleh prosedur disintegrasi. Berdasarkan hasil, setelah waktu kontak 1 menit, nanofibril selulosa dapat mengadsorpsi 100 mg mL −1 metilen biru, yang lebih tinggi daripada serat inti kenaf. Hasil ini dapat dikaitkan dengan mekanisme perpindahan massa dalam prosedur adsorpsi.
Sementara itu, sampel inti kenaf menunjukkan kombinasi adsorpsi cepat diikuti oleh metode lambat, mungkin karena aksi kapiler dalam struktur. Oleh karena itu, tidak adanya pori-pori dalam nanofibril selulosa yang disintesis menyebabkan ketergantungan mekanisme adsorpsi hanya pada proses adsorpsi. Dalam penelitian lain oleh Yang et al., [ 27 ] membran selulosa berstruktur nano dilaporkan sebagai struktur yang hebat dengan kekuatan mekanik tinggi 8 MPa dan fluks permeasi tinggi 127,6 ± 21,8 Lm −2 .h −1 .bar −1 . Dibandingkan dengan membran polimer sintetik, seperti PVDF/PES, membran selulosa menunjukkan daur ulang lengkap dalam prosedur pencucian, yang dapat dikaitkan dengan hidrofilisitasnya yang tepat bersamaan dengan permukaan bermuatan negatif.
Kitosan adalah polimer paling melimpah kedua setelah selulosa, yang terdiri dari unit β-(1→4)-ɒ-glukosamin dan N-asetil-ɒ-glukosamin. Sifat kationik dari pusat hidroksil dan amino aktif dalam struktur kitosan telah menunjukkan efek adsorpsi yang tepat pada ion logam dan pewarna. Sementara itu, kelemahan umum yang diperkenalkan untuk membran berbasis kitosan adalah stabilitas rendah dalam media asam, kekuatan mekanis yang buruk, dan stabilitas termal yang tidak memadai. Oleh karena itu, berbagai upaya telah dilakukan sejauh ini untuk meningkatkan karakteristik dan perilaku polimer yang menakjubkan ini dengan merancang arsitektur yang luar biasa atau menghasilkan struktur komposit baru. [ 28 ] Sebagai contoh, Sirijaree dan Praipipat [ 29 ] menyatakan bahwa manik-manik kitosan dapat menghalangi 99,4% polutan Pb (II) dari larutan berair. Juga ditunjukkan bahwa laju penghapusan dapat ditingkatkan dengan menaikkan dosis kitosan dari 0,1 menjadi 0,5 g, yang dihasilkan dari adanya lebih banyak situs aktif dalam struktur. Laju penghilangan ditingkatkan dengan meningkatkan pH dari 3 menjadi 5. Kinerja yang terhambat pada pH 3 dapat dikaitkan dengan protonasi kitosan pada pH asam dan persaingan antara larutan dan kation timbal. Khususnya, laju penghilangan menurun lagi dengan meningkatkan pH dari 5 menjadi 9.
Alginat, sebagai biopolimer alami yang berasal dari rumput laut, telah menuai minat signifikan dalam pengolahan air limbah karena biodegradabilitas yang tepat, toksisitas rendah, kapasitas penyerapan, mendukung mikroorganisme yang melumpuhkan, fitur flokulasi dan koagulasi, dan teralis penghilangan nutrisi. Manik-manik gel alginat dapat membungkus substrat untuk menyerap nutrisi atau penyerapan fisik ion. Dengan tujuan menghilangkan arsenik (As) dari air, Ociński et al. [ 30 ] mempertimbangkan keuntungan manik-manik alginat dalam merancang membran berkinerja tinggi. Residu pengolahan air yang dibungkus secara kimia dalam struktur manik-manik kalsium alginat digunakan untuk menghilangkan As dari larutan berair dengan pH netral. Efektivitas penyerapan adalah 3,3 mg.g −1 untuk arsenit dan 0,7 mg.g −1 untuk arsenat, ditunjukkan oleh manik sorben dengan konsentrasi larutan alginat 1% dan menahan residu 5%. Karena keberadaan gugus karboksilat pada pH netral mencegah difusi anion ke dalam manik-manik adsorben, langkah pembatas utama laju adsorpsi adalah difusi intrapartikel.
Sebagai produk sampingan dari industri kertas, lignin adalah salah satu biopolimer yang paling melimpah di bumi. Ini adalah istilah umum untuk sejumlah besar polimer aromatik yang diproduksi oleh kopling oksidatif 4-hidroksifenilpropana. Sifat adsorpsi adsorben berbasis lignin terkait dengan distribusi ukuran pori, luas permukaan spesifik, dan kimia unik permukaannya. Dalam beberapa dekade terakhir, lignin telah menjadi prekursor yang berpengaruh untuk memproduksi bahan berbasis karbon tingkat lanjut, terutama karbon aktif. Adsorben khusus ini sangat penting untuk menghilangkan ion logam berat dan polutan organik dari air limbah secara efektif. [ 31 ] Misalnya, Guo et al. [ 32 ] menganalisis efisiensi empat flokulan berbasis lignin alkali untuk menghilangkan pewarna dari air. Hasilnya menunjukkan peningkatan cepat dalam laju penghilangan dengan meningkatkan dosis flokulan. Selain itu, diamati bahwa flokulan berbasis lignin dengan berat molekul yang lebih tinggi dapat menghasilkan efisiensi pengolahan yang lebih unggul sebagai hasil dari pelekatan rantai samping yang mudah ke partikel pewarna. Dalam sebuah studi penting, Li et al. [ 33 ] merekayasa membran karbon aktif berbasis lignin melalui proses aktivasi KOH, yang secara eksplisit menargetkan penghilangan fenol dari sistem air limbah. Hasil komprehensif mereka menunjukkan bahwa karbon aktif yang berasal dari lignin memiliki kapasitas adsorpsi yang sangat tinggi untuk fenol. Mekanisme yang mendasari kapasitas adsorpsi yang luar biasa ini terletak pada interaksi berbagai interaksi, termasuk penumpukan π–π dan ikatan hidrogen, di samping efek hidrofobik yang meningkatkan afinitas terhadap polutan organik.
Dalam studi lain, Geng et al. [ 34 ] mengembangkan lignosulfonat magnetik inovatif yang secara khusus dirancang untuk pengolahan air limbah. Membran berbasis lignin ini menunjukkan kapasitas adsorpsi yang luar biasa, berhasil menangkap Cr(VI) pada 57,14 mg g −1 dan Rhodamine B pada 22,47 mg g −1 . Hebatnya, efisiensi desorpsi untuk Cr(VI) dan Rhodamine B setelah lima siklus regenerasi melampaui 70% dan 85%, masing-masing.
Pati, karbohidrat serbaguna yang banyak terdapat pada tanaman, berasal dari biji-bijian dan memainkan peran penting dalam berbagai industri, termasuk obat-obatan, makanan, dan bahan kimia. Potensinya yang luar biasa dalam pengolahan air limbah sangat penting, karena dapat menghilangkan polutan secara efektif melalui berbagai mekanisme, seperti ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, dan kompleksasi. Lebih jauh lagi, flokulan berbasis bio yang berasal dari pati menghadirkan alternatif yang menarik bagi polimer sintetis konvensional dalam proses pemisahan padat-cair, menawarkan kinerja yang unggul dan manfaat lingkungan dalam aplikasi pengolahan air limbah. [ 35 ] Dalam bidang ini, Lekniute-Kyzike et al. [ 36 ] menyiapkan butiran mikro pati melalui modifikasi kimia dan pemotongan mekanis untuk membuat flokulan pati yang dimodifikasi. Berikut ini menilai efektivitas flokulan pati berbasis kationik untuk mengentalkan dan mengeringkan lumpur limbah aktif berlebih, membandingkan kinerjanya dengan flokulan kationik sintetis. Kinerja pengeringan juga dievaluasi melalui pengukuran waktu hisap kapiler, dengan efisiensi penyaringan sebesar 69% untuk flokulan kationik sintetis, 67% untuk pati kationik, dan 72% untuk pati kationik ikatan silang. Secara keseluruhan, pati kationik ikatan silang dapat menunjukkan potensi yang signifikan sebagai flokulan hijau alternatif dalam pengolahan lumpur limbah kota. Lebih banyak kemajuan yang dilakukan dalam mengembangkan polimer alami murni untuk pengolahan air limbah dirangkum dalam Tabel 1 .
Tabel 1. Perbaikan terkini telah dilakukan untuk menggunakan polimer alami murni untuk pengolahan air limbah.
| Konten membran | Polutan | Hasil | Referensi |
|---|---|---|---|
| Nanokristal selulosa yang diekstrak dari lumpur selulosa. | Pertanian + | -Kristal nanocelulosa menunjukkan tingkat penghilangan Ag + tertinggi, yakni 64%, sedangkan struktur serat nano selulosa dan kristal nano kitin lainnya hanya mampu menghilangkan masing-masing 37 dan 27% polutan target.
-Kinerja yang lebih baik untuk struktur nanokristal selulosa dapat dikaitkan dengan afinitas tinggi muatan permukaan negatif dan gugus fungsi bermuatan negatif untuk menyerap Ag + . |
[ 37 ] |
| Serat nano selulosa diekstrak dari lumpur selulosa. | |||
| Nanokristal kitin yang diekstrak dari sisa cangkang kepiting. | |||
| Nanomaterial selulosa yang diekstraksi dari tanaman Erythrina brucei | Timbal (II) | -Luas permukaan kosong yang besar pada nanomaterial selulosa yang dikembangkan menyebabkan adsorpsi yang cepat.
-Laju penghilangan ditingkatkan dari 67,3 menjadi 96,5% dengan memfungsikan permukaan nonmaterial selulosa menggunakan NaIO4 , yang dapat dikaitkan dengan pembentukan luas permukaan yang relatif lebih tinggi dalam struktur. |
[ 38 ] |
| Kitosan komersial | Uranium | -Tingkat adsorpsi tertinggi yang dicapai sebesar 70% dihasilkan dari pengkompleksan gugus karboksilat dengan unsur uranium. | [ 39 ] |
| Nafsu makan Chitosan/Hidroksi | Kadmium (II) | -Penambahan kitosan pada hidroksiapatit mampu meningkatkan kapasitas serapan sebesar 1,3 kali, hal ini dapat dikaitkan dengan banyaknya gugus –NH2 yang mempunyai kemampuan tinggi dalam mengikat ion Cd2 + . | [ 40 ] |
| Kalsium alginat yang diekstrak dari alga coklat | Kontaminan organik dan ion logam berat | -Film tipis hidrogel kalsium alginat yang disiapkan menunjukkan sifat super hidrofilisitas, efisiensi pemisahan tinggi, dan fluks permeasi tinggi untuk emulsi bersamaan dengan fitur anti-pengotoran minyak. | [ 41 ] |
| Kalsium alginat dan kalsium alginat yang disesuaikan dengan senyawa fenolik | Raksa (II) | -Manik-manik berbahan dasar alginat menunjukkan efektivitas dalam mendetoksifikasi merkuri dari air, serta media lambung dan perut tiruan yang mengandung pepsin dan pankreatin.
-Manik-manik gel kalsium alginat menunjukkan kecenderungan ekstrem untuk menyerap Hg(II) pada pH netral pada suhu ruangan. Selain itu, perilaku penyerapan merkuri pada manik-manik mengikuti isoterm penyerapan Freundlich. |
[ 42 ] |
| flokulan berbasis lignin | Pewarna | -Penanaman flokulan berbahan dasar lignin ke dalam polialuminium klorida (PAC) dapat meningkatkan kapasitas dekolorasi secara signifikan, menghasilkan pH yang lebih baik dan kemandirian geser. | [ 43 ] |
| Flokulan berbahan dasar lumpur dan lignin untuk pembuatan kertas | Pewarna | -Flokulan yang berbahan dasar lumpur pembuatan kertas dan lignin menunjukkan kinerja yang unggul dibandingkan dengan membran PAC dan PAM komersial karena tidak sensitif terhadap variasi pH dan efek penjembatan, serta memiliki kemampuan tinggi dalam menetralkan muatan. |
Meskipun polimer alami memiliki banyak keuntungan yang tak ternilai untuk pengolahan air limbah, profil sifatnya yang kurang memuaskan dibandingkan dengan polimer termoplastik komersial telah memotivasi para peneliti untuk meningkatkan permeabilitas, stabilitas termomekanis, dan karakteristik antifouling membran. Oleh karena itu, menggabungkan berbagai macam pengisi, khususnya aditif berbasis karbon, ke dalam polimer konvensional telah dikenal sebagai praktik umum untuk mengatasi tantangan yang terkait dengan struktur berbasis biopolimer murni. Menurut literatur, MXene, graphene oxide, dan karbon nanotube telah menjadi fokus utama para peneliti dalam beberapa dekade terakhir di antara berbagai macam aditif berbasis karbon. Dengan demikian, bagian berikut didedikasikan untuk menjelaskan efek sinergis polimer alami dan pengisi yang disebutkan di atas untuk menghasilkan membran yang sangat efisien.
3 Membran Berbasis Biopolimer Bermuatan MXene untuk Pengolahan Air Limbah
MXene, kelas baru material 2D, dikenal sebagai karbida logam transisi 2D, nitrida, atau karbon nitrida. MXene biasanya dihasilkan dari fase MAX yang sesuai, di mana M mewakili logam transisi (Ti, Nb, V, Mo, dll.) dan X menandakan C atau N yang dibuat dengan etsa selektif dari elemen golongan utama (Al, Ga, Si, dll.). [ 45 ] Karena konduktivitas listrik yang sangat baik, stabilitas termal, luas permukaan spesifik yang besar, dan kekuatan mekanis, keluarga ini telah menuai perhatian luar biasa di bidang perisai elektromagnetik, katalisis, penyimpanan energi, pemisahan gas, pengolahan limbah, dan lainnya. [ 46 ]
Pemanfaatan MXene dalam teknologi pemisahan membran telah menarik perhatian signifikan karena sifatnya yang ramah lingkungan dan karakteristik yang berkelanjutan. Sifat hidrofilisitasnya yang kuat dan ikatan organik yang melimpah memposisikan MXene sebagai kandidat yang menjanjikan dalam aplikasi membran. Namun, tantangan telah muncul, termasuk cacat, kerentanan terhadap akumulasi, potensi oksidasi, dan fleksibilitas yang terbatas. Akibatnya, upaya penelitian terkini difokuskan pada penggabungan MXene dengan zat lain, seperti oksida logam atau polimer, untuk membuat bahan baru yang menunjukkan kinerja rekayasa yang ditingkatkan. Komposit yang menggabungkan MXene menunjukkan janji dalam aplikasi pengolahan air limbah, menawarkan sifat mekanis yang luar biasa, kemampuan penghilangan polutan yang unggul, mitigasi kecenderungan pengotoran, dan perilaku antimikroba yang luar biasa. [ 47 ]
Banyak upaya telah dilakukan untuk mengeksplorasi komposisi yang lebih ramah lingkungan untuk aplikasi pengolahan air, menyoroti kualitas luar biasa dari bahan biopolimer yang ditingkatkan dengan nanostruktur MXene. Hasil pada membran berbasis selulosa telah menguatkan bahwa menggabungkan MXene dengan selulosa dapat menciptakan efek sinergis yang mengkompensasi fleksibilitas MXene yang buruk di satu sisi dan meningkatkan kekuatan mekanis, serta sifat antibakteri dan antifouling selulosa di sisi lain. [ 48 ] Di era ini, Pandely et al. [ 49 ] menggabungkan nanosheet MXene dan selulosa asetat melalui metode ikatan silang kovalen untuk menghasilkan membran filter tahan noda Kiner hibrida baru ( Gambar 3a ). Gambar 3b,c menggambarkan gambar SEM dan TEM dari MXene yang disintesis dalam pendekatan ini, masing-masing. Pembentukan pori-pori dan saluran dalam membran film yang diproduksi juga dipamerkan pada Gambar 3d,e .
Berdasarkan laporan, hanya 2% lignin yang digunakan secara efektif setiap tahun, dan aplikasinya di area membran minimal. Oleh karena itu, munculnya membran MXene/lignin memenuhi tren global lingkungan rendah karbon dan menghasilkan pembangunan berkelanjutan. Pada tahun 2021, Li et al. [ 52 ] menyiapkan membran pervaporasi komposit dari kalsium lignosulfonat dan MXene. Penambahan kalsium lignosulfonat meningkatkan hidrofilisitas membran dan membuat membran lebih stabil. Efek sinergis MXene dan kalsium lignosulfonat dapat secara efektif mengurangi pembengkakan. Membran yang disintesis menemukan fluks permeabilitas hingga 938 gm −2 h −1 untuk larutan berair yang mengandung 90% etanol dan koefisien permeabilitas 4612, yang sesuai untuk memisahkan etanol dan air.
Pervaporasi membran juga dipromosikan, yang dihasilkan dari peningkatan hidrofilisitas dengan menanamkan nanosheets MXene. Dalam pekerjaan lain, adsorben dikembangkan dengan menggabungkan lignin yang dimodifikasi secara enzimatis dengan nanosheets MXene 2D. Penambahan lignin enzimolitik dapat mencegah oksidasi MXene dan meningkatkan kinerja adsorpsi material. Dengan demikian, struktur ramah lingkungan yang diusulkan dapat menunjukkan efek penghilangan yang sangat baik pada pewarna biru metilen dan ion tembaga. [ 53 ] Dibandingkan dengan membran berbasis polimer/MXene lainnya, keuntungan utama membran berbasis lignin/MXene adalah efektivitas biaya dan ketersediaan lignin. Distribusi MXene yang merata pada membran mengganggu akumulasi lignin dan meningkatkan saluran interlayer. Lebih jauh, ikatan hidrogen antara MXene dan lignin juga dapat meningkatkan selektivitas pori. Membran ini dapat memberikan kinerja yang luar biasa saat menggunakan lebih sedikit material MXene.
Menurut literatur, menggabungkan membran berbasis Alginat dengan MXene juga dapat memberikan membran yang sangat baik untuk pengolahan air limbah. Dalam kasus ini, Li et al. [ 54 ] merancang matriks SA/MXene yang sangat selektif untuk dehidrasi etanol/larutan air. Berdasarkan hasil, koefisien pemisahan sebesar 9946 dan fluks permeabilitas sebesar 505 gm −2 h −1 dicapai melalui dehidrasi larutan etanol 90%. Hou et al. [ 51 ] menyiapkan membran MXene dengan interkalasi SA atas dasar ini. Gambar 3i,j menunjukkan ilustrasi SEM dari MXene dan membran yang disisipkan. Menurut uji gaya deformasi hambatan bawah air yang ditunjukkan pada Gambar 3k , tidak ada deformasi yang dapat diamati yang terdeteksi pada tetesan minyak, yang menguatkan afinitas rendah dari struktur yang dikembangkan untuk minyak. Super wettability membran juga dikonfirmasi dengan membilasnya dengan minyak, seperti yang digambarkan pada Gambar 3l . Kehadiran SA menyebabkan perluasan nanochannel dalam membran, meningkatkan sifat ultra-kelembapan permukaan dan karakteristik ultra-oleofobik bawah laut yang dapat dimanfaatkan untuk pemisahan minyak-air. Selain itu, Hu et al. [ 55 ] membuat membran SA Nb 2 CT x /MXene yang mencapai laju penghilangan melebihi 95% untuk berbagai kation dan hampir 100% untuk pewarna yang berbeda. Pada saat yang sama, aliran air ≈2200 L m −2 h −1 bar −1 tercapai, dengan menggunakan efisiensi tinggi dari membran yang diusulkan untuk desalinasi air laut dan pengolahan air limbah zat warna. Penambahan SA dapat meningkatkan kinerja antifouling membran sehingga membran pemisah permeabel dapat mempertahankan kinerja yang tepat bahkan setelah sering digunakan. Selain itu, kinerja pemisahan yang tepat dapat dipertahankan dalam sistem suhu tinggi dan konsentrasi air rendah, yang sangat menjanjikan untuk aplikasi praktis.
Mirip dengan SA, kitosan memiliki hidrofilisitas yang kuat dan saat ini merupakan salah satu bahan membran terpenting untuk dehidrasi pervaporasi. Berbagai penelitian telah menyatakan bahwa merakit kitosan dengan bahan MXene secara umum menghasilkan adsorpsi yang lebih kuat pada zat warna dan ion logam melalui ikatan hidrogen, tarikan elektrostatik, dan interaksi kompleks. [ 56 ] Wang et al. [ 57 ] memuat komposit CoFe 2 O 4 dan kitosan ke lembaran MXene dengan teknik hidrotermal dan perakitan sendiri dan menemukan bahwa struktur yang dikembangkan dapat menunjukkan kapasitas adsorpsi yang sangat baik. Efek sinergis MXene, CoFe 2 O 4, dan kitosan menghasilkan efek adsorpsi dan penghilangan yang kuat pada korundum merah, rhodamine B, dan hijau malachite. Mengenai aplikasi membran, Xu et al. [ 58 ] menyusupkan lembaran nano MXene 2D ke dalam kitosan, memperbesar saluran interlayer, meningkatkan penetrasi molekul air, dan meningkatkan fluks membran. Dengan demikian, fluks dehidrasi untuk etanol, etil asetat, dan dimetil karbonat dapat mencapai 1,4-1,5 kg (m 2 jam) -1 dengan koefisien pemisahan masing-masing 1421, 4898, dan 906. Dalam studi yang dilakukan oleh Zhang et al., [ 59 ] membran MXene/kitosan dengan struktur berlapis dan hidrofilisitas yang kuat telah dibuat. Pengenalan MXene meningkatkan konduktivitas proton membran sebesar 66%, sehingga mencapai stabilitas termal dan mekanis yang lebih baik. Peningkatan konduktivitas MXene yang signifikan dalam kombinasi dengan kitosan dapat dikaitkan dengan konstruksi jalur transfer proton penghalang rendah tambahan oleh Ti 3 C 2 T x , yang secara bersamaan menghubungkan saluran transfer fase polimer dan memperbaiki stabilitas termal dan kekuatan mekanis membran hibrida. Tabel 2 merangkum lebih banyak kemajuan yang dilakukan dengan memperkaya arsitektur berbasis biopolimer dengan struktur MXene.
Tabel 2. Penerapan struktur berbasis biopolimer yang dihiasi dengan keluarga MXene untuk pengolahan air limbah.
| Tipe MXene | Komponen biopolimer | Kondisi atau tujuan khusus | Target utama penghapusan polutan | Kapasitas adsorpsi [mg g −1 ] atau tingkat penghapusan [%] | Referensi |
|---|---|---|---|---|---|
| Ti3C2Tx | Aerogel natrium alginat | -Struktur jaringan ganda dibentuk oleh unsur-unsur natrium alginat polimer dan polietilenimina, menunjukkan kekuatan mekanis yang tinggi.
-Kehadiran MXene menghasilkan fitur antibakteri yang luar biasa terhadap S. aureus dan E. coli. – Daya tarik elektrostatik yang kuat dan dampak penyerapan permukaan serta interkalasi meningkatkan kapasitas penyerapan polutan. |
Krom(VI) | 538,97 mg.g −1 | [ 60 ] |
| Pewarna merah Kongo | 3568 mg.g −1 | ||||
| Ti3C2Tx | Filter ester selulosa | -Tol elektrostatik MXene yang tinggi, bersama dengan struktur berpori dari substrat berbasis selulosa dapat meningkatkan laju penghapusan hingga 100%. | Larutan metilen biru | 100% ± 0,1% | [ 61 ] |
| Ti3C2Tx | Aerogel selulosa | -Fungsionalisasi aerogel selulosa dengan nanostruktur Ti 3 C 2 T x dapat membentuk struktur ringan dengan stabilitas dan porositas tinggi, mampu menghilangkan pewarna di lingkungan dengan kadar garam tinggi. | Pewarna biru metilen | 168,93 mg/g −1 | [ 62 ] |
| Ti3C2 | Kitosan | -Komposit hibrida imidazol-MXene baru dirancang dengan memodifikasi permukaan MXene dengan biopolimer kitosan.
-Analisis proses mengonfirmasi penyerapan fisik melalui gaya elektrostatik yang berasal dari nanokomposisi MXene. |
Krom(VI) | 183,8 mg.g −1 | [ 63 ] |
| Ti3C2Tx | Kitosan/Lignosulfonat | -Dampak sinergis yang diperoleh dari interaksi elektrostatik, kompleksasi permukaan, dan pertukaran ion menghasilkan kapasitas adsorpsi dan tingkat penghilangan kontaminasi yang ditargetkan dari air. | Timbal (II)
Krom(VI) Tembaga(II) Ni(II) Ko(II) |
Pb (II) > Cr(VI) ≈ Cu(II) > Ni(II) ≈ Co(II) | [ 64 ] |
| Ti3AlC2 | Kitosan | -Situs aktif membran kitosan ditingkatkan dengan menambahkan kerangka organik-logam dan lembaran nano MXene.
-Kehadiran gugus -OH, -O, -F, dan N dalam membran yang dirancang dapat meningkatkan penyerapan polutan target secara efisien melalui ikatan hidrogen, daya tarik elektrostatik, dan interaksi kompleksasi. |
Timbal (II)
Metil biru |
448,92 mg/g −1
424,99 mg/g −1 |
[ 56 ] |
| Ti3C2Tx | Alginat | – Banyaknya gugus amino dan karboksil dalam biopolimer alginat menyebabkan kelasi ion logam berat yang baik. Dengan demikian, kapasitas adsorpsi meningkat dalam komposit yang digunakan.
– Selain itu, struktur lamelar 2D membran dapat meningkatkan efisiensi pengangkutan ion logam berat dalam prosedur adsorpsi, memperpendek waktu penting untuk mencapai keseimbangan adsorpsi. |
Timbal (II)
Tembaga(II) |
382,7 mg/g −1
87,6 mg/g −1 |
[ 65 ] |
| Ti3C2Tx | Natrium alginat | -Membran Alginat/MXene/CoFe 2 O 4 disintesis, menunjukkan karakteristik mekanis yang sangat baik, bersama dengan tegangan patah sebesar 1,64 MPa pada 73,4% dan modulus elastisitas tinggi sebesar 2,23 MPa.
-Proses penyerapan dapat disesuaikan karena fitur magnetik bawaan dari adsorben dalam struktur yang diusulkan. |
Tembaga(II) | 359,76% | [ 66 ] |
Singkatnya, penerapan material komposit MXene/biopolimer dalam pengolahan air membran menggabungkan keunggulan material MXene dan biopolimer itu sendiri, sehingga menghasilkan membran dengan kekuatan mekanis, throughput, jarak, efisiensi pemisahan, dan kinerja antibakteri yang tinggi. Sementara itu, beberapa tantangan masih lamban dan perlu mendapat perhatian para peneliti. Pertama, sifat-sifat membran komposit MXene/biopolimer terkait erat dengan distribusi nanomaterial MXene pada membran dan dalam struktur komposit. Jika hanya metode pemuatan atau perendaman sederhana saat ini yang digunakan, material MXene dapat terdistribusi secara tidak merata, yang memengaruhi efisiensi pengolahan film dan membuat efeknya tidak stabil. Oleh karena itu, perlu ditemukan kombinasi material dan metode pemuatan membran yang lebih sesuai di masa mendatang. Kedua, pengotoran membran merupakan masalah yang paling umum dan serius dalam teknologi pengolahan air membran, dan apakah membran MXene/biopolimer dapat mengatasi masalah ini di masa mendatang juga merupakan topik penelitian yang berharga. Terakhir, permukaan MXene memiliki banyak gugus fungsi, yang menawarkan prospek yang baik untuk aplikasi pengolahan air; Oleh karena itu, sifat-sifat biopolimer yang dapat dimodifikasi dengan mudah juga layak diselidiki.
4 Membran Berbasis Biopolimer Bermuatan Grafena untuk Pengolahan Air Limbah
Bahan berbasis graphene juga telah diselidiki secara ekstensif untuk utilitasnya dalam fabrikasi membran nanoporous, multilayered, dan mixed-matrix. [ 67 ] Graphene, sebuah alotrop karbon 2D yang ditemukan pada tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov, yang memenangkan Penghargaan Nobel dalam fisika tahun 2010, adalah lapisan tunggal atom karbon yang tersusun dalam struktur kisi heksagonal. [ 19 , 68 ] Ini merujuk pada lapisan grafit yang terisolasi, yang secara luas diakui sebagai bentuk karbon yang paling stabil secara termodinamika dalam kondisi biasa. [ 67 , 68 ] Bahan berbasis graphene sering digunakan dalam filtrasi membran fungsional karena atribut fisik dan kimianya yang terkenal, termasuk kekokohan mekanis, konduktivitas termal, dan konduktivitas listrik, bersama dengan struktur kisi yang luar biasa. Susunan yang khas ini memberikan daya tahan yang luar biasa terhadap pengotoran, memberikan bahan dengan karakteristik antifouling, antibakteri, dan antivirus. [ 69 ] Graphena dan turunan nanopartikelnya telah menunjukkan kemanjuran yang luar biasa dalam menghilangkan beberapa jenis kontaminan, termasuk polutan organik dan logam berat, anion anorganik, dan agen mikroba; dengan demikian, mereka memiliki janji yang signifikan dalam bidang pemurnian media berair dan gas. [ 70 ] Karena graphena memiliki ketebalan atom dan fungsi yang dapat diprogram, ia dianggap sebagai material yang paling canggih untuk desalinasi. Karakteristik graphena dapat disesuaikan dengan fungsionalisasi untuk berbagai macam penggunaan kinerja tinggi dalam teknologi membran. [ 69 ] Graphena hidrofobik, yang memiliki struktur 2D datar, umumnya ditambahkan ke membran untuk meningkatkan karakteristik mekanis, termal, listrik, dan fungsionalnya. Membran hidrofilik ideal untuk mengolah air limbah berminyak; meskipun demikian, sifat hidrofobik graphena dan grafit membuatnya kurang diminati. [ 67 ]
Oksida grafena (GO) dan grafena tereduksi merupakan turunan grafena terkemuka yang mencakup sebagian besar fitur bawaan grafena. [ 69 ] GO merupakan bentuk grafena teroksidasi, yang memiliki sifat hidrofilik dan gugus fungsi yang sangat terpolarisasi. Tingkat oksidasi dalam GO dapat disesuaikan selama proses produksi, yang penting untuk modifikasi turunan grafena selanjutnya. GO memiliki unsur-unsur dasar untuk kompatibilitas dengan sebagian besar polimer dalam bentuk gugus epoksida, hidroksil, dan asam karboksilat. Oleh karena itu, GO telah banyak digunakan dalam produksi membran hidrofilik.
Selain itu, turunan GO memiliki kualitas membran yang luar biasa yang memperpanjang umur membran, seperti ketahanan yang kuat terhadap klorin, aktivitas antibakteri, dan antifouling. [ 68 , 69 , 71 ] Bahan berbasis graphene telah digunakan untuk meningkatkan kinerja membran pemisahan tradisional dalam banyak aplikasi, seperti ultrafiltrasi, nanofiltrasi, reverse osmosis, osmosis maju, pertukaran ion, pervaporasi, dan pemisahan gas, untuk meningkatkan efisiensi proses pemisahan. Selain itu, penerapan membran GO berlapis-lapis telah terbukti secara efektif mengurangi masalah fouling membran. [ 68 , 72 ] Sejumlah penelitian telah menunjukkan bahwa membran yang tertanam dengan graphene dan turunannya memiliki kemampuan antibakteri, yang dikaitkan dengan dampak merugikan yang diberikan pada struktur bakteri oleh tepi tajam yang melekat dalam struktur graphene. [ 73 ]
Memanfaatkan graphene monolayer sebagai membran meminimalkan penghalang terhadap transportasi, sehingga memaksimalkan fluks permeasi. Karakteristik khas dari fitur ini dapat dikaitkan dengan ketebalan atom tunggal graphene dan permukaannya, yang menunjukkan sedikit gesekan. Produksi graphene monolayer memiliki tantangan ketika dilakukan dalam kondisi suhu sekitar. Pemisahan yang tidak memadai antara lapisan graphene dapat menyebabkan agregasinya, sehingga menghasilkan pembentukan grafit karena pengaruh interaksi π–π dan van der Waals yang kuat. Mengingat bahwa sebagian besar karakteristik khas graphene terutama dikaitkan dengan lembaran individu, sangat penting untuk mengurangi interkoneksi lapisan graphene. Kelompok fungsional hidrofilik dan hidrofobik disertakan dalam lapisan graphene untuk mencapai dispersi yang berhasil dalam pelarut berair dan organik. [ 67 ] Kecenderungan agregasi graphene dapat dilemahkan melalui oksidasi. Dalam keadaan oksidanya, grafena menunjukkan karakteristik hidrofobik pada bagian grafena dan permukaan hidrofilik pada tepinya, seperti gugus karboksil atau hidroksil. Variasi utama antara keadaan oksida grafena dan keadaan oksida tereduksi terutama terletak pada gugus fungsionalnya masing-masing. Kehadiran gugus fungsional teroksigenasi mencirikan GO, sedangkan GO tereduksi memiliki kehadiran gugus fungsional yang mengandung oksigen yang berkurang. Berdasarkan sifat dispersibilitas yang diamati dalam lingkungan berair, jelas bahwa GO menunjukkan tingkat dispersibilitas yang nyata, tetapi GO tereduksi menunjukkan dispersibilitas yang relatif terbatas. Sementara GO tereduksi menunjukkan beberapa kesamaan dengan grafena, ia dianggap memiliki kualitas yang lebih rendah karena adanya cacat struktural. [ 69 ]
GO menunjukkan fitur yang serupa dengan graphene, meskipun dengan perbedaan yang menonjol. Khususnya, GO memiliki sifat hidrofilisitas yang ditingkatkan yang dikaitkan dengan beragam gugus fungsi oksigen. Sifat hidrofilik ini memfasilitasi peningkatan dispersi GO dalam media berair dan pelarut organik lainnya. [ 67 ] GO memiliki kemampuan untuk membentuk asosiasi dengan partikel yang tidak larut dalam air, sebagian besar melalui interaksi hidrofobik, penumpukan, atau ikatan nonkovalen. Kapasitas graphene untuk melekat pada partikel yang tidak larut, seperti polutan, menjadikannya bahan yang sangat efisien untuk digunakan dalam pengolahan air. [ 69 ] Pemanfaatan GO dalam membran berpotensi untuk meningkatkan fluks permeat melalui sifat hidrofilisitasnya yang melekat. Lebih jauh lagi, lembaran GO memiliki karakteristik anti-biofouling yang dikaitkan dengan gugus fungsi hidrofiliknya dan potensi zeta negatif yang signifikan. Lebih jauh lagi, membran berdasarkan graphene atau GO memiliki harapan untuk dikomersialkan karena efektivitas biaya dan kemudahan integrasinya dengan bahan polimer lainnya. [ 67 ]
Berdasarkan fitur-fitur yang disebutkan di atas, diantisipasi bahwa membran dengan aditif grafena dan turunannya akan berguna dalam pengelolaan pengolahan air dan air limbah tingkat lanjut karena kemajuan yang signifikan, yang menghasilkan pengurangan kebutuhan energi dan peningkatan kinerja membran. [ 71 , 74 ] Membran polimer sintetis yang dimuat grafena telah digunakan secara luas. Sementara itu, kekhawatiran mengenai biodegradabilitas polimer sintetis menyebabkan minat dalam mengembangkan adsorben dan membran berbasis biopolimer, mengenai sifat-sifatnya yang ramah lingkungan, dapat diperbarui, dan dapat diurai secara hayati. Selain itu, para ilmuwan semakin menyelidiki bahan nanokomposit biopolimer, yang sangat menjanjikan untuk berbagai aplikasi pengolahan air. [ 75 ] Gambar 4a secara skematis menggambarkan kemungkinan interaksi antara GO dan berbagai biopolimer. Membran tersebut dapat dikembangkan menggunakan interkalasi larutan, interkalasi leleh, polimerisasi in situ, pemintalan basah, pemintalan elektro, pengeringan beku, sintesis gelombang mikro, dan perakitan lapis demi lapis. [ 76 ]
Li et al. [ 82 ] memanfaatkan metode ikatan silang fisik beku-cair yang ramah lingkungan dan hemat biaya untuk membuat hidrogel (GPC) dengan berbagai rasio GO, CS, dan poli(vinil alkohol) (PVA). Mereka melakukan karakterisasi struktural dan menilai kemampuan adsorpsi hidrogel GCP1:2:4 yang optimal untuk Cd 2+ dan Ni 2+ dalam air limbah. Hidrogel GCP1:2:4 menunjukkan kekuatan mekanis yang kuat dan struktur berpori 3D yang saling berhubungan yang khas. Ditemukan bahwa efisiensi adsorpsi untuk Cd 2+ dan Ni 2+ dalam air limbah terutama dipengaruhi oleh pH, dengan dampak minimal dari kekuatan ionik dan asam humat. Hidrogel GCP1:2:4 menunjukkan sifat adsorpsi dan daur ulang yang sangat baik. Temuan ini menggarisbawahi potensi hidrogel GCP1:2:4 sebagai adsorben yang menjanjikan yang dapat digunakan untuk menghilangkan ion logam berat, seperti Cd 2+ dan Ni 2+ , dari air limbah. Singkatnya, penggabungan biopolimer ke dalam material berbasis grafena meningkatkan biodegradabilitas, biokompatibilitas, dan keberlanjutan lingkungannya serta menghasilkan peningkatan kolaboratif dalam berbagai karakteristik tambahan. Sementara itu, pengembangan komposit biopolimer/grafena yang berkelanjutan secara ekologis, layak secara ekonomi, memiliki kualitas yang sangat baik, dan dapat ditingkatkan untuk aplikasi tertentu terus menjadi kendala yang signifikan.
5 Membran Berbasis Biopolimer Berisi Tabung Nano Karbon untuk Pengolahan Air Limbah
CNT telah digunakan sebagai adsorben, yang menunjukkan kemanjuran luar biasa dalam menghilangkan berbagai jenis polutan dengan keuntungan bersifat regeneratif dan dapat digunakan kembali. Fitur CNT yang luar biasa dan khas telah melampaui kinerja membran polimer konvensional. Berdasarkan literatur saat ini, penelitian yang cukup besar telah diarahkan pada membran biopolimer berbasis CNT, yang memiliki sifat multifungsi. CNT dapat dimodifikasi permukaannya dan dikombinasikan dengan biopolimer untuk membantu dalam pengolahan air limbah. Nilai ekonomi CNT yang dimodifikasi dengan biomaterial berasal dari sifatnya yang ramah lingkungan, dapat didaur ulang, dan mudah terurai, sehingga cocok untuk aplikasi pemurnian air. Struktur CNT terdiri dari lembaran silinder graphene yang dibangun dari susunan atom karbon heksagonal. Berdasarkan jumlah lembaran grafit, CNT diklasifikasikan sebagai tabung nano karbon berdinding tunggal (SWCNT) atau tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNT). Aplikasi luas nanomaterial ini untuk penanganan polutan dan pemulihan lingkungan sebagai filter atau membran disebabkan oleh luas permukaan spesifiknya, struktur berpori, dan stabilitas kimia dan mekaniknya. Penelitian sebelumnya telah menyebutkan kemampuan adsorpsi tinggi CNT (khususnya MWCNT) untuk berbagai polutan, seperti pewarna, logam berat, herbisida, dan obat-obatan. [ 83 ] MWCNT menyediakan luas permukaan yang lebih tinggi dan situs interior yang lebih aktif untuk adsorpsi, yang mengarah ke interaksi yang diinduksi dengan polutan. Perlu dicatat bahwa situs yang menguntungkan pada CNT untuk adsorpsi kontaminan adalah saluran interstisial, alur luar dan dalam, dan area bagian dalam nanotube. [ 84 ] Fitur menguntungkan dari nanomaterial ini menjadikannya kandidat yang bagus untuk digabungkan dengan membran dan meningkatkan kapasitas adsorpsi. [ 85 ]
Modifikasi CNT dengan berbagai jenis bahan kimia dapat menginduksi sifat kimia dan meningkatkan efisiensi nanomaterial ini untuk pengolahan air limbah. Meskipun CNT fungsional sangat berguna untuk menghilangkan ion logam berat dan polutan organik lainnya, aplikasinya sebagai sorben komponen tunggal untuk pengolahan air mahal. [ 86 ] Di satu sisi, polutan yang muncul dalam sumber daya air sering kali memiliki struktur yang kompleks, dan adsorben yang berbeda diperlukan berdasarkan jenis kontaminan. Di sisi lain, karena ukuran partikel nanomaterial yang kecil, menghilangkan adsorben CNT secara efektif dari air setelah digunakan bisa sangat menantang. Penelitian inovatif baru-baru ini telah difokuskan secara signifikan pada pengembangan membran polimer yang diperkuat CNT untuk mengatasi masalah ini. Membran penyaringan berbasis CNT diklasifikasikan menjadi tiga kategori berdasarkan teknik produksinya: CNT sejajar vertikal (VA-CNT), CNT kertas bucky (BP-CNT), dan membran komposit berbasis CNT (CNT-CPS). Penambahan CNT ke matriks polimer dapat meningkatkan fitur adsorben, seperti kekuatan tarik, permeabilitas, selektivitas, dan ketahanan terhadap pengotoran. [ 84 ] Polutan seperti logam berat dapat dihilangkan secara efektif melalui penyerapan cepat pada permukaan atau di dalam struktur berpori nanotube. Hasilnya, membran berbasis karbon nanotube telah menunjukkan efisiensi tinggi dalam menghilangkan zat warna dan polutan lain dari air limbah. [ 87 ]
Selama beberapa dekade terakhir, telah menjadi praktik umum untuk menggabungkan CNT ke dalam kerangka struktural polimer sintetis. Namun, degradabilitas polimer sintetis telah menimbulkan kekhawatiran, dan meningkatnya masalah lingkungan terkait dengan pengolahan air limbah telah memicu minat yang lebih besar pada membran yang terbuat dari biopolimer. Alternatif berbasis biopolimer menarik untuk menghilangkan kontaminan air secara efektif. [ 10 , 12 , 88 ] Membran CNT/biopolimer adalah bahan hibrida dengan sifat-sifat luar biasa, termasuk kekuatan mekanis yang ditingkatkan, peningkatan luas permukaan, peningkatan stabilitas, dan fungsionalitas yang disesuaikan. Menggabungkan biopolimer yang berasal dari bahan terbarukan dengan CNT dengan sifat-sifat khas meningkatkan kinerja dan efisiensi membran yang dihasilkan. Campuran sinergis ini memberdayakan membran biopolimer untuk mengatasi tantangan pengolahan air tertentu. [ 89 ] Berdasarkan struktur dan karakteristik membran biopolimer yang diinginkan, berbagai metode seperti pencetakan, ekstrusi, pengecoran larutan, polimerisasi in situ, pencampuran lelehan, dan pemintalan elektro dapat digunakan untuk mendistribusikan karbon nanotube dalam matriks biopolimer. [ 90 ] Mencapai dispersi CNT yang tepat dalam matriks biopolimer, khususnya, merupakan kendala signifikan untuk mengembangkan membran CNT-biopolimer. Dispersi CNT dalam air merupakan tantangan karena sifat hidrofobiknya dan kecenderungan untuk membentuk bundel melalui gaya van der Waals.
Lebih jauh lagi, adhesi antarmuka padat antara biopolimer dan CNT dan kelarutan yang tepat dalam kombinasi larutan polar dan nonpolar sangat diperlukan untuk mengoptimalkan sifat membran CNT-biopolimer. [ 91 ] Berbagai teknik, termasuk pembungkus polimer, metode interlaying/interleaving, fungsionalisasi kimia CNT, dan penambahan surfaktan dalam larutan yang mengandung CNT dan bahan polimer, telah didokumentasikan sebagai cara yang efektif untuk mencapai dispersi CNT yang diinginkan dalam matriks biopolimer. [ 92 ] CNT murni dapat mengalami berbagai modifikasi, termasuk fungsionalisasi kovalen dan nonkovalen, fungsionalisasi kelompok cacat, fungsionalisasi endohedral, dan doping heteroatom. [ 91 ] Modifikasi kovalen memungkinkan pencangkokan yang disengaja dari gugus fungsi seperti hidroksil (OH), karboksil (COOH), dan gugus amino (NH 3 ) di dinding samping atau ujung terbuka CNT. Modifikasi non-kovalen terdiri dari adsorpsi dan penggulungan molekul organik besar, polimer, dan surfaktan pada permukaan CNT melalui π–π , tarikan elektrostatik, dan ikatan hidrogen. [ 93 ] Khususnya, dengan menggabungkan gugus fungsi ke dalam matriks biopolimer, sifat hidrofilisitas nanotube ditingkatkan, mencegah agregasi nanotube individual. Selain itu, fitur unik biopolimer, yaitu struktur kimia, asal, dan gugus fungsi mereka, secara langsung memengaruhi adhesi antarmuka antara CNT dan biopolimer. Telah diketahui bahwa pemrosesan selulosa dalam larutan sulit dilakukan karena strukturnya yang sangat kristalin. Sebagai pendekatan alternatif, turunan selulosa seperti selulosa asetat, karboksimetil selulosa, dan nanofibril selulosa teroksidasi TEMPO digunakan dalam bio-membran CNT karena muatan permukaan dan kemudahan penanganannya. [ 94 ]
Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa modifikasi CNT dan biopolimer dengan gugus aktif, reagen, atau bahan secara signifikan meningkatkan kapasitas penyerapan biomembran. Misalnya, CNT dengan kapasitas penyerapan garam tinggi dikompositkan dengan membran selulosa asetat untuk prosedur desalinasi. [ 95 ] El Badawi dkk. [ 96 ] menyiapkan membran nanokomposit MWCNT/selulosa asetat menggunakan metode inversi fase. Gambar SEM dari membran yang diproduksi disediakan dalam Gambar 5a,b . Seperti disebutkan, MWCNT difungsionalkan dengan teknik oksidasi untuk meningkatkan dispersinya dalam matriks polimer. Membran yang mengandung 0,0005% MWCNT sangat meningkatkan laju permeasi (≈54%) untuk larutan NaCl, yang dihasilkan dari pembuatan pori-pori kecil dan laju porositas tinggi dalam struktur (lihat Gambar 5c,d ). Dalam studi lain, kapasitas adsorpsi tinggi dari membran berbasis selulosa asetat yang terdiri dari pristine-MWCNTs (p-MWCNTs) dilaporkan untuk pewarna metilen biru (MB). Membran tersebut meningkatkan stabilitas termal hingga 320 °C, permeabilitas air yang lebih tinggi, dan sifat antifouling yang diinginkan. [ 97 ] Karboksimetil selulosa (CMC) adalah turunan selulosa bermuatan negatif yang menunjukkan kelarutan air yang lebih tinggi daripada selulosa murni. Gugus karboksil (COO) pada rantai samping CMC membuatnya sensitif terhadap perubahan pH. Dalam hal ini, Althomali et al. [ 98 ] telah menyiapkan bahan nanokomposit yang dikenal sebagai A-PH/CMC, yang menggabungkan turunan amida CMC dengan MWCNT. Modifikasi kimia multitahap yang berhasil pada CMC dengan adanya 4-aminophenazone (A-PH) dan MWCNT diteliti secara menyeluruh untuk menyerap dan menghilangkan zat warna kristal violet (CV) dan hijau cemerlang (BG) dari air. Hasil eksperimen sesuai dengan model Langmuir, yang memperkirakan kapasitas penyerapan maksimum sebesar 20,83 mg g −1 untuk zat warna BG dan 22,42 mg g −1 untuk zat warna CV (lihat Gambar 5e,f ).
Peningkatan konsentrasi logam berat dalam sumber daya air telah menimbulkan ancaman yang muncul terhadap kesehatan manusia, tanaman, dan hewan. CNT terbukti menjadi penyerap yang sangat efisien dan dapat disesuaikan untuk menghilangkan logam berat, seperti nikel (Ni 2+ ), seng (Zn 2+ ), strontium (Sr 2+ ), kromium (Cr 6+ ), tembaga (Cu 2+ ), kadmium (Cd 2+ ), kobalt (Co 2+ ), timbal (Pb 2+ ), dan erbium (Er(III)). [ 101 ] Erbium (Er(III)) adalah unsur berharga dengan berbagai aplikasi, termasuk pemanfaatan dalam bahan laser medis dan operasi mata modern. [ 102 ] Dalam penelitian baru-baru ini, membran komposit yang terdiri dari selulosa bakteri yang dimodifikasi sebagai bahan baku, MWCNT, dan silikon oksida (BC/SiO 2 /MWCNT) telah dikembangkan menggunakan teknologi pencetakan ion. Membran komposit menunjukkan kapasitas adsorpsi maksimum sebesar 46,52 mg L −1 , secara signifikan mengungguli membran non-imprinted dan mencapai efisiensi adsorpsi 92% untuk Er(III). [ 103 ] Fajardo-Diaz dkk. [ 99 ] mempelajari proses penolakan boron (B) menggunakan membran komposit berdasarkan matriks poliamida (PA), nanofiber selulosa, dan CNT. Penggabungan CNT dan nanofiber selulosa dalam membran polimer mengubah komposisi strukturalnya. Penambahan nanofiber selulosa menginduksi karakter hidrofilik dari biomembran dan permeasinya sementara mengintegrasikan CNT memperbaiki sifat elektronik membran, menghasilkan muatan yang lebih negatif, penurunan kekasaran rata-rata, dan penurunan potensi zeta. Studi ini mengungkapkan perubahan signifikan dalam kandungan hidrogen dan oksigen dari membran CNT-nanofiber selulosa-PA, yang memengaruhi penolakan B. Seperti yang dilaporkan, membran CNT-nanofiber selulosa-PA menolak boron sekitar 70%, sedangkan laju permeasi di atas 1,0 m 3 m −2 hari (lihat Gambar 5g ). Berbagai studi penelitian telah dilakukan untuk menghilangkan ion logam berat, pewarna, insektisida organoklorida, dan berbagai polutan organik dari air menggunakan biomembran CNT-kitosan. [ 104 ] Memodifikasi membran berbasis kitosan dengan CNT dapat menjadi pendekatan alternatif untuk meningkatkan sifat membran. Misalnya, dalam sebuah penelitian, MWCNT fungsional-amino (MWCNT-NH 2) digunakan untuk modifikasi kitosan/PVA, dan mereka menginduksi transportasi massa, kapasitas pertukaran ion, sifat magnetik, dan karakteristik permukaan membran. Dengan menggunakan pendekatan ini, gugus amina yang dimuat di seluruh biomembran menyediakan lokasi yang menguntungkan untuk penyerapan ion tembaga. [ 105 ] Kombinasi membran kertas bucky, yang dibuat dari MWCNT, dengan dua biopolimer (kitosan dan karagenan), menunjukkan kekuatan tarik yang luar biasa (30,69 ± 2,6 MPa) dan modulus Young (3,78 ± 0,03 GPa), menghasilkan penolakan tembaga dan timbal yang tinggi hingga nilai masing-masing 94% dan 91% (Alshahrani et al., 2021).
Membran nanofiber memiliki potensi signifikan dalam pemurnian air karena porositasnya yang tinggi dan luas permukaan spesifik yang besar. Wu et al. [ 106 ] melaporkan bahwa CNT dapat dilapisi pada membran nanofiber berpori dari kitosan/polivinilpirolidon (PVP)/PVA menggunakan teknik elektrospinning-elektrospray (lihat Gambar 6a ). Gambar penampang melintang membran CS, serta ilustrasi permukaan membran elektrospray yang dirancang, masing-masing disediakan pada Gambar 6b,c . Pembentukan nanochannel dalam lapisan aktif meningkatkan permeabilitas air (1533,26 Lm −2 .h −1 ). Lebih jauh lagi, membran nanofibrous lapis ganda ini menolak ion logam berat (Cu 2+ 95,68%, Ni 2+ 93,86%, Cd 2+ 88,52%, Pb 2+ 80,41%) dan pewarna (hijau malachite 87,20%, biru metilen 76,33%, dan kristal violet 63,39%) (lihat Gambar 6d ). Modifikasi CNT dengan lignosulfonat seperti natrium lignosulfonat (SLS) adalah pendekatan yang hebat untuk mempromosikan kemampuan dispersi CNT dalam air. Dalam penelitian terbaru yang dilakukan oleh Udomsin et al., membran super hidrofilik/superoleofobik bawah air dibuat dengan mendepositokan SLS@CNT yang dimodifikasi pada membran selulosa asetat melalui proses filtrasi vakum (lihat Gambar 6e ). Gambar SEM dari membran yang difabrikasi ditunjukkan pada Gambar 6f . Kinerja pemisahan membran ini untuk emulsi minyak mentah dalam air sangat luar biasa. Seperti yang dilaporkan, emulsi yang distabilkan oleh surfaktan menunjukkan fluks setinggi 13800 Lm −2 h −1 bar −1 dan efisiensi pemisahan yang tinggi (99,79%) (lihat Gambar 6g–i ). [ 107 ]
6 Diskusi dan Perspektif Masa Depan
Tantangan polusi air global yang terus meningkat memerlukan solusi inovatif yang menyeimbangkan kemanjuran, keberlanjutan, dan biaya. Studi ini menyelidiki integrasi biopolimer yang menjanjikan, seperti kitosan dan selulosa, dengan bahan karbon berlapis yang canggih, termasuk MXene, GO, dan CNT. Bersama-sama, komponen-komponen ini membentuk bahan komposit dengan potensi pengolahan air limbah yang transformatif. Sinergi yang harmonis antara biopolimer dan bahan karbon berlapis melampaui batasan yang biasanya dikaitkan dengan penyerap konvensional, membuka jalan bagi pendekatan yang lebih berkelanjutan untuk menghilangkan polutan. Biopolimer dipuji karena atributnya yang ramah lingkungan dan biodegradabilitas, diberkahi dengan gugus fungsional, seperti ─NH₂ dan ─OH, yang meningkatkan kemampuannya untuk berinteraksi dengan polutan melalui mekanisme seperti tarikan elektrostatik, ikatan hidrogen, dan khelasi. Meskipun demikian, ketidakstabilan mekanis bawaan biopolimer ini dan luas permukaan yang terbatas dapat menghambat kinerjanya. Di sinilah bahan karbon berlapis berperan, memberikan penguatan struktural yang sangat dibutuhkan dan luas permukaan yang jauh lebih besar. Permukaannya yang kaya elektron π memfasilitasi interaksi π–π yang menarik , khususnya dengan polutan aromatik, sehingga meningkatkan kemanjuran material komposit secara keseluruhan. Mengintegrasikan material komposit MXene/biopolimer dalam pengolahan air membran memanfaatkan kekuatan unik dari kedua komponen, menghasilkan membran yang dicirikan oleh kekuatan mekanis yang luar biasa, efisiensi yang ditingkatkan, dan sifat antibakteri yang mengesankan. Meskipun demikian, distribusi nanomaterial MXene yang seragam sangat penting untuk mencapai kinerja yang konsisten, yang menggarisbawahi kebutuhan mendesak untuk teknik pemuatan yang canggih. Mengintegrasikan biopolimer ke dalam material berbasis grafena secara signifikan meningkatkan biodegradabilitas, biokompatibilitas, dan keberlanjutannya, sekaligus meningkatkan berbagai macam sifat tambahan. Meskipun demikian, tantangan untuk menciptakan komposit biopolimer-grafena yang berkelanjutan secara ekologis, layak secara ekonomi, dan berkualitas tinggi yang dapat ditingkatkan secara efektif untuk aplikasi yang ditargetkan tetap ada. Sebaliknya, CNT memainkan peran penting dalam kemajuan nanokomposit yang berkelanjutan, berkat sifat-sifatnya yang luar biasa. Tantangan utama meliputi peningkatan skala produksi dan peningkatan stabilitas serta penggunaan kembali CNT/biomembran untuk memastikan kinerjanya yang efektif. Oleh karena itu, sangat penting untuk menyempurnakan teknik modifikasi sambil memprioritaskan pengembangan membran CNT yang berdiri sendiri dengan kemampuan luar biasa untuk menghilangkan polutan air secara efisien. Meskipun membran komposit ini menunjukkan hasil yang menjanjikan, beberapa tantangan dan pertimbangan di masa mendatang harus diatasi (lihat Gambar 7)). Keterbatasan, termasuk kekuatan mekanis yang lemah, masalah stabilitas, kendala skalabilitas, dan kerentanan terhadap pengotoran, masih ada. Selain itu, kendala dalam ketersediaan bahan biopolimer dan berlapis karbon, kompleksitas pemrosesan, tingkat degradasi yang bervariasi, dan kinerja yang tidak konsisten menghambat penetrasi pasar global.
Bergerak menuju keberlanjutan lingkungan menuntut penyelidikan regenerasi nanokomposit dan pembuangan adsorben bekas. Mengevaluasi potensi pelepasan membran pasca-penggunaan sangat penting, memerlukan penilaian toksisitas dan mempelajari nasibnya dalam pengaturan lingkungan. Studi saat ini terutama berfokus pada sistem polutan tunggal berbasis laboratorium, yang memerlukan penelitian di lingkungan air yang terkontaminasi seperti sungai. Ini akan mengungkap kinerja membran dalam matriks kompleks, yang menawarkan wawasan tentang potensi gangguan.
Penelitian di masa mendatang harus menyelidiki interaksi biopolimer-material karbon, mempelajari kinerja membran dalam berbagai kondisi dan komposisi air limbah. Lebih jauh, mengevaluasi potensi dispersi dan efisiensi filtrasi membran polimer yang dimuat dengan berbagai nanomaterial berbasis karbon sangatlah penting. Analisis komparatif ini akan sangat penting dalam mengidentifikasi kombinasi yang paling efektif untuk mencapai kinerja yang unggul. Perilaku jangka panjang dalam pengaturan nyata dan potensi pelindian memerlukan penyelidikan menyeluruh untuk memastikan efisiensi dan keamanan. Memajukan pengolahan air limbah berbasis membran melibatkan perluasan portofolio material, penetapan standar, peningkatan modifikasi permukaan, dan penekanan metode produksi yang ramah lingkungan dengan strategi daur ulang dan penggunaan kembali untuk proses pengolahan yang berkelanjutan.
7 Kesimpulan
Krisis air global merupakan tantangan yang mendesak dan memiliki banyak sisi, diperburuk oleh pertumbuhan populasi yang cepat, industrialisasi yang tak henti-hentinya, dan dampak buruk perubahan iklim. Situasi yang mendesak ini menuntut inovasi segera dalam sistem penyaringan untuk memenuhi permintaan air tawar yang melonjak sambil tetap menjaga keseimbangan lingkungan kita yang rapuh. Dalam konteks ini, membran polimer telah muncul sebagai solusi transformatif, yang secara cekatan memfasilitasi pemisahan padat-cair dan memastikan pembuangan padatan tersuspensi dan kontaminan berdasarkan ukuran dan berat. Namun, meningkatnya kekhawatiran seputar dampak lingkungan dan degradasi polimer sintetis telah memicu peralihan ke membran berbasis biopolimer. Bahan-bahan alami ini tidak hanya menawarkan keunggulan yang dapat diperbarui dan terurai secara hayati tetapi juga menawarkan biokompatibilitas yang ditingkatkan, menjadikannya pilihan yang lebih berkelanjutan. Namun, perjalanan menuju adopsi polimer alami bukannya tanpa rintangan; kinerjanya yang relatif lebih rendah dibandingkan dengan sintetis tradisional telah menimbulkan tantangan yang signifikan. Sebagai tanggapan, para peneliti telah mulai mengeksplorasi integrasi inovatif biopolimer dengan bahan berlapis karbon canggih seperti MXene, GO, dan CNT. Berdasarkan temuan dari tinjauan ini, jelas bahwa membran natrium alginat, yang disempurnakan dengan MXene, menunjukkan kapasitas adsorpsi tertinggi untuk menghilangkan Cr(VI) secara efektif. Kapasitas adsorpsi terukur dari membran GO dan membran berbasis alginat sangat mengesankan, dengan nilai 1334 mg g −1 untuk metilen biru, 35,50 mg g −1 untuk famotidin, dan 36,35 mg g −1 untuk diklofenak. Lebih jauh, penggabungan CNT ke dalam membran berbasis karboksimetil selulosa menunjukkan kapasitas adsorpsi yang luar biasa sebesar 20,83 mg g −1 untuk pewarna hijau cemerlang dan 22,42 mg g −1 untuk pewarna kristal ungu. Hasil ini menggarisbawahi potensi signifikan dari bahan membran canggih ini dalam aplikasi penghilangan polutan. Penggabungan strategis ini secara signifikan meningkatkan kekokohan dan efisiensi membran, menciptakan kasus yang menarik untuk penggunaannya dalam pengolahan air limbah industri. Singkatnya, komposit material berlapis biopolimer-karbon menandakan perubahan yang sangat penting dalam pendekatan pengelolaan air limbah, yang secara cermat menyeimbangkan efisiensi dengan keberlanjutan. Dengan melampaui batasan yang terkait dengan material tradisional, strategi inovatif ini selaras dengan tujuan keberlanjutan global dan menawarkan cetak biru yang menjanjikan untuk kemajuan masa depan dalam perbaikan lingkungan.
