Melawan Batasan: Penemuan Perilaku Membran Baru Dapat Menyebabkan Pemisahan yang Belum Pernah Terjadi Sebelumnya

Zat terlarut berskala nano dengan sedikit perbedaan ukuran dapat dipisahkan oleh membran dengan pori-pori yang identik — jika mereka memiliki cukup kesempatan untuk mencoba. Kredit: Laboratorium Nasional Argonne

Para ilmuwan telah mengembangkan teknik baru untuk mengatasi keterbatasan yang dirasakan pada membran dengan pori-pori berukuran seragam.

Penelitian terkini pada membran isopori, yang memiliki pori-pori berukuran seragam, menunjukkan potensi untuk meningkatkan presisi dan efisiensi proses pemisahan industri dengan memungkinkan zat terlarut melewati pori-pori beberapa kali.

Bayangkan pertandingan basket yang ketat dan harus berakhir dengan tembakan terakhir. Peluang bola masuk ke ring mungkin cukup rendah, tetapi akan meningkat drastis jika pemain diberi kesempatan untuk menembaknya berulang kali.

Ide serupa juga berlaku di bidang ilmiah pemisahan membran, sebuah proses utama yang penting bagi berbagai industri, mulai dari bioteknologi, petrokimia, pengolahan air, hingga makanan dan minuman.

“Pemisahan merupakan inti dari banyak produk yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari,” kata Seth Darling, kepala Superior Supplies for Power Water Methods (AMEWS) Heart di Laboratorium Nasional Argonne, Departemen Energi AS (DOE). ​“Membran merupakan kunci untuk mencapai pemisahan yang efisien.”

Tantangan dengan Membran Komersial

Banyak proses komersial menggunakan membran untuk memisahkan zat terlarut dengan ukuran yang berbeda, yaitu zat yang terlarut dalam air atau cairan lainnya. Hampir semua membran komersial bersifat polidispersi, yang berarti ukuran pori-porinya tidak konsisten. Untuk membran ini, hampir mustahil untuk melakukan pemisahan bahan secara tajam karena zat terlarut dengan ukuran yang berbeda dapat masuk melalui pori-pori yang berbeda. ​“Pada dasarnya semua membran komersial, semua membran yang benar-benar digunakan untuk apa pun, memiliki berbagai ukuran pori — pori kecil, pori sedang, dan pori besar,” kata Darling.

Darling dan rekan-rekannya di Argonne dan Sekolah Teknik Molekuler Pritzker di Universitas Chicago tertarik untuk meneliti sifat-sifat membran isopori, yaitu membran yang semua pori-porinya berukuran sama. Sebelumnya, para ilmuwan percaya bahwa ada batas ketajaman pemisahan yang dapat mereka capai pada skala nanotidak hanya karena variasi ukuran pori, tetapi juga fenomena yang disebut ​“transportasi terhalang.”

Transportasi terhalang merujuk pada resistansi inside media fluida saat zat terlarut mencoba melewati pori.

Mengatasi Kendala Transportasi

“Air di pori-pori akan menciptakan tarikan pada molekul atau partikel yang mencoba melewatinya, yang menyebabkannya melambat,” kata Darling. “Zat terlarut yang lebih lambat tersebut tampaknya ditolak oleh membran. Berlawanan dengan intuisi, objek yang berukuran setengah dari pori-pori akan ditolak sekitar setengahnya.” Mengatasi penolakan yang disebabkan oleh transportasi yang terhambat akan memungkinkan selektivitas yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam pemisahan berdasarkan ukuran, jelasnya.

“Rezim yang kami minati melibatkan pori-pori dengan diameter sekitar 10 nanometer. Dengan membran yang sempurna dan desain proses yang tepat, kami yakin dapat memisahkan zat terlarut dengan perbedaan ukuran sekecil lima persen. Membran saat ini tidak memiliki peluang untuk melakukan itu,” kata Darling.

Dalam studi baru, Darling dan rekan-rekannya menemukan dinamika yang hanya dapat diungkap dengan mempelajari membran isopori, dan itu memberi harapan untuk mengatasi keterbatasan transportasi yang terhambat. “Sampai sekarang, para ilmuwan secara implisit berasumsi bahwa setiap zat terlarut hanya mendapat satu kali percobaan untuk melewati pori, dan bahwa transportasi yang terhambat akan menghasilkan penolakan banyak zat terlarut yang lebih kecil dari ukuran pori, menyebabkan mereka tetap berada di aliran umpan daripada aliran keluaran,” tambah Darling. “Meskipun mungkin tampak jelas bagi sebagian orang, orang tidak pernah benar-benar mempertimbangkan situasi di mana zat terlarut dapat melakukan beberapa kali percobaan untuk melewati membran.”

Untuk memberi molekul zat terlarut beberapa kali kesempatan untuk melewati pori, diperlukan siklus larutan umpan selama beberapa minggu. “Bahkan dengan periode percobaan yang diperpanjang, kami masih hanya melihat zat terlarut particular person mencoba melewati pori beberapa kali secara rata-rata, tetapi itu membuat perbedaan besar dalam menggerakkan kurva pemisahan ke arah fungsi seperti langkah yang lebih tajam,” kata Darling. “Dengan waktu yang lebih lama, atau kemungkinan besar desain proses yang lebih baik, kami yakin kami akan melihat pemisahan yang jelas dan tajam tepat di tempat ukuran pori cocok dengan ukuran zat terlarut.”

Wawasan yang dipelajari dari membran isopori dapat diterapkan pada materials membran yang sudah ada yang dirancang untuk meningkatkan jumlah peluang zat terlarut untuk melewati pori-pori. “Jika studi mendasar ini berhasil diterapkan pada pemisahan membran industri, hal ini dapat memberikan dampak yang luar biasa di berbagai sektor ekonomi kita,” katanya.

Referensi: “Mendorong batas selektivitas ukuran dalam pemisahan zat terlarut skala nano” oleh Feng Gao, Wen Chen, Jamila G. Eatman, Ruben Z. Waldman, Nestor J. Zaluzec, Ruilin Dong, Paul F. Nealey dan Seth B. Darling, 20 Juni 2024, Air Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s44221-024-00252-3

Pekerjaan ini didukung oleh Kantor Ilmu Energi Dasar DOE.