“Menggagang sangat efektif” – Peneliti mengembangkan metode baru untuk mengolah air limbah
Mengadopsi metode dari bidang medis, teknik ini dapat memisahkan zat dengan pengenceran minimal.
Para peneliti di Rice University, dalam kemitraan dengan Universitas Teknologi Guangdong, telah mengembangkan metode inovatif untuk mengobati air limbah organik salinitas tinggi-aliran limbah yang mengandung kandungan garam dan organik tinggi-dengan teknologi dialisis beradaptasi yang biasa digunakan dalam kedokteran.
Dalam dialisis medis, sebuah mesin yang disebut dialyzer menyaring limbah dan kelebihan cairan dari darah pasien dengan gagal ginjal. Darah diambil dari tubuh, dimurnikan di dialyzer, dan kemudian dikembalikan melalui jarum atau tabung yang terpisah.
Dalam studi mereka yang diterbitkan di Air Alamtim peneliti menunjukkan bahwa proses serupa dapat secara efektif memisahkan garam dari senyawa organik di air limbah dengan pengenceran minimal. Pendekatan ini mengatasi keterbatasan utama dari metode perawatan tradisional dan menawarkan manfaat yang signifikan, termasuk berkurangnya dampak lingkungan, biaya operasional yang lebih rendah, dan potensi untuk memulihkan sumber daya yang berharga di berbagai industri.
“Dialisis sangat efektif dalam memisahkan garam dari organik dalam uji coba kami,” kata Menachem Elimelech, seorang penulis yang sesuai dalam penelitian ini dan Profesor Teknik Sipil dan Lingkungan Nancy dan Clint Carlson. “Ini adalah penemuan yang menarik dengan potensi untuk mendefinisikan kembali bagaimana kami menangani beberapa tantangan air limbah kami yang paling sulit dikerjakan.”
Tantangan dengan metode pengolahan air limbah tradisional
Sejumlah industri menghasilkan limbah organik salinitas tinggi, termasuk manufaktur petrokimia, farmasi, dan tekstil. Karena gabungan garam tinggi dan kandungan organik tinggi, limbah ini menimbulkan tantangan serius untuk proses perawatan yang ada. Perawatan biologis dan metode oksidasi canggih sering dikompromikan oleh peningkatan tingkat salinitas, mengurangi efektivitas keseluruhannya. Metode termal, meskipun secara teknis layak, intensif energi dan rentan terhadap korosi, penyumbatan, dan inefisiensi operasional yang dapat meningkatkan biaya dan memperumit pemeliharaan. Sementara itu, proses membran yang digerakkan oleh tekanan seperti ultrafiltrasi sering mengalami fouling membran parah, yang mengarah pada kebutuhan akan beberapa langkah pengenceran air limbah, yang meningkatkan penggunaan air dan kompleksitas operasional.
“Metode tradisional sering menuntut banyak energi dan membutuhkan pengenceran berulang,” kata Yuanmiaoliang “Selina” Chen, seorang penulis pertama dan mahasiswa postdoctoral di Lab Elimelech di Rice. “Dialisis menghilangkan banyak titik nyeri ini, mengurangi konsumsi air dan overhead operasional.”
Tim peneliti menggunakan kombinasi percobaan dialisis skala bangku dan pemodelan transportasi yang komprehensif untuk mengevaluasi kinerja dialisis dalam memisahkan garam dan senyawa organik. Para peneliti pertama kali memilih membran ultrafiltrasi komersial dengan cutoff berat molekul yang berbeda untuk mempelajari transportasi garam dan penolakan organik. Mereka kemudian membangun mode aliran balik bilateral dalam pengaturan dialisis, yang termasuk aliran umpan yang berisi air limbah organik salinitas tinggi yang diturunkan di satu sisi membran, sementara aliran air tawar mengalir di sisi lain tanpa tekanan hidrolik yang diterapkan.
Para peneliti melacak fluks garam dan air dari waktu ke waktu untuk menunjukkan bahwa garam yang tersebar melintasi membran ke dalam dialisat, sementara fluks air tetap dapat diabaikan. Mereka mengukur penghapusan organik dengan membandingkan konsentrasi organik dalam pakan sebelum dan sesudah dialisis. Untuk menilai resistensi fouling, mereka memantau perubahan dalam kinerja membran, jika ada, selama waktu lari yang diperpanjang. Para peneliti lebih lanjut mengembangkan model matematika untuk memperdalam pemahaman mereka tentang mekanisme transportasi garam dan air.
Temuan utama dan keunggulan pengobatan dialisis
Mereka menemukan bahwa dialisis secara efektif menghilangkan garam dari air tanpa memerlukan air tawar dalam jumlah besar. Proses ini memungkinkan garam untuk bergerak ke aliran dialisat sambil menjaga sebagian besar senyawa organik dalam larutan asli. Dibandingkan dengan ultrafiltrasi dengan membran yang sama, dialisis lebih baik dalam memisahkan garam dari molekul organik kecil yang netral. Karena dialisis bergantung pada difusi alih -alih tekanan, garam dan organik melintasi membran pada kecepatan yang berbeda, membuat pemisahan lebih efisien.
“Kami menemukan bahwa salah satu keuntungan terbesar dari dialisis untuk pengolahan air limbah adalah potensi untuk pemulihan sumber daya,” kata Elimelech. “Di luar sekadar mengolah air limbah, kita juga dapat memulihkan garam atau bahan kimia yang berharga, berkontribusi pada ekonomi yang lebih melingkar.”
Keuntungan signifikan lainnya dari dialisis adalah resistensi terhadap fouling. Tidak seperti sistem yang digerakkan oleh tekanan, dialisis mengalami lebih sedikit penumpukan bahan organik pada membran karena tidak bergantung pada tekanan hidrolik. Ini dapat diterjemahkan ke penggunaan energi yang lebih rendah, lebih sedikit pemeliharaan, dan lebih sedikit penggantian membran.
“Dengan meninggalkan tekanan hidrolik sama sekali, kami meminimalkan risiko pengotoran, yang merupakan salah satu rintangan terbesar dalam perawatan berbasis membran,” kata Zhangxin Wang, seorang penulis dan profesor yang berkoresponden di Sekolah Ekologi, Lingkungan dan Sumber Daya di Guangdong Tech. “Ini memungkinkan kinerja yang lebih stabil dan konsisten selama siklus operasi yang diperluas.”
Selain itu, sementara dialisis saja tidak sepenuhnya memurnikan air limbah, secara efektif mengurangi salinitas, membuat perawatan lain-seperti proses biologis, oksidasi canggih, atau sistem pelepasan nol-cair-lebih efisien.
“Dialisis menawarkan solusi berkelanjutan untuk mengobati aliran limbah yang kompleks, salinitas tinggi dengan menghemat air tawar, mengurangi biaya energi, dan meminimalkan fouling,” kata Elimelech. “Pendekatannya yang didorong difusi dapat merevolusi perlakuan dari beberapa limbah industri yang paling menantang.”
Referensi: “Dialisis Membuka Jalur Baru Untuk Pengolahan Air Limbah Organik Salinitas Tinggi” oleh Yuanmiaoliang Chen, Longchao Wang, Martina del Cerro, Li Wang, Xuan Zhang, Menachem Elimelech dan Zhangxin Wang, 9 Januari 2025, Air Alam.
Doi: 10.1038/s44221-024-00368-6
