Alat Baru untuk Membuang Logam Berat dari Air

Para insinyur di Universitas Brown mengembangkan sebuah system yang dengan bersih dan efisien membuang logam berat jejak dari air. Dalam eksperimen, para peneliti menunjukkan kalau system ini mengurangi konsentrasi cadmium, tembaga, dan nikel, mengembalikan air yang tercemar ke dekat atau di bawah standar yang diterima.

Hasil penelitian mereka tampil dalam Chemical Engineering Journal.

Sebuah konsekuensi buruk dari banyak praktek industry dan manufaktur, dari pabrik tekstil hingga operasi kerja logam, adalah pelepasan logam berat ke jalan air. Logam tersebut dapat bertahan selama berpuluh tahun, bahkan abad, dalam konsentrasi rendah namun tetap berbahaya.

Membuang logam jejak dari air “sangat sulit dilakukan,” kata Joseph Calo, professor emeritus teknik yang merawat sebuah laboratorium aktif di Brown. Ia mencatat biaya, inefisiensi, dan waktu yang dibutuhkan untuk usaha tersebut. “Seperti mengembalikan jin ke botolnya.”

Itu menantang. Calo dan insinyur lain di Brown menemukan sebuah metode baru yang menyaring logam berat jejak di air dengan meningkatkan konsentrasi mereka sehingga teknik pembuangan logam yang terbukti dapat mengambil alih. Dalam sederetan eksperimen, para insinyur melaporkan metode yang mereka sebut system presipitasi elektrowinning siklis – cyclic electrowinning/precipitation (CEP), mampu membuang 99 persen tembaga, cadmium, dan nikel, menyisakan air yang tercemar berada di standar kebersihan yang diterima. System CEP otomatis dapat diperluas pula, kata Calo, sehingga dapat memiliki potensi komersil, khususnya dalam remediasi lingkungan dan bidang pemulihan logam. Mekanika dan hasil dari system tersebut dijelaskan dalam sebuah paper yang diterbitkan dalam Chemical Engineering Journal.

Sebuah teknik yang telah terbukti membuang logam berat dari air lewat reduksi ion logam berat dari sebuah elektrolit. Sementara teknik tersebut punya banyak nama, seperti elektrowinning, pemulihan/pembuangan elektrolit atau elektroekstraksi, semuanya bekerja sama, dengan menggunakan arus listrik untuk mengubah ion logam bermuatan positif (kation) menjadi stabil dalam keadaan padat sehingga mereka dengan mudah dapat dipisahkan dari air. Masalah utama dalam teknik ini adalah kation logam yang ada harus dalam konsentrasi tinggi di air agar dapat efektif; jika konsentrasi kation terlalu rendah – kurang dari 100 bagian per juta – efisiensi menjadi begitu rendah dan arus bekerja pada lebih dari sekedar ion logam berat.

Cara lain untuk membuang logam adalah lewat kimia sederhana. Teknik ini melibatkan pemakaian hidroksida dan sulfide untuk menyublimkan ion logam dari air, sehingga membentuk padatan. Padatan ini, walau begitu, memiliki lumpur beracun, dan karenanya tidak ada cara baik untuk menanganinya. Penguburan di tanah pada umumnya tidak akan menghilangkannya, dan hanya membiarkannya diam dalam tangki penenang juga memberi potensi racun dan berbahaya secara lingkungan. “Tidak ada yang mau seperti itu, karena liabilitasnya tinggi,” kata Calo.

Dilemanya sekarang adalah bagaimana membuang logam secara efisien tanpa menciptakan limbah berbahaya. Calo dan rekan-rekannya, peneliti pasca doctoral Pengpeng Grimshaw dan George Hradil, yang meraih gelar doctor di Brown dan sekarang ajung professor, menggabungkan kedua teknik untuk membentuk system loop tertutup. “Kami mengatakan ‘mari gunakan tampilan menarik dari kedua metode dengan menggabungkannya dalam sebuah proses siklis,’” kata Calo.

Perlu beberapa tahun untuk membangun dan mengembangkan sistemnya. Dalam makalah ini, para pengarang menjelaskan bagaimana ia bekerja. System CEP melibatkan dua unit utama, satu untuk mengkonsentrasi kation dan lainnya untuk mengubahnya menjadi logam padat stabil dan membuangnya. Dalam tahap pertama, air berbeban logam dimasukkan dalam sebuah tangki dengan asam (asam sulfat) atau basa (natrium hidroksida) ditambahkan untuk mengubah pH air, secara efektif memisahkan molekul air dari subliman logam, yang tenang di dasar. Air “jernih” ditarik, dan lebih banyak air tercemar dimasukkan. Pengayunan pH dilakukan lagi, pertama dengan menguraikan subliman dan kemudian kembali menyublimkan semua logam, meningkatkan konsentrasi logam setiap siklus. Proses ini terus berulang hingga konsentrasi kation logam dalam larutan mencapai titik dimana elektrowinning dapat diterapkan secara efisien.

Ketika titik tersebut tercapai, larutan dikirim ke alat kedua, yang disebut elektroda partikulat semburan (spouted particulate electrode – SPE). Disinilah dimana elektrowinning terjadi, dan kation logam secara kimia diubah menjadi padatan logam stabil sehingga dapat dibuang dengan mudah. Para insinyur menggunakan SPE yang dikembangkan oleh Hradil, seorang insinyur penelitian senior di Technic Inc., berlokasi di Cranston, R.I. Air bersih dikembalikan ke tangki penyubliman, dimana ion logam dapat disublimkan sekali lagi. Setelah pembersihan lanjutan, air supernatant dikirim ke reservoir lain, dimana proses tambahan dilakukan untuk menurunkan tingkat konsentrasi ion logam. Proses ini dapat diulang secara otomatis dan siklis sejumlah yang dibutuhkan untuk mencapai hasil yang diinginkan, seperti standar air minum Negara.

Dalam eksperimen, para insinyur menguji system CEP dengan cadmium, tembaga, dan nikel secara individual dan dengan air yang mengandung ketiga logam. Hasilnya menunjukkan kalau cadmium, tembaga, dan nikel direndahkan hingga 1,50;0,23; dan 0,37 bagian per juta (bpj) – dekat atau dibawah ambang cemar maksimum yang dibolehkan Dinas Perlindungan Lingkungan AS. Lumpur terus terbentuk dan terurai dalam system sehingga tidak ada yang tersisa sebagai pencemar lingkungan.

“Pendekatan ini menghasilkan reduksi volume sangat besar dari air tercemar awalnya dengan reduksi elektrokimia ion menuju logam nol-valen pada permukaan partikel katodik,” tulis para pengarang. “Untuk konsentrasi ion awal 10 bpj, reduksi volumenya berada dalam ordo satu juta.”

Calo mengatakan kalau pendekatan ini dapat dipakai untuk logam berat lain seperti timbal, raksa, dan timah. Para peneliti saat ini mencobakan system dengan sampel yang tercemar logam berat dan zat lain, seperti endapan, untuk mengkonfirmasi operasinya.

Para peneliti didanai oleh National Institute of Environmental Health Sciences, sebuah cabang dari National Institutes of Health, lewat program Brown University Superfund Research.

Sumber berita:

Brown University.

Referensi jurnal:

Pengpeng Grimshaw, Joseph M. Calo, George Hradil. Cyclic electrowinning/precipitation (CEP) system for the removal of heavy metal mixtures from aqueous solutions. Chemical Engineering Journal, 2011; 175: 103 DOI:10.1016/j.cej.2011.09.062