Inovasi Guru Besar ITS: Teknologi Fotokatalis Ramah Lingkungan untuk Pengolahan Air Bersih

KILAS JAVA, SURABAYA – Ketersediaan air bersih menjadi salah satu tantangan terbesar di tengah meningkatnya pencemaran limbah domestik dan industri. Menjawab persoalan tersebut, Guru Besar ke-250 Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Prof Dr Eng Kusdianto ST MSc Eng, mengembangkan teknologi material komposit berbasis fotokatalis yang mampu menguraikan limbah cair secara efektif sekaligus ramah lingkungan.

Inovasi tersebut memanfaatkan rekayasa material semikonduktor yang dirancang untuk mempercepat degradasi senyawa organik kompleks dalam limbah. Teknologi ini diharapkan menjadi alternatif pengolahan air yang lebih efisien dibanding metode konvensional, sekaligus mendukung kebutuhan industri terhadap sistem pengolahan limbah yang berkelanjutan.

Kusdianto menjelaskan, pencemaran perairan masih menjadi persoalan serius karena banyak limbah mengandung senyawa organik yang sulit terurai secara alami. Akumulasi polutan tersebut tidak hanya menurunkan kualitas air, tetapi juga memicu kerusakan ekosistem dan mengancam kesehatan masyarakat.

"Pengolahan yang tidak optimal menyebabkan akumulasi zat beracun di perairan tidak dapat didegradasi dengan baik," ujarnya.

Menurut alumnus Teknik Kimia ITS itu, metode pengolahan limbah yang selama ini digunakan belum mampu menguraikan seluruh polutan organik. Karena itu, ia mengembangkan pendekatan berbasis fotokatalis, yakni teknologi yang memanfaatkan cahaya untuk mengaktifkan material semikonduktor sehingga menghasilkan spesies oksidatif yang mampu menghancurkan senyawa pencemar.

Material semikonduktor seperti zinc oxide (ZnO) maupun titanium dioksida (TiO2) sebenarnya telah lama digunakan sebagai fotokatalis. Namun efektivitasnya masih dibatasi oleh proses rekombinasi elektron dan hole yang berlangsung terlalu cepat sehingga menurunkan kemampuan degradasi polutan.

Selama ini, permasalahan tersebut diatasi dengan mengombinasikan ZnO bersama logam mulia seperti perak (Ag) sebagai penangkap elektron. Akan tetapi, proses sintesis material menggunakan metode liquid-phase memerlukan tahapan yang panjang serta pemanasan lanjutan sehingga kurang efisien untuk produksi dalam skala besar.

Berangkat dari persoalan itu, Kusdianto mengembangkan metode sintesis berbasis teknik aerosol melalui flame spray pyrolysis dan spray pyrolysis. Teknologi konversi termal tersebut memungkinkan bahan baku cair diubah menjadi partikel nano hanya dalam satu tahapan proses.

"Kelebihannya terletak pada fleksibilitasnya. Kita dapat mengontrol temperatur reaktor sekaligus mengatur morfologi partikel material selama proses berlangsung," katanya.

Material utama yang digunakan adalah zinc oxide karena memiliki karakteristik semikonduktor dengan celah pita energi yang sesuai untuk proses fotokatalitik. 

Menariknya, material tersebut disintesis menggunakan pendekatan green synthesis dengan memanfaatkan ekstrak tumbuhan, seperti pohon jati, sebagai agen reduktor sekaligus penstabil melalui kandungan senyawa fenolik alaminya.

Pendekatan tersebut membuat proses produksi material menjadi lebih ramah lingkungan karena mengurangi ketergantungan terhadap bahan kimia sintetis yang berpotensi menghasilkan limbah baru.

Hasil penelitian menunjukkan, komposit ZnO yang dikombinasikan dengan perak pada komposisi optimal lima persen mampu menghasilkan performa degradasi terbaik. Selain menguraikan limbah organik, material tersebut juga memiliki kemampuan antibakteri.

Menurut Kusdianto, spesies oksidatif aktif yang terbentuk selama proses fotokatalitik akan merusak dinding sel bakteri sehingga menyebabkan kebocoran sitoplasma dan akhirnya mematikan mikroorganisme tersebut.

Melalui mekanisme tersebut, berbagai senyawa organik kompleks dapat diuraikan menjadi air (H2O) dan karbon dioksida (CO2) tanpa memerlukan tambahan pelarut kimia berbahaya maupun menghasilkan limbah sekunder selama proses berlangsung.

"Proses pengolahan limbah tidak memerlukan tambahan pelarut kimia berbahaya dan tidak menghasilkan limbah dalam prosesnya," ucapnya.

Pengembangan teknologi itu tidak berhenti pada pengolahan limbah cair. Kusdianto juga menerapkan material hasil sintesisnya sebagai filter adsorber gas pada sektor pembangkit listrik.

Filter berstruktur matriks tersebut dirancang untuk menangkap emisi amonia (NH3) dan hidrogen sulfida (H2S) yang dihasilkan dari operasional pembangkit listrik. 

Sistem ini memanfaatkan kombinasi mekanisme fisisorpsi dan kemisorpsi agar kualitas udara maupun air buangan memenuhi baku mutu lingkungan.

Keunggulan material komposit tersebut semakin terlihat ketika diuji menggunakan sinar matahari secara langsung. Berdasarkan hasil pengujian, efisiensi degradasi polutan mampu mencapai 100 persen sehingga membuka peluang penerapan teknologi ini pada skala industri.

Kusdianto menargetkan hasil riset tersebut segera memasuki tahap hilirisasi untuk menangani limbah amonia di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) serta mengolah limbah zat warna dari industri tekstil yang selama ini menjadi salah satu sumber pencemaran air.

Dalam pengembangan teknologi tersebut, ia juga menjalin kolaborasi riset bersama Prof Manabu Shimada dari Hiroshima University, Jepang. Kerja sama itu berfokus pada fabrikasi material komposit TiO2-Ag melalui sintesis one-step process yang menggabungkan teknologi Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) dan Physical Vapor Deposition (PVD).

Bagi Kusdianto, pengembangan teknologi pengolahan air di masa depan memerlukan sinergi lintas disiplin, mulai dari teknik kimia, teknik lingkungan, hingga teknik elektro. 

Kolaborasi tersebut dinilai penting untuk mempercepat lahirnya inovasi yang mampu menjawab tantangan pengelolaan limbah sekaligus mendukung target pembangunan berkelanjutan, khususnya akses terhadap air bersih dan praktik produksi yang bertanggung jawab. (Nayla).