Teknologi membran baru yang dikembangkan oleh Universitas Newcastle memanfaatkan kelembapan untuk menangkap karbon dioksida secara efisien, menawarkan solusi yang menjanjikan untuk penangkapan udara langsung berkelanjutan yang penting untuk mencapai target iklim.

Penangkapan udara langsung diidentifikasi sebagai salah satu dari ‘Tujuh pemisahan kimia yang mengubah dunia’. Hal ini karena meskipun karbon dioksida merupakan penyumbang utama perubahan iklim (kita melepaskan ~40 miliar ton ke atmosfer setiap tahun), memisahkan karbon dioksida dari udara sangat menantang karena konsentrasinya yang encer (~0,04%).

Tantangan dalam Pemisahan Karbon Dioksida

Prof Ian Metcalfe, Ketua Royal Academy of Engineering dalam Teknologi Baru di School of Engineering, Universitas Newcastle, Inggris, dan peneliti utama menyatakan, “Proses pemisahan encer merupakan pemisahan yang paling sulit dilakukan karena dua alasan utama. Pertama, karena konsentrasinya rendah, kinetika (kecepatan) reaksi kimia yang menargetkan penghilangan komponen encer sangat lambat. Kedua, pemekatan komponen encer membutuhkan banyak energi.”

Ini adalah dua tantangan yang dihadapi oleh para peneliti Newcastle (dengan rekan-rekan di Universitas Victoria Wellington, Selandia Baru, Universitas Imperial LondonInggris, Universitas Oxford, Inggris, Universitas Strathclyde, Inggris, dan UCL, Inggris) berupaya mengatasinya dengan proses membran baru mereka. Dengan menggunakan perbedaan kelembapan yang terjadi secara alami sebagai tenaga pendorong untuk memompa karbon dioksida keluar dari udara, tim tersebut mengatasi tantangan energi. Keberadaan air juga mempercepat pengangkutan karbon dioksida melalui membran, mengatasi tantangan kinetik.

Inovasi dalam Teknologi Membran

Karya tersebut dipublikasikan di Nature Energy dan Dr. Greg A. Mutch, Royal Academy of Engineering Fellow di School of Engineering, Newcastle University, Inggris menjelaskan, “Penangkapan udara langsung akan menjadi komponen utama sistem energi masa depan. Ini akan diperlukan untuk menangkap emisi dari sumber karbon dioksida bergerak dan terdistribusi yang tidak dapat dengan mudah didekarbonisasi dengan cara lain.”

“Dalam karya kami, kami mendemonstrasikan membran sintetis pertama yang mampu menangkap karbon dioksida dari udara dan meningkatkan konsentrasinya tanpa masukan energi tradisional seperti panas atau tekanan. Saya pikir analogi yang berguna mungkin adalah kincir air di pabrik tepung. Sementara pabrik menggunakan transportasi air menurun untuk menggerakkan penggilingan, kami menggunakannya untuk memompa karbon dioksida keluar dari udara.”

Proses Pemisahan

Proses pemisahan merupakan dasar dari sebagian besar aspek kehidupan modern. Dari makanan yang kita makan, obat-obatan yang kita konsumsi, hingga bahan bakar atau baterai di mobil kita, sebagian besar produk yang kita gunakan telah melalui beberapa proses pemisahan. Selain itu, proses pemisahan penting untuk meminimalkan limbah dan kebutuhan akan pemulihan lingkungan, seperti penangkapan karbon dioksida secara langsung melalui udara.

Namun, dalam dunia yang bergerak menuju ekonomi sirkular, proses pemisahan akan menjadi lebih penting lagi. Di sini, penangkapan udara langsung dapat digunakan untuk menyediakan karbon dioksida sebagai bahan baku untuk membuat banyak produk hidrokarbon yang kita gunakan saat ini, tetapi dalam siklus karbon-netral, atau bahkan karbon-negatif.

Yang terpenting, di samping transisi ke energi terbarukan dan penangkapan karbon tradisional dari sumber titik seperti pembangkit listrik, penangkapan udara langsung diperlukan untuk mewujudkan target iklim, seperti target 1,5 °C yang ditetapkan oleh Perjanjian Paris.

Penangkapan Karbon yang Didorong oleh Kelembaban

Dr. Evangelos Papaioannou, Dosen Senior di School of Engineering, Newcastle University, Inggris menjelaskan, “Berbeda dari operasi membran pada umumnya, dan seperti yang dijelaskan dalam makalah penelitian, tim menguji membran baru yang dapat ditembus karbon dioksida dengan berbagai perbedaan kelembapan yang diterapkan di seluruh membran. Ketika kelembapan lebih tinggi di sisi keluaran membran, membran secara spontan memompa karbon dioksida ke aliran keluaran tersebut.”

Upaya Kolaboratif dan Arah Masa Depan

Menggunakan tomografi mikro-komputer sinar-X dengan kolaborator di UCL dan Universitas Oxfordtim tersebut mampu mengkarakterisasi struktur membran secara tepat. Hal ini memungkinkan mereka untuk memberikan perbandingan kinerja yang kuat dengan membran canggih lainnya.

Aspek utama dari pekerjaan ini adalah memodelkan proses yang terjadi di membran pada skala molekuler. Dengan menggunakan perhitungan teori fungsional kerapatan dengan seorang kolaborator yang berafiliasi dengan Universitas Victoria Wellington dan Imperial College London, tim tersebut mengidentifikasi ‘pembawa’ di dalam membran. Pembawa tersebut secara unik mengangkut karbon dioksida dan air, tetapi tidak ada yang lain. Air diperlukan untuk melepaskan karbon dioksida dari membran, dan karbon dioksida diperlukan untuk melepaskan air. Karena itu, energi dari perbedaan kelembapan dapat digunakan untuk mendorong karbon dioksida melalui membran dari konsentrasi rendah ke konsentrasi yang lebih tinggi.

Prof Metcalfe menambahkan, “Ini merupakan kerja sama tim yang nyata selama beberapa tahun. Kami sangat berterima kasih atas kontribusi dari para kolaborator kami, dan atas dukungan dari Royal Academy of Engineering dan Engineering & Physical Sciences Research Council.”

Referensi: “Pemisahan dan konsentrasi karbon dioksida dari udara menggunakan membran karbonat cair yang digerakkan oleh kelembaban” oleh IS Metcalfe, GA Mutch, EI Papaioannou, S. Tsochataridou, D. Neagu, DJL Brett, F. Iacoviello, TS Miller, PR Shearing, PA Hunt, 19 Juli 2024, Energi Alam.
DOI: 10.1038/s41560-024-01588-6