Perpustakaan Digital ITB

Evaporator tenaga surya telah menjadi fokus penelitian dalam beberapa dekade terakhir sebagai salah satu solusi yang ramah lingkungan untuk mengatasi krisis air bersih. Teknologi ini memanfaatkan energi surya yang berlimpah untuk memanaskan dan menguapkan air, kemudian mengondensasi uap air menjadi air bersih. Namun, efisiensi evaporator tenaga surya tradisional rendah (<20%) karena rendahnya daya serap air terhadap cahaya, serta infrastruktur yang komplek dan mahal. Salah satu strategi untuk meningkatkan efisiensi evaporasi adalah menggunakan material fototermal (photothermal) yang baik, yang dapat menyerap cahaya dan mengubahnya menjadi termal (panas). Diantara berbagai jenis material fototermal, karbon dot merupakan kandidat potensial karena memiliki sifat-sifat menarik seperti konduktivitas termal rendah, kemampuan absorbansi dan fototermal yang baik, tidak beracun, serta mudah disintesis dan difungsionalisasi. Namun, absorbansi karbon dot umumnya terbatas di daerah ultraviolet sehingga perlu dikembangkan melalui fungsionalisasi atau modifikasi struktur agar memiliki spektrum absorbansi yang lebih luas dan meningkatkan efek fototermal. Strategi lain untuk meningkatkan kinerja evaporator tenaga surya adalah dengan menurunkan entalpi evaporasi melalui penggunaan hidrogel yang mampu menyerap dan menahan air. Polivinil alkohol (PVA) menjadi pilihan utama untuk evaporator tenaga surya sistem interfacial karena hidrofilisitasnya dan metode fabrikasi yang sederhana. Namun, PVA memiliki daya serap rendah di daerah cahaya tampak hingga inframerah. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah mengembangkan material fototermal berbasis karbon dot yang dimodifikasi dengan PVA untuk menghasilkan evaporator tenaga surya berkinerja tinggi dan stabil. Pada penelitian ini, karbon dot disintesis dari asam sitrat dan urea menggunakan pemanasan gelombang mikro dengan waktu yang relatif singkat. Karbon dot yang dihasilkan memiliki konduktivitas termal sebesar 0,05 W m-1 K -1 , jauh lebih rendah dibandingkan CNT atau grafena yang memiliki konduktivitas termal 3000-6000 W m-1 K -1 . Kemampuan absorbansi juga lebih lebar hingga daerah cahaya tampak dengan struktur inti yang kaya konfigurasi ikatan C-N pyrrolic dan banyak gugus fungsi di permukaannya. Banyaknya gugus fungsi di permukaan karbon dot memungkinkan terbentuknya keadaan-keadaan energi baru antara keadaan highest occupied molecular orbital (HOMO) dengan keadaan lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) sehingga makin banyak menghasilkan relaksasi non radiatif (panas). Karbon dot juga memiliki struktur graphitic yang bersinergi dengan pyrrolic sehingga mampu meningkatkan efek fototermal dan menghasilkan kinerja evaporator yang lebih baik. Kemampuan absorbansi dan efek fototermal terbaik dihasilkan dari rasio molar asam sitrat dan urea 1:3. Uji fototermal pada sistem volumetrik menghasilkan laju evaporasi 1,11 kg m-2 jam-1 dan efisiensi evaporasi 70%. Koloid karbon dot juga teramati stabil di air, terbukti dari absorbansi dan kinerjanya yang tetap stabil setelah 14 hari dengan nilai potensial zeta sebesar -40,6 mV. Karbon dot dengan karakteristik absorbansi dan fototermal terbaik dikompositkan dengan poli vinil alkohol (PVA) dan dicetak menjadi film menggunakan teknik solution-casting. Proses pengikatan silang dilakukan dengan menambahkan asam sitrat sebagai agen pengikat silang diikuti dengan pemanasan pada suhu 140 ?C pasca sintesis. Film hidrogel karbon dot/PVA yang dihasilkan memiliki absorbansi luas hingga daerah inframerah dekat, bersifat hidrofilik (sudut kontak <60?), serta fleksibel dan memiliki kekuatan mekanis sangat baik (kekuatan tarik 9 MPa, perpanjangan mulur 257%, dan modulus elastisitas 7 MPa). Dengan karakteristik tersebut, film karbon dot/PVA menghasilkan laju evaporasi 1,58 kg m-2 jam-1 pada penyinaran 1 kW m-2 dan 3,01 kg m-2 jam-1 pada penyinaran 4 kW m-2 dalam evaporator tenaga surya sistem interfacial. Laju evaporasi tersebut enam kali lebih tinggi dari pada evaporasi hasil pemanasan air langsung dengan penyinaran 1 kW m-2 . Peningkatan laju evaporasi ini didukung oleh turunnya entalpi evaporasi dari 2448,8 kJ kg-1 untuk entalpi evaporasi air pada suhu 22 ?C menjadi 1827 kJ kg-1 untuk entalpi sistem menggunakan film karbon dot/PVA. Dengan nilai entalpi tersebut, perhitungan efisiensi evaporasi film karbon dot/PVA menjadi 80%. Film ini juga menunjukkan kinerja yang stabil hingga 9 kali penggunaan ulang. Selain itu, uji kinerja menggunakan air laut dan air terkontaminasi pewarna organik membuktikan bahwa evaporator tenaga surya berbasis film karbon dot/PVA dapat dipakai untuk proses desalinasi dan purifikasi air limbah.