Sintesis Granul Komposit ZnO/Geopolimer untuk Aplikasinya pada Sistem Filtrasi Air Antibakteri

Abstract

Infeksi bakteri akibat air yang terkontaminasi patogen dapat menyebabkan diare. Diare merupakan salah satu penyebab utama kematian anak-anak di bawah usia lima tahun, sehingga menjadi isu kesehatan global yang memerlukan perhatian khusus. Pencegahan diare dapat dilakukan dengan pengolahan air yang benar, sehingga air yang dikonsumsi atau digunakan untuk minum, mencuci makanan, dan memasak terhindar dari patogen. Pengolahan air yang umum dilakukan, yaitu klorinasi, perebusan, dan penggunaan antibiotik. Klorinasi merupakan metode yang efektif untuk membunuh bakteri patogen karena reaksinya yang cepat dan mudah, tetapi memiliki bau yang tidak sedap serta potensi bahaya yang besar bagi manusia dan lingkungan. Perebusan air dapat membunuh sebagian besar patogen, tetapi memerlukan energi yang besar. Sementara itu, antibiotik dapat memicu bakteri mengembangkan mekanisme pertahanan, sehingga bakteri lebih resisten. Dengan demikian, dikembangkan teknologi filtrasi yang tidak hanya mampu menyaring partikel besar, tetapi juga memiliki kemampuan antibakteri yang baik. Material filtrasi pada penelitian ini adalah nanopartikel ZnO dengan aktivitas antibakteri yang terbukti kuat. Material ini mampu membunuh bakteri patogen melalui mekanisme pelepasan ion zink dan/atau pembentukan reactive oxygen species (ROS). Akan tetapi, nanopartikel ZnO yang berupa serbuk sangat mudah terdispersi di dalam air dan memicu terhambatnya aliran air pada filter. Untuk itu, nanopartikel ZnO disintesis dan dikompositkan dengan geopolimer, sehingga mudah dibentuk menjadi butiran yang disebut granul. Selanjutnya, granul komposit ZnO/Geopolimer diuji aktivitas antibakterinya terhadap bakteri Escherichia coli (E. coli) sebagai representatif dari bakteri gram negatif dan Staphylococcus aureus (S. aureus) dari golongan bakteri gram negatif. Sintesis granul komposit ZnO/Geopolimer diawali dengan menyintesis nanopartikel ZnO. Nanopartikel ZnO disintesis menggunakan pektin sebagai capping agent melalui metode presipitasi dan hidrotermal. Nanopartikel ZnO yang diperoleh kemudian direaksikan dengan metakaolin dan waterglass untuk membentuk granul. Granul komposit ZnO/Geopolimer memiliki diameter daya hambat yang tergolong sedang, yakni sebesar 8,43 ± 0,68 mm untuk E. coli dan 6,57 ± 1,69 mm untuk S. aureus. Sementara itu, diameter daya hambat nanopartikel ZnO terhadap E. coli adalah 14,86 ± 0,68 mm dan S. aureus sebesar 13,31 ± 0,69 mm. Berdasarkan diameter daya hambatnya, aktivitas antibakteri nanopartikel ZnO lebih kuat dibandingkan dengan granul komposit ZnO/Geopolimer. Hal ini dapat terjadi karena nanopartikel ZnO yang digunakan hanya sebanyak 5% dari massa geopolimer, sedangkan nanopartikel ZnO merupakan material yang berperan besar sebagai antibakteri. Kendati demikian, hal ini menunjukkan bahwa granul komposit ZnO/Geopolimer mampu menghambat pertumbuhan bakteri, terlebih jika nanopartikel ZnO digunakan dalam jumlah besar. ZnO/Geopolimer telah lama dikenal sebagai material antibakteri, akan tetapi penerapannya dalam sistem filtrasi air masih menghadapi tantangan, terutama terkait kestabilannya di dalam air. Tantangan ini menunjukkan bahwa metode sintesis komposit yang digunakan belum optimal. Sementara itu, komposit ZnO/Geopolimer yang diperoleh pada penelitian ini diketahui memiliki kestabilan yang baik di dalam air. Selain itu, pemanfaatan granul komposit ini dapat menggantikan bahan kimia, seperti kaporit dan antibiotik. Kaporit bersifat oksidator kuat yang dapat mencemari lingkungan dan penggunaan antibiotik berpotensi memicu resistensi bakteri. Di sisi lain, komposit ZnO/Geopolimer memiliki sifat ramah lingkungan, aman bagi manusia, dan dapat digunakan secara berulang. Dengan demikian, granul komposit ZnO/Geopolimer ini memiliki potensi yang sangat baik sebagai filter air antibakteri.

Bacterial infections resulting from water contaminated with pathogens can lead to diarrhea, a significant contributor to mortality among children under five years old. This issue is a critical global health concern that requires urgent attention. Preventing diarrhea can be effectively achieved through proper water treatment, ensuring that the water used for drinking, washing food, and cooking is free from harmful pathogens. Common methods of water treatment include chlorination, boiling, and the use of antibiotics. Chlorination is an efficient means of eliminating pathogenic bacteria due to its rapid and straightforward application; however, it may produce an unpleasant odor and poses potential risks to both human health and the environment. Boiling water effectively kills most pathogens, but it demands substantial energy. Conversely, antibiotics can foster the development of bacterial resistance, complicating treatment options. In response to these challenges, a new filtration technology has been developed that effectively removes large particles while also demonstrating strong antibacterial properties. The filtration material investigated in this study is composed of ZnO nanoparticles, known for their potent antibacterial properties. These nanoparticles effectively eliminate pathogenic bacteria through the release of zinc ions and the formation of reactive oxygen species (ROS). However, in their powdered form, ZnO nanoparticles easily disperse in water, leading to potential obstructions in water flow within the filter. To mitigate this challenge, ZnO nanoparticles are synthesized and combined with geopolymers to produce easily formable granules. In this research, the antibacterial activity of ZnO/geopolymer composite granules was tested against Escherichia coli (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus). E. coli serves as a representative of gram-negative bacteria, while S. aureus is classified as gram-positive. The synthesis of ZnO/geopolymer composite granules begins with the creation of ZnO nanoparticles, which are produced using pectin as a capping agent through precipitation and hydrothermal methods. These synthesized ZnO nanoparticles are subsequently reacted with metakaolin and water glass to form the granules. ZnO/Geopolymer composite granules demonstrate a moderate inhibitory effect, with diameters of 8,43 ± 0,68 mm against E. coli and 6,57 ± 1,69 mm against S. aureus. In comparison, ZnO nanoparticles show a significantly greater inhibitory capacity, with diameters of 14,86 ± 0,68 mm for E. coli and 13,31 ± 0,69 mm for S. aureus. This indicates that the antibacterial activity of ZnO nanoparticles surpasses that of the ZnO/Geopolymer composite granules. This difference in effectiveness likely arises from the fact that ZnO nanoparticles comprise only 5% of the geopolymer's mass, despite being the primary antibacterial agents. Nonetheless, these findings suggest that ZnO/Geopolymer composite granules can effectively inhibit bacterial growth, especially when a larger quantity of ZnO nanoparticles is used. ZnO/Geopolymer has long been acknowledged as an effective antibacterial material. However, its use in water filtration systems continues to face challenges, particularly regarding its stability in water. This suggests that the previously employed composite synthesis methods may not have been optimal. In contrast, the ZnO/Geopolymer composite developed in this study exhibits commendable stability in water. Furthermore, these composite granules provide a viable alternative to conventional chemicals such as chlorine and antibiotics. Chlorine, while a potent oxidizer, can contribute to environmental pollution, and the use of antibiotics raises concerns about the development of bacterial resistance. In comparison, ZnO/Geopolymer composites are environmentally friendly, safe for human use, and can be reused multiple times. Therefore, these ZnO/Geopolymer composite granules represent a promising advancement in the field of antibacterial water filtration.