[캐나다] 물정화 및 담수화를 위한 스위치 가능 물
물은 거의 순수하지 않다. 대신, 자주 용해된 이온들을 포함하거나 다른 액체들과 섞여있다. 과학자들은 담수화에 의해, 대부분 일반적으로 수행된 혼합물 분리에 의해 물의 성분을 변화시킬 수 있다. 그러나, 담수화는 에너지 집약적인 과정이다.
지난 수 년 동안, 캐나다 퀸 대학 연구원들은 시스템에 질소 기반 화합물으로 물을 혼합하고 가스인 이산화탄소를 제거하여 물의 특성을 변화시키는 대체가능하고 훨씬 간단한 방법을 개발해 왔다.
이산화탄소와 질소 포함 화합물의 가역 반응으로 인해, 물의 이온 강도는 가역적으로 스위치될 수 있다. 이온 강도는 액체 내 이산화탄소의 삽입으로 증가하고 제거로 감소한다. 만약 물이 유기 용매로 원래 혼합이 되었다면, 물의 증가하는 이온 강도는 이 혼합물이 멤브레인에 의해 일반적으로 분리된 두 가지 서로 다른 액체 상태들로 분리되는 원인을 제공한다. 원리적으로, 다른 스위치 가능 용매들은 친수성, 분극, 형광 특성, 점성에서 이산화탄소 매개 변화들을 보인다.
그러나, 스위치 가능 용매들은 여전히 매우 새로운 영역이고 알지 못 하는 것들이 많이 남아있다. 예를 들어, 액체-액체 상 분리에 의해 질소 염기들의 효율과 최적의 CO2 농도, 스위치 가능 물 시스템 내 상 분리 과정 속도를 아는 것은 매우 도움이 된다.
미국 화학회 저널에 게재된 새로운 논문에서, 토론토 대학 유제니아 쿠마체바 박사가 이끈 연구팀은 효과적인 방법으로 액체-액체 상 분리를 조사하기 위해 미세 유체라 불리는 새로운 기기를 조절했다. 미세 유체 방법은 액체 용매 내 CO2 관련 과정등을 연구하기 위해 이용되었지만, 미세 유체가 물 스위칭에 의해 매개된 액체-액체 분리 연구에 적용된 것은 최초이다.
이 연구는 정삼투압에 의한 물의 담수화나 제약 응용들에서 염석 공정을 위한 대체 방법 등 많은 중요한 응용들에 스위치 가능 용매들을 개발하고 최적화하는데 많은 도움을 줄 것이다. 또한, 연구원들의 미세유체 방법은 나노입자들의 합성과 기능화 등 물 스위칭에 의해 유도된 다른 현상들을 연구하는데 적합하다.
미세유체 접근방법은 연구원들에서 물 스위칭 과정을 더 면밀하게 볼 수 있는 기회를 제공했다. 연구원들이 분석한 특별한 과정은 두 번째 용매 (예, 테트라하드로푸란 [THF])로 혼합된 질소 염기 (예, 아민)를 포함한 물의 용매로 CO2 거품의 주입에서 시작된다. 흐름 방향을 따라 움직이는 동안, CO2 거품들은 두 가진 서로 다른 상태들인 THF와 수용 아민 용액으로 이 시스템이 상분리되도록 아민과 반응한다. 다른 가스(예, 질소)를 가열 및 배기하여 CO2를 제거함으로써, 원래 액체로 회복될 수 있다. 또한 아민 부가물은 정화된 물을 남기고 가스로 용매에서 제거될 수 있다.
그 정도는 거시크기 실험들에서 관찰될 수 있지만 과학자들은 단일 실험 만으로 많은 정보를 얻을 수 있게 미세 크기에서 이 반응을 조사할 수 있었다. 그들은 상분리 과정의 속도를 측정하고 상분리를 완성하기 위해 요구된 CO2의 최소 양을 계산했으며 가장 효과적인 아민의 종류를 확인하고 상분리의 효율을 알아냈다. 이 결과들은 거시크기 측정 기술들을 이용하여 얻기가 매우 어렵다.
서로 다른 용액들로 액체-액체 상분리 과정을 적용하는 것은 물 담수화와 수질 정화 등 다양한 응용들을 가지고 있다. 이 연구의 결과들은 새로운 첨가물들의 빠른 조사, 개발과 최적화를 촉진하여 이 과정들의 효율 측정하고 개선하는데 이용될 수 있다. 미세유체 방법은 물 스위칭에서 온도, 압력, 성분의 효과들을 조사하는데 더 확장될 수 있다.
연구원들은 더 넓은 영역의 스위치 가능 특성을 가진 다른 스위치 가능 용매들을 조사하기 위해 미세유체 방법을 확장하고 미세유체 형태에서 스위치 가능 용매들의 새로운 응용들을 개발할 계획이다. 일반적으로 매우 중요 온실 가스인 이산화탄소의 연구들에서 미세유체의 응용들은 이제 막 진화하기 시작했다.
그림 설명: (a) 거시크기와 (b) 미세유체 반응기 내에서 발생하는 스위치 가능 물 용액의 상 분리.
참고 자료: Gabriella Lestari, et al. "Switchable Water: Microfluidic Investigation of Liquid-Liquid Phase Separation Mediated by Carbon Dioxide." Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/ja504184q
M. Abolhasani, et al. "Microfluidic Studies of Carbon Dioxide." Angew. Chem. DOI: 10.1002/ange.201403719
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New insights into 'switchable water' have implications for water purification and desalination
Water is rarely pure; instead, it often contains dissolved ions or is mixed with other liquids. Scientists can change the composition of water by separating its mixtures, which is most commonly performed by distillation. However, distillation is an energy-intensive process.
Over the past few years, researchers at Queen University in Canada have discovered an alternative, much simpler method of changing the properties of water by mixing it with a nitrogen-based compound and adding or removing gaseous carbon dioxide to the system.
Because of the reversible reaction of carbon dioxide and a nitrogen-containing compound, the ionic strength of water can be reversibly switched: the ionic strength increases upon insertion of carbon dioxide in the liquid, and decreases with its removal. If water were originally mixed with an organic solvent, an increasing ionic strength of water would cause the mixture to separate into two different liquid phases, which are typically separated by a membrane. In principle, other "switchable solvents" would exhibit carbon-dioxide-mediated changes in hydrophilicity, polarity, fluorescence properties, or viscosity.
Switchable solvents are still a very new area, however, and there is much that remains unknown. For example, it would be very helpful to know the rate of the phase-separation process in switchable water systems, the optimal CO2 concentration, and the efficiency of nitrogenous bases for liquid-liquid phase separation.
In a new paper published in the Journal of the American Chemical Society, a team of researchers including Gabriella Lestari and Milad Abolhasani, led by Prof. Eugenia Kumacheva at the University of Toronto, have turned to a new tool called microfluidics to explore liquid-liquid phase separation in an efficient way. Although microfluidics strategies have previously been used to study CO2-related processes in liquid solvents, this is the first time that microfluidics has been applied to studies of liquid-liquid phase separation mediated by water switching.
"This work could definitely help to develop and optimize switchable solvents for many important applications, such as desalination of water by forward osmosis or as an alternative for the salting out process in pharmaceutical applications," Kumacheva told Phys.org. "In addition, our microfluidic strategy could be adapted to study other phenomena induced by water switching, such as the synthesis and functionalization of nanoparticles."
The microfluidics approach allowed the researchers to take a more in-depth look at the water switching process. The particular process they analyzed begins with the introduction of CO2 bubbles into a solution of water containing a nitrogenous base (for example, amines) that is mixed with a second solvent (for example, tetrahydrofuran [THF]). While moving along the flow direction, the CO2 bubbles react with the amines, causing the system to phase-separate into two distinct phases, THF and an aqueous amine solution. By removing the CO2 by heating and/or purging another gas (e.g., nitrogen), the original liquid can be recovered. The amine additive can also be removed from the solution as a gas, leaving behind purified water.
That much can be observed in macroscale experiments, but here the scientists were able to investigate this reaction on the microscale, allowing them to obtain a lot of information from only a single experiment. They evaluated the rate of phase separation process, calculated the minimum amount of CO2 required to complete the phase separation, identified the most efficient type of amine, and determined the efficiency of the phase separation. These results would be very difficult, if not impossible, to obtain using macroscale characterization techniques.
Applying the liquid-liquid phase separation process to different solutions could have a variety of applications, including water desalination and purification. The results of this study could be used to characterize and improve the efficiency of these processes by facilitating the rapid exploration, development and optimization of new additives. Microfluidics strategies could be further extended to investigate the effects of temperatures, pressures, and compositions on water switching.
"We plan to extend our microfluidic strategy to explore other switchable solvents with a broad range of switchable properties, as well as discover new applications of switchable solvents in a microfluidic format," Kumacheva said. "In general, the applications of microfluidics in studies of carbon dioxide, a very important greenhouse gas, are just beginning to evolve."
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