Вода редко бывает чистой, она содержит растворенные ионы или смешивается с другими жидкостями. Ученые могут изменить состав воды, очищая ее от примесей, что наиболее часто выполняется с помощью перегонки. Тем не менее дистилляция процесс энергоемкий.
За последние несколько лет исследователи Королевского университета в Канаде обнаружили альтернативный, более простой способ изменения свойств воды, смешивая ее с азотистыми основаниями и добавляя или удаляя газообразный диоксида углерода из системы.
В связи с обратимой реакцией углекислого и азотсодержащего соединения, ионная сила воды может обратимо переключаться: увеличиваться при введении двуокиси углерода в жидкость, и уменьшаться с ее удалением. Если бы вода была первоначально смешана с органическим растворителем, то увеличение ионной силы заставило бы смесь разделиться на две различные жидкие фазы, которые, как правило, разделены мембраной.
Переключаемые растворители — новая область, и многое пока остается неизвестным. Например, было бы очень полезно знать скорость процесса разделения фаз в переключаемых системах водоснабжения, оптимальную концентрацию углекислого газа и эффективность азотистых оснований для разделения фаз жидкость-жидкость.
В новой работе группой исследователей, в том числе Габриеллой Лестари и Миладом Аболхасани, во главе с профессором Евгенией Кумачевой из Университета Торонто, описывается новый инструмент, под названием микрофлюидика, для исследования эффективных способов разделения фаз жидкость-жидкость. Хотя микрожидкостная стратегия ранее была использована для изучения CO2-связанных процессов в жидких растворителях, это первый случай, когда микрофлюидику применили к изучению фазового разделения жидкость-жидкость, опосредованного переключения воды.
«Эта работа может определенно помочь в разработке и оптимизации переключаемых растворителей для многих важных применений, таких как опреснение воды прямым осмосом или в качестве альтернативы для процесса высаливания в фармацевтической промышленности, — сказала Кумачева. — Кроме того, наша микрожидкостная стратегия может быть адаптирована для изучения других явлений, вызванных переключением воды, например, синтеза и функционализации наночастиц».
Подход микрофлюидики позволил исследователям глубже взглянуть на процесс переключения воды. Проанализированный процесс начинается с введения пузырьков углекислого газа в водный раствор, содержащий азотистое основание (например, амины), который смешан со вторым растворителем (например, тетрагидрофуран (ТГФ). При движении по направлению потока пузырьки CO2 взаимодействуют с аминами, в результате чего система делится на две фазы: ТГФ и водный раствор амина. Удаляя углекислый газ при нагревании и/или продувки другим газом (например, азотом), первоначальная жидкость может быть восстановлена. Примесь амина также может быть удалена из раствора в виде газа, оставив очищенную воду.
Это можно наблюдать в макромасштабных исследованиях, но ученые смогли исследовать эту реакцию на микроуровне, что позволило им получить много информации только из одного эксперимента. Они оценили скорость разделения фаз, рассчитали минимальное количество углекислого газа, необходимое для завершения процесса, определили наиболее эффективный тип амина.
Применяя процесс разделения фаз жидкость-жидкость к разным приложениям, можно получить простые решения для многих проблем, в том числе опреснения и очистки воды. Результаты этого исследования могут быть использованы для характеристики и повышения эффективности этих процессов, способствуя быстрой разработке и оптимизации новых добавок. Микрофлюидика может быть усовершенствована до исследования эффекта температуры, давления и композиций на водном переключении.
«Мы планируем расширить нашу микрожидкостную стратегию для изучения других переключаемых растворителей с широким кругом свойств, а также открыть для себя новые применения переключаемых растворителей в микрожидкостном формате, — сказала Кумачева. — В целом применение микрофлюидики в исследованиях углекислого газа — очень важного парникового газа, только начинает развиваться».