Aphron is defined as a distinct unit of fluid, encapsulated by a thin film of another fluid. There are two types of very small and highly stable aphrons. Colloidal Gas Aphrons, CGAs, were first manufactured by Sebba, by utilizing a modified venturi device under the name of microfoams. The Colloidal Liquid Aphrons, CLAs, differ from CGA in that, instead of a gas in the hole, there is a liquid that is insoluble in the water, which is the continuous phase. Both CGA and CLA possess unique characteristics that make them extremely useful for a wide range separation application. CLAs can be produced with a very high phase volume ratio without phase inversion or coalescence. When CLAs are dispersed in a bulk aqueous phase, they show a remarkable resistance to coagulation, remaining as discrete entities over long periods of time, with only minimal agitation and without undergoing coalescence as dose a conventional emulsion. Despite their potential uses in a wide variety of applications, very little work has been carried out to investigate the CLA’s structures, preparation and on the stability of CLA. A basic knowledge about stability of aphrons would be very valuable for the optimization of aphron-based processes and provide useful information for the design of process equipment.
In this study, the preparation of CLA with various solvents, surfactants and phase volume ratios (PVRs) were investigated. Several solvents commonly used in extraction process were tested to form CLAs. CLAs can be prepared with a high PVR using non-polar solvents that are insoluble in water. According to the solvent and surfactant used to prepare CLAs, obtainable PVR was changed. Although CLAs were not formed at the time when anionic surfactant was used as water-soluble surfactant, stable CLAs could be produced with cationic or non-ionic water-soluble surfactant in case of a basic solvent. In addition, the stability measurements for CLA were presented in terms of solvent volume release from aphrons and half-life. The stability of CLAs were influenced by the PVR and nature of the continuous phase in which they were dispersed. The condition of dispersed phase has more serious influence on the stability of CLA than used of organic solvent. The effect of surfactant types and concentrations, solvent types on the stability of CLAs was also investigated. Although pseudo first order kinetics model is useful for a measure of CLA stability, this model cannot be applied when destabilization of CLAs occurs immediately.
Furthermore, the feasibility of using a PDSE process to remove organics from water and soil was tested. Three topics that are closely related to the PDSE are presented. They are : (1) organic dye removal from water using PDSE, (2) application of CLAs to purification of lactic acid, and (3) CLA based soil washing.
At first, the removal of an organic from water using PDSE was investigated and then compared with conventional solvent extractions. Kerosene was chosen as the organic solvent for CLA, and Solvent Yellow 1 was used as the organic compound because of its ease in analysis. Extraction rates with CLA were enhanced with the result of increased surface area. The effects of initial concentration of Solvent Yellow 1 and the ratio of extracting solvent to pregnant solution were investigated. The recovery of predispersed solvents with CGA flotation was also considered. The flotation of CLAs with CGAs also gives higher extraction efficiency than a conventional mixer/settler extraction process and further increases solvent’s recovery. The recovery of CLA depends not only on the surface charges of both CGA and CLA, but also on the surface areas provided by CGAs. Secondly, The use of CLA as a separation agent in downstream process of biotechnology industry was discussed. Although product extraction from a fermentation broth with organic solvents renders the microorganisms inactive because of direct contact with the solvent, dispersed CLA could reduce the toxicity to microorganism and thus allow continuous product removal. TOA/1-octanol CLA was used in the reactive extraction of (L+) lactic acid. At last, The effectiveness and the feasibility of using CLA for soil decontamination were investigated. Extractability of phenanthrene using CLAs was measured with artificially contaminated soils and the results were compared with surfactant flushing. The effects of contacting time and PVR of CLAs on the extractability were investigated.
Aphron은 하나의 유체가 그와 다른 비누 박막으로 둘러 쌓인 것으로 정의되며, 내부의 유체에 따라서 Colloidal Gas Aphron (CGA)과 Colloidal Liquid Aphron (CLA)으로 구분할 수 있다. CGA는 내부에 공기를 포함하며 직경이 수십 마이크로에서 백 마이크로 정도이며, CLA는 공기대신 유기 용매를 포함하며 수에서 수십 마이크로의 직경을 가진다. 이들은 일반적인 거품이나 에멀전에 비해 안정성이 뛰어나며 콜로이드적 성질을 가져서 분리 공정에 적용될 수 있는 가능성이 매우 높다. 또, 일반적으로 바깥쪽 상이 계면활성제를 포함한 수용상 이어서 수용액 중에 매우 안정적으로 분산될 수 있고 크기가 작아서 넓은 계면 면적을 제공할 수 있다. CGA는 기존의 부상 분리(flotation) 공정에 적용하는 연구가 많이 이루어 졌으나, 상대적으로 CLA를 분리 공정에 이용하고 특성화 하는 것에 관한 연구는 많이 수행되지 않았다.
본 연구에서는 다양한 종류의 용매를 이용하여 CLA를 제조하고 수용액 중에 분산될 경우의 안정성을 측정하였다. 이와 함께 CLA를 용매로 이용하는 predispersed solvent extraction (PDSE) 공정에 적용하고 일반적인 추출 공정과 비교하였다.
1. CLA의 제조와 안정성
CLA를 비극성 하이드로 카본류, 알코올류, 아민류를 이용하여 만들었다. 만들어진 CLA는 분산상과 연속상의 부피비인 PVR (phase volume ratio) 값으로 특성화하였다. 물에 대한 용해도가 낮은 비극성 하이드로 카본류의 경우 32 이상의 PVR를 가진 안정적인 CLA를 만들 수 있었다. 알코올류의 경우 사슬 길이가 길고 물에 대한 용해도가 상대적으로 작은 1-hexanol 이상을 사용하여야 CLA로 만들 수 있었다. 아민류의 경우 염기도가 높아서 음이온성 계면활성제를 이용할 경우에는 CLA가 형성되지 않았고, 양이온성이나 비이온성의 계면활성제를 사용하거나 염기도가 낮은 다른 용매와 혼합해 주어야만 안정적인 CLA를 얻을 수 있었다. 실제 공정에서는 CLA가 연속상에 분산된 형태로 사용되기 때문에 pH, 이온의 세기 등이 조절된 수용액 내에서의 안정성을 측정하였다. 비극성의 하이드로 카본류로 만들어진 매우 안정적인 CLA의 경우에는 pseudo first order reaction kinetics 식을 이용하여 CLA의 합체와 깨짐을 설명할 수 있었으나, 상대적으로 안정성이 떨어지는 알코올류와 아민류로 만들어진 CLA에는 적용할 수 없었다.
2. Predispersed Solvent Extraction 공정에의 적용
CLA를 추출 공정에 적용 가능성을 조사하기 위하여, 수용액 중의 유기물과 토양 중의 유기물 분리에 관한 연구를 수행하였다.
수용액중의 유기 염료(Solvent Yellow 1)의 제거
Kerosene으로 만든 CLA를 이용하여 유기 염료의 농도가 매우 낮은 수용액을 처리하였다. 일반 추출 공정과 비교하기 위하여 CLA를 이용하였을 경우의 유기상의 농도와 같은 양의 용매를 추출 평형 공정을 이용하였을 경우의 농도비를 추출 효율로 정의하고 비교하였다. 별도의 혼합 공정 없이도 CLA를 이용할 경우에 평형 농도의 70% 이상에 도달 할 수 있었다. 또, CGA를 이용하여 수용액중의 CLA를 부상 분리 할 경우에는 추출 효율이 더욱 증가하였고, CLA의 공급 방법에 따라서 평형 농도 이상의 유기물을 제거할 수 있었다.
수용액중의 Lactic Acid 정제
Lactic acid를 TOA/1-octanol CLA를 이용하여 분리하였는데 일반 추출 공정과 큰 차이가 없었다. CLA 형태로 만들어진 용매는 in situ로 사용되더라도 미생물과의 직접적인 접촉을 막아주고, fermentation broth에서 lactic acid 생성될 경우에는 pH가 낮아지므로 추출 후 CLA가 깨져서 용매의 회수가 용이하기 때문에 효율적인 공정을 이룰 수 있다.
토양중의 PAH(phenanthrene)의 제거
인공적으로 phenanthrene으로 오염된 토양을 CLA를 이용하여 처리하고, 이를 계면활성제 수용액을 이용한 세척 공정과 유기 용매를 직접 사용하였을 경우와 비교하였다. CLA를 직접 사용하였을 경우에는 토양내의 움직임이 제한적이어서 접촉 시간에 의한 제거율은 큰 영향을 받지 않았지만, 물과 희석하여 사용할 경우에는 유기 용매를 직접 사용할 경우에 비해 3배 이상 높은 제거율을 얻을 수 있었다.
