Development and characterization of new extraction platforms using ionic-liquid-based aqueous biphasic systems

Abstract

Devido às suas propriedades únicas, sendo a sua capacidade de tailoring uma das mais importantes, os líquidos iónicos são atualmente considerados potenciais substitutos dos solventes orgânicos voláteis comumente utilizados pela indústria, o que levou a uma investigação crescente da sua aplicação em diversas áreas. Contudo, para além da utilização de líquidos iónicos hidrofóbicos na formação de sistemas bifásicos com água e/ou em meios aquosos, na última década, introduziram-se os líquidos iónicos hidrofílicos como constituintes de sistemas aquosos bifásicos – sistemas do tipo líquidolíquido compostos por duas fases aquosas e mais benignos – conduzindo a uma melhor performance de extração e seletividade para um vasto número de compostos. Tendo em conta todas estas vantagens, esta tese tem como objetivo o estudo científico e tecnológico de sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, envolvendo o desenvolvimento de novos processos de separação mais eficientes. Com o intuito de desenvolver plataformas de extração/separação mais eficientes, este trabalho inicia-se com o estudo de novos compostos e suas misturas na formação de sistemas aquosos bifásicos. A caracterização das propriedades das fases em equilíbrio e a descrição dos mecanismos que regem a formação destes sistemas, bem como a partição de diversos solutos entre as fases, são temas abordados no segundo capítulo. Por último, e como um exemplo de possível aplicação destes novos sistemas, estudou-se a sua utilização na extração e pré-concentração de compostos que apresentam riscos para a saúde humana e ambiente. A elevada versatilidade dos sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, bem como a sua elevada performance na extração dos mais diversos compostos, foram aqui demonstrados, confirmando o potencial destes sistemas como processos de separação alternativos. No entanto, e como comprovado neste trabalho, ainda é necessário prosseguir com a investigação em sistemas aquosos bifásicos constituídos por líquidos iónicos, principalmente visando o seu scale-up e utilização final pela indústria.

Due to their unique properties, being one of the most important their tailoring ability, ionic liquids (ILs) have been investigated in several fields and proposed as alternatives to hazardous volatile organic compounds commonly used by industries. In addition to the use of hydrophobic ILs in the formation of biphasic systems with water and/or in aqueous media, in the past decade, hydrophilic ILs were introduced as phase-forming components of aqueous biphasic systems (ABS) – more benign liquid-liquid systems composed of two aqueousrich phases – able to provide improved extraction performance with increased selectivity for a large range of compounds. Based on these advantages, this thesis aims to gather a deeper scientific and technological knowledge on ILbased ABS, through the development and characterization of novel and more efficient separation processes. Aiming at developing ABS with tailored and better extraction performance, this work starts with a comprehensive investigation on the use of new phaseforming components and their mixtures, and their impact on the formation of liquid-liquid systems. The characterization of the properties of the coexisting phases and the description of the mechanisms which rule the formation of ILbased ABS, as well as the partition behavior of several solutes between the phases, are addressed in the second chapter. Finally, the use of these novel IL-based systems in the extraction and pre-concentration of compounds of human and environmental concern is addressed as a main example of these systems applications. The high versatility of IL-based ABS, as well as their high extraction performance and selectivity, were here demonstrated, confirming their potential within separation processes. Nevertheless, and as proved in this work, additional research on IL-based ABS is still required so that these systems can be finally scaled-up and used by industries.