초임계유체(Supercritical liquid, SCF) 특징 응용

초임계 유체(Supercritical liquid, SCF)는 상변이도(phase diagram)에서 임계점(Supercritical point) 이상의 온도와 압력의 상태에 있는 모든 물질을 말한다. 초임계 유체는 뚜렷하게 액체성 혹은 기체상으로 얘기하기 어려운 특징이 있는데, 점도는 낮아 기체에 가까운데, 분자의 밀도는 액체에 가깝다. 또한 확산이 빨라 열전도성이 상당히 높은데, 이와 같은 특성들은, 액체 상태의 수송에서 발생하는 질량 전달의 한계를 극복할 수 있는 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 초임계유체는 액체나 고체와 같은 물질을 용해시키는 능력에서 기체보다 우수하며, 임계점 부근에서는 압력이나 온도의 작은 변화가 밀도의 큰 변화를 초래하여 초임계 유체의 많은 특성을 "미세 조정"할 수 있다. 이와 같은 미세 조정을 통해 변화시킬 수 있는 중요한 특성은 용해도이다. 일정한 밀도에서 용해도는 온도에 따라 증가하나, 임계점에 가까울수록 온도가 약간 상승하면 밀도가 급격히 떨어질 수도 있다. 또한 초임계 유체에는 액체/기체 상 경계가 없기 때문에 표면 장력이 없다.

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주요물질의 임계점

물 647 K, 22.06 MPa, 이산화탄소 304 K, 7.38 MPa, 메탄 190.4 K, 4.6 MPa, 프로판 369.8 K, 4.25 MPa, 에탄올 508.1 K, 6.14 MPa, 아세톤 508.1 K, 4.70 MPa 등

 

그림. 물질의 상변이도와 supercritical fluid의 상(phase)위치

역사

1822년, 샤를 카니아르 드 라 투르(Charles Cagniard de la Tour) 남작은 대포 배럴 실험에서 물질의 임계점을 발견했다. 그는, 다양한 온도의 액체로 채워진 밀폐된 대포에서 부싯돌 공이 굴러가는 소리의 불연속성을 들으면서 그는 임계 온도를 관찰하였다. 1879. J. B. Hannay와 J. Hogarth가 초임계유체가 물질을 잘 녹이는 성질이 있다는 것을 발표하여 초임계유체를 용매로 이용하려는 연구가 진행되었다. 1958년 J. Lovelock에 의해 초임계유체를 이동상으로 이용하는 크로마토그래피가 제안되었다.

 

초임계 유체는 꽃에서 꽃향기를 추출하는 것부터 카페인이 없는 커피, 기능성 식품 원료, 의약품, 화장품, 폴리머, 분말, 바이오 및 기능성 소재, 나노 시스템, 천연물, 생명공학, 화석 및 바이오 연료, 마이크로일렉트로닉스, 에너지 및 환경 등 식품 과학 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 초임계 유체를 이용하려는 시도는 다양하게 이루어지고 있다. 초임계유체는 다양한 산업에서 유기용매의 대체품으로 많이 사용된다.

 

응용

초임계 유체는 물질의 추출에 사용될 수 있는데, 초임계 유체 자체의 낮은 점도와 확산성으로 인해 우수한 추출 특성을 가질 수 있다. 또한 초임계유체를 이용한 공정은 대부분 물과 이산화탄소를 사용하는데 유기용제를 사용하는 추출과 비교하였을 때 환경오염을 덜 유발할 수도 있다. 녹색콩의 카페인 제거, 맥주 생산을 위한 홉 추출, 식물에서의 에센셜 오일 추출, 의약품 생산 등에 사용된다.

초임계수는 바이오매스의 초임계수 가스화를 통해 바이오매스를 분해할 수 있는데, 탄화수소 계열의 연료 생산 혹은 연료전지에 응용 가능성이 있다.

또한 초임계 이산화탄소는 드라이클리닝 등 세탁에서 PERC(퍼클로로에틸렌) 등과 같이 환경을 오염시키는 용제 대신 사용할 수도 있다. 반도체 제조공정에서 기판의 세정, 화학약품의 제거 등에 사용될 수도 있다. 또한 액체크로마토그래피(HPLC), 가스크로마토그래피(GC)에서의 응용이 연구되기도 하였다. 식품의 비가열 살균 시스템에의 응용이나, 다이옥신, PCB 등 난분해성 물질의 분해에 응용하려는 연구도 활발하다.

초임계 유체 상에서는 일반적인 상태보다 조건이 다르기 때문에 보통 조건에서 발생하지 않는 반응이 일어날 가능성도 있다. 따라서 초임계 유체를 이용한 반응도 연구가 진행되고 있다.