공비혼합물(Azeotrope)에 대해 설명해보세요.

공비혼합물(Azeotrope)이란 두 가지 이상의 물질이 일정한 비율로 혼합되어 있을 때 각 성분이 서로 분리되지 않고 일정한 끓는점에서 동시에 기화하는 혼합물이다. 즉, 증기의 조성이 액체의 조성과 같아져서 증류로는 분리할 수 없는 혼합물이다.

대표적인 예로 에탄올과 물의 혼합물이 있으며, 이 혼합물은 에탄올 95.6 wt%(95.6%, 즉 95.6:4.4의 비율)에서 공비점을 형성한다. 이때 공비점은 1 atm에서 약 78.1℃로, 일반 증류로는 무수에탄올(99.9% 이상)을 얻기 어렵다.

[종류]

1) 최저공비혼합물(최소비점 공비): 혼합물의 끓는점이 순수 성분들의 끓는점보다 낮은 경우를 의미하며, 이러한 혼합물은 Raoult’s law(라울의 법칙)에서 양의 편차를 나타낸다.

2) 최고공비혼합물(최대비점 공비): 혼합물의 끓는점이 순수 성분들의 끓는점보다 높은 경우를 의미하며, 이러한 혼합물은 Raoult의 법칙에서 음의 편차를 나타낸다.

[공비혼합물 분리 방법]

• 공비 증류(Azeotropic Distillation): 제3 성분(동반제)을 첨가하여 새로운 공비혼합물을 형성시킴으로써 원하는 성분을 분리한다.

• 추출 증류(Extractive Distillation): 끓는점이 높은 선택 용제를 첨가하여 각 성분의 상대 휘발도를 변화시켜 분리한다.

• 분자체(Molecular Sieve)/흡착제 이용: 에탄올 탈수에 활용된다.

• 압력 변동 증류(Pressure-swing Distillation): 압력을 변화시켜 공비 조성과 끓는점을 이동시킴으로써 분리를 가능하게 하는 방법으로, 공정 설계에서 매우 중요한 기법이다.

바이오에탄올(bioethanol) 생산 공정에서 공비혼합물 분리는 핵심 단계이다. 발효로 얻은 에탄올-물 혼합물은 먼저 증류로 공비점 부근(약 95%)까지 농축한 뒤, 무수에탄올(연료용)을 얻기 위해 분자체 흡착(제올라이트 탈수) 또는 막분리(Pervaporation) 기술을 적용한다. Pervaporation은 고분자 또는 무기 분리막을 이용하여 에너지 효율적으로 에탄올-물 공비혼합물을 분리하는 최신 기술로, 롯데케미칼·SK에너지 등 국내 기업의 바이오화학 공정에 도입이 확대되고 있다.