플러스 초임계 유체란 무엇입니까?

초임계유체란 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리킨다. 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가진다. 또 확산이 빨라 열전도성이 높아 화학반응에 유용하게 사용된다.

보통 온도·압력에서는 기체와 액체가 되는 물질도 임계점(supercritical point)이라고 불리는 일정한 고온·고압의 한계를 넘으면 증발 과정이 일어나지 않아서 기체와 액체의 구별을 할 수 없는 상태, 즉 임계상태가 된다. 이 상태에 있는 물질을 초임계유체라고 한다.

예를 들면 1기압, 절대온도 5.1k 이하에서 액체가 되는 헬륨은 10기압 이상으로 가압하면 초임계헬륨이 된다. 초임계헬륨은 액체인데도 기체처럼 벽을 기어 올라가는 기이한 현상을 나타낸다. 그리고 물을 섭씨 374도 이상, 220기압 이상의 상태로 하면 액체도 기체도 아닌 성질을 갖는 초임계물이 된다.

초임계유체는 분자의 밀도 변화가 큰 것이 특징이다. 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가깝다. 또 확산이 빨라 열전도성이 물만큼이나 높다. 이런 특징은 화학반응에 아주 유용하며, 용매로 사용하면 용질(녹아 있는 분자) 주변의 용매 농도가 극히 높아지는 특이한 성질을 나타낸다.

따라서 초임계유체는 혼합물에서 특정 성분을 추출·분리하는 능력이 뛰어나서 식품 분야에서 응용이 활발하다. 현재 맥주용 홉 엑스 추출, 커피의 탈 카페인 프로세스에 이용되며, 식품의 비가열살균 시스템에 응용하는 것도 연구 중에 있다.

해설 및 핵심용어 정리

[초임계 유체(supercritical fluid)]

임계 온도 이상의 온도에서는 기체는 아무리 압력을 가하더라도 액체 상태로 되지 않는다. 경계점 이상의 온도, 압력 영역에서의 물질의 상태를 초임계 유체라고 한다. 초임계 유체는 액체에 가까운 밀도와 기체에 가까운 점도를 갖고 있고 이들의 물성은 경계점 근방에서 현저히 변한다. 이러한 성질을 갖는 초임계 유체 중 임계온도가 상온에 비교적 가까운 초임계 이산화탄소를 용매로 사용하여 식품으로부터 유용성분을 추출하는데 이용되고 있다.

초임계유체로 자주 사용하는 물질은 물과 이산화탄소로 초임계 상태에 있는 물은 금조차 녹인다. 심지어는 셀룰로스나 다이옥신까지 분해할 수 있다. 또한, 초임계상태의 이산화탄소는 여러 가지 물질을 잘 용해한다. 목표물을 용해한 초임계 이산화탄소를 임계점 이하로 하면, 이산화탄소는 기화하여 대기로 날아가고 용질만이 남는다. 날아간 이산화탄소는 회수할 수 있으며 재활용이 가능하다. 이 공정은 실제로 커피에서 카페인을 제거할 때 쓰인다.

이와 같이 초임계 유체를 사용한 공정은 원래 들어있는 중금속이나 강산 등의 촉매를 사용한다. 용매를 공정에 옮겨놓는 것으로, 환경에 대한 영향을 거의 받지 않는다. 잔존 용매가 없고, 깔끔하게 원료 추출이 가능하다. 다만, 용매를 고온 고압 상태로 유지해야 하므로 초기 투자비용이 많이 들어간다는 단점이 있다.

일본에서는 정부 주도로 주변에 흔한 탄산가스나 물 등을 초임계유체로 만들어 화학반응 등에 이용하는 기술개발을 추진하고 있다. 또한, 오르가노라는 일본 기업은 초임계물을 사용해서 유해물질을 분해하는 장치를 개발하였다. 이밖에 맹독성의 다이옥신 등도 분해할 수 있으며, 유해물질이 들어있는 폐액을 1일량으로 환산하여 2톤까지 처리할 수 있다고 한다.