초임계 유체 시스템 - 개요
일반적으로 액체와 기체의 두상태가 서로 분간할 수 없게 되는 임계상태에서의 온도와 이 때의 증기압을 임계점이라고 합니다. 따라서, 초임계 유체(Supercritical fluid,SCF)란 임계압력 및 입계 온도 이상의 조건을 갖는 상태에 있는 물질로 정의되며, 일반적인 액체나 기체와는 다른 고유의 특성을 가집니다.
초임계 물리적 특성
• 기체와 액체의 중간 정도의 물성을 가집니다.
• 상변화 없이도 약간의 압력 온도 변화에 따라 물성을 급격히 변화시킬수 있습니다.
• 표면장력이 없기 때문에 세공구조에도 쉽게 침투하고 확산력이 좋으며 물질전달 속도가 큽니다.
• 낮은 점성, 높은 확산력, 강한 용해력
| Phase |
밀도 (Kg/㎥) |
점도(CP) |
확산 x 108 (㎡/sec) |
| Gas |
1.0 |
0.05-0.35 |
100-10000 |
| SCF |
200-900 |
0.2-1.0 |
0.1-0.3 |
| Liquid |
800-1000 |
3.0-20 |
0.05-0.2 |
초임계 유체 용매의 임계점
| Solvent |
임계온도
(℃) |
임계압력 (bar) |
밀도
(g/㎤) |
분자량
(g/mol) |
| Carbon dioxide (CO2) |
31.1 |
73.8 |
0.469 |
44.01 |
| Water (H2O) |
373.1 |
220.5 |
0.348
|
18.02 |
| Methane (CH4) |
-87.75 |
46 |
0.162 |
16.04 |
| Ethane (C2H6) |
32.4 |
48.8 |
0.203 |
30.07 |
| Propane (C3H8) |
96.8 |
42.5 |
0.217 |
44.09 |
| Ethylene (C2H4) |
9.4 |
50.4 |
0.215 |
28.05 |
| Propylene(C2H2) |
91.75 |
46 |
0.232 |
42.08 |
| Methanol (CH3OH) |
239.45 |
80.9 |
0.272 |
32.04 |
| Ethanol (C2H5OH) |
240.9 |
61.4 |
0.276 |
46.07 |
| Acetone (C3H6O) |
235.1 |
47.0 |
0.278 |
58.08 |
※ 초임계 유체를 이용한 기술은 크게 초임계 이산화탄소와 초임계수가 주로 사용됩니다.
이상적인 초임계 유체
• 화학적으로 안정하고 장치에 부식성이 없는 것
• 임계온도가 실온근처 또는 추출온도에 가까운 것
• 임계압력이 낮은 것
• 선택성이 높은 것
• 용해도가 큰 것
• 구입이 쉽고 가격이 저렴한 것
• 인체에 독성이 없는 것
• 환경을 오염시키지 않는 것
초임계 유체기술의 장점
• 환경과 인체에 친화적인 청정기술
• 고순도/고품질의 제품 공정에 응용할 수 있는 점단기술 (선택적 추출, 열변성 물질 저온공정 안정생산)
• 에너지 절약공정 기술/고속공정 기술
• 잔존 유기용매가 없음.
초임계 유체의 특성
1)초임계 이산화탄소의 특성
• 암모니아 합성, 수소제조, 에탄올 제조, 전력 생산공정 등에서 발생하는 부산물
• 독성이 없고, 불연성이며, 비활성
• 친환경적인 용매 (공정에서 순환하여 재사용 가능)
• 낮은 임계치 (31.06℃ , 74bar)
• 높은 확산계수 (일반 용기용매 및 물과 비교하여 10~100배 높음)
• 압력 및 온도에 따라 밀도 변화.
※ 초임계 이산화탄소가 갖는 물성을 이용한 공정이 새로운 혁신 기술로서 주목받고 있습니다.
특히, 식품공업, 화학공업, 의약품공업, 재료공업, 환경산업, 에너지 다소비 산업 등의 분야에서 고품질의 제품생산이나 효율향상은 물론, 현재 사회문제로 대두되고 있는 환경보존이나 에너지 절약 등의 연구가 활발히 진행되고 있어 그 응용범위는 계속 확대되고 있습니다.
2)초임계 수의 특성
• 물의 임계치 (374℃ , 221bar) 이상에서 밀도, 유전상수, 전기전도도, 용해력 등 물리적 성질이 변합니다.
• 초임계수는 약한 극성 및 비극성 용매로 작용
:초임계수의 유전상수는 비극성용매(벤젠,에틸에테르,헥산)의 유전상수와 비슷한 값을 가집니다
• 초임계수는 보통상태의 물에 용해되지 않는 유기물에 대해 우수한 용매
• 산소가 풍부하여 완전산화가 가능하며, 2차 오염물질의 생성이 없습니다.
• 단일상 산화반응으로 반응속도가 빠릅니다.
초임계 유체기술의 분류
초임계 유체의 응용분야
