초임계유체

3. 역사

1822년, 샤를 카냐르 드 라 투르 남작(Charles Cagniard de la Tour)은 대포를 이용한 실험을 통해 물질의 임계점을 발견했다. 그는 다양한 온도에서 유체로 채워진 밀폐된 대포 안에서 구르는 부싯돌 공 소리의 불연속성을 관찰, 임계 온도를 확인했다. 이 온도 이상에서는 액체와 기체 상의 밀도가 같아져 이들 사이의 구별이 사라지고, 단일 초임계 유체 상이 된다.^[11]

최근 초임계 유체의 다양한 특성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 초임계 유체는 꽃에서 향기를 추출하는 것부터 디카페인 커피, 기능성 식품 성분, 의약품, 화장품, 폴리머, 분말, 바이오 및 기능성 재료, 나노 시스템, 천연물, 생명 공학, 화석 및 바이오 연료, 마이크로 전자 공학, 에너지 및 환경 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 응용되고 있다. 지난 10년간의 큰 발전과 관심은 관련 실험 도구의 성능 향상 덕분이다. 새로운 실험 방법 개발과 기존 방법 개선은 이 분야에서 중요한 역할을 계속 수행하고 있으며, 최근 연구는 유체의 동적 특성에 초점을 맞추고 있다.

4. 자연 현상

열수 순환은 유체가 가열되어 대류가 시작되는 지구 지각 내에서 발생한다. 이러한 유체는 여러 환경에서 초임계 상태에 도달하는 것으로 생각된다. 대서양 중앙 해령에서 이러한 순환은 블랙 스모커로 알려진 열수 분출구의 출현으로 가장 분명하게 나타난다. 이들은 최대 400°C의 유체를 분출하며, 유체에 용해된 금속이 침전되어 유체가 마치 검은 연기 구름처럼 보인다. 특히 거북이 구덩이(Turtle Pits)라는 분출구는 분출구에서 잠시 초임계 상태를 보였으며, 케이맨 해구에 있는 비비 분출구는 분출구에서 지속적인 초임계성을 나타내는 것으로 생각된다.^[12]

금성의 대기는 96.5% 이산화 탄소와 3.5% 질소로 구성되어 있다. 표면 압력은 9.3MPa이고 표면 온도는 735,000로, 두 주요 구성 요소의 임계점을 넘어섰기 때문에 표면 대기는 초임계 유체 상태이다.^[13]

태양계의 네 거대 행성 (목성, 토성, 해왕성, 천왕성)의 내부 대기는 임계점보다 훨씬 높은 온도에서 수소와 헬륨을 주성분으로 한다. 목성과 토성과 같은 가스 행성의 기체 외부는 밀도가 높은 액체 내부로 부드럽게 전환되지만, 해왕성과 천왕성과 같은 얼음 거대 행성의 전환 영역의 특성은 알려져 있지 않다.

4. 1. 열수 순환

4. 2. 행성 대기

5. 응용

초임계 유체로 자주 사용하는 물질에는 물과 이산화 탄소가 있다.

초임계 상태의 물은 금조차 녹일 정도로 강력하며, 셀룰로스나 다이옥신 같은 안정적인 물질도 분해할 수 있다. 초임계 이산화탄소는 다양한 물질을 용해하는 능력이 뛰어나, 목표물을 용해한 후 임계점 이하로 낮추면 이산화탄소는 기화하고 용질만 남아 분리할 수 있다. 이때 기화한 이산화탄소는 회수 및 재활용이 가능하다.

이러한 초임계 유체의 특징은 중금속이나 강산 등의 촉매, 가연성·독성 용매를 사용하는 기존 공정을 대체하여 환경 오염을 줄이고, 다이옥신과 같은 유해 물질 분해에도 활용될 수 있어 그린 서스테이너블 케미스트리 관점에서 주목받고 있다.

하지만 초임계 유체 공정은 고온 고압 조건 유지를 위한 초기 설비 투자 비용이 많이 들고, 높은 용해성과 반응성으로 인해 용기나 실 재질 선택에 신중해야 한다는 단점이 있어, 관련 장치의 크기는 일반적으로 크지 않다.

화력 발전에서는 효율을 높이기 위해 수증기를 임계점 이상으로 가열하여 초임계 유체 상태로 사용한다. 이 기술은 초임계압(SC) 또는 초초임계압(USC)이라고 불리며, 1993년 이후 대한민국의 대형 석탄 화력 발전소에서 채택되고 있다.^[47] 2018년 기준으로 대한민국 내에서 100기 이상 가동 중이며, 원자로에 응용한 초임계압 경수 냉각로 연구가 일본, 캐나다, 중화인민공화국, 유럽에서 진행되고 있다.^[48]

제2세대 바이오 연료 제조 시 셀룰로스 가수분해, 지하 심부의 초임계 지하수를 이용한 지열 발전 실용화 연구도 진행 중이다.^{[49][50][51][52]}

5. 1. 초임계 유체 추출

5. 2. 초임계 유체 분해

5. 3. 드라이클리닝

5. 4. 초임계 유체 크로마토그래피

5. 5. 화학 반응

5. 6. 침투 및 염색

5. 7. 나노 및 마이크로 입자 형성

5. 8. 의약품 코크리스탈 생성

5. 9. 초임계 건조

5. 10. 초임계수 전기분해

5. 11. 초임계수 산화

5. 12. 초임계수 가수분해

5. 13. 초임계수 가스화

5. 14. 발전

5. 15. 바이오디젤 생산

5. 16. 원유 회수 증진 및 탄소 포집 및 저장

5. 17. 향상된 지열 시스템

5. 18. 냉동

5. 19. 초임계 유체 증착

5. 20. 항균 특성

참조

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