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증기 증류

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목차

1. 개요

증기 증류는 끓는 물에서 나오는 증기를 사용하여 혼합물을 증류하는 방법이다. 9세기 아랍의 화학자 알킨디가 증기 증류를 사용한 제조법을 기록했으며, 아비세나는 에센셜 오일 추출에, 알 디마쉬키는 로즈 워터 생산에 활용했다. 이 방법은 에센셜 오일, 지방산 정제, 화학 실험 등 다양한 분야에 응용되며, 특히 향수 제조에 사용되는 에센셜 오일 분리에 널리 사용된다. 실험실에서는 외부에서 생성된 증기를 사용하거나 클레벤저형 장치를 통해 증기를 생성하여 증기 증류를 수행한다.

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증기 증류
기본 정보
증기 증류 장치
일반적인 증기 증류 장치 모식도
다른 이름스팀 증류
분야화학, 식품 과학
관련증류, 추출
설명
원리휘발성 물질의 증기압을 증가시켜 낮은 온도에서 증류하는 방법
특징고온에서 분해되기 쉬운 물질 분리에 유용
물과 섞이지 않는 물질 분리에 효과적
응용에센셜 오일 추출
방향 성분 추출
석유 화학 제품 생산
합성 반응에서 원치 않는 부산물 제거
특정 식품 가공

2. 역사

증기 증류 장치


증기 증류는 고대부터 사용되어 온 기술로, 그 기원은 중동 지역으로 거슬러 올라간다. 9세기경 알킨디와 11세기 아비세나 등의 학자들이 증기 증류를 활용하여 에센셜 오일 등을 추출하였으며, 13세기에는 알 디마쉬키가 로즈 워터 생산에 활용하였다.[5][6][7]

2. 1. 초기 역사

9세기경, 아랍의 화학자 알킨디는 Kitāb al-Taraffuq fī al-ʿiṭr|향수에 대한 부드러움의 책ar 또는 Kitāb Kīmiyāʾ al-ʿiṭr wa-l-taṣʿīdāt|향수와 증류의 화학에 관한 책ar에서 증기 증류를 사용한 다양한 제조법을 기록했다.[5] 11세기에는 페르시아의 철학자이자 의사인 아비세나가 장미 꽃잎에 물을 첨가하고 혼합물을 증류하여 에센셜 오일을 생산하는 데 증기 증류를 사용했다.[6] 13세기에는 알 디마쉬키가 로즈 워터 생산에 증기 증류를 대규모로 활용했다.[7]

3. 원리

증기 증류는 끓는점 이하에서도 물질이 증기압을 가진다는 원리에 기반한다. 증기 증류에서는 끓는 물에서 나오는 증기가 관심 물질의 증기를 함께 운반한다. 관심 물질은 물과 섞이거나 용해될 필요가 없으며, 증기의 온도에서 상당한 증기압을 갖는 것으로 충분하다. 물질이 관심 물질과 공비 혼합물을 형성하는 경우, 혼합물의 끓는점은 물의 끓는점보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 브로모벤젠은 156 °C (정상 대기압에서)에서 끓지만, 물과의 혼합물은 95 °C에서 끓는다.[8] 그러나 증기 증류가 작동하기 위해 공비 혼합물의 형성이 필요한 것은 아니다.

3. 1. 기본 원리

모든 물질은 끓는점 이하에서도 약간의 증기압을 가지므로, 이론적으로는 증기를 모으고 응축하여 어떤 온도에서도 증류할 수 있다. 그러나 끓는점 이하에서의 일반적인 증류는 실용적이지 않다. 액체 위에 증기 농도가 높은 공기층이 형성되어 그 층의 증기 분압이 증기압에 도달하는 즉시 증발이 멈추기 때문이다. 그러면 증기는 매우 느린 과정인 확산을 통해서만 응축기로 흘러간다.

단순 증류는 일반적으로 출발 물질을 끓여서 수행된다. 이는 증기압이 대기압을 초과하면 증기 농도가 높은 공기층이 파괴되고, 끓는 플라스크에서 응축기로 상당하고 꾸준한 증기 흐름이 발생하기 때문이다.

증기 증류에서는 관심 물질이 끓는 것이 아니라, 끓는 물에서 나오는 증기가 그러한 긍정적인 흐름을 제공한다. 증기는 관심 물질의 증기를 함께 운반한다.

관심 물질은 물과 섞이거나 물에 용해될 필요가 없다. 증기의 온도에서 상당한 증기압을 갖는 것으로 충분하다.

물질이 관심 물질과 공비 혼합물을 형성하는 경우, 혼합물의 끓는점은 물의 끓는점보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 브로모벤젠은 156 °C (정상 대기압에서)에서 끓지만, 물과의 혼합물은 95 °C에서 끓는다.[8] 그러나 증기 증류가 작동하기 위해 공비 혼합물의 형성이 필요한 것은 아니다.

3. 2. 공비 혼합물

일부 물질은 물과 공비 혼합물을 형성하여 물의 끓는점보다 낮은 온도에서 증류될 수 있다. 예를 들어, 브로모벤젠은 156 °C (정상 대기압에서)에서 끓지만, 물과의 혼합물은 95 °C에서 끓는다.[8] 그러나 증기 증류가 작동하기 위해 공비 혼합물의 형성이 필요한 것은 아니다.

4. 응용

증기 증류는 여러 산업 분야에서 활용된다. 특히 향수에 사용되는 에센셜 오일 분리, 톨 오일에서 지방산 정제 등에 사용된다.[2][9] 또한 화학 실험실에서도 활용된다.[10][11][12]

4. 1. 에센셜 오일 추출

끓는 물 증류기. 상단에는 끓는 탱크, 하단에는 보관 탱크가 있다.


증기 증류는 향수 제조에 사용되는 에센셜 오일을 추출하는 데 자주 사용된다. 이 방법에서는 증기를 원하는 오일이 포함된 식물 재료에 통과시킨다. 유칼립투스 오일, 캄포 오일, 오렌지 오일 등은 이 방법으로 산업 규모로 얻어진다.[2]

4. 2. 지방산 정제

톨 오일 등에서 지방산을 정제하는 수단으로 증기 증류가 사용된다.[9]

4. 3. 화학 실험

증기 증류는 화학 실험실에서 사용되기도 한다. 예를 들어 브로모바이페닐 제조 시 증기 증류를 통해 과량의 벤젠을 제거하고, 브롬화된 생성물을 정제한다.[10] 벤조페논 제조 시에는 반응하지 않은 사염화탄소를 회수하고, 중간체인 벤조페논 디클로라이드를 벤조페논으로 가수분해하는 데 증기가 사용되지만, 실제로 증기 증류는 아니다.[11] 퓨린 제조에서는 휘발성 벤즈알데히드를 비휘발성 생성물로부터 제거하기 위해 증기 증류가 사용된다.[12]

5. 장비

증기 증류는 다양한 장비를 사용하여 수행할 수 있다. 실험실 규모에서는 클레벤저형 장치를 사용하기도 한다.[14][1][15]


5. 1. 실험실용 장비



실험실 규모에서 증기 증류는 시스템 외부에서 생성된 증기를 정제할 혼합물을 통해 파이프로 연결하여 수행하거나, 클레벤저형 장치를 사용하여 현장에서 증기를 생성할 수 있다.[14][1][15]

참조

[1] 논문 Quinoline
[2] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry
[3] 서적 Food Process Engineering and Technology
[4] 서적 Extracting Bioactive Compounds for Food Products: Theory and Applications https://books.google[...]
[5] 서적 Science and Civilisation in China. Volume 5: Chemistry and Chemical Technology. Part IV: Spagyrical Discovery and Invention: Apparatus, Theories and Gifts https://books.google[...] Cambridge University Press 1980
[6] 서적 Chemical Process Industries https://books.google[...] McGraw-Hill 1977
[7] 서적 Islamic Science and Engineering https://books.google[...] Edinburgh University Press 1993
[8] 서적 Martin's Physical Pharmacy & Pharmaceutical sciences Lippincott williams & wilkins
[9] 서적 Chemistry and Technology of Oils & Fats https://books.google[...] Allied Publishers 2003-11-09
[10] 논문 p-Bromobiphenyl
[11] 논문 Benzophenone
[12] 논문 Electrophilic N-Amination of Imide Sodium Salts with O-Diphenylphosphinylhydroxylamine (DPH): 7-Aminotheophylline
[13] 논문 A contemporary introduction to essential oils: Chemistry, bioactivity and prospects for Australian agriculture
[14] 서적 Laboratory Technique in Organic Chemistry McGraw-Hill
[15] 서적 Chemicals From Plants Imperial College Press


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