| 물질의 [[상(과학)|{{{#fff 상태}}}]] · 상전이 Phase · Phase Transition | |
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1. 개요
超臨界流體 / supercritical fluid초임계유체는 물질의 온도와 압력이 임계점(critical point)을 넘어 액체와 기체를 구분할 수 없는 상태가 된 유체를 말한다. 간단히 말해 특정 온도/압력 조건이 되면 액체와 기체의 경계선이 무너지는데, 그때 관찰할 수 있는 이도저도 아닌 유체라고 보면 된다.
2. 성질
초임계유체는 밀도나 용해력은 액체에 가깝고 점도나 확산도, 열전도도는 기체에 가까운 성질을 가진다. v를 비용적(specific volume)이라 할 때, P-v 그래프나 T-v 그래프를 보면 포화액선(saturated liquid line)과 포화증기선(saturated vapor line)이 P나 T가 높아지다 보면 만나게 되는 지점이 있는데, 그곳이 임계점이다.쉽게 말해서 완전 밀폐된 깡통 안에 물과 포화된 수증기가 있다고 하자. 이 깡통을 가열하면 깡통 내 압력이 1기압 근처일 때 100℃ 근처에서 끓기 시작할 것이다. 그 상황에서 깡통의 온도를 계속 높이면 물분자의 증발로 인해 깡통 내 압력과 수증기의 밀도는 증가하고, 반대로 깡통 안의 물의 밀도는 감소한다. 이렇게 해서 특정 온도와 압력에 이르게 되면 수증기의 밀도와 물의 밀도가 같게 되어 물과 수증기가 구별되지 않는데, 이 지점의 온도와 압력을 임계점이라고 한다. 각 물질은 고유한 임계점을 가지고 있다. 대표적으로 이산화 탄소는 31°C, 7.4MPa, 물은 374°C, 22.1MPa의 임계점을 가진다.
보통 기체를 압축하다 보면 액체가 된다고 생각하지만, 지구상의 공기는 상온에서 아무리 압축하더라도 액체가 될 수 없다. 이는 질소와 산소의 임계온도가 상온보다 낮기 때문이다. 질소와 산소를 냉각하지 않고 상온에서 압축만 시킬 경우, 초임계유체가 될 뿐 액체가 되지 않는다. 질소의 임계점은 -146.9°C, 3.39MPa, 산소의 임계점은 -118.6°C, 5.05MPa이다.
3. 활용
디카페인 커피가 바로 초임계유체를 이용한 것으로, 커피에서 초임계 이산화 탄소를 사용해 카페인을 선택적으로 추출하여 디카페인 커피를 제작한다. 이산화 탄소의 임계점은 물보다 매우 낮을 뿐만 아니라 기존의 용매들에 비해 인체에 안전하기 때문에 식품 분야에서 특정한 물질 또는 성분을 추출하는 데에 주로 사용한다. 참기름 등 다양한 종류의 식용 오일 및 향료를 추출하거나 맥주의 호프 농축물 제거, 식품 내 지방산 제거 등에 쓰이고 있다.에치와이(구 한국야쿠르트)에서 판매하는 콜드브루가 초임계 기술이 들어간 대표적인 제품이며, 서강대학교에서 초임계유체를 이용해 기름(지방)을 제거한 라면을 개발하여 알통통 스마트면이라는 이름으로 개그맨 이승윤이 운영했던 '헬스닭'이라는 쇼핑몰에서 판매한 적이 있었다.
2015년에 전라남도 산하 연구기관인 전남생물산업진흥원(현 전남바이오산업진흥원) 에서 연구용으로 사용되어야 하는 초임계 추출 장비로 참기름을 제조하여 원장 명의의 선물로 나눠주다 뇌물수수와 연구비 횡령 등의 혐의로 입건되었다#. 짧게 읽으면 엉뚱하게 들리지만, 초유체로 참기름을 추출하면 이물질이 없고 맛좋은 특상품 참기름 생산이 가능하고, 식품제조업에 사용하도록 기술이전도 시도되었던 맥락이 있었다.
대형 발전소(화력, 원자력 등)에서 운용하는 증기 터빈에서 사용되는 증기는 사실 수증기가 아니라 초임계유체 상태의 물이다. 효율을 극대화하기 위한 연구의 결과다.
에어로젤을 만드는데 사용되기도 한다.
아폴로 달 착륙선이 하강단 추진제 가압을 위해서 1,555psi로 가압된 초임계 헬륨이 사용되었다.
4. 주요 유체들의 임계점
| 유체 | 분자량 g/mol | 임계온도 | 임계압력 | 밀도 g/cm3 | ||
| K | °C | MPa | atm | |||
| 물 | 18.015 | 647.096 | 374.946 | 22.064 | 217.755 | 0.322 |
| 이산화탄소 | 44.01 | 304.1 | 30.95 | 7.38 | 72.8 | 0.469 |
| 메탄 | 16.04 | 190.4 | -82.75 | 4.60 | 45.4 | 0.162 |
| 에탄 | 30.07 | 305.3 | 32.15 | 4.87 | 48.1 | 0.203 |
| 프로판 | 44.09 | 369.8 | 96.65 | 4.25 | 41.9 | 0.217 |
| 에틸렌 | 28.05 | 282.4 | 9.25 | 5.04 | 49.7 | 0.215 |
| 프로필렌 | 42.08 | 364.9 | 91.75 | 4.60 | 45.4 | 0.232 |
| 메탄올 | 32.04 | 512.6 | 239.45 | 8.09 | 79.8 | 0.272 |
| 에탄올 | 46.07 | 513.9 | 240.75 | 6.14 | 60.6 | 0.276 |
| 아세톤 | 58.08 | 508.1 | 234.95 | 4.70 | 46.4 | 0.278 |
| 아산화질소 | 44.013 | 306.57 | 33.42 | 7.35 | 72.5 | 0.452 |
[1] 영상 8분쯤부터 초임계유체로 변하는 이산화 탄소 액체+기체와 반대로 되돌아오는 모습을 모두 볼 수 있다. 먼저 액체와 기체의 경계가 서서히 흐릿해지면서 뿌연 안개같은 게 생기더니 순식간에 두 유체가 하나로 섞여버린 후 뿌연 안개가 꽉 채워지더니 사라지며 마법처럼 액체 층이 생겨나고 위에서 비가 내리듯 액체 이산화 탄소 방울들이 떨어진다.