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[기획] 초임계 유체 탄산의 활용친환경 녹색성장 기술 ‘초임계 유체 탄산’
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승인 2011.10.19  
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필요한 성분만 ‘쏙쏙’…식품, 반도체 등 응용분야 무궁무진

산업용가스의 활용은 과연 어디까지 가능할까?

산업용가스의 활용은 정확한 숫자를 헤아릴 수 없을 만큼 ‘무궁무진’하다.

냉장고나 전구, LCD 등과 같이 자체에 산업용가스를 내장하고 있는 제품들은 물론이고 주변에서 눈에 띄는 모든 물건(상품)중에서 생산, 포장, 운송, 폐기, 재활용 등의 사이클을 거치는 동안 산업용가스와 100% 무관한 것은 이 세상에 존재하지 않는다고 해도 과언이 아니다.

특히 산업과 기술의 발전에 따라 산업용가스의 더욱 다양해지고 있으며 지금 이 순간에도 전세계 곳곳에서 새로운 산업용가스 수요처가 탄생하고 있다.

이 가운데 본 호에서는 수년전부터 신규 탄산(CO2) 수요처로서 국내외적 관심을 이끌고 있는 초임계 유체(Supercritical Fluid, SCF)분야를 조명해 보기로 했다.

현재 초임계 분야는 특정산업에 국한되지 않고 반도체, 식품, 섬유, 제약, 수처리, 발포 등에 방대하게 적용될 수 있는데다 비교적 많은 양의 탄산을 사용하기 때문에 탄산메이커들의 주요 관심사 가운데 하나이기도 하다.

<편집자 주>

■ 초임계 유체공학의 원리

초임계 유체(SCF)를 간단히 설명하자면 ‘액체와 같은 기체’ 또는 ‘기체와 같은 액체’라고 표현 할 수 있다.

지구상에 존재하는 모든 물질은 온도와 압력의 변화에 따라 각각 고체(固體), 액체(液體), 기체(氣體)로 외형이 변화된다는 것이 일반적 상식이다.

하지만 온도와 압력이 특정 수치를 넘어서면 아무리 압력과 열(熱)을 가해도 액체나 기체로 변화하지 않는 상태가 되며 바로 이때의 압력과 온도를 각각 임계압력(critical pressure, Pc), 임계온도(critical temperature, Tc)라 한다.

<도표-1>은 초임계유체의 영역을 도식화한 것으로 임계압력(Pc)과 임계온도(Tc)가 만나는 임계점(critical point) 이상에서 초임계 상태가 발현된다.

이처럼 초임계 유체는 임계압력과 임계온도를 넘어선 물질로서 기체처럼 형태는 없지만 액체와 같은 비중을 지니고 있으며 밀도는 액체와 같지만 점도는 기체처럼 낮은 독특한 물성을 지닌 유체이다.

즉 초임계유체는 기체인지 액체인지 정확히 분간할 수 없는 물질로 액체와 기체의 장점을 모두 보유하고 있어 액체처럼 다른 물질을 쉽게 용해시킬 수 있음은 물론 기체처럼 미세한 공간까지 완벽하게 용해력을 미친다.

초임계 유체가 지닌 탁월한 산업적 활용성의 근간이 바로 이것이라 할 수 있다.

실제로 초임계 유체는 압력과 온도를 조절함으로서 이상기체에 가까운 희박한 밀도에서부터 액체에 가까운 고밀도 상태까지 인위적인 제어가 가능하기 때문에 유체의 평형 물성(용해도, entrainer 효과), 전달 물성(점도, 확산계수, 열전도도) 뿐만 아니라 용매화 및 분자 클러스터링(clustering) 상태를 조절할 수 있다.

쉽게말해 초임계 유체로 특정 성분을 용해시킨 후 온도를 임계점 이하로 떨어뜨리면 초임계유체가 액체가 되어 용해된 성분과 함께 외부로 유출되며 여기서 다시 압력을 낮추면 초임계 유체는 기체가 되어 증발하고 용해된 물질만 남게되는 원리이다.

또한 압력 및 온도제어를 통해 초임계유체의 물성을 조절할 수 있다는 것은 하나의 초임계 유체를 다양한 물질의 용매(溶媒, 특정물질을 녹이는 액체)로 활용할 수 있으며 원하는 성분만을 정확히 추출해낼 수 있음을 의미한다.

■ 초임계 유체로서의 CO2

초임계 유체의 종류는 탄산(CO2)을 비롯 물(H2O), 아산화질소(N2O), 에틸렌(C2H4), 암모니아(NH3), 벤젠(C6H6) 등 대략 20여종에 달한다.

<도표-2>에서 볼 수 있듯이 각각의 물질마다 임계온도와 임계압력이 다르므로 초임계영역 또한 물질마다 커다란 차이가 있다.

예를들어 에틸렌(C2H4)은 온도 9.3℃, 압력 49.7기압 이상에서 초임계 상태가 되는 반면 톨루엔(C7H8)은 318.6℃, 40.6기압 이상에서 초임계 유체가 된다.

이처럼 다양한 후보물질 중 최적의 초임계 유체를 선정하기 위해서는 원칙적으로 용해물질의 극성(極性) 및 용해도, 기질(基質, 화학 반응을 일으키는 물질)의 물성, 분석물의 농도, 시료의 수분함량, 반응속도 등 다각적인 측면을 고려해야만 한다.

그러나 특수한 상황을 제외한 대부분의 초임계공정에서 탄산(CO2)이 초임계 유체로 활용되고 있으며 현존하는 최고의 초임계 유체로서 압도적인 지지를 받고 있다.

이는 여타 물질과 비교해 CO2는 밀도가 높아 용매로서의 활용도가 크며 불연성, 무극성, 무독성이기 때문에 안전성 및 인체에 대한 무해성(無害性)을 동시에 확보할 수 있기 때문이다. .............
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