초임계유체
1. 개요
超臨界流體/Supercritical Fluid
영상 8분쯤부터 초임계유체로 변하는 이산화탄소 액체+기체[1]와 반대로 되돌아오는 모습을 모두 볼 수 있다.[2]
초임계유체는 해당 물질의 온도와 압력이 임계점(supercritical point)을 넘어 '''액체와 기체를 구분할 수 없는 상태'''의 유체를 말한다. 간단히 말해 특정 온도/압력 조건이 되면 액체와 기체의 경계선이 무너지는데, 그 때 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 높아지다보면 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 구분되지 않는데, 이 지점의 온도와 압력을 임계점이라고 한다. 각 물질은 고유한 임계점을 가지고 있다. 대표적으로 이산화탄소는 31°C, 7.4MPa, 물은 374°C, 22.1MPa의 임계점을 가진다.
3. 사용처
낯설고 막연한 이 물질은 생각 외로 산업 현장에서 자주 사용되고 있다.
마트에서 자주보이는 디카페인 커피가 바로 초임계유체를 이용한 것으로, 커피에서 초임계 이산화탄소를 사용해 카페인을 선택적으로 추출하여 디카페인 커피를 제작한다. 초임계 이산화탄소의 임계점은 초임계 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[3] 등에 쓰이고 있다. 한국야구르트에서 판매하는 콜드브루가 초임계 기술이 들어간 대표적인 제품이다.
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.
각종 발전소(화력이나 원자력이나 터빈이 있는 곳)에서 스팀터빈을 운용할 때, 스팀터빈으로 들어가는 유체는 사실 수증기가 아니라 초임계유체다. 효율을 극대화하기 위한 연구의 결과다.
에어로젤을 만드는데 사용되기도 한다.
이 외의 쓰임새(영어)는 Le portail des fluides supercritiques에서 볼 수 있으니 참고하길 바란다.
[1] 액체와 기체의 경계가 서서히 흐릿해지면서 뿌연 안개같은 게 생기더니 순식간에 두 유체가 하나로 섞여버린다.[2] 뿌연 안개가 꽉 채워지더니 사라지며 마법처럼 액체 층이 생겨나고 위에서 비가 내리듯 액체 이산화탄소 방울들이 떨어진다.[3] 서강대에서 초임계를 이용해 기름(지방)을 제거한 라면을 개발했고, 알통통 스마트면이라는 이름으로 개그맨 이승윤이 운영했던 '헬스닭'이라는 쇼핑몰에서 한정 판매하였으나 그리 오래 버티지 못했다.