초임계수(Supercritica water)?

 1. 초임계수란 무엇인가?

초임계수(Supercritica water)는 물이 일정 온도와 압력을 넘었을 때, 액체와 기체의 성질을 모두 가지는 상태를 말합니다. 물의 초임계 상태는 임계점(온도 374℃, 압력 22.1 MPa) 이상에서 발생하며, 이때 물은 고유한 특성을 갖게 됩니다. 초임계수는 밀도는 액체와 유사하지만 점도와 확산성은 기체와 비슷한 특성을 보입니다. 이러한 성질은 다양한 산업 및 기술에 혁신적인 응용 가능성을 제공합니다.

2. 초임계수 특성

가. 밀도

초임계수의 밀도는 액체 물에 가깝지만, 기체와 유사한 특성도 가집니다. 임계점을 넘어서면 물의 밀도는 압력과 온도에 따라 크게 변할 수 있습니다. 높은 밀도를 유지하면서도 유체의 이동이 자유로워서 다양한 화학반응을 쉽게 일으킬 수 있는 환경을 제공합니다.

• 액체와 유사한 밀도 : 이로인해 물질을 용해하는 능력이 강하니다.
• 기체와 유사한 확산성 : 분자들이 빠르게 환산되어 물질의 혼합 및 반응이 촉진됩니다.

나. 용매특성

초임계수는 매우 뛰어난 용매로 작용합니다. 특히 유기화합물과 무기화합물 모두를 용해할 수 있어 화학반응을 촉진하는데 유리합니다. 초임계수의 용해력은 온도와 압력에 따라 달라지며 다양한 화학적 조건을 조절할 수 있습니다.

• 극성 물질에 대한 용해력 : 초임계수는 극성 물질과 매우 잘 반응합니다. 이는 수용성 물질을 효과적으로 용해할 수 있게 합니다.
• 비극성 물질에 대한 용해력 : 높은 온도와 압력에서는 비극성 물질도 잘 용해되며, 유기물 및 기름성 물질을 처리하는데 유용합니다.

다. 반응성 및 촉매작용

초임계수는 화학반응을 촉진하는데 강력한 역할을 합니다. 높은 온도와 압력으로 인해 화학반응이 빠르게 일어나며 반응성도 증가합니다.

• 고온반응 : 초임계 상태에서는 고온에서 쉽게 일어나는 화학반응을 촉진할 수 있으며, 일반적으로 낮은 온도에서 발생하지 않는 반응을 활성화시킬 수 있습니다.
• 촉매역활 : 초임계수는 촉매 역할을 하여 화학반응 속도를 증가시키는 동시에 효율을 극대화할 수 있습니다.

라. 확산성 및 점도

초임계수는 기체처럼 확산성이 뛰어나지만 점도는 액체보다 낮습니다. 이는 분자가 빠르게 이동하여 반응을 촉진하고 물질의 혼합이 빠르게 이루어질 수 있음을 의미합니다.

• 낮은 점도 : 초임계수는 점도가 낮아 물질이 쉽게 이동하고 혼합됩니다. 이는 화학반응 속도를 높이는데 기여합니다.
• 높은 확산성 : 기체와 유사한 확산성을 보여 분자들이 자유롭게 움직이기 때문에 복잡한 반응 시스템에서도 물질이 잘 섞입니다.

마. 산화성

초임계수는 강력한 산화제를 포함할 수 있으며, 이로 인해 다양한 유기물 및 무기물(물의 산화가 가능합니다. 특히 초임계수 산화(SCW : Supercritical Water Oxidation)는 유기 폐기물을 무해한 물질로 분해하는데 효과적입니다.

• 유기물의 완전 산화 : 초임계수 내에서 유기물은 완전산화되어 물과 이산화탄소로 분해됩니다. 이는 환경적으로 유해한 물질을 처리하는데 유리합니다.
• 폐기물처리 : 위험한 유기물이나 독성 물질을 초임계수로 산화시켜 안전하게 처리할 수 있습니다.

바. 물질선택성

초임계수는 특정 물질에 대해 선택적으로 작용할 수 있습니다. 예를 들어 특정 물질만 용해하거나 반응시키는 조건을 조절할 수 있어 고부가가치 물질을 추출하거나 반응을 제어하는 데 사용할 수 있습니다.

• 선택적 추출 : 초임계수는 특정온도와 압력에서 특정 성분만을 선택적으로 추출하는 기능을 갖추고 있습니다. 이는 신약 개발이나 고가의 유기 화합물 제조에 유용합니다.

사. 환경적 안정성

초임계수는 화학적 안정성이 높아 특정 환경에서 매우 안정적으로 작용합니다. 이러한 성질로 인해 고온, 고압에서 화학적 분해 없이 다양한 반응을 처리할 수 있습니다.

3. 초임계수 응용분야

초임계수(Supercritica water)는 물의 독특한 물리적, 화학적 특성 덕분에 다양한 산업분야에서 응용되고 있습니다. 아래에서 초임계수가 실제로 어떻게 활용되고 있는지 구체적인 사례와 함께 설명하겠습니다.

가. 폐기물 처리 (초임계수 산화)

초임계수 산화(SCWO : Supercritica water Oxidation)

초임계수는 폐기물 처리에서 중요한 역할을 합니다. 특히 유기 폐기물, 화학폐기물, 하수슬러지등의 처리에 사용됩니다. 초임계수 상태에서는 산소가 유기물과 매우 쉽게 반응하여 이를 이산화탄소와 물로 분해합니다. 이 기술은 높은 온도와 압력하에서 짧은 시간 내에 유해 물질을 안전하게 분해할 수 있기 때문에 친환경적이고 효율적인 폐기물 처리 방법으로 주목받고 있습니다.

1) 장점

• 유기물의 완전 산화가 가능하여 유독성 물질을 안전하게 제거할 수 있습니다.
• 폐기물 처리 과정에서 대기오염물질이나 독성 부산물이 발생하지 않음
• 병원 폐기물이나 산업 폐수처리에서 매우 효과적

2) 적용사례

• 미국과 유럽의 여러 산업에서는 초임계수 산화를 사용해 화학 폐기물과 군사용 화학물질을 처리하고 있습니다. 예를 들어 하수슬러지처리에서는 하수 속 유기물을 분해하여 수질 오염을 방지하고 공정 중 발생하는 부산물은 거의 없다는 장점이 있습니다.

나. 에너지생산 및 바이오매스 전환

초임계수 가스화(SCWG : Supercritica water Gasification)

초임계수 가스화는 바이오매스 또는 폐기물을 수소, 메탄, 일산화탄소와 같은 가스 형태의 연료로 전환하는 기술입니다. 이 기술은 특히 바이오매스의 수소화에 효과적이며, 초임계수 상태에서는 물이 바이오매스와 쉽게 반응하여 수소를 추출할 수 있습니다.

1) 장점

• 탄소 배출을 최소화하면서 청정 에너지원인 수소를 생산할 수 있습니다.
• 저에너지 밀도의 바이오매스도 고부가가치 에너지원으로 변환 가능
• 폐기물에서 에너지를 추출함으로써 자원을 재활용하는 효과

2) 적용사례

• 일본의 연구에서는 목재와 같은 바이오매스를 초임계수 상태에서 처리해 수소를 추출하는 기술을 개발하고 있습니다. 이 기술은 미래 청정에너지 생산을 위한 중요한 해결책으로 여겨지고 있습니다.

다. 발전소 및 초임계수 증기 발전

초임계수 증기발전(SCWG : Supercritica Steam Power Generator)

초임계수는 화력발전소에서도 중요한 역할을 하고 있습니다. 기존의 발전소에서는 물을 끓여 증기로 변환시켜 터빈을 돌려 전기를 생산하는데, 초임계수를 사용하면 더 높은 온도와 압력에서 증기를 생성하여 효율을 크게 높일 수 있습니다. 초임계수 발전소는 이러한 특성을 이용해 연료 소비를 줄이고 탄소 배출을 감소시킵니다.

1) 장점

• 기존 화력 발전소보다 높은 열효율을 가짐(최대 50% 이상)
• 연료 소비량 감소 및 온실가스 배출량 절감
• 초임계수를 활용한 발전 기술은 석탄 화력 발전소의 친환경에 기여할 수 있음

2) 적용사례

• 초임계수 발전소는 특히 중국과 인도 같은 대규모 석탄 발전 의존 국가에서 많이 도입되고 있으며, 일본과 유럽도 이 기술을 통해 효율적인 전력 생산을 추구하고 있습니다.

라. 유기화합물 합성 및 약물 개발

초임계수에서의 유기합성

초임계수는 유기 화합물을 합성하는 데 매우 유용한 반응 환경을 제공합니다. 높은 온도와 압력 상태에서 반응속도가 빠르고, 용매로서의 물리적 특성 덕분에 여러 가지 유기 반응이 효율적으로 일어날 수 있습니다. 이는 특히 제약 산업에서 중요한 역할을 하며, 신약 개발에 활용될 수 있습니다.

1) 장점

• 빠른 반응 속도와 높은 수율
• 폐기물의 발생이 적으며, 친환경적 공정
• 고온․고압에서도 안정적인 화학반응 가능

2) 적용사례

• 제약산업에서는 초임계수 환경에서 새로운 화합물을 합성하거나 기존 화합물을 더 빠르고 효율적으로 생산하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 특히, 항암제나 항바이러스제와 같은 고부가가치 약물을 생산하는 데 사용되고 있습니다.

마. 환경정화 및 오염물 제거

초임계수 추출 및 정화 공정

초임계수는 환경오염문제를 해결하는 데도 사용됩니다. 예를 들어 오염된 토양이나 물에서 유해물질을 제거하는 초임계수 추출 기술이 있습니다. 초임계 상태의 물은 극성과 비극성 물질 모두를 용해할 수 있기 때문에 다양한 종류의 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

1) 장점

• 극성 및 비극성 오염물질 모두에 대해 뛰어난 추출 능력
• 화학약품 사용 없이 환경오염을 제거 가능
• 물리적 화학적 정화 공정이 통합된 친환경적 방법

2) 적용사례

• 미국환경보호청(EPA)은 유독성 화학물질이 오염된 토양을 처리하는 데 초임계수 추출을 사용한 사례가 있습니다. 이 기술은 특히 기름 유출사고나 중금속 오염제거에서 탁월한 성과를 보였습니다.

바. 음식 및 향료 산업

초임계수 추출

초임계수는 식품 및 향로 산업에서 고부가가치 성분을 추출하는 데에도 사용됩니다. 일반적으로 식물에서 전연 성분을 추출하는 데 초임계수 상태의 물이 사용되며 이는 용매 잔류 없이 깨끗하게 추출할 수 있는 장점을 가지고 있습니다.

1) 장점

• 유기용매를 사용하지 않아 환경 친화적이고 안전한 공정
• 효율적인 천연물 성분 추출 가능
• 잔류물 걱정 없이 고순도의 성분을 얻을 수 있음

2) 적용사례

• 향신료 추출에서 초임계수 추출 기술을 사용하여 천연 성분을 정제하는 경우가 있습니다. 예를 들어 커피에서 카페인을 제거하거나 추출할 때 사용되며 이는 식품의 순도를 높이는데 기여하고 있습니다.