초임계수(水)

물질의 상태 물질은 고체, 액체, 기체 상태로 구별할 수 있습니다. 이것은 우리가 고등학교에서 배운 내용입니다. 그러나 제4의 상태인 초임계유체가 존재하고 있습니다. 이것을 보려면 온도-압력선도를 이해해야 합니다.   온도-압력선도 온도-압력 선도를 보면 고체-액체-기체가 존재하는 것은 다 알고 계실 것입니다. 압력이 높고 온도가 낮은 영역에는 고체(얼음)이 있고 압력이 낮고 온도가 높은 영역에는 기체(수증기, steam)이 존재합니다. 그런데 온도와 압력이 높은 영역(임계점 이상)에는 국경선(경계)이 없는 영역이 존재합니다. 임계점이란 무엇인가요?   임계점 대부분의 물질은 어는점(녹는점)과 기화점(응축점)이 존재하듯이 삼중점도 존재하고 임계점도 존재합니다. 임계점은 그 물질의 특성입니다. 물질마다 다른 임계점을 가지고 있습니다. 임계점은 임계온도와 임계압력을 동시에 만족하는 조건을 말합니다. 물의 임계점은 임계온도=374 C, 임계압력=221 bar (218.3atm)입니다. 임계온도는 물질의 온도가 너무 높아서 아무리 압력을 가해도 액화되지 않는 온도를 말합니다. 임계압력은 물질의 압력이 너무 높아 아무리 온도를 올려도 기체가 되지 않는 압력을 말합니다.   기체와 액체를 분리하는 선 (기화선; vaporization curve) 온도-압력선도에서 기체와 액체를 분리하는 선이 있습니다. 낮은 온도로 부터 바라보면 삼중점으로 부터 임계점까지 연결하는 선을 기화선이라고 합니다. (참고로 삼중점 아래에서는 기체와 고체가 구분되는 승화곡선이 존재를 합니다.) 물의 온도와 압력이 기화선 상에 있으면 기체와 액체가 동시에 존재를 하게 됩니다. 즉 1기압, 100C에서는 물이 끓고 있는 상태로 100C의 액체 물과 100C의 수증기가 1기압에서 공존하게 됩니다. 이 선을 따라서 물을 가열하면 온도가 상승하면서 압력도 동시에 상승하게 됩니다. (10기압, 약 180C) 물론 이 선 위에 위치하고 있다면 수증기와 액체물이 계속하여 공존하게 됩니다. 이러한 경우를 포화수증기라고 합니다.  이 선을 따라서 물의 온도와 압력을 계속해서 올리면 기체(수증기)의 밀도는 커지고, 액체(물)의 밀도는 감소해서 두 밀도가 서로 차이가 나지 않는 점이 바로 임계점 (374C, 221 bar)입니다.  이 점에서는 더 이상 기체와 액체를 구별할 수 없게됩니다. 이때의 밀도는 0.27 g/cm3입니다. 따라서 임계점인 218.3 atm이 되면 기체와 액체를 분리하는 선은 없어지게 되는 것입니다. 임계점 이상으로도 온도 압력을 조절할 수 있는 데 이때 우리는 초임계물을 얻을 수 있습니다.   초임계물 (=초임계수) 온도와 압력을 더 올려서 만약에 400C, 400bar가 되었다고 하면 이 상태의 물은 기체도 액체도 (그리고 고체도 아닌) 초임계상태의 물이 됩니다. 초임계상태가 되면 상(Phase)이 하나밖에 없기 때문에 자유도가 2가 됩니다. 따라서 온도와 압력을 우리가 원하는 데로 선택할 수 있습니다. (기화선 위에서는 기체와 액체 2상이 존재하므로 자유도가 1이되어 온도를 선정하면 압력을 저절로 고정이 됩니다) 즉 초임계 상태의 물에서는 온도를 400C로 정해서 압력을 우리 맘대로 400bar, 500bar, 600bar등 원하는대로 조절할 수 있습니다.   초임계물의 특성 초임계물은 물과는 다른 특성을 지니고 있습니다.  물의 특성은 분자간의 수소결합으로부터 오기 때문에 극성입니다. 따라서 비극성인 질소, 산소 등을 잘 녹일 수 없습니다. 그러나 그성인 암모니아 등은 매우 잘 녹입니다. 벤젠과 같은 비극성 유기용매는 잘 녹일 수 없으나 알코올과 같은 극성물질은 잘 녹입니다. 또한 소금은 매우 잘 녹이는 성질을 가지고 있습니다. 초임계물은 수소결합이 매우 약해져서 비극성에 가깝운 용매가 됩니다. 따라서 초임계물은 질소, 산소, 수소등을 잘 녹일 수 있습니다. 벤젠, 헥산과 같은 비극성 용매와도 잘 섞입니다. 그러나 소금은 전혀 용해할 수 없게 됩니다.   그리고 초임계상태의 물은 표면장력도 거의 없고 (물은 매우 강한 표면장력을 가짐), 점도는 기체처럼 낮고 확산계수는 기체처럼 매우 높은 특성이 있습니다.   더욱이 초임계물은 온도압력을 조절하여 밀도를 자유자재로 변하게하여 우리가 원하는 물성을 얻을수 있는 장점을 지니고 있습니다.   초임계물의 이용 이러한 초임계물의 독특한 물성을 이용하여 여러가지 기술이 개발 중에 있습니다. 초임계물을 이용한 폐수처리 (SCWO: Supercritical Water Oxidation), 세라믹 나노입자제조, 추출, 화학반응, 에너지변환공정 등 다양한 분야에서 응용이 되고 있습니다. 국내에서는 한화석유화학이 개발한 TNT제조공정 폐수처리(남해화학), TPA제조공정 폐수처리(삼남석유화학), 세라믹 나노입자제조공정(한화석유화학) 등이 상업적 규모로 운전이 되고 있으며 이 분야의 기술개발은 우리나라가 세계를 선도하고 있습니다.<v:shapetype id=_x0000_t75 stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"> <v:stroke joinstyle="miter"></v:stroke><v:formulas><v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></v:f><v:f eqn="sum @0 1 0"></v:f><v:f eqn="sum 0 0 @1"></v:f><v:f eqn="prod @2 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @0 0 1"></v:f><v:f eqn="prod @6 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="sum @8 21600 0"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @10 21600 0"></v:f></v:formulas><v:path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></v:path><o:lock aspectratio="t" v:ext="edit"></o:lock></v:shapetype><v:shape style="POSITION: absolute; WIDTH: 425.2pt; HEIGHT: 402.35pt; v-text-anchor: top; mso-position-vertical-relative: line; mso-position-vertical: absolute; mso-position-horizontal-relative: text; mso-position-horizontal: absolute" id=_x99530048 type="#_x0000_t75"><v:imagedata src="file:///C:\Users\user\AppData\Local\Temp\Hnc\BinData\EMB00001c1433a8.bmp" o:title="EMB00001c1433a8"></v:imagedata><w:wrap type="topAndBottom"></w:wrap></v:shape>   참고문헌 초임계유체에 자세한 내용은 서울대학교 공과대학 화학생물공학부 초임계유체연구실 홈페이지 (<A href="http://sfpl.snu.ac.kr/">http://sfpl.snu.ac.kr</A>)을 참고하시고 질문을 올리셔도 답변을 드리겠습니다. <v:shapetype id=_x0000_t75 stroked="f" filled="f" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600"><v:stroke joinstyle="miter"></v:stroke><v:formulas><v:f eqn="if lineDrawn pixelLineWidth 0"></v:f><v:f eqn="sum @0 1 0"></v:f><v:f eqn="sum 0 0 @1"></v:f><v:f eqn="prod @2 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="prod @3 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @0 0 1"></v:f><v:f eqn="prod @6 1 2"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelWidth"></v:f><v:f eqn="sum @8 21600 0"></v:f><v:f eqn="prod @7 21600 pixelHeight"></v:f><v:f eqn="sum @10 21600 0"></v:f></v:formulas><v:path o:connecttype="rect" gradientshapeok="t" o:extrusionok="f"></v:path><o:lock aspectratio="t" v:ext="edit"></o:lock></v:shapetype><v:shape style="POSITION: absolute; WIDTH: 425.2pt; HEIGHT: 402.35pt; v-text-anchor: top; mso-position-vertical-relative: line; mso-position-vertical: absolute; mso-position-horizontal-relative: text; mso-position-horizontal: absolute" id=_x100146568 type="#_x0000_t75"><v:imagedata src="file:///C:\Users\user\AppData\Local\Temp\Hnc\BinData\EMB00001c1433a8.bmp" o:title="EMB00001c1433a8"></v:imagedata><w:wrap type="topAndBottom"></w:wrap></v:shape>   <img src="https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/114304364FFA7BDF19" class="txc-image" style="FLOAT: none; CLEAR: none" actualwidth="567" border="0" hspace="1" vspace="1" width="567" id="A_114304364FFA7BDF19B200"/>