超臨界流体

超臨界流体：その性質と多様な用途

超臨界流体とは、物質が臨界点を超える温度と圧力に置かれた状態を指します。この状態では、気体と液体の明確な区別がなくなり、気体の拡散性と液体の溶解性の両方を併せ持ちます。原子力工学における「臨界状態」とは異なる概念であることに注意が必要です。

主要な超臨界流体と特徴

超臨界流体として最も一般的に用いられるのは、水と二酸化炭素です。

超臨界水

超臨界水は非常に強い酸化力を持っており、ハステロイや白金、イリジウムなどの耐食性に優れた合金ですら腐食させるほどです。セルロースやダイオキシン、PCBといった、分解が困難な物質さえも分解する能力を持っています。この強力な酸化力は、一方で扱いを難しくする要因にもなり、そのため、酸化力が弱く扱いやすい亜臨界水が用いられるケースもあります。

超臨界水の密度は、室温の液体水に比べて低く、0.03～0.4倍程度です。しかし、100℃、0.1MPaの水蒸気と比較すると数十～数百倍も密度が高く、粘性率は気体並みに低く、自己拡散係数は液体と気体の中間程度です。そのため、気体分子と同程度の高い運動エネルギーを持ちながら、液体の1/10程度の密度という、非常に活動的な流体であると言えるでしょう。

150～350℃、0.5～25MPaの亜臨界水は、強力な加水分解力を持つ高温高圧の液体水です。亜臨界水、超臨界水は、温度と圧力を制御することで、密度や溶解度といったマクロな物性だけでなく、流体分子の溶媒和構造といったミクロな物性・構造まで、連続的かつ大幅に制御できます。誘電率やイオン積といった反応場に大きな影響を与える要素の制御も容易であり、水溶性から非水溶性の特性を示し、イオン反応場からラジカル反応場まで提供できる、汎用性の高い単一溶媒です。

超臨界二酸化炭素

超臨界二酸化炭素は、様々な物質を効率よく溶解する性質を持っています。超臨界二酸化炭素に目的物を溶解させた後、臨界点以下の温度と圧力にすることで、二酸化炭素を気化させ、溶質のみを回収できます。気化させた二酸化炭素は回収して再利用できるため、環境に優しいプロセスです。

コーヒーの脱カフェイン、ニンニクの臭気成分除去、機能性食品の有効成分抽出など、様々な産業で利用されています。二酸化炭素の臨界温度が31℃と低い点は、分子を破壊せずに活性を維持したまま抽出できるという利点をもたらします。

超臨界流体の利点と課題

超臨界流体を使ったプロセスは、従来の重金属や強酸触媒、あるいは可燃性・毒性のある溶媒を使用するプロセスに比べて、環境への影響が低減できるという利点があります。ダイオキシンなどの有害物質の分解にも利用できることから、グリーンサスティナブルケミストリーの観点から注目を集めています。

一方で、高温高圧の条件が必須であるため、高圧ガス保安法の適用を受ける装置が必要となります。また、溶解性と反応性が高いことから、容器やシールの材質にも注意が必要です。これらの理由から、超臨界流体関係装置は必ずしも大型化しない傾向があります。

超臨界流体の応用事例

超臨界流体は、発電、バイオ燃料生産、地熱発電など、幅広い分野で活用されています。

火力発電

火力発電では、作動流体である水蒸気の圧力と温度を高めることで熱効率を向上させることができます。超臨界圧（SC）や超超臨界圧（USC）と呼ばれる技術では、水の臨界点以上の圧力と温度を持つ超臨界流体を使用することで、高い熱効率を実現しています。2018年時点で、日本国内では100基以上の超臨界圧火力発電所が稼働しています。

原子力発電

超臨界圧軽水冷却炉として、原子炉への応用も研究されています。日本、カナダ、中国、ヨーロッパなどで研究開発が進められています。

バイオ燃料生産

第二世代バイオ燃料の製造工程において、セルロースの加水分解に超臨界水が用いられる研究が進められており、日本はバイオマス資源化において世界をリードする立場にあります。

地熱発電

経済産業省や複数の大学では、地下深部の高温高圧状態にある地下水を活用した地熱発電の実用化に向けた研究が進められています。

まとめ

超臨界流体は、その特異な性質から、環境負荷低減に貢献する様々な技術革新を可能にするポテンシャルを秘めています。今後、更なる研究開発によって、その応用範囲はさらに拡大していくと期待されます。

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