超臨界流体の物理的性質と工業的応用

超臨界流体（ちょうりんかいりゅうたい、英: Supercritical fluid）とは、物質が気体と液体の境界を示す臨界点以上の温度および圧力におかれた状態を指す。通常の気体、液体、固体の三態のいずれとも異なり、気体と液体の両方の特性を兼ね備える。

物理的性質

超臨界状態にある物質は、気体の拡散性と液体の溶解性を同時に併せ持つ。気体と液体の区別がつかない相であり、温度や圧力を変化させることで密度や溶解度などのマクロな物性からミクロな溶媒和構造まで大幅かつ連続的に制御することが可能である。

主な物質の臨界温度と臨界圧力の一覧は以下の通り。

工業的および環境化学的応用

超臨界流体は、環境に対する負荷を低減するグリーンサスティナブルケミストリーの観点から様々な分野で活用されている。

超臨界二酸化炭素の利用

二酸化炭素は臨界温度が31℃と低いため、対象物質の分子を破壊せずに活性を維持した状態で抽出処理を行うことができる。目的物を溶解させた超臨界二酸化炭素を臨界点以下に戻すと二酸化炭素が気化するため、溶質のみを容易に残すことが可能である。気化した二酸化炭素は回収して再利用できる。実用例として、コーヒーの脱カフェインや、ニンニクの臭気成分・機能性食品の有効成分抽出などが挙げられる。

超臨界水および亜臨界水の特徴

超臨界状態の水は極めて高い酸化力を示し、通常は腐食しにくいハステロイや白金・イリジウム合金、さらには金やタンタルまでも腐食させることが知られている。また、ダイオキシンやPCBなどの安定な物質の分解も可能である。ただし、酸化力が強すぎる場合は、150〜350℃・0.5〜25MPaの亜臨界水を用いることで加水分解力を制御して利用される。

発電分野およびエネルギー技術への応用

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る。ボイラーに貫流ボイラーを使用し、水の臨界点以上の超臨界流体を利用する技術は超臨界圧（SC）や超超臨界圧（USC）と呼ばれ、日本の大型石炭火力発電所などで採用されている。また、超臨界水を用いたバイオマスの資源化技術や、地下深部の高温高圧な超臨界地下水を利用した地熱発電の実用化に向けた研究も行われている。