용매 추출

분배 계수는 용매 추출의 핵심 개념으로, 특정 성분이 두 개의 서로 섞이지 않는 액상 사이에 어떻게 분배되는지를 정량적으로 나타내는 척도이다. 이는 일반적으로 평형 상태에서 추출 용매(유기상)에 용해된 용질의 농도를 수용액상(수상)에 남아있는 용질의 농도로 나눈 값으로 정의된다. 높은 분배 계수 값은 용질이 추출 용매를 선호함을 의미하며, 이는 효율적인 추출이 가능함을 시사한다.

선택성은 혼합물에서 목표 성분만을 선택적으로 분리해내는 추출 공정의 능력을 의미한다. 두 성분 A와 B의 분리 정도는 선택성 계수(또는 분리 계수)로 표현되는데, 이는 각 성분의 분배 계수 비율(KA/KB)로 계산된다. 선택성 계수가 1에 가까우면 분리가 어렵고, 1보다 훨씬 크거나 작을수록 두 성분을 효과적으로 분리할 수 있다.

분배 계수와 선택성은 용질의 화학적 성질, 용매의 종류, 수상의 pH 및 이온 강도, 온도 등 여러 인자에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 금속 이온을 추출할 때는 킬레이트 시약을 첨가하여 금속-킬레이트 착물을 형성시킴으로써 유기 용매에 대한 분배 계수를 크게 높일 수 있다. 산-염기 성질을 가진 유기 화합물의 경우, 수상의 pH를 조절하여 목표 물질을 비이온화 형태로 만드는 것이 추출 효율을 극대화하는 핵심 전략이다.

추출 평형은 두 개의 서로 섞이지 않는 액상 사이에서 목표 성분이 재분배되어 더 이상의 순 물질 이동이 일어나지 않는 상태를 의미한다. 이 평형 상태는 분배 계수와 추출률 같은 열역학적 상수를 통해 정량적으로 기술된다.

평형에 도달했을 때, 각 상에서의 목표 성분 농도는 일정하게 유지된다. 이 관계는 일반적으로 다음과 같은 평형 등온선으로 표현된다.

이 등온선은 실험적으로 결정되며, 농도 범위에 따라 직선에서 벗어날 수 있다. 특히 고농도 영역에서는 용질 분자 간의 상호작용으로 인해 등온선이 곡선 형태를 보이는 경우가 많다.

추출 평형은 온도, 압력, 용매의 종류, 수용액의 이온 강도 및 pH 값에 크게 의존한다. 예를 들어, 약산이나 약염기성 물질을 추출할 때는 수용액의 pH를 조절하여 목표 물질의 이온화 형태를 바꾸면 추출 효율을 극적으로 높일 수 있다[1]. 평형 데이터는 맥케이브-타일 도표와 같은 도구를 사용하여 다단계 추출 공정의 설계에 활용된다.

유기 용매는 용매 추출 공정에서 가장 널리 사용되는 추출제이다. 이들은 일반적으로 소수성을 띠며, 수용액과 섞이지 않는 특성을 가진다. 추출 대상 물질이 두 상 사이에 분배되는 원리를 이용하여, 원하는 성분을 수용액 상에서 유기 용매 상으로 이동시킨다. 유기 용매의 선택은 추출 효율과 선택성을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나이다.

유기 용매는 그 화학적 성질에 따라 여러 범주로 나뉜다. 대표적인 종류로는 알칸 계열의 헥산이나 헵탄, 방향족 계열의 톨루엔과 벤젠, 할로젠화 탄화수소인 클로로포름과 디클로로메탄, 에테르 계열의 디에틸 에테르, 그리고 케톤 계열의 메틸 이소부틸 케톤(MIBK) 등이 있다. 각 용매는 극성, 밀도, 끓는점, 물에 대한 용해도 등이 달라 특정 응용 분야에 적합하다.

용매를 선택할 때는 추출 대상 물질의 분배 계수를 최대화하는 동시에, 공정 안전성, 비용, 환경 영향, 후속 분리 공정의 용이성 등을 종합적으로 고려해야 한다. 예를 들어, 휘발성이 높고 인화점이 낮은 에테르류는 대규모 공정보다는 실험실에서 주로 사용된다. 최근에는 클로로포름이나 벤젠과 같은 독성이 높은 용매보다는 에틸 아세테이트처럼 비교적 안전한 용매로 대체하는 추세이다.

이온성 액체는 실온 또는 그 근처에서 액체 상태를 유지하는 염으로, 구성 이온의 비대칭적인 구조와 낮은 격자 에너지로 인해 녹는점이 낮다[3]. 이는 기존의 유기 용매와 구별되는 용매 추출 용매로 주목받는다.

이온성 액체는 증기압이 극히 낮아 휘발성이 거의 없으며, 열적·화학적 안정성이 우수하고, 점도와 표면 장력 등의 물성을 양이온과 음이온의 조합을 통해 광범위하게 설계할 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 특성은 용매 추출 공정에서 안전성 향상과 용매 손실 감소에 기여하며, 추출 대상 물질에 대한 높은 선택성과 추출 효율을 구현할 수 있게 한다.

주요 응용 분야로는 희토류 금속 및 방사성 동위원소의 선택적 분리, 바이오매스에서 유용 화합물의 추출, 그리고 친환경 공정 개발 등이 있다. 그러나 상대적으로 높은 제조 비용과 점도, 일부 이온성 액체의 수분에 대한 민감성, 그리고 사용 후 회수 및 재생의 어려움은 현재 산업적 확대를 위한 과제로 남아 있다.

초임계 유체를 이용한 추출은 특정 물질의 임계점 이상의 온도와 압력 조건에서 해당 유체를 용매로 사용하는 분리 공정이다. 이 상태의 유체는 기체와 액체의 중간 성질을 가지며, 점도는 낮고 확산성은 높아 기존 용매보다 우수한 침투 및 추출 능력을 보인다. 가장 널리 사용되는 초임계 유체는 이산화 탄소(CO₂)로, 비교적 낮은 임계 온도(31.1°C)와 임계 압력(73.8 bar)을 가져 취급이 상대적으로 용이하다.

초임계 이산화 탄소 추출의 가장 큰 장점은 무극성 또는 약간 극성을 띠는 화합물을 선택적으로 추출할 수 있다는 점이다. 또한, 공정이 끝난 후 압력을 낮추면 CO₂가 기체로 쉽게 제거되어 추출물에 용매 잔류물이 남지 않는다. 이로 인해 열에 민감한 물질이나 고순도 제품이 필요한 분야에서 유용하게 활용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

초임계 유체 추출 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 극성 물질의 추출 효율을 높이기 위해 메탄올이나 에탄올과 같은 공용매를 첨가하는 방식도 연구되고 있다. 또한, 이산화 탄소 대신 물을 초임계 상태로 사용하는 초임계수 추출도 주목받고 있다. 이 방법은 극성 물질 추출에 더 적합하지만, 높은 온도와 압력이 필요하여 장치 설계와 에너지 소비 측면에서 과제를 안고 있다.

단일 단계 추출은 가장 기본적인 용매 추출 방식으로, 두 개의 서로 섞이지 않는 액체 상(일반적으로 수용액 상과 유기 용매 상)을 한 번만 접촉시켜 목적 성분을 분리하는 과정이다. 이 공정에서는 원료액(피추출액)과 추출 용매를 교반기나 혼합기에서 충분히 혼합하여 접촉 면적을 극대화한다. 이후 혼합물을 정지 상태로 두면 두 액체 상이 밀도 차이에 의해 자연적으로 분리되며, 이때 목적 성분이 한 상에서 다른 상으로 이동하게 된다.

분리된 두 상은 각각 추출액(용매에 목적 성분이 농축된 상)과 추여액(목적 성분이 제거된 잔류액 상)으로 구분된다. 이 방법의 효율은 분배 계수에 크게 의존한다. 분배 계수가 매우 클 경우, 즉 목적 성분이 추출 용매를 선호하는 정도가 높을 경우 단일 단계로도 높은 추출율을 달성할 수 있다. 그러나 분배 계수가 작거나 높은 순도를 요구하는 경우, 단일 단계만으로는 충분한 분리 효율을 얻기 어렵다.

단일 단계 추출은 장치가 단순하고 조작이 용이하며, 비교적 빠른 시간 내에 분리를 완료할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 실험실 규모의 시험 분석, 소량 샘플의 전처리, 또는 분배 계수가 매우 유리한 조건에서의 예비 분리 공정에 널리 사용된다. 그러나 산업적 규모에서는 높은 회수율과 순도를 확보하기 위해 다단계 추출이나 연속 추출 방식이 더 선호된다.

다단계 추출은 두 개 이상의 추출 단계를 직렬 또는 병렬로 연결하여, 단일 단계 추출보다 높은 추출 효율과 분리도를 달성하는 공정이다. 교류 추출은 특히 두 개의 불혼화성 액체를 교대로 사용하여 목적 성분을 한쪽 상에서 다른 쪽 상으로 반복적으로 이동시키는 방식으로, 선택성이 높은 분리에 유리하다.

이 공정의 핵심은 추출 단계 사이에 추출 용매를 재생하거나, 서로 다른 선택성을 가진 용매를 교대로 사용하는 것이다. 일반적인 구성은 다음과 같다.

교류 추출은 각 단계에서의 분배 계수 차이를 극대화하여 분리를 수행한다. 예를 들어, 금속 이온을 정제할 때는 특정 pH 조건에서만 추출되는 킬레이트 시약을 사용하여, 원하지 않는 금속 이온은 세정 단계에서 제거하고 목적 금속 이온만을 역추출 단계에서 선택적으로 회수한다[4].

이 방식은 고가의 의약품 중간체, 희토류 원소, 방사성 동위원소 등 고순도 물질의 분리 정제에 필수적이다. 장치 구성에 따라 교류 추출기나 다단 혼합-침전기가 사용되며, 각 단계의 조건(용매 종류, pH, 온도, 접촉 시간)을 독립적으로 최적화할 수 있어 공정 설계의 유연성이 높다.

연속 추출은 추출 장치에 원액과 추출 용매를 지속적으로 공급하고, 추출액과 추출 잔액을 동시에 연속적으로 배출하는 공정 방식이다. 이 방식은 대량의 원료를 처리해야 하는 산업적 규모의 생산 공정에서 널리 사용된다. 단일 단계나 다단계 교류 추출과 달리, 장치가 정상 상태에 도달하면 일정한 농도와 유량으로 제품이 생산되므로 공정 제어와 자동화에 유리하다.

대표적인 연속 추출 장치로는 혼합-침전기와 추출탑이 있다. 혼합-침전기는 혼합기에서 두 액상을 강력하게 교반한 후, 침전기에서 두 상으로 분리하는 일련의 장치를 여러 단 연결하여 구성한다. 추출탑은 충전탑, 회전원판접촉기, 진동판탑 등 다양한 형태가 있으며, 탑 내에서 두 액상이 서로 반대 방향으로 흐르며 접촉한다. 이때 한 상은 분산상이 되고 다른 상은 연속상이 되어 질량 전달이 효율적으로 일어난다.

연속 추출 공정의 설계와 최적화에는 삼각형 도표를 활용한 공정 계산이 자주 사용된다. 원액, 용매, 최종 추출액 및 추출 잔액의 조성을 도표 상에 표시하고, 물질 수지와 평형 관계를 적용하여 각 단계의 조성 변화를 추적한다. 이를 통해 목표 분리 정도를 달성하는 데 필요한 이론적 단수나 용매 비율 등을 결정할 수 있다.

이 공정 방식은 처리량이 크고 노동력이 적게 들지만, 장치의 초기 투자 비용이 높으며 공정 시작 시 정상 상태에 도달하기까지 시간이 소요된다는 단점도 있다.

용매 추출은 광석의 침출액, 폐수, 폐촉매 등 다양한 원료로부터 특정 금속 이온을 선택적으로 분리하고 농축하는 데 널리 사용되는 기술이다. 이 공정은 일반적으로 수성상과 유기상을 접촉시켜 목표 금속 이온이 유기상으로 이동하게 하는 원리를 기반으로 한다. 유기상에는 금속 이온과 선택적으로 결합하여 소위 착화합물을 형성하는 추출제가 포함되어 있다.

구리, 코발트, 니켈과 같은 비철금속의 제련 공정에서 용매 추출은 핵심적인 정제 단계로 자리 잡았다. 예를 들어, 구리 제련에서는 황산 침출액으로부터 구리 이온을 추출하여 전해 정제 공정에 적합한 고순도 전해액을 생산한다. 이는 슈베르트법과 같은 구체적인 공정으로 발전했다. 또한, 희토류 원소는 그 화학적 성질이 매우 유사하여 분리가 어려운데, D2EHPA나 PC-88A와 같은 인산계 추출제를 사용한 용매 추출이 희토류 원소들을 서로 분리하는 가장 효과적인 산업적 방법이다.

폐자원으로부터의 금속 회수 분야에서도 용매 추출의 중요성이 증가하고 있다. 사용된 리튬이온전지나 폐전자제품에서 코발트, 리튬, 니켈 등의 가치 금속을 회수하는 공정에 적용된다. 이는 천연 자원에 대한 의존도를 줄이고 순환 경제를 실현하는 데 기여한다. 환경 분야에서는 산성 광산 배수와 같은 폐수에 포함된 유해 중금속 이온을 제거하거나 회수하는 데에도 사용된다.

용매 추출은 의약품의 원료 물질을 정제하거나 천연물에서 생리활성 성분을 분리하는 데 핵심적인 분리 공정 중 하나이다. 이 공정은 원하는 화합물이 다른 불순물보다 특정 용매에 더 잘 용해되는 성질을 이용한다.

의약품 제조에서는 합성 중간체나 최종 활성 의약 성분(API)을 반응 혼합물로부터 분리하고 정제하는 데 널리 사용된다. 예를 들어, 항생제나 항바이러스제의 합성 과정에서 생성된 조 생성물은 물과 유기 용매(예: 에틸 아세테이트, 디클로로메탄) 사이의 액-액 추출을 통해 정제된다. 이 과정에서 원하는 API는 한 상에 선택적으로 농축되고, 부산물이나 촉매 잔류물은 다른 상으로 제거된다. 특히 키랄 분리가 필요한 경우, 키랄 추출제를 사용한 용매 추출이 중요한 방법으로 활용된다[6].

천연물 정제 분야에서는 식물, 미생물, 해양 생물 등에서 유용한 생리활성 물질을 대규모로 분리하는 데 필수적이다. 대표적인 예로 카페인의 탈카페인 공정, 식물성 기름의 정제, 향료 및 색소의 추출 등을 들 수 있다. 고부가가치 천연물인 팔리탁셀(항암제), 아르테미시닌(말라리아 치료제), 다양한 폴리페놀 및 알칼로이드의 상업적 생산에도 용매 추출이 핵심 단계로 자리 잡고 있다. 전통적인 추출 용매로는 헥산, 에탄올, 아세톤 등이 사용되며, 최근에는 보다 안전하고 친환경적인 대체 용매에 대한 연구가 활발하다.

이 분야에서의 용매 추출 공정 설계는 높은 순도와 수율 확보, 용매의 재활용성, 그리고 최종 제품에의 용매 잔류 허용 기준 준수가 동시에 고려되어야 한다. 특히 의약품의 경우, 규제 기관의 엄격한 가이드라인을 충족시키기 위해 추출 용매의 독성과 잔류량이 철저히 관리된다.

원자력 연료 재처리에서 용매 추출은 사용 후 핵연료에서 재사용 가능한 우라늄과 플루토늄을 회수하고, 고준위 방사성 폐기물을 분리하는 핵심 공정이다. 이 공정은 일반적으로 PUREX 공정으로 알려져 있다. 사용 후 연료는 먼저 질산에 용해되어 수용액 상태로 만들어진다. 이 용액에는 우라늄, 플루토늄, 그리고 다양한 핵분열 생성물이 포함되어 있다.

추출 공정에서는 인산트리부틸(TBP)을 등유 등의 희석제에 녹인 유기상이 사용된다. TBP는 질산 환경에서 우라늄과 플루토늄을 선택적으로 착물 형성하여 유기상으로 추출하는 반면, 대부분의 핵분열 생성물은 수용액 상에 남게 된다. 이후 유기상에서 우라늄과 플루토늄을 다시 역추출하여 분리하고, 각각을 정제한다. 이 과정은 방사선 차폐가 된 밀폐형 혼합-침전기와 같은 특수 설계 장치에서 수행된다.

PUREX 공정의 효율성과 선택성은 매우 높지만, 사용된 유기 용매의 방사선 분해와 화학적 분해로 인한 문제가 발생할 수 있다. 또한, 장기적으로는 고준위 액체 폐기물의 양을 줄이고, 마이너 악티나이드를 함께 분리할 수 있는 새로운 추출 공정 개발이 활발히 연구되고 있다. 예를 들어, TRUEX 공정이나 DIAMEX 공정 등은 TBP 외에 다른 추출제를 사용하여 악티나이드와 란타나이드를 함께 분리하는 것을 목표로 한다.

용매 추출은 식품 분석과 환경 분석 분야에서 목적 성분을 시료로부터 분리, 농축하거나 간섭 물질을 제거하는 핵심적인 전처리 기술로 널리 사용된다. 분석 대상물의 복잡한 매트릭스와 극미량 존재하는 분석물로 인해 직접적인 측정이 어려운 경우가 많기 때문이다. 이 과정을 통해 분석기의 검출 한계를 낮추고 정확도와 재현성을 크게 향상시킬 수 있다.

식품 분석에서는 주로 지용성 비타민, 향미 성분, 잔류 농약, 중금속, 식품 첨가물, 자연 독소 등의 분석에 적용된다. 예를 들어, 헥산이나 에틸 아세테이트를 이용해 식용유에서 지용성 비타민을 추출하거나, 아세토니트릴과 염수를 이용해 QuEChERS 방법으로 과일과 채소의 잔류 농약을 동시에 추출한다. 유제품의 지방 함량 분석을 위한 로즈-고틀리브법도 대표적인 용매 추출 공정이다.

환경 분석에서는 수질, 토양, 퇴적물, 대기 시료에 포함된 유기 오염물질과 중금속을 분석하는 데 필수적이다. 다환방향족탄화수소(PAHs), 다이옥신, 폴리염화비페닐(PCBs), 페놀류, 유기염소계 농약 등의 미량 유기 오염물질은 일반적으로 디클로로메탄, 톨루엔, 또는 혼합 용매로 추출된다. 중금속 분석을 위해서는 흔히 APDC나 DDTC 같은 킬레이트제를 사용해 금속 착물을 형성시킨 후 유기 용매로 추출하는 방법이 사용된다.

최근에는 자동화와 미량 시료 처리에 유리한 고체상 미세추출(SPME)이나 액체상 미세추출(LPME) 같은 미세 추출 기술의 사용이 증가하고 있다. 이들은 기존의 액-액 추출에 비해 용매 사용량을 극적으로 줄이고, 과정을 단순화하며, 현장 분석 가능성을 높인다.

용매 추출과 증류는 모두 혼합물로부터 특정 성분을 분리하는 데 널리 사용되는 단위 조작이다. 그러나 두 방법은 분리 대상 물질의 물리적, 화학적 특성에 기반한 원리가 근본적으로 다르다.

증류는 혼합물 내 각 성분의 휘발성 차이, 즉 끓는점 차이를 이용하여 분리를 수행한다. 액체 혼합물을 가열하여 기화시킨 후, 생성된 증기를 냉각하여 다시 액체로 응축시키는 과정을 거친다. 이 과정에서 끓는점이 낮은 성분이 증기 중에 농축되어 먼저 분리된다. 반면 용매 추출은 분리 대상 물질이 서로 섞이지 않는 두 액체 상(예: 물과 유기 용매) 사이에 선택적으로 용해되는 성질, 즉 분배 계수의 차이를 이용한다. 목표 성분은 한 상에서 다른 상으로 이동하여 분리된다.

두 방법의 주요 적용 분야와 선택 기준은 다음과 같이 비교할 수 있다.

따라서, 분리 대상 물질의 끓는점 차이가 현저히 크고 열에 안정적이라면 증류가 효율적이다. 반면, 물질이 열에 민감하거나, 끓는점이 매우 비슷하거나(예: 공비혼합물), 이온성 물질이나 금속과 같이 휘발성이 없는 경우에는 용매 추출이 더 적합한 방법으로 선택된다. 경우에 따라 두 공정을 조합하여 사용하기도 한다.

흡착은 용매 추출과 함께 자주 사용되거나 비교되는 중요한 분리 공정이다. 흡착은 기체나 액체 상(相)에 존재하는 물질(흡착질)이 고체 표면(흡착제)에 선택적으로 붙어 분리되는 현상을 말한다. 이 과정은 주로 물리적 힘(반데르발스 힘)이나 화학적 결합에 의해 일어난다.

흡착 공정의 효율은 사용되는 흡착제의 특성에 크게 의존한다. 일반적으로 사용되는 흡착제로는 활성탄, 실리카겔, 제올라이트, 알루미나 등이 있다. 이들 물질은 높은 비표면적과 다공성 구조를 가지고 있어 많은 양의 흡착질을 포집할 수 있다. 공정은 주로 고정층 반응기에서 이루어지며, 흡착이 포화되면 열이나 압력 변화를 통해 흡착질을 탈착하여 흡착제를 재생한다.

용매 추출과 흡착의 주요 차이점은 다음과 같다.

흡착은 특히 환경 공학 분야에서 미량의 오염물질(예: 중금속 이온, 유기 오염물)을 제거하거나, 공기 정화, 수처리, 촉매 공정에서 널리 응용된다. 반면, 용매 추출은 대량의 금속 이온 정제나 천연물 분리와 같이 처리량이 크고 농도가 높은 경우에 더 적합한 경우가 많다. 두 공정은 상호 보완적으로 사용되기도 하며, 경우에 따라 흡착 후 탈착된 농축액을 용매 추출로 추가 정제하는 복합 공정으로 설계되기도 한다.

결정화는 용매 추출과 함께 자주 사용되는 고전적인 분리 정제 방법이다. 두 방법 모두 혼합물에서 원하는 성분을 순도 높게 분리하는 데 목적이 있지만, 그 원리와 적용 대상에서 뚜렷한 차이를 보인다.

결정화는 용액 상태의 물질이 과포화 상태에 도달하여 고체 결정으로 석출되는 현상을 이용한다. 일반적으로 온도를 낮추거나 용매를 증발시켜 용질의 용해도를 낮추는 방식으로 진행된다. 이 과정에서 불순물은 여전히 용액에 남거나, 형성된 결정의 격자 구조에 포함되지 못해 순도 높은 결정을 얻을 수 있다. 반면 용매 추출은 두 가지 서로 섞이지 않는 액체 상(수상과 유기상) 사이의 용질 분배 차이를 기반으로 한다. 목표 성분이 한 상에서 다른 상으로 선택적으로 이동하도록 해 분리한다.

두 방법의 선택은 분리 대상 물질의 특성에 크게 의존한다. 결정화는 주로 고체 물질, 특히 무기 염류나 유기 화합물의 정제에 적합하다. 열에 안정한 물질을 대규모로 정제할 때 경제적이다. 용매 추출은 액체 혼합물, 특히 휘발성이 낮거나 공비혼합물을 이루는 성분의 분리, 그리고 금속 이온과 같은 특정 종의 선택적 분리에 더 효과적이다. 다음 표는 두 방법의 주요 특징을 비교한 것이다.

실제 공정에서는 두 방법이 상호 보완적으로 사용되기도 한다. 예를 들어, 용매 추출로 원료에서 원하는 성분을 농축한 후, 최종 고순도 제품을 얻기 위해 결정화 공정을 수행하는 경우가 흔하다.