水蒸気蒸留は水蒸気抽出ではありませんか

質問

詳しい方ご相談させてください。
下の命題について賛否ご意見いただければと思います。
「水蒸気蒸留とは、ガスフェーズの水を用いた気液抽出である」

超臨界流体抽出（Supercritical fluid extraction)という抽出方法があります。二酸化炭素が商業的にはもっとも広く行われていると思いますが、超臨界二酸化炭素を浸透性のよい溶媒として用いて有価物を得る抽出方法です。
二酸化炭素の場合、条件を変えて液体二酸化炭素抽出（liquid carbon dioxide extraction)したり、さらに温和な条件で二酸化炭素ガスを用いた香気抽出を行ったりもします。

そこで二酸化炭素ではなく、水を考えた場合、同じく超臨界～液体～気体の水を用いた抽出が成立すると思います。気体の水を用いた抽出とはすなわち水蒸気蒸留ではないでしょうか。

水蒸気蒸留の説明を読むと、沸点に着目した説明ばかりが目につきます。抽出と考えれば、むしろ極性が支配的であってもよいはずです。考察方法が変わるのではないでしょうか。

同じく疑問をもたれた方、考え違いを説明してくれる方他、どんな回答でも構いません。
納得感のある回答をして下さった方にポイント進呈します。よろしくお願いします。

回答No.1

ORUKA1951 · ベストアンサー

水蒸気蒸留を行うとき、それが相互に溶解しないという前提がありますから、抽出ではない。
　ては何ゆえ蒸留されるのか？

蒸留したい物質は、沸点以下でも必ずゼロでない蒸気圧を持っています。
　冷凍庫の氷がどんどん痩せて角が丸くなること
　冬でも洗濯物が乾く
わかりにくいので、具体的な値として100℃で0.1気圧の蒸気圧を持っているとします。沸点は300℃とか・・
　通常は100℃に加熱しても気相中が0.1気圧になれば平衡に達して気化は止まります。気相が定常状態なので対流もないので境界面付近はすぐに飽和する。
　ここに水蒸気を吹き込むと、水蒸気中にその物質はありませんから、同様に0.1気圧までは気化できます。その物質で飽和した水蒸気は冷却器で凝縮するため、どんどん冷却器に向かい、いつも新鮮な水蒸気が流れています。--冷却器側では水は凝縮して液体に戻りますが、キャリアである水蒸気がなくなるため、その物質の分圧も速やかに0.1気圧を超えますから同時に凝縮する。
　一方の蒸留される物質側は、どんどん新鮮な水蒸気が供給されつづけるため、たとえ蒸気圧が少なくても気化し続ける。

＞水蒸気蒸留の説明を読むと、沸点に着目した説明ばかりが目につきます。
　沸点ではなく、蒸気圧です。

＞むしろ極性が支配的であってもよいはずです。
　通常は、非極性物質にしか使用しません。水蒸気蒸留の仕組みから水とは独立した行動をとるものでないと。

＞「水蒸気蒸留とは、ガスフェーズの水を用いた気液抽出である」
　は違います。
　あくまで、搬送流体として水が使用される。おきていることは、小さな分圧を利用した蒸留システムです。

お礼

いただいた回答を読みながら考えていたら、以下のように思い至りました。

・水蒸気蒸留は抽出ではない。

微視的に分子の挙動をイメージし、供給される水蒸気の水分子が、溶質分子が突き上げ、蒸留元AからトラップBへ運搬する蒸留モデルを設定します。
つまり水蒸気蒸留を、水分子を媒体にして溶質分子に運動エネルギーを与える系と考えます。

この系で、水分子のモデルとして、分子間力を備えた剛体球を用いると、分子間力のない剛体球同士の衝突時と比較して、分子間力によりエネルギーの一部が消費され、衝突時に運動エネルギーが減衰します。
この系において運動エネルギーの減衰とはすなわち蒸留効率の低下を意味します。

水の分子間力は水素結合が支配的であることは容易に推測できるので、水素結合の影響を受けやすい溶質は、運動の減衰を受けやすいと推測できます。言い換えると、極性の高い溶質分子ほど運搬されずらくなると推測できます。そうであれば、これを抽出と考えるのは無理がある、と考えました。

分子間力による蒸留効率の低下が現実的な量なのかどうか、共沸現象をどう説明するのかなどまだ課題は残るのですが、以上で締めさせていただきます。

ORUKA1951様、貴重なお時間をどうもありがとうございました。

補足

ご回答どうもありがとうございます。

水蒸気＝搬送流体、とのご説明はとても判りやすいです。
ただ、もう少し現実系に近い回答を期待しております。

(1)　搬送流体として窒素ガスが用いられることがありますが、蒸発温度が近いであろう減圧水蒸気蒸留と比較すると異なる蒸発挙動を与えます。（例えば、ＳＣＣと呼ばれる濃縮装置がこれにあたります。）
(2)　(1)と似ているかと思いますが、水蒸気を搬送流体と単純化した場合には「共沸現象」の影響を無視することになります。

どうぞよろしくお願いします。

回答No.2

c80s3xxx

そもそも，

> 二酸化炭素ガスを用いた香気抽出を行ったりもします。

ここが理解できません．
気相分子同士はきわめて相互作用が弱いから気相な訳です．なので，分圧の法則というのも成り立つわけですね．液相での溶媒と溶質の関係とは根本的に違うと思うわけです．なので，このような抽出が成立するとはとても思えないのですが．

お礼

ソース文献書かせていただきます。
Honkanen, E. Acta chem. Scand. 1966, 20(9), 2626.

補足

ご指摘ありがとうございます。
> 二酸化炭素ガスを用いた香気抽出を行ったりもします。
確かなソースをお示ししようと思ったのですが、10年ほど前に読んだきりの論文なのですぐにはでてきません。申し訳ありません。

論文の概要は、
「ドライアイスを気化して二酸化炭素の気流を作り、溶解したチョコレートにバブリングさせた後、液体窒素のトラップで昇華させて、チョコレートの香りを抽出する＝ガス状二酸化炭素による香気抽出」
というものでした。

ご指摘の通りガスー液の相互作用は極めて小さいと考えられます。ただゼロではないため「抽出」が成り立つと考えます。

[gas-phase extraction]のキーワードで検索すると以下のような論文が引っ掛かって来ました。
http://www.cem.de/documents/pdf/RE/RE045.PDF
概念としては成立する、ということでご納得いただければと思います。