2.3.1
수소화 및 부분 수소화 반응FAMEs 은 주로 식물유를 원료로 이용하여 만들어지게 되는데 그 경우
원료의 불포화도가 높기 때문에 연료 물성에서 저온 특성은 좋지만 낮은 산화 안정성과 세탄 값을 나타낸다. 이를 극복하는 방법 중에 하나로 C18:1과 같이 좋은 연료 특성을 가지는 단일 불포화 FAMEs까지만 수소화 반응을 수행하는 부분 수소화 반응이 사용된다 [15,48–52].
수소화 반응은 Pd, Ru, Ni, Pt 등과 같은 후전이 금속들을 촉매로 하여 수행되며, 일반적으로 불균일 반응(Heterogeneous reaction)으로 이루어지는 표면 반응이다. 반응 원리는 Horiuti-Polanyi 메카니즘에 의해 설명된다[63,64]. (그림 2-12) 먼저 이중 결합이 촉매 표면에 흡착되고 촉매에 해리되어 있던 수소 원자와 만나서 하나의 탄소가 수소화된다. 그
뒤 나머지 하나의 탄소도 수소화가 되면 수소화 반응이 완료되지만, 만약에 수소 공급이 원활하지 않으면 수소를 다시 잃고 흡착된다. 그런 뒤에 반응물이 탈착하게 되면 이중 결합이 이동 하거나 Trans-Cis 이성질화될 수 있다.
식물유의 수소화 반응으로 만들어지는 마가린 생산 공정에서 트랜스 지방의 생성을 억제하고자 할 때, 이 메카니즘이 활용된다[65]. 메카니즘에 따르면 촉매 표면에 충분한 수소가 공급되어야 하고, 이를 위해서는 수소가
식물유에 녹아서 촉매의 표면에 도달해야하기 때문에 식물유에서의 수소 농도를 높일 수 있는 용매를 사용하거나 수소의 압력을 높이는 방법이 사용된다. 또는 소비되는 수소의 양을 조절하여 촉매 표면의 수소가 부족하지 않게 하기 위해 반응성이 크지 않은 촉매를 사용하거나, 촉매 양을 줄이는 대신에 반응 시간을 길게 한다[48]. 반대로, 촉매의 표면을 황
물질이나 인지질 등으로 피독시켜 트랜스 지방을 생산하는데 응용하기도 한다[65]. 이외에도 초임계 CO2 나 프로판 등을 공용매로 추가하여 수소, 용매, 반응물을 하나의 상으로 만들어서 수소화 반응 속도를 극대화하는 방법도 제시되었다[66–68].
FAMEs의 부분 수소화 반응과 관련된 연구들은 Pd, Pt, Ni을 사용하여 80~120 ℃, 0.3~1 MPa 의 H2 에서 2~4 시간동안 반응한다. 각 촉매들은 SiO2, SBA-15, MCM-41 등에 담지되거나, Ag나 Mg, 알칼리 토금속 등과 같이 담지하되어 수소화 반응의 C18:1 선택성과 Trans-C18:1 의 변화를 관찰하는 연구가 주로 수행되고 있다[13–16,49–52,69].
2.3.2
전이 수소화 반응수소 기체는 일반적인 수소화 반응에서 주로 이용되지만, 수소 기체의 폭발성으로 인해 안전 사고의 위험이 있다[17]. 이를 회피해보고자 수소를 사용하지 않고 수소 공여체를 사용하는 전이 수소화 반응이 수행되고 있다[17,30–32,47,70]. 수소 공여체로는 Tetralin[32], Isopropanol [17,31], 글리세롤[28,30] 등이 사용되었으며 촉매로는 Pd, Ni, Cu, Co 등이
이용되었다. 전이 수소화 반응은 대게 높은 온도가 사용되거나 긴 반응시간을 요한다. 그렇기 때문에 전이 수소화 반응은 다른 반응과 결합을 통해 효율성을 높여서 사용될 수 있다[28,32,71,72]. 지방산[28,30–
32,71]이나 열분해 오일 [33,34,72]을 탄화수소나 알코올로 전환하는
수첨탈산소반응이 대표적이지만, 이 반응은 탈수소화반응을 포함하기 때문에 높은 반응 온도에도 불구하고 긴 반응 시간을 필요로 한다[71].
[그림 2-12] Horiuti-Polanyi 메카니즘[63,64]