Catalytic transformations of fatty acid derivatives for food, oleochemicals and fuels over carbon supported platinum group metals

Växtoljor som utgör en förnybar naturresurs används som sådana eller i modifierade former i många industriella processer, som är av stor betydelse för vårt vardagliga liv. Växtoljor används i livsmedel, i kemiska och farmaceutiska produkter, i textilindustrin, för framställning av färgämnen och beläggningsmaterial samt som miljövänliga bränslekomponenter. Fetter och oljor hör till de äldsta kemiska komponenterna som utnyttjas av människan. De består huvudsakligen av glycerolestrar och fettsyror. Fetter och oljor har typiskt en kolkedja med kol-koldubbelbindningar samt karboxyl- och estergrupper, som kan genom hydrering eller dekarboxylering konverteras till nyttiga och miljövänliga produkter med hjälp av ädelmetallkatalysatorer. Aktivt kol (C) används som bärare på katalysatorerna. Väteaddition, d.v.s. hydrering av växtoljor har varit föremål för omfattande forskning i över hundra års tid. Hydreringen är en viktig process, för den tillämpas på produktion av fetter och margarin. Omättade fettsyror hydreras traditionellt på nickelbaserade heterogena katalysatorer. Samtidigt med en partiell hydrering av fettsyrorna och fettsyraestrarna som har två dubbelbindningar pågår också isomeringsreaktioner, vilka ger cis- och transisomerer av reaktantmolekylerna. Den största nackdelen med nickelkatalysatorerna är deras giftighet samt bildning av ohälsosamma transisomerer i reaktionsprodukterna. Dessutom deaktiveras nickelkatalysatorn snabbt p.g.a. att nickeltvålar bildas i reaktionsblandningen. Platinabaserade katalysatorer lider däremot inte av dessa begränsningar. Metaller i platinagruppen i det periodiska systemet studerades i detalj för att avslöja kinetiska effekter i hydreringen av cis-metyloleat. Palladium, rutenium, rhodium, platina och iridium användes som katalytiska metaller. Metallhalten på aktivkolbärare var 1 vikt-%. De olika platinametallerna undersöktes för att kartlägga konkurrerande hydrerings- och isomeringsrutter på metallerna. Det visade sig att metallerna i andra raden av det periodiska systemet (Ru, Rh, Pd) är aktivare i isomeringsprocesserna, medan metallerna i tredje raden (Ir, Pt) har en lägre aktivitet. Pd/C valdes bland platinametallerna, för att den är attraktiv ur ekonomisk synvinkel och den är mycket aktiv och selektiv, speciellt jämfört med nickel. Tyngdpunkten i arbetet var utvecklingen av en alternativ, palladiumbaserad hydreringsteknologi som skulle ersätta den traditionella teknologin som är baserad på användningen av nickelkatalysatorer. Palladiumbaserade katalysatorer kan återcirkuleras, de är aktivare och mera resistenta mot syror och de bildar mindre mängder av skadliga transisomerer. För att denna teknologi skall bli ekonomiskt hållbar och konkurrenskraftig, måste den basera sig på de bästa möjliga katalysatorerna, vilket innebär att en optimal kombination av hög aktivitet och selektivitet samt en lång livstid för katalysatorn krävs. Därför inkluderades teknologiska aspekter kraftigt i forskningen. Mycket arbete satsades på design av palladium på en mesoporös kolbärare och undersökning av korrelationerna mellan katalysatorns egenskaper och dess aktivitet i isomeriseringsreaktionerna och i hydreringen av kol-koldubbelbindningarna i reaktantmolekylen. Katalysatorerna karakteriserades med många fysikaliska och kemiska metoder (transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD), röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), temperaturprogrammerad reduktion (TPR), temperaturprogrammerad desorption (TPD) av kolmonoxid, kemisorption av kolmonoxid, fysisorption av kväve). Temperaturens, vätetryckets och katalysatorkoncentrationens inverkan på fettsyra- och isomersammansättningen hos de hydrerade oljorna bestämdes under kinetiska betingelser, i frånvaro av massöverföringseffekter. Syreavspjälkning genom fullständig dekarboxylering av karboxylgruppen i fettsyramolekylen är det hittills bästa sättet att framställa miljövänlig dieselolja, eftersom linjära paraffiner fås som reaktionsprodukter och en tillsats av dyr vätgas undviks. Deoxygeneringen undersöktes systematiskt på en Pd/C-katalysator (Sibunit) genom att använda mättade fettsyror C16-C20 och C22 som råvara. Produktmolekylen blev en dieselliknande kolvätemolekyl, med en kolatom färre än i utgångsmolekylen. Lika stora dekarboxyleringshastigheter observerades för rena, mättade fettsyror. En jämförelse av deoxygenereringshastigheterna för stearin-, olein- och linolsyra som råvara vid 300oC i närvaro av 1-volymprocent väte på mesoporös Pd/C (Sibunit) avslöjade att katalysatorns aktivitet och selektivitet ökade med en ökande mättningsgrad av reaktantmolekylen. Då stearinsyra användes som utgångsmolekyl, bestod huvudprodukterna av önskade C17-kolväten, medan mängden av aromatiska C17-komponenter ökade, då olein- och linolsyra användes som utgångsmolekyler. Katalysatordeaktiveringen var relativt påfallande vid deoxygeneringen av linolsyra så att endast 3% av fettsyrorna omsattes till produkter i 330 min. Deaktiveringen orsakades av aromatiska C17-komponenter samt av fettsyradimerer, som bildades via en Diels-Alderreaktion. Hydreringen av omättade fettsyror kan därför rekommenderas som ett primärt kemiskt steg i framställningen av miljövänliga dieselprodukter. Målet var också att öka förståelsen av palladiummetallernas roll i nanoskala, speciellt effekten av metallpartiklarna i katalytisk hydrering och deoxygenering. Pd/C-katalysatorer med lika stora halter av Pd syntetiserades och metallens dispersion på bärarmaterialet varierades systematiskt genom en kontrollerad uppväxt av palladiumnanopartiklar på aktiv kolbärare. Metalldispersionens effekt på hydrerings-hastigheten och cis-transförhållandet undersöktes i detalj. En optimal metalldispersion som gav den högsta dekarboxyleringshastigheten hittades. Massöverföringens inverkan på reaktionens hastighet studerades experimentellt och temperaturprogrammerad desorption av kolmonoxid från katalysatorytan undersöktes ingående. Hydrering av växtoljor genomfördes under satsvisa och kontinuerliga betingelser. Både finfördelat Pd/C och katalysatorgranulat användes i experimenten. Ett av målen med arbetet var uppskalningen av hydreringsprocesserna. Med tanke på stora produktionsvolymer var det logiskt att undersöka kontinuerliga hydrerings- och dekarboxyleringsteknologier. En kontinuerlig packad bäddreaktor studerades i laboratorieskala, vilket gav viktig information om katalysatorns långtidsstabilitet och deaktivering. Effekten av rena fettsyror och triglycerider som råvara samt metallpartikelstorleken och palladiumhalten studerades med hjälp av den kontinuerliga reaktorn. Produktionskapaciteten som erhölls med satsvis och kontinuerlig drift jämfördes. Dekarboxyleringen av stearinsyra undersöktes också i en kontinuerlig packad bädd. Omsättningsgraden blev 15% för en stabil katalysator.

Nd:YAG Laser Welding of 5083 Aluminium Alloy using Filler Wire

High reflectivity and high thermal conductivity, high vapour pressure of alloyingelements as well as low liquid surface tension and low ionisation potential, make laser welding of aluminium and its alloys a demanding task.Problems that occur during welding are mainly process instabilities of the keyhole and the melt pool, increased plasma formation above the melt pool and loss of alloying elements. These problems lead to unwanted metallurgical defects like hot cracks and porosity in the weld bead andother problems concerning the shape and appearance of the weld bead. In order to minimise the defects and improve the weld quality, the process and beam parameters need to be carefully adjusted along with a consideration concerning the use of filler wire for the welding process. In this work the welding of 3,0 mm thick grade 5083 aluminium alloy plates using a 3,0 kW Nd:YAG laser with grade 5183 filler wire addition is investigated. The plates were welded as butt joints with air gap sizes 0,5 mm, 0,7mm and 1,0 mm. The analysis of the weld beads obtained from the weldedsamples showed that the least imperfections were produced with 0,7 mm air gaps at moderate welding speeds. The analysis also covered the calculation of the melting efficiency and the study of the shape of the weld bead. The melting efficiency was on average around 20 % for the melting process of the welded plates. The weld beads showed the characteristic V-shape of a laser weld and retained this shape during the whole series of experiments.

Tandem-GMA Welding of Low Alloy Structural Steel

The Tandem-GMAW method is the latest development as the consequences of improvements in the welding methods. The twin-wire and then the Tandem-method with the separate power sources has got a remarkable place in the welding of many types of materials with different joint types. The biggest advantage of Tandem welding method is the flexibility of choosing both the electrodes of different types from each other according to the type of the parent material. This is possible because of the feasibility of setting the separate welding parameters for both the wires. In this thesis work the effect of the variation in three parameters on the weld bead in Tandem-GMA welding method is studied. Theses three parameters are the wire feed rate in the slave wire, the wire feed rate in the master wire and the voltage difference in both the wires. The results are then compared to study the behaviour of the weld bead with the change in these parameters.

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Spectroscopic monitoring during laser welding of aluminium alloy

The mechanical properties of aluminium alloys are strongly influenced by the alloying elements and their concentration. In the case of aluminium alloy EN AW-6060 the main alloying elements are magnesium and silicon. The first goal of this thesis was to determine stability, repeatability and sensitivity as figures of merit of the in-situ melt identification technique. In this study the emissions from the laser welding process were monitored with a spectrometer. With the information produced by the spectrometer, quantitative analysis was conducted to determine the figures of merit. The quantitative analysis concentrated on magnesium and aluminium emissions and their relation. The results showed that the stability of absolute intensities was low, but the normalized magnesium emissions were quite stable. The repeatability of monitoring magnesium emissions was high (about 90 %). Sensitivity of the in-situ melt identification technique was also high. As small as 0.5 % change in magnesium content was detected by the spectrometer. The second goal of this study was to determine the loss of mass during deep penetration laser welding. The amount of magnesium in the material was measured before and after laser welding to determine the loss of magnesium. This study was conducted for aluminium alloy with nominal magnesium content of 0-10 % and for standard material EN AW-6060 that was welded with filler wire AlMg5. It was found that while the magnesium concentration in the material changed, the loss of magnesium remained fairly even. Also by feeding filler wire, the behaviour was similar. Thirdly, the reason why silicon had not been detected in the emission spectrum needed to be explained. Literature research showed that the amount of energy required for silicon to excite is considerably higher compared to magnesium. The energy input in the used welding process is insufficient to excite the silicon atoms.

Platinaryhmän metallien talteenotto

Tässä työssä on selvitetty platinaryhmän metallien eli platinan, palladiumin, iridiumin, osmiumin, rhodiumin ja ruteniumin talteenottoa. Ensiksi on kerrottu jokaisen metallin kemiallisia ja fyysisiä ominaisuuksia, jonka jälkeen on perehdytty malmin jalostusprosessiin aina ensimmäisistä analyyseistä lopputuotteen, eli puhtaan metallin valmistamiseen. Sen jälkeen on pohdittu platinametallien kierrättämistä sekä fissiosta saatavien platinametallien kannattavuutta ja talteenottomahdollisuuksia.

Aqueous-phase reforming of renewables for selective hydrogen production in the presence of supported platinum catalysts

The evolution of our society is impossible without a constant progress in life-important areas such as chemical engineering and technology. Innovation, creativity and technology are three main components driving the progress of chemistry further towards a sustainable society. Biomass, being an attractive renewable feedstock for production of fine chemicals, energy-rich materials and even transportation fuels, captures progressively new positions in the area of chemical technology. Knowledge of heterogeneous catalysis and chemical technology applied to transformation of biomass-derived substances will open doors for a sustainable economy and facilitates the discovery of novel environmentally-benign processes which probably will replace existing technologies in the era of biorefinary. Aqueous-phase reforming (APR) is regarded as a promising technology for production of hydrogen and liquids fuels from biomass-derived substances such as C3-C6 polyols. In the present work, aqueous-phase reforming of glycerol, xylitol and sorbitol was investigated in the presence of supported Pt catalysts. The catalysts were deposited on different support materials, including Al2O3, TiO2 and carbons. Catalytic measurements were performed in a laboratory-scale continuous fixedbed reactor. An advanced analytical approach was developed in order to identify reaction products and reaction intermediates in the APR of polyols. The influence of the substrate structure on the product formation and selectivity in the APR reaction was also investigated, showing that the yields of the desired products varied depending on the substrate chain length. Additionally, the influence of bioethanol additive in the APR of glycerol and sorbitol was studied. A reaction network was advanced explaining the formation of products and key intermediates. The structure sensitivity in the aqueous-phase reforming reaction was demonstrated using a series of platinum catalysts supported on carbon with different Pt cluster sizes in the continuous fixed-bed reactor. Furthermore, a correlation between texture physico-chemical properties of the catalysts and catalytic data was established. The effect of the second metal (Re, Cu) addition to Pt catalysts was investigated in the APR of xylitol showing a superior hydrocarbon formation on PtRe bimetallic catalysts compared to monometallic Pt. On the basis of the experimental data obtained, mathematical modeling of the reaction kinetics was performed. The developed model was proven to successfully describe experimental data on APR of sorbitol with good accuracy.