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.

Platinum Group Minerals in Eastern Brazil GEOLOGY AND OCCURRENCES IN CHROMITITE AND PLACERS

Brazil does not have working platinum mines, nor even large reserves of the platinum metals, but there is platinum in Brazil. In this paper, four massifs (mafic/ultramafic complexes) in eastern Brazil, in the states of Minas Gerais and Ceara, where platinum is found will be described. Three of these massifs contain concentrations of platinum group minerals or platinum group elements, and gold, associated with the chromitite rock found there. In the fourth massif, in Minas Gerais State, the platinum group elements are found in alluvial deposits at the Bom Sucesso occurrence. This placer is currently being studied.

Platinum-Group Minerals in Chromitites of the Niquelandia Layered Intrusion (Central Goias, Brazil): Their Magmatic Origin and Low-Temperature Reworking during Serpentinization and Lateritic Weathering

A variety of platinum-group-minerals (PGM) have been found to occur associated with the chromitite and dunite layers in the Niquelandia igneous complex. Two genetically distinct populations of PGM have been identified corresponding to phases crystallized at high temperatures (primary), and others formed or modified during post-magmatic serpentinization and lateritic weathering (secondary). Primary PGM have been found in moderately serpentinized chromitite and dunite, usually included in fresh chromite grains or partially oxidized interstitial sulfides. Due to topographically controlled lateritic weathering, the silicate rocks are totally transformed to a smectite-kaolinite-garnierite-amorphous silica assemblage, while the chromite is changed into a massive aggregate of a spinel phase having low-Mg and a low Fe3+/Fe2+ ratio, intimately associated with Ti-minerals, amorphous Fe-hydroxides, goethite, hematite and magnetite. The PGM in part survive alteration, and in part are corroded as a result of deep chemical weathering. Laurite is altered to Ru-oxides or re-crystallizes together with secondary Mg-ilmenite. Other PGM, especially the Pt-Fe alloys, re-precipitate within the altered chromite together with kaolinite and Fe-hydroxides. Textural evidence suggests that re-deposition of secondary PGM took place during chromite alteration, controlled by variation of the redox conditions on a microscopic scale.

The Interplay between Melting, Refertilization and Carbonatite Metasomatism in Off-Cratonic Lithospheric Mantle under Zealandia: an Integrated Major, Trace and Platinum Group Element Study

It is widely accepted that stabilization of the continental crust requires the presence of sub-continental lithospheric mantle. However, the degree of melt depletion required to stabilize the lithosphere and whether widespread refertilization is a significant process remain unresolved. Here, major and trace element, including platinum group elements (PGE), characterization of 40 mantle xenoliths from 13 localities is used to constrain the melt depletion, refertilization and metasomatic history of lithospheric mantle underneath the micro-continent Zealandia. Our previously published Re–Os isotopic data for a subset of these xenoliths indicate Phanerozoic to Paleoproterozoic ages and, reinterpreted with the new major and trace element data presented here, demonstrate that a large volume (>2 million km3) of lithospheric mantle with an age of 1·99 ± 0·21 Ga is present below the much younger crust of Zealandia. A peritectic melting model using moderately incompatible trace elements (e.g. Yb) in bulk-rocks demonstrates that these peridotites experienced a significant range of degrees of partial melting, between 3 and 28%. During subsolidus equilibration clinopyroxene gains significant rare earth elements (REE), which then leads to the underestimation of the degree of partial melting by ≤12% in fertile xenoliths. A new approach taking into account the effects of subsolidus re-equilibration on clinopyroxene composition effectively removes discrepancies in the calculated degree of melting and provides consistent estimates of between 4 and 29%. The estimated amount of melting is independent of the Re–Os model ages of the samples. The PGE patterns record simple melt depletion histories and the retention of primary base metal sulfides in the majority of the xenoliths. A rapid decrease in Pt/IrN observed at c. 1·0 wt % Al2O3 is a direct result of the exhaustion of sulfide in the mantle residue at c. 20–25% partial melting and the inability of Pt to form a stable alloy phase. Major elements preserve evidence for refertilization by a basaltic component that resulted in the formation of secondary clinopyroxene and low-forsterite olivine. The majority of xenoliths show the effects of cryptic metasomatic overprinting, ranging from minor to strong light REE enrichments in bulk-rocks (La/YbN = 0·16–15·9). Metasomatism is heterogeneous, with samples varying from those with weak REE enrichment and notable positive Sr and U–Th anomalies and negative Nb–Ta anomalies in clinopyroxene to those that have extremely high concentrations of REE, Th–U and Nb. Chemical compositions are consistent with a carbonatitic component contributing to the metasomatism of the lithosphere under Zealandia. Notably, the intense metasomatism of the samples did not affect the PGE budget of the peridotites as this was controlled by residual sulfides.

Platinum group elements and geochemistry of altered oceanic crust of ODP Hole 140-504B

Primary chemical heterogeneity in the sheeted dike complex in Deep Sea Drilling Project Hole 504B makes these rocks unsuitable for conventional mass balance calculations in determining element mobility associated with hydrothermal alteration. Due to the original heterogeneity and variable degrees of fractionation in the dikes, an appropriate reference sample on which calculations can be based is difficult to find. Therefore, the use of incompatible element ratios is developed to evaluate geochemical changes during alteration(s). For example, on a Zr/Yb-La/Yb plot, scatter along a straight line suggests tapping of a variably depleted mantle source and deviation from the line suggests element mobility (gain or loss). Using this method, our data indicates that the hydrothermal evolution of the sheeted dike complex was accompanied by significant loss of Cu, Zn, and Ti and some loss of La. The sheeted dike complex has low platinum group element (PGE) concentrations and steep PGE patterns, typical of mid-ocean ridge basalts (MORBs) on the global scale. We propose that the unusual PGE patterns of MORBs cannot be entirely generated by a partial melting and sulfide segregation model; instead, these patterns in part must have been inherited from their mantle source. The Au data show no evidence for mobilization during hydrothermal alteration of the dikes.

Platinum-group element abundances in background samples and the K-T boundary interval from DSDP Hole 91-596 (Table 2)

New data on Ru/Ir abundance ratios are presented for nonmarine (Hell Creek, Montana; Frenchman River, Saskatchewan) and marine Cretaceous-Tertiary boundary sites (Brazos River, Texas; Beloc, Haiti; DSDP 577 and DSDP 596). The Ru/Ir ratio varies from 0.5 to 1 within 4000 km of Chicxulub and increases to 2-3 at paleodistances (65 Ma) of up to 12,000 km from the impact site. For CI chondrites, Ru/Ir = 1.5. A ballistic model of ejecta cloud cooling and expansion, which employs the available vapor-pressure versus temperature data for Ru and It, predicts qualitatively similar global variation in the Ru/Ir ratio but by only a factor of 1.5. We infer that several other factors, such as remobilization of PGE during diagenesis, preferential oxidation of Ru, condensation kinetics and atmospheric chemical and circulation processes, may account for the observed larger Ru/Ir variation.

Rhenium and platinum-group element concentrations and Os isotope data for Philippine Sea Plate basalts from DSDP Legs 31, 58, and 59

Platinum-group elements (PGE), rhenium and osmium isotope data are reported for basalts from Deep Sea Drilling Project cores in the Philippine Sea Plate (PSP). Lithophile trace element and isotopic characteristics indicate a range of source components including DMM, EMII and subduction-enriched mantle. MORB-like basalts possess smooth, inclined chondrite-normalised PGE patterns with high palladium-PGE/iridium-PGE ratios, consistent with previously published data for MORB, and with the inferred compatibility of PGE. In contrast, while basalts with EMII-type lithophile element chemistry possess high Pt/Ir ratios, many have much lower Pd/Ir and unusually high Ru/Ir of >10. Similarly, back-arc samples from the Shikoku and Parece-Vela basins have very high Ru/Ir ratios (>30) and Pd/Ir as low as 1.1. Such extreme Pd/Ir and Ru/Ir ratios have not been previously reported in mafic volcanic suites and cannot be easily explained by variable degrees of melting, fractional crystallisation or by a shallow-level process such as alteration or degassing. The data appear most consistent with sampling of at least two mantle components with distinct PGE compositions. Peridotites with the required PGE characteristics (i.e. low Pd, but relatively high Ru and Re) have not been documented in oceanic mantle, but have been found in sub-continental mantle lithosphere and are the result of considerable melt depletion and selective metasomatic enrichment (mainly Re). The long-term presence of subduction zones surrounding the Philippine Sea Plate makes this a prime location for metasomatic enrichment of mantle, either through fluid enrichment or infiltration by small melt fractions. The Re-Os isotope data are difficult to interpret with confidence due to low Os concentrations in most samples and the uncertainty in sample age. Data for Site 444A (Shikoku Basin) give an age of 17.7+/-1.3 Ma (MSWD = 14), consistent with the proposed age of basement at the site and thus provides the first robust radiometric age for these samples. The initial 187Os/188Os of 0.1298+/-0.0069 is consistent with global MORB, and precludes significant metasomatic enrichment of Os by radiogenic slab fluids. Re-Os data for Sites 446A (two suites, Daito Basin) and 450 (Parece-Vela Basin) indicate ages of 73, 68 and 43 Ma, which are respectively, 30, 17 and >12 Ma older than previously proposed ages. The alkalic and tholeiitic suites from Site 446A define regression lines with different 187Os/188Osinitial (0.170+/-0.033 and 0.112+/-0.024, respectively) which could perhaps be explained by preferential sampling of interstitial, metasomatic sulphides (with higher time-integrated Re/Os ratios) by smaller percentage alkalic melts. One sample, with lithophile elements indistinguishable from MORB, is Os-rich (146 pg/g) and has an initial 187Os/188Os of 0.1594, which is at the upper limit of the accepted OIB range. Given the Os-rich nature of this sample and the lack of evidence for subduction or recycled crust inputs, this osmium isotope ratio likely reflects heterogeneity in the DMM. The dataset as a whole is a striking indication of the possible PGE and Os isotope variability within a region of mantle that has experienced a complex tectonic history.