Thesis (Master of Engineering in Mechanical Engineering)--Cape Peninsula University of Technology, 2018. / The present study was centred on the design of a thermal multistage solar still desalination system. The design is a multistage with new configurations such as direct vapour input into each stage using vapour make-up tubes and the integration of a multistage with a basin type solar still. The incorporation of float a valve in the secondary seawater tank to regulate the seawater in the assembly eliminated the need of pumps to the system. The circulation of seawater between the evaporator and the evacuated tube solar collector (ETC) was through the pressure difference and the flow back was controlled through the incorporation of oneway flow valve. The ETC was used as a heat source to supply the thermal energy into the multistage system. The system had no electrical connections and therefore, no forced circulation as no pumps or any electrical components were used. The system consisted of six stages in total, the evaporator supplied the vapour to five of the six stages of the system. The system was tested on the roof of Mechanical Engineering Department and this location was chosen because of less sun’s intensity obstructions. The system was tested for nine (9) days but the distillate collection was not performed for the whole each day. This was due to the controlled access to the roof and the minor repairs that had to occur before the tests were conducted. The duration on which the tests were conducted varied in each day. The data was supposed to be logged from 08h00 am to 18h00 pm but this was not so due to the controlled access to where the tests were conducted. This data logging period was chosen based on the assumptions that the sun’s intensity would be at maximum within this period. The longest period of test was approximately 7 hours and the system managed to produce about 1500 ml and the maximum temperature for the day was 28oC. The system produced a minimum of 225 ml in the space of 3 hours and the temperature of the day was 26oC. The total amount of distillate produced was about 7600 ml and this amount was produced within the period of 49 hours. The 49 hours is equivalent to two days and 1 hour. It is anticipated that the system would have produced more should there be no repairs involved during the tests. The system produced a maximum of 48 ml at night and a minimum of 8ml in some nights. The night tests were not controlled and monitored due to limited access. It was noticed that the system was empty in each morning of the first few days of the tests. This emptiness contributed to the leakage occurred to the evaporator. The leakage of the evaporator was caused by unmonitored heat supplied by the ETC. The evaporator was constructed using unsuitable material and this was another factor which contributed towards the failure of the evaporator.

Abstract in English and German / The reported PhD research study was conceived from real water problems experienced by a rural community in South Africa (SA). Specifically, water quality in the Nandoni Dam situated in the Vhembe District, Limpopo Province, South Africa was assessed in order to determine its fitness for use, following complaints by community members using this water for drinking and domestic purposes. The dam supplies water to 55 villages with approximately 800 000 residents. At the inception of the study, there was little scientific information relating to the quality of the water in the dam. Water samples from various sites across the Nandoni Dam, a primary source of domestic water supply in the region, were collected through each season of the year over a period of 12 months to ascertain the concentrations of dissolved salts in the dam. Additionally, harmful polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and phenols were assessed. The concentrations of the ions contributing to water salinity were generally lower than the brackish water bracket (i.e. 500 – 30 000 mg/L) but too high for potable water. The concentration of the phenols was relatively higher than the threshold limit of drinking water. Therefore, the water sourced from the Nandoni Dam was found not suitable for human consumption and therefore required integrated water resource management, as well as robust and cost-effective water treatment especially since the salinity of the water was high even after treatment by a water treatment plant sourcing water from the dam. In an attempt to develop a suitable energy-efficient technology or system for complete removal of salts (desalination) from the salty water (including brackish water), electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofibre membranes were synthesised and evaluated for removal of salts using the Direct Contact Membrane Distillation (DCMD) process. The nanofibre membranes were synthesised with combined high mechanical stability, porosity, and superhydrophobicity to prevent fouling and wetting while maintaining high salt rejection and water flux. Organically functionalised silica nanoparticles (f-SiO2NPs) were embedded on PVDF nanofibre membranes using an in-situ electrospinning technique for superhydrophobicity enhancement. These modified membranes displayed Young’s modulus of ~43 MPa and showed highly porous properties (~80% porosity, 1.24-1.41 μm pore sizes) with superhydrophobic surfaces (contact angle >150°). Membranes embedded with octadecyltrimethoxysilane (OTMS), and chlorodimethyl-octadecyl silane (Cl-DMOS), octadecyltrimethoxysilane (ODTS)-modified SiO2NPs were the most efficient; rejecting >99.9% of NaCl salt, with a water flux of approximately 30.7-34.2 LMH at 60°C, thus indicating their capacity to produce potable water. The superhydrophobic membranes were coated with a thin layer consisting of carboxylated multiwalled carbon nanotubes (f-MWCNTs) and silver nanoparticles (AgNPs) to reduce membrane fouling. The AgNPs and f-MWCNTs were uniformly distributed with size diameters of 28.24±1.15 nm and 6.7±2.1 nm respectively as evidenced by transmission electron microscopy (TEM) micrographs. The antibacterial AgNPs embedded in the PVDF nanofibre membranes inhibited the growth of Gram-positive Geobacillus stearothermophilus and Staphylococcus aureus as well as Gram-negative Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae indicating their potential to prevent biofilm formation. Fouling tests were conducted using bovine serum albumin (BSA), sodium alginate, colloidal silica, and thermophilic bacteria effluent as model organic, inorganic, and bio-foulants, respectively, using DCMD. The uncoated membranes were characterised by a flux decays ranging from 30% to 90% and salt rejection decays ranging from 1.4% to 6.1%. Membrane coating reduced the flux and salt rejection decays to 10–24% and 0.07–0.75%, respectively. Although the initial flux decreased from 42 to  16 LMH when using coated membranes, the resistance of these coated membranes to water flux and salt rejection decays indicated that coating could be a suitable one-step solution for fouling mitigation in DCMD. The major challenge would be to design the MD membranes with architectures that allow a high-water flux to be maintained i.e., a highly porous layer. Furthermore, the volatile compounds bearing hydrophobic groups were pretreated to reduce their fouling capacity on PVDF nanofibre membranes. In this study, polyacrylonitrile (PAN) and polyethylene-imine (PEI) functionalised-PAN nanofibre membranes were synthesised and evaluated as a pretreatment for the removal of chlorophenol and nitrophenol from solutions. Under optimised experimental conditions, adsorption capacities ranging from 27.3 – 38.4 mg/g for PAN and PEI-modified nanofibres, respectively, were recorded. The PEI-functionalised nanofibres showed a high potential as a pretreatment step to be integrated to MD process. Ultimately an integrated water desalination system was developed. This involved a pretreatment filter (pore size ~100 μm) containing PEI-functionalised PAN nanofibre materials to reduce particulates and large molecules of dissolved organic/inorganic compounds from the water to be treated. In this research, it was observed that the pre-treatment step was not sufficient in removing all traces of compounds causing fouling of the superhydrophobic PDVF nanofibre membranes. As such, coating of the membranes with a thin hydrophilic layer and coupled with the filtration pretreatment step was found to provide fouling-resistance properties, high salt rejection, and low flux decays on brackish water collected at an estuary in Belgium and the Nandoni Dam in South Africa, demonstrating the potential of the MD separation process towards potable water recovery from brackish water. / Het onderzoek in dit proefschrift was gebaseerd op concrete waterproblemen die een landelijke gemeenschap in Zuid-Afrika (SA) ervaart. In het bijzonder werd de waterkwaliteit in het Nandoni-reservoir in het Vhembe-district in de provincie Limpopo in Zuid-Afrika onderzocht, om te bepalen of dit water geschikt is voor gebruik, na klachten van leden van de gemeenschap die dit water gebruiken als drinkwater en voor huishoudelijk gebruik. Het reservoir levert water aan 55 dorpen met ongeveer 800.000 inwoners. Bij het begin van het onderzoek was er weinig wetenschappelijke informatie over de kwaliteit van het water in het reservoir. Watermonsters van verschillende locaties in het reservoir, dat een primaire bron van drinkwater is in de regio, werden gedurende verschillende seizoenen van het jaar verzameld over een periode van 12 maanden, om de concentraties van de meest voorkomende ionen in het reservoir te bepalen. Bovendien werden de concentraties van schadelijke polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) en fenolen gemeten. De concentraties van de ionen die bijdroegen aan het zoutgehalte van het water waren in het algemeen lager dan de drempel om het water als brak water te bestempelen (dat wil zeggen 500 – 30 000 mg/l), maar waren te hoog voor drinkwater. De concentratie van de fenolen was hoger dan de limiet voor drinkwater. Daarom bleek het water afkomstig van het Nandoni reservoir niet geschikt voor menselijke consumptie. Een beter geïntegreerd waterbeheer is dus nodig om deze bron voor drinkwater te beschermen, naast een robuuste en kosteneffectieve waterbehandeling. Deze waterbehandeling moet vooral het zoutgehalte van het water naar beneden halen, maar ook de concentraties van fenolen. In een poging om een geschikte energie-efficiënte technologie of een systeem voor de volledige verwijdering van zouten (~ontzilting) uit brak water te ontwikkelen, werden elektrisch gesponnen polyvinylideenfluoride (PVDF) nanovezelmembranen gesynthetiseerd en beoordeeld op verwijdering van zouten met behulp van Direct Contact Membraandestillatie (DCMD). De nanovezelmembranen hadden een gecombineerde hoge mechanische stabiliteit, porositeit en superhydrofobiciteit, die hielp om vervuiling (fouling) en vloeistofintrede in de poriën (wetting) te voorkomen, terwijl een hoge zoutverwijdering en hoge waterflux doorheen de membranen gehandhaafd bleven. Organische gefunctionaliseerde silica-nanodeeltjes (f-SiO2NP's) werden nadien geïncorporeerd in de PVDF nanovezelmembranen met behulp van een in-situ elektrospinning techniek om zo een nog grotere superhydrofobiciteit te bekomen. Deze gemodificeerde membranen hadden een degelijke treksterkte (Young's modulus van ~ 43 MPa) en waren zeer poreus (~ 80% porositeit, 1.24-1.41 μm poriegrootte). Het oppervlak van de membranen vertoonde inderdaad superhydrofobe eigenschappen (contacthoek met water > 150 °). De membranen ingebed met octadecyltrimethoxysilaan (ODTS) SiO2NP's waren het meest efficiënt: ze toonden een zoutretentie van> 99.9% voor NaCl, bij een waterflux van ongeveer 30.7-34.2 l/(m².h) bij 60 ° C (ten opzichte van 20°C in het permeaat), wat aangeeft dat ze in staat zijn om drinkbaar water te produceren. De superhydrofobe membranen werden nadien ook gecoat met een dunne laag bestaande uit gecarboxyleerde multiwall-carbon nanotubes (f-MWCNT's) en zilver nanodeeltjes (AgNP's), in een poging om membraanvervuiling te verminderen. De AgNP's en f-MWCNT’s hadden uniforme diameters van respectievelijk 28,24 ± 1,15 nm en 6,7 ± 2,1 nm (zoals bleek uit transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)). De antibacteriële AgNP's ingebed in de PVDF-nanovezelmembranen remden de groei van Gram-positieve Geobacillus stearothermophilus en Staphylococcus aureus bacteriën, evenals Gram-negatieve Pseudomonas aeruginosa en Klebsiella pneumoniae bacteriën. Dit toont het potentieel van deze membranen om biofilmvorming te voorkomen. Vervuilingsproeven (in DCMD) werden uitgevoerd met behulp van runderserumalbumine (BSA), natriumalginaat, colloïdaal silica, en thermofiele bacteriën - als respectievelijk organische, anorganische en biologische vervuiling. De niet-gemodificeerde membranen werden gekenmerkt door een fluxverval, met een daling van de flux met 30% tot 90%, naast een daling van de zoutretentie met 1.4% tot 6.1%. Bij de gecoate membranen daalde de flux slechts met 10-24% en de zoutverwijdering slechts met 0.07-0.75% respectievelijk. Hoewel de initiële flux ook afnam (van 42 naar ± 16 l/(m².h)) bij het gebruik van gecoate membranen, toonde de hogere weerstand tegen vervuiling van deze gecoate membranen aan dat deze coating een geschikte oplossing zou kunnen zijn tegen vervuiling in DCMD. Bovendien kan de synthese in één stap verlopen. De grootste uitdaging zal echter zijn om MD-membranen te ontwerpen waarbij de coating de oorspronkelijke waterflux/de porositeit van de membranen niet teveel verlaagt. Daarnaast werden gemodificeerde PVDF nanovezels geproduceerd om de verwijdering van vluchtige, hydrofobe stoffen (zoals fenolen) door adsorptie aan deze vezels te verhogen. Er werden polyacrylonitril (PAN) en polyethyleen-imine (PEI) gefunctionaliseerde PAN nanovezels gesynthetiseerd, waarna deze geëvalueerd werden als adsorbens (en dus voorbehandeling voor de membraanstap) voor chloorfenol en nitrofenol. Onder geoptimaliseerde experimentele omstandigheden werden adsorptiecapaciteiten tussen respectievelijk 27.3 en 38.4 mg / g voor PAN- en PEI-gemodificeerde nanovezels gemeten. De PEI-gefunctionaliseerde nanovezels vertoonden een hoog potentieel als een voorbehandelingsstap voor de hierboven beschreven DCMD. Tenslotte werd ook een geïntegreerd waterontziltingssysteem ontwikkeld. Dit systeem bestond uit een voorbehandelingsstap met PEI-gefunctionaliseerde PAN-nanovezels (in de vorm van een membraan met poriegrootte ~100 μm), gevolgd door een gemodificeerde DCMD stap. De voorbehandeling diende om deeltjes en grote opgeloste organische verbindingen uit het te behandelen water te verwijderen voor de DCMD-stap. In dit onderzoek werd waargenomen dat de voorbehandelingsstap niet voldoende was om alle organische contaminanten te verwijderen die vervuiling veroorzaakten op de superhydrofobe PDVF nanovezelmembranen in de DCMD-stap. Toch bleek coating van de DCMD membranen met een dunne hydrofiele laag (gekoppeld aan de voorbehandelingsstap) een voldoende bescherming tegen vervuiling te bieden zodat de zoutretentie en waterflux van deze membranen hoog bleef. De combinatie van voorbehandeling – gemodificeerde DCMD werd succesvol getest op water uit de Schelde en uit het Nandoni reservoir, waarmee het potentieel van de technologie om drinkwater uit brak water te produceren werd aangetoond. / School of Science / Ph.D. (Applied Biological Science : Environmental Technology)

[pt] Os processos de destilação atmosférica e a vácuo do petróleo têm como sub-produtos mais pesados os resíduos atmosféricos e de vácuo, respectivamente. Modelos encontrados na literatura não descrevem bem a dependência da viscosidade com a temperatura para estas frações. Há grandes diferenças entre valores experimentais e calculados e no comportamento da curva temperatura X viscosidade. As viscosidades dinâmicas de sete diferentes amostras de resíduos foram determinadas experimentalmente. As amostras foram caracterizadas através de ensaios de: densidade, SARA, concentração de asfaltenos e destilação simulada. Com base em suas características físicas são propostos modelos de viscosidade de frações pesadas de petróleo. / [en] Atmospheric and vacuum residua are the heaviest byproducts of the distillation processes. Literature models don't describe well the viscosity dependency on temperature of these fractions. There are large differences between experimental and calculated values and at the temperature X viscosity curve. Dynamic viscosities of seven different samples were experimentally determined. The samples were characterized by: density, SARA, asphalthene concentration and simulated distillation. Based on their physical characteristics, viscosity models for heavy fractions of oil are proposed.

Thesis (MScEng)-- Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The objective of this research was to obtain clean drinkable water from treated sewage effluent by using a solar-powered distillation cycle. Technologies and concepts were borrowed from the solar desalination industry to propose a unique circular distillation cell design. From the design, a specific mathematical correlation was developed to predict the distillate mass flow rate by using only evaporation and condensation temperature as inputs. This model was incorporated into a simulation model built using Transient System Simulation software. Long-term simulations were carried out to determine the operating capabilities of the design. A prototype was successfully constructed and operated. Experimental results indicated good agreement with the mass flow rate mathematical correlation. Water quality levels were tested against the South African National Standard 241 national drinking water quality standard. Four quality parameters are outside acceptable levels. Evidence suggested that acceptable quality levels could be reached. The circular distillation cell design is a major contribution made by this research. Another contribution is the simulation model capable of predicting an output for different locations. Finally, the proposed prototype is potentially a very valuable device contributing towards the reduction of consumer demand in terms of water and energy as well as the household load on the wastewater treatment system. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van hierdie tesis is om te beskryf hoe behandelde rioolwater deur middel van ’n son aangedrewe distillasiesisteem gesuiwer kan word om drinkbare water as eindproduk te lewer. Die nodige tegnologieë en konsepte is oorgeneem uit kommersiële sonaangedrewe ontsoutingsisteme om met ’n unieke ontwerp voorendag te kom wat uit ’n sirkelvormige natuurlike konveksie distillasiesel bestaan. Met behulp van hierdie ontwerp is ’n wiskundige korrelasie ontwikkel om die gesuiwerde water se massavloei te bepaal. Slegs die verdampings- en kondensasietemperature word as insetwaardes gebruik om die massavloei te bereken. ’n Simulasiemodel is met behulp van die Transient System Simulation programmatuur gebou. Die wiskundige korrelasie is by die simulasiemodel geïnkorporeer om langtermynsimulasies te kan uitvoer. Voorts is ’n demonstrasiemodel suksesvol gebou en aangedryf. Eksperimentele resultate toon goeie ooreenstemming met die simulasieresultate. Die gesuiwerde water se gehalte is met die nationale SANS 241 drinkwaterstandaard as maatstaf getoets. Slegs vier gehalteparameters val buite die aanvaarbare vlakke, hoewel dit blyk dat hierdie elemente wel tot aanvaarbare vlakke verlaag kan word. Hierdie navorsing se grootstet bydrae is die ontwerp van die unieke sirkelvormige distillasiesel. ’n Bykomende bydra is die aanpasbaarheid van die simulasiemodel sodat dit produksievermoë op verskillende plekke kan voorspel. Die demonstrasiemodel is ’n potensieel waardevolle ontwerp wat kan bydra tot die verlaging in verbruikersaanvraag na water en energie. ’n Ontwerp van hierdie aard kan die las wat huishoudings op suiweringaanlegte vir rioolwater plaas, verlig.

Detta är en rapport som syftar till att kartlägga kvalificerade leverantörer till Aqua‐Nova AB. Företagets organisation är liten och består av fem anställda. Det är därför en utmaning att sälja nya projekt, övervaka tillverkning och vårda kundrelationer och samtidigt bedriva utvecklingsprojekt. Arbetet är baserat på tekniska rapporter som erhållits av Aqua‐Nova. Rapporterna utreder en möjlig optimering av destillationsprocessen med ejektorteknik. Målet med rapporten var att kartlägga kvalificerade leverantörer av ejektorer till Aqua‐Nova. Det ingående målet med rapporten var att besvara de fyra detaljerade målen som formulerades. Vilka fördelar respektive nackdelar skapas av att införa en ejektor i systemet? Vilka kundfördelar ger en ejektor? Vilka krav ställs på tekniken för att fungera tillsammans med Aqua‐Novas nuvarande system? Vilka krav ställs på leverantörerna vad gäller kompetens, leveransförmåga och pris? Genom Googlesökningar, undersökning av Achema industrimässa samt genom intervju hittades elva leverantörer som uppfyllde kravspecifikationen. Med Pugh‐ och Kesselring‐matriser utfördes en sållningsprocess i två steg. Det brittiska företaget Transvac Systems Ltd. fick högst poäng i båda sållningarna och anses således var den mest kvalificerade leverantören. Sållningsprocessen kompletterades med en konkurrentanalys, en riskanalys samt intervju för att besvara de detaljerade målen. Konkurrentanalysen utreder för‐ och nackdelar med utvecklingsprojektet och visar att Aqua‐Nova kan öka sina marknadsandelar genom differentiering av produkten. Fokus bör läggas på de marknader där kylvatten är en bristvara och de företag som lider av platsbrist. Kundfördelarna blir en mer miljövänlig och lönsam produkt. Riskanalysen svarar på om det föreligger en risk att implementera ny teknik i Aqua‐Novas system. Baserat på resultatet är risken, att ejektortekniken ska orsaka driftstörningar, minimal. Intervjun visar att en leverantör måste kunna leverera skräddarsydda ejektorer samt hur ejektorn bör utformas för att fungera i Aqua‐Novas system. Det slutgiltiga resultatet anses trovärdigt eftersom sållningsprocessen utfördes i två steg. Risk‐ och konkurrentanalysen ger en bild över de utmaningar företaget kan möta i och med utvecklingsprojektet. Arbetet bör kompletteras med en kostnadsanalys samt att en testanläggning utvecklas för att garantera lönsamhet och en funktionsduglig produkt. / This is a report that aims to map qualified suppliers to Aqua‐Nova. The company's organization is small and consists of five employees. It is therefore a challenge to sell new projects, monitor production and care for customer relations and at the same time conduct development projects. The work is based on a technical report obtained by Aqua‐Nova. The report investigates a possible optimization of the distillation process using ejector technology. The purpose of this thesis was to investigate the most suitable subcontractor of ejectors for Aqua‐Nova. The purpose was to also answer the four detailed objectives. What advantages and disadvantages are created by introducing an ejector into the system? What customer benefits does an ejector provide? What requirements are placed on the technology to work together with Aqua‐Nova's current system? What requirements are placed on suppliers in terms of competence, delivery ability and price? Through Google searches, examination of Achema industrial fair and through interviews, eleven suppliers were found who met the requirements specification. With Pugh and Kesselring matrices, a two‐step screening process was performed. The British company Transvac Systems Ltd. got the highest score in both screenings and is thus considered the most suitable supplier.  The screening process was supplemented by a competition analysis, a risk analysis and an interview to answer the detailed objectives. The competition analysis aims to investigate the pros and cons of the development project and shows that Aqua‐Nova can increase its market share by differentiating the product. The focus should be on the markets where cooling water is a scarce commodity and the companies that suffer from space shortages. The customer benefits become a more environmentally friendly and profitable product. The risk analysis shows whether there is a risk of implementing new technology in Aqua‐Nova's system. Based on the result, the risk of the ejector causing a downtime is minimal. The interview shows that a supplier must be able to deliver tailor‐made ejectors and how the ejector should be designed to work in the Aqua‐Nova system. The result can be considered credible since the screening process was performed in two steps. The risk and competition analysis give a representation of the challenges the company can face with the development project. The result ought to be supplemented by a cost analysis and developing of a test facility to ensure profitability and a functional product.