Thesis (Ph.D.)--McMaster University (Canada), 1992. / Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 54-02, Section: B, page: 0696.

Thesis (Ph.D.)--Ohio University, November, 2006. / Title from PDF t.p. Includes bibliographical references.

Thesis (Master of Engineering in Chemical Engineering)--Cape Peninsula University of Technology, 2018. / Acid rock drainage (ARD) is one of the most severe environmental challenges currently faced by the mining industry worldwide. ARD is formed from the oxidation of sulphide-bearing minerals, particularly pyrite, in the presence of water and oxygen. ARD generation is accelerated by the presence of naturally occurring iron and sulphur-oxidizing micro-organisms, which regenerate leaching agents that facilitate sulphide mineral oxidation. ARD pollution is characterized by a high concentration of metals and sulphates in solution, low pH and a high salt content (salinity) in the environment, contaminating soil and groundwater. In South Africa, ARD is a major challenge in the gold and coal mining industries, where millions of tons of sulphide waste rock and overburden are generated and discarded. Characterization of these waste materials is required to develop an appropriate disposal strategy to minimise the risk of pollution and the generation of ARD. Potential ARD generation prediction from waste rock depends on the precise characterization of ARD potential using Biokinetic tests. Commonly used ARD prediction methods are static and long-term kinetic tests. Static tests provide data for a worst-case scenario focussing on strong acid chemical leaching potential to give an overall acid forming potential of a sample. Such kinetic tests provide data illustrating the rate of the net acid generation capacity of mine waste. However, these tests are capital intensive and time-consuming and fail to provide adequate information on the effect of micro-organisms on the overall net acid generation capacity of mine waste. The Biokinetic test reported herein and developed at the University of Cape Town, focusses on addressing a worst case scenario provided by static tests in a cost-effective manner and reduced time frames provided for by conventional kinetic tests. This test primarily provides relative rates of ARD generation in the presence of micro-organisms within 90 days. However, the Biokinetic test is at the developmental stage and thus far, has not been consistently used for different waste ores to determine a standardised approach. Therefore, the aim of this study was to investigate the effects of microbial consortia and to develop a standardisation approach for the test for ARD formation potential using gold-bearing and copper-bearing waste rock. Additionally, to refine the Semi-continuous Biokinetic test simulation, a flow-through system where there is minimal seepage in the waste deposit, was also developed. The sulphur content of the gold and copper-bearing samples used in this study was between 2.3 and 3.15%, respectively. These waste rock samples were found to be potentially acid- forming. In the Biokinetic test, finely milled waste rock samples were slurrified, inoculated with consortia and cultured under standard bioleaching conditions. Leaching and acidification rates were monitored.

Thesis (PhD)--University of Stellenbosch, 2004. / ENGLISH ABSTRACT: The Gamsberg Zn-Pb deposit is a metamorphosed and multiply deformed sediment-hosted base metal deposit in the central Namaqua Province of South Africa. The deposit is hosted by the Bushmanland Group, a late Palaeoproterozoic (2000-1600 Ma) supracrustal succession of quartzite, metapelitic schist and interbedded metavolcanic rocks. Mineralisation occurs within the central part of the Gams Formation, a heterogeneous sequence of metamorphosed metalliferous sediments and fine-grained organic-rich shales. The ore horizon is subdivided into a lower unit of metapelite-hosted ore, an intermediate layer of phosphorite-hosted ore, and an upper unit of banded garnet-apatite ore. The ore body is enveloped by unmineralised silicate-, carbonate- and oxide-facies metalliferous rocks, which originally represented mixtures of Fe-Mn-rich hydrothermal precipitates, authigenic carbonate, and variable concentrations of detrital material. Based on mineralogical and geochemical characteristics, the metalliferous host rocks are subdivided into iron formations, coticules, Fe-Mn silicates, impure marbles and barite/Ba-rich quartzite. Minerals of the Gams Formation mostly represent solid solution between the Fe and Mn end-members of garnet, pyroxene, pyroxenoid, amphibole, olivine, spinel and ilmenite. Calcium-rich rock types are a typical feature and characterized by the occurrence of manganoan calcite, clinopyroxene, andradite-rich garnet and titanite. A successive increase in the (Mn+Ca):Fe value of rocks and minerals is evident with increasing distance from the ore horizon. Amphibole is restricted to Fe-rich ore-bearing assemblages, whereas orthopyroxene, clinopyroxene, Fe-rich pyroxenoid and olivine are present in intermediate assemblages, and Mn-rich rhodonite and pyroxmangite in the most manganiferous assemblages. These variations are mimicked by an increase in the Mn:Fe value of coexisting garnet and ilmenite group minerals with increasing distance from ore. LA-ICP-MS analyses have been used to constrain the REE patterns of garnet and apatite. In the ore-body, these minerals display a positive Eu anomaly, which is interpreted to reflect a distinct hydrothermal signature. In contrast, garnet and apatite in unmineralised metalliferous rocks display nil or a negative Eu anomaly. Primary features of the Gams Formation, such as REE patterns, the banded nature of garnet-apatite ore, the presence of diagenetic apatite nodules, and the distribution of the redox-sensitive elements Ba and Mn have been used to constrain palaeo-environmental conditions. The results indicate that metapelitehosted ore has been deposited in a stratified ocean that was characterised by anoxic bottom waters and precipitation of Fe and Zn sulphides into organic matter-rich shales. These rocks were superceded by phosphorite-hosted ore, garnet-apatite ore and metalliferous host rocks that developed in a suboxic to oxic environment. The large size of the deposit, the internal lamination of the ores and the predominance of sphalerite and barite are consistent with a vent-distal setting and precipitation of the ore-forming constituents from dense and reduced hydrothermal fluids, which originated due to reactivation of dormant growth faults. Collectively, the geological evidence indicates that Gamsberg is bridging the gap betweenthe SEDEX and BHT classifications. The relationships demonstrate that differences between these two classes of sediment-hosted Zn-Pb deposits are predominantly related to environmental conditions within localised third order basins and not to fundamental differences in ore-forming processes. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Gamsberg Zn-Pb afsetting is ‘n meerfasig vervormde en gemetamorfiseerde sedimentgesetelde onedel metaal afsetting in die sentrale Namakwa Provinsie van Suid Afrika. Die afsetting word geherberg deur die Boesmanland Groep, ‘n laat Paleoproterosoïse (2000 – 1600 Ma) bokors-opeenvolging van kwartsiet, metapelitiese skis en tussengelaagde metavulkaniese gesteente. Mineralisasie word gevind in the sentrale deel van die Gams Formasie. Die Gams Formasie is ‘n heterogene opeenvolging van gemetamorfiseerde metaalhoudende sediment en fynkorrelrige organiese skalie. Die erts horison word onderverdeel in ‘n onderste laag van metapeliet-gesetelde erts, n sentrale laag van fosforiet-gesetelde erts, en ‘n boonste laag van gebande granaat-apatiet erts. Die erts-liggaam word omhuls deur ongemineraliseerde silikaat-, karbonaat- en oksied-fasies metal-ryke rotse. Hierdie gesteentes word geinterpreteer as oorspronklike mengsels van Fe-Mn-ryke hidrotermale partikels, outigeniese karbonaat, en verskeie hoeveelhede detritale materiaal. Gebaseer op mineralogiese en geochemiese kenmerke word hierdie rotse onderverdeel in ysterformasies, „coticules“, Fe-Mn silikate, onsuiwer marmer en barite/Ba-ryke kwartsiet. Minerale van die Gams Formasie form meestal soliede oplossingsreekse tussen die Fe en Mn endlede van granaat, pirokseen, piroksenoid, amfibool, olivien, spinel en ilmeniet. Kalsium-ryke rots tipes is ‘n tipiese kenmerk van die Gams Formasie en word gekenmerk deur mangaan-ryke kalsiet, klinopirokseen, andradiet-ryke granaat en sfeen. Daar word ‘n stapsgewyse vergroting van die (Mn+Ca):Fe verhouding in gesteentes en minerale gevind met toeneemende afstand van die erts horison. Amfibool is beperk tot Fe-ryke ertsdraende gesteentes, ortopirokseen, klinopirokseen, Fe-ryke piroksenoid en olivien tot intermediêre gesteentes, en Mn-ryke rodoniet en piroksmangiet tot Mn-ryke gesteentes. Hierdie variasies gaan gepaard met vergroting van die Mn:Fe verhouding in granaat en ilmeniet-groep minerale met toeneemende afstand van die erts. LA-ICP-MS analises was gebruik om die skaars-aarde element patrone van granaat en apatiet te bepaal. In die erts-liggaam wys hierdie minerale ‘n positiewe Eu anomalie, wat geinterpreteerd word as ‘n hidrotermale kenmerk. In ongemineraliseerde gasheer gesteentes wys granaat en apatiet geen of ‘n negatiewe Eu anomalie. Primêre kenmerke van die Gams Formasie, soos skaars-aarde patrone, the gebande voorkoms van granaat-apatiet erts, die teenwoordigheid van diagenetiese apatiet knolle, en die verspreiding van die redox-sensitiewe elemente Ba en Mn, was gebruik om afleidings oor die paleo-omgewing te maak. Die resultate het gewys dat metapeliet-gesetelde erts afgeset was onder anoksiese bodem water deur presipitasie van Fe en Zn sulfiedes in organiese skalie. Hierdie erts gaan oor in fosforiet-gesetelde erts, granaat-apatiet erts en metaal-ryke gasheer gesteente wat in ‘n suboksiese tot oksiese omgewing ontstaan het. Die grootte van die afsetting, die interne gelaagdheid van die erts, asook die teenwoordigheid van sfaleriet en bariet dui op ‘n distale omgewing relatief tot die hidrotermale bron en presipitasie van die ertsuit digte en gereduseerde hidrotermale vloeistowwe, wat ontstaan het deur die heraktiveering van rustende groeiverskuiwings. Gesaamentlik bewys die geologiese kenmerke van Gamsberg dat gemetamorfiseerde SEDEX en Broken Hill-tipe mineralisasie binne die perke van ‘n enkele afsetting kan voorkom. Die geologiese verhoudings dui aan dat verskille tussen hierdie twee tipes van sedimentgesetelde afsettings meestal veroorsaak word deur omgewings-toestande binne in gelokaliseerde derde orde komme en nie deur fundamentele verskille in ertsvormende prosesse nie.

L'ouverture sélective de cycle (OSC) d'hydrocarbures polycycliques vise à augmenter le nombre de cétane des carburants diesel. OSC efficace peut être atteint par l'hydroconversion sur des catalyseurs bifonctionnels métal noble/fonction acide. La décaline et, à plus faible mesure, le perhydroindane, le butylcyclohexane et la tétraline, ont été utilisés comme molécules modèles pour l'étude des l'OSC de sulfures de métaux de transition (TMSs) supportés sur zéolithes ou silice-alumine amorphe dans un réacteur à lit fixe sous haute pression (5 MPa) avec une concentration élevée d'H2S dans la charge réactionnelle (1 %). Les nombreux produits d'hydroconversion ont été identifiés grâce à la chromatographie gazeuse bidimensionnelle, qui nous a permis de mieux comprendre les mécanismes de réaction. Ce travail a consisté à l'étude de la nature et la charge du SMT et la nature du support. Comparé à la zéolithe seule, le catalyseur RuSx/HY (qui sert de référence) est plus stable et dix fois plus actif avec une sélectivité en produits d'ouverture proche des 30% à 240 °C. Les produits les plus abondants restent les produits d'isomérisation, ce qui suggère que l'acidité du support domine le schéma réactionnel. Quant à l'ajout de TMS, leur rôle est d'activer l'hydrogène, de favoriser les réactions d'hydrogénation/déshydrogénation et limiter le cokage des sites acides. NiSx/HY est aussi performant que les catalyseurs à base de Ru, Ir ou Rh et un effet de synergie est observé pour les catalyseurs ternaires Ni-Ru et Ni-Rh. Toutefois, comparé aux métaux nobles comme l'Ir et le Ru étudiés sans H2S, les catalyseurs sulfures sont quasiment non-hydrogénolysants. Enfin, la zéolithe HY présente des performances proches a la H-Beta mais avec moins de craquage / The selective ring opening (SRO) of polycyclic hydrocarbons aims at increasing the cetane numbers of diesel fuels. Efficient SRO can be achieved through hydroconversion over bifunctional noble metal/acid catalysts. Decalin and, to lower extents, perhydroindan, butylcyclohexane and tetralin, have been used as model molecules to investigate the SRO performances of transition metal sulfides (TMSs) supported on zeolites or amorphous silica-alumina in a high-pressure (5 MPa) flow-fixed bed reactor with a high concentration of H2S in the reactant feed (1 %). The numerous hydroconversion products have been identified using comprehensive two-dimensional chromatography for various levels of reactant conversions, which allowed us to gain insight into the reaction mechanisms. The presence, loading and nature of the TMS, and the nature of the support, have been investigated. With respect to the bare HY zeolite, RuSx/HY (which served as our reference) is more stable and ten times more active, with a ring-opening selectivity of up to 30 % at 240 °C. The most abundant products are skeletal-isomerization ones, which suggests that the acidic support dominates the reaction scheme. The TMS role is to activate hydrogen, catalyze hydrogenation/ dehydrogenation and prevent the coking of acidic sites. NiSx/HY performs similarly to Ru, Ir and Rh-based catalysts, and a synergetic promoting effect is observed for Ni-Ru and Ni-Rh combinations. However, with respect to noble metals such as Ir and Ru under H2S-free conditions, the sulfide counterparts appear much less (if not) hydrogenolytic. As compared to HY, the H-Beta support shows similar performance but promotes cracking

The increasing worldwide demand for more eco-friendly materials with improved tribo- logical properties has expanded the interest in research on polymer as an alternative for conventional metal/metal contacts under dry lubrication. Specifically, UHMWPE, a semi-crystalline polymer, has shown interesting tribological properties for low demanding applications, allied with excellent recyclability, manufacturability and low cost. Though, its limited working temperature range and wear resistance claims reinforcements to modulate these drawbacks. Metal sulfides, such as MoS2 and SnS2 are well-known 2D materials with outstanding thermal, mechanical and tribological properties which have the potential to increase the range of applicability of UHMWPE. Therefore, this work aims to investigate the influence of metal sulfide-based micro-particles on UHMWPE-based composites properties under reciprocating movement and to determine further acknowledgements about the mechanisms involved. The results showed that the incorporation of fillers im- proved in hardness and wettability, whereas thermal properties were conserved. Though, it is noted that chemical degradation processes (oxidation and un-saturation reactions) that occurred during the manufacturing negatively influenced the composite’s tribological response. Higher reinforcement weight percentages (10%) promoted metal-sulfides agglomeration, increased degradation and ultimately diminished wear resistance. Overall, optimizing the amount of filler in the matrix at 5 wt% provided its homogeneous dispersion and a good interface with the matrix, leading to enhancement in wear resistance up to 62%. Indeed, the incorporation of metal-sulfide based materials in the UHMWPE matrix revealed an excellent solution where wear resistance improvements are needed.

La photocatalyse est une voie de synthèse prometteuse de l’hydrogène comme carburant solaire. La production photocatalytique est un moyen, à la fois de stocker l’énergie solaire sous forme d’énergie chimique et de produire des carburants de manière renouvelables en utilisant l’eau ou des alcools biosourcés comme matière première. L’objectif de cette thèse est d’étudier la déshydrogénation photocatalytique d’alcools à l’aide de sulfures de métaux de transitions, supportés sur TiO2 (MSx/TiO2). Ces sulfures de métaux de transitions ont des propriétés d’activation de l’hydrogène, des propriétés électrochimiques et des propriétés optiques intéressantes. Une série de sept MSx/TiO2 (M = Co, Ni, Cu, Mo, Ru, Ag, Hg) ont été étudiés. La réaction de déshydrogénation photocatalytique du propan-2-ol est utilisée comme réaction modèle. Des corrélations sont établies entre les propriétés intrinsèques de ces MSx/TiO2 et leur activité photocatalytique. De plus, la mesure d’énergie d’activation d’apparente apporte une compréhension supplémentaire sur les mécanismes photocatalytiques. Cette dernière montre que la production photocatalytique d’hydrogène est principalement limitée par les phénomènes de séparation et de transfert de charges dans les photocatalyseurs. Ainsi, une méthodologie combinant la spectroscopie de photoélectrons UV et la spectroscopie d’absorption UV-Visbile a été mis en place pour déterminer la structure électronique des poudre photocatalytiques. Ce travail conclue sur le caractère central de la structure électronique en photocatalyse. Dans le cas du photocatalyseur RuS2/TiO2, le transfert électronique est l’étape cinétiquement déterminante pour la déshydrogénation photocatalytique du propan-2-ol / Photocatalysis is a promising way to synthesize H2 as a solar fuel. On one hand, the photocatalytic H2 production stores solar energy under chemical energy. On the other hand, it produces H2 with a renewable process using water and bio-based alcohols as a feedstock. This Ph.D thesis aims to study the photocatalytic dehydrogenation of alcohols with transition metal sulfides supported on TiO2 (MSx/TiO2). Those transition metal sulfides have versatile and highly tunable properties. They can activate H2, they have promising electrochemical behavior and optical properties. Seven MSx/TiO2 (M = Co, Ni, Cu, Mo, Ru, Ag, Hg) are therefore studied. The photocatalytic dehydrogenation of propan-2-ol is used as a model reaction. Structure-activity relationships are found between the intrinsic properties of the MSx/TiO2 and their photocatalytic activity. Measuring an apparent activation energy provides additional mechanistic insights. It shows that the photocatalytic production of hydrogen is mostly limited by the charge carrier separation and by the electronic transfer. Therefore a method combining the UPS and the UV-Visbile absorption spectroscopies has been develop to establish the electronic structure of photocatalytic powders. This work concludes that the electronic structure plays a crucial role in photocatalysis. With RuS2/TiO2 photocatalyst, the electron transfer is evidenced as the rate-determining step of the photocatalytic dehydrogenation of propan-2-ol

A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.

The environmental concerns over the use of fossil fuels, and their resource constraints, as well as energy security concerns, have spurred great interest in generating electric energy from renewable sources. Solar and wind energy are abundant and potentially readily available. However, the generation of sustainable energies is generally intermittent and these energies have geographical limits which are relative to current large-scale energy generation facilities. To smooth out the intermittency of renewable energy production, low-cost electrical energy storage (EES) devices are becoming highly necessary. Among these EES technologies, lithium ion batteries are one of the most promising EES devices in terms of the characteristics of high gravimetric, volumetric energy density and environmentally friendly compared to lead-acid batteries and Ni-Cd batteries. Other advantages of Li-ion batteries are the ability of being recharged hundreds of times and high stability. Moreover, the dramatically growing market share of hybrid electrical and electrical vehicles in automobiles has motivated the development of high energy and power density LIBs with high mass loading. However, there are still several remaining challenges in LIBs for their further application in grid-scale ESSs. One of the global issues to date is the high costs including the cost of raw materials such as lithium and cobalt, production, machining, and transportation, etc. In addition, the increasing energy demand thereby leads to the pressures on the resource supply chains and thus increasing the cost of LIBs. Therefore, it is urgent to find a complementary or alternative EES device in a short term to satisfy the growing energy demand. Under the background of fast development of LIBs technology as well as the establishment of Li chemistry fundamentals in the last 40 years, rechargeable battery systems utilizing Na element have been extensively studied to develop less expensive and more sustainable ESSs. The sodium resource is abundantly existed in the planet. According to the periodic table, sodium is the most possible alternative to lithium, because it has the similar chemical and physical properties towards to lithium. As a consequence, the established fundamentals in LIBs can be reasonably analogized to SIBs. Moreover, Sodium is readily available from various sources-foods that contain sodium naturally, foods containing salt and other sodium-containing ingredients. Therefore, The study of SIBs technology and sodium chemistry are gaining increasing interests and attentions both in the scientific researchers and battery industry. However, theoretically speaking, the energy density of SIBs is lower than that of LIBs by using same electrode materials because sodium is more than 3 times heavier than Li as well as the standard electrode potential of Na (-2.71 V) is higher than Li (-3.04 V). Therefore, SIBs are not thought as an ideal candidate to substitute LIBs in the fields of small or middle-size portable devices, but are more favorable in a large grid support where the operation cost is the primary choice. Negative electrode is important component in a single cell. Exploring negative electrode materials with high electrochemical performance in LIBs and SIBs is indeed required for fulfilling the spreading energy demand. Among various negative electrode materials, layered transition metal sulfides (MSs) are reckoned as a promising class with high theoretical specific capacity and power capability due to their intrinsically layered structure which is beneficial to the diffusion of Li+ and Na+ . However, layered transition metal sulfides are suffering from intrinsically poor electrical conductivity, volume changes, high irreversibility and sluggish kinetics during Li+ /Na+ storage process. To address these issues, numerous strategies are applied to explore high performance LIBs and SIBs negative electrode materials in this PHD thesis. / Die ökologischen Bedenken hinsichtlich der Nutzung fossiler Brennstoffe und deren Ressourcenbeschränkungen sowie Bedenken hinsichtlich der Energiesicherheit haben großes Interesse an der Erzeugung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen geweckt. Sonnen- und Windenergie sind im Überfluss vorhanden und potenziell leicht verfügbar. Die Erzeugung nachhaltiger Energien ist jedoch in der Regel intermittierend, und diese Energien haben geographische Grenzen, die im Vergleich zu den derzeitigen großen Energieerzeugungsanlagen relativ begrenzt sind. Um die Unterbrechungen in der Produktion erneuerbarer Energien auszugleichen, werden kostengünstige elektrische Energiespeicher (EES) dringend notwendig. Unter diesen EES-Technologien sind Lithium-Ionen-Batterien eines der vielversprechendsten EES-Geräte hinsichtlich der Eigenschaften einer hohen gravimetrischen, volumetrischen Energiedichte und umweltfreundlich im Vergleich zu Blei-Säure-Batterien und Ni-Cd-Batterien. Weitere Vorteile von Lithium-Ionen-Batterien sind die Fähigkeit, hunderte Male wieder aufgeladen werden zu können, und die hohe Stabilität. Darüber hinaus hat der dramatisch wachsende Marktanteil von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in Automobilen die Entwicklung von LIBs mit hoher Energie- und Leistungsdichte und hoher Massenbelastung motiviert. Es gibt jedoch noch einige Herausforderungen in den LIBs, die für die weitere Anwendung in den ESSs im Rastermaßstab erforderlich sind. Eine der bisherigen globalen Fragen sind die Gesamtkosten einschließlich der Kosten für Rohstoffe wie Lithium und Kobalt, Produktion, Bearbeitung und Transport usw. Darüber hinaus führt die steigende Energienachfrage dadurch zu einem Druck auf die Ressourcenversorgungsketten und damit zu einer Verteuerung der LIBs. Daher ist es dringend erforderlich, kurzfristig eine ergänzende und alternative EES-Technologie zu finden, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Vor dem Hintergrund der schnellen Entwicklung der LIBs-Technologie sowie der Etablierung der Grundlagen der Li-Chemie in den letzten 40 Jahren wurden wiederaufladbare Batteriesysteme, die das Na-Element verwenden, umfassend untersucht, um kostengünstigere und nachhaltigere ESSs zu entwickeln. Die Natriumressource ist auf der Erde im Überfluss vorhanden. Nach dem Periodensystem ist Natrium die möglichste Alternative, da es die ähnlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Lithium hat. Folglich lassen sich die etablierten Grundlagen der LIBs in vernünftiger Weise mit denen der SIBs vergleichen. Darüber hinaus ist Natrium aus verschiedenen Quellen leicht erhältlich - aus Lebensmitteln, die von Natur aus Natrium enthalten, aus Lebensmitteln, die Salz und andere natriumhaltige Zutaten enthalten. Daher gewinnt das Studium der SIBs-Technologie und Natriumchemie sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in der Batterieindustrie zunehmend an Interesse und Aufmerksamkeit. Theoretisch gesehen ist jedoch die Energiedichte von SIBs bei Verwendung der gleichen Elektrodenmaterialien niedriger als die von LIBs, da Natrium mehr als dreimal schwerer als Li ist und das Standardelektrodenpotential von Na (-2,71 V) höher als Li (-3,04 V) ist. Daher werden SIBs nicht als idealer Kandidat für den Ersatz von LIBs im Bereich kleiner oder mittelgroßer tragbarer Geräte angesehen, sondern sie sind günstiger bei einer großen Netzunterstützung, bei der die Betriebskosten die primäre Wahl sind. Die negative Elektrode ist ein notwendiger und wichtiger Teil in einer einzelnen Zelle. In der Tat ist es zur Erfüllung des sich ausbreitenden Energiebedarfs erforderlich, negative Elektroden-Materialien mit hoher elektrochemischer Leistung in LIBs und SIBs zu untersuchen. Unter den verschiedenen Materialien für negative Elektroden gelten geschichtete Übergangsmetallsulfide (MS) als eine vielversprechende Klasse mit hoher theoretischer spezifischer Kapazität und Leistungskapazität aufgrund ihrer intrinsisch geschichteten Struktur, die der Diffusion von Li+ und Na+ förderlich ist. Allerdings leiden schichtförmige Übergangsmetallsulfide unter inhärent schlechter elektrischer Leitfähigkeit, Volumenänderungen, hoher Irreversibilität und träger Kinetik während des Li+ /Na+ -Speicherprozesses. Um diese Probleme anzugehen, werden in dieser Doktorarbeit zahlreiche Strategien zur Untersuchung von Hochleistungs-LIBs und SIBs für negative Elektrodenmaterialien angewandt.

A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.