The Refcoal process is being developed to produce graphite from coal. Coal is dissolved in dimethylformamide (DMF) and sodium hydroxide (NaOH) is used as additive. After separation, the extracted coal (Refcoal) is precipitated with water and dried. The extraction process and subsequent solid-liquid separation processes have to be as efficient and cost-effective as possible. The purpose of the study was therefore to complete research on various unresolved aspects of the processes as identified by the candidate and supervisor. Extraction at 95 °C (DMF:coal:NaOH = 100:10:1), has an induction period of approximately 60 minutes observed, after which the reaction rate increases considerably. The reaction reaches completion after 360 minutes. An increase in stirring rate decreases extraction time due to the elimination of external mass-transfer limitations. The progress curves obtained for extraction at 135 °C with lower solvent-to-coal ratios differ dramatically from those obtained in previous studies, which indicates that changes in the raw materials and the experimental set-up have a great influence on the extraction at higher temperatures and concentrations. These extractions at higher temperatures using DMF:coal:NaOH ratios between 100:30:3 and 100:30:2 take approximately 360 minutes to complete and do not have an induction period as is the case with the extractions at 95 °C. It was found that the optimum DMF:coal ratio for an operating temperature of 135 °C, is 10:3. The high-temperature extractions reach completion in different time periods, depending on the amount of NaOH added to the reaction mixture. When very low concentrations of NaOH are added, the extraction will take much longer to complete and vice versa. The amount of NaOH used influences various aspects of the process. The cost analysis of the process falls beyond the scope of this investigation, but it is recommended that a thorough financial study is done to determine the optimum balance between raw materials, heat load and plant availability. The relationships between the concentration of Refcoal in the Refcoal solution and the absorbance values measured are polynomial expressions ending in downward concaves. The kinetics for the low-concentration (DMF:coal:NaOH = 100:10:1) extraction are best described by an autocatalytic reaction rate equation which is a function of coal, coal complex and NaOH concentration. A good fit was also obtained for the high temperature extractions. The rate expression is a function of both the coal and NaOH concentrations, but not of the coal complex. The sedimentation test showed promising results. The use of a thickener instead of a centrifuge to separate the insoluble material from the Refcoal solution would be a feasible cost-saving method. Filtration of the Refcoal solution (after centrifugation) using suitable filter media decreases the amount of impurities in the Refcoal. Filtration constants were determined for the best filter medium. The use of a hydrocyclone to separate the insoluble material from the extract is not recommended as it did not give the required efficiency to make the process viable. It is recommended that more tests be done under different conditions. Useful expressions were obtained for the change in viscosity with temperature for three different concentrations of Refcoal solution. It was determined that the viscosity of the Refcoal solution increases with time and it is therefore recommended that this be taken into account when equipment is being designed and plant scheduling is being done. / Dissertation (MEng (Chemical Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Chemical Engineering / MEng / unrestricted

A new process is being developed to produce graphite from prime coking coal. Coal is dissolved in dimethylformamide (DMF), on addition of sodium hydroxide. The minerals and undissolved coal are separated by centrifugation and filtration to give a solution (referred to as Refcoal solution or RCS). Over 90 wt % of the organic part of a flotation product, from the Tshikondeni mine, can be dissolved at temperatures ranging from room temperature to 135°C. The purified coal (referred to as Refcoal) and DMF need to be separated. the Refcoal to be coked and the DMF to be purified and recycled. This process should be as efficient as possible, whilst both products should be low in water content to minimise drying costs. The addition of water to the Refcoal solution causes precipitation to take place, forming a gel (referred to as Refcoal gel) liquid system. This mixture can be either centrifuged or filtered to give a denser gel, containing water, DMF and coal solids, and supernatant or filtrate, containing water and DMF. Different techniques and processes can be used to improve the separation of the DMF from the Refcoal by achieving a denser Refcoal gel: • Longer centrifugation times improve the density and therefore the separation, but this technique has its limits. • The use of low-temperature water improves the separation. • The use of syneresis could improve separation at a lower cost: heated standing tanks are used to expel the supernatant and therefore increase the density of the gel, thereby decreasing the required number of washing stages. • The addition of toluene at the beginning of a wash improved the removal of DMF by 20%, using centrifugation as separation method. • Pressure filtration gave a 20% improvement on centrifugation, with no additives. • The addition of toluene to the pressure filtration process gave another improvement of 15%, and after three stages the percentage of solids in the gel was 28%, the highest so far achieved. This method also resulted in the highest removal of DMF in the first stage (73% of the original DMF in the RCS was removed). Counter-current washing shows the greatest potential, using the least amount of water. The concentration of DMF in the wash solution, to gel the Refcoal solution, is a limitation of this process. If the concentration is too high, no gelling and therefore no separation can take place in the first stage. It is recommended that counter-current washing using pressure filtration should be investigated; however, this will be difficult on a laboratory scale due to the mass losses during transfers. / Dissertation (MEng (Chemical Engineering))--University of Pretoria, 2009. / Chemical Engineering / unrestricted

Batch sedimentation is a method that enables us to understand the mechanism of compaction and compression of sedimenting slurry. However, batch settling behaviour is a very complex phenomenon that is not easily described fully by a mathematical model. This causes unrealistically large empirical calculations when the thickener size estimations are required. Channelling, reverse concentration gradients and the initial concentration of the slurry have large effects on batch settling. Existing procedures do not provide clear relationships involving these three significant variables. In this study, batch sedimentation phenomena are examined in detail and possible explanations are given to clarify the complex behaviour using recent theories. Modern research has shown that channelling is an unwanted formation because channels can change the concentration at the bottom and top of the bed by carrying a great amount of flocs upwards. Batch sedimentation tests were performed using flocculated slurry of Calcium Carbonate at various initial concentrations such as 250 g/l, 500 g/l, 750 g/l and 1000 g/l to observe channelling and reverse concentration gradients. Flux plots for the batch system reveal behaviour which can be attributed to the upward flow of solids. In addition, photographic methods were used to observe settling processes, channelling mechanisms and flocs in the channels. One of the purposes of this work was to examine the phenomenological solid-liquid separation theory of Buscall and White (1987), which employs the material properties of the local volume fraction, compressive yield stress Py ()ö and hindered settling function R()ö to identify the material behaviour in batch sedimentation. Stepped-pressure filtration and batch settling tests were used to measure the material characteristics for the flocculated CaCO3 suspension. Experimental data were demonstrated using Height versus Time and Height versus Concentration graphs and displayed the possible region of reverse concentration gradients and channelling in the settling bed. Mathematical predictions adopted from Usher (2002) were performed employing material characteristics of the material and graphical documentations were presented. The results of mathematical predictions were compared to the experimental results and the modes of sedimentation explained by Lester et al. (2005). Fundamental theoretical models and experimental observations highlight that the main driving force for channelling is the high-pressure gradient at the bottom of the bed and the most important factors that cause channelling are high initial concentration of slurry and settling time. The predictions also show that the material and flocculant used for the batch settling tests demonstrate important effect on the settling process. The knowledge and information gained from this study is valuable to maximize the thickening process.

The alumina industry produces a significant quantity of bauxite residue suspension (red mud) that must be washed and dewatered in trains of thickeners and residue disposal areas to recover valuable alumina and sodium hydroxide. The Australian Alumina Industry have come together to sponsor a project to address waste minimisation and environmental impact issues collectively through the optimisation of dewatering in their washer trains and residue disposal areas. The project aims to maximise thickener underflow and tailings dam solids concentrations. (For complete abstract open document)

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Aufbereitungsprozesses zur Gewinnung von Bitumen aus kanadischem Athabasca Ölsand, der im Tagebau gewonnen wurde. Es wird ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt. Dabei handelt es sich um vier Schritte: (1) Suspendierung des Ölsandes mit den organischen Lösungsmitteln, Toluol und n-Heptan, (2) Filterkuchenbildung, (3) Waschung des Filterkuchens mit Wechsel der Waschflüssigkeiten (gradierte Waschung) und (4) Dampfbeaufschlagung. Der Prozess stellt eine Alternative zur herkömmlichen Heißwasser-extraktion des Ölsandes dar. Die Nachteile der Heißwasserextraktion sind ökologische Probleme, ein hoher Energie- und Frischwasserbedarf. Die Ziele des Alternativprozesses sind die Minimierung des Wasser- und Energiebedarfs, Vermeidung schädlicher Abfallstoffe sowie die Maximierung der Bitumenausbeute. Als Produkte sollen feststofffreies Bitumen und rückstandsfreier, deponierbarer Feststoff gewonnen werden.

Die Filtration unter aggressiven Einsatzbedingungen, z.B. Einsatz in korrosiven Medien, Abgasfiltration, stellt besondere Anforderungen an das Filtermaterial. Sogenanntes "Liquid Phase Sintered Silicon Carbide" (LPS-SiC) erfüllt die Anforderungen sehr gut. Deshalb bestand das Ziel der Arbeit besteht darin, erstmals aus LPS-SiC asymmetrische keramische Membranen (grobporöses Substrat mit dünner, feinporiger Membran) herzustellen. Als Additivsystem fanden Yttriumoxid und Aluminiumoxid Verwendung. Es wurde Siliciumcarbid der Körnung F1200 auf Substrat der Körnung F500 abgeschieden. Dem Herstellungsverfahren kommt für die Qualität der Membran eine große Bedeutung zu. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Beschichtungsmethoden untersucht, um die optimale Methode zu identifizieren: Tauchbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung, Druckfiltration und Einsatz von Transfertapes (Transfertapes: Mischung aus Polyacrylatkleber und Pulver). Im Mittelpunkt stand dabei die Druckfiltration. Hierfür wurde eine neue Apparatur konzipiert und aufgebaut. Für die schlickerbasierten Methoden wurde ein wässriges System entwickelt, bei dem auf den Einsatz von organischen Hilfsstoffen verzichtet werden konnte. Die elektrostatische Stabilisierung konnte durch gezieltes Anlösen von Yttriumoxid, Ausfällen von feinskaligem Yttriumhydroxid und Belegung des Siliciumcarbids mit dem Yttriumhydroxid erreicht werden. Die Elektrophorese führte zu keinen befriedigenden Ergebnissen aufgrund des undefinierten spezifischen Widerstandes des Substrats (siehe Dissertation Jan Ihle, Bergakademie Freiberg 2004). Die Druckfiltration erwies sich als das geeignetste Verfahren. Mit ihr konnten ohne Einschränkungen hochwertige Membranen erzeugt werden. Druck und Zeit sind bei gegebenen Feststoffgehalt frei wählbar. Der Druck wurde zwischen 2*10E4 und 1*10E5 Pa variiert. Höherer Druck führte zu feineren Porengrößen (mittlere und maximale Porengröße). Mit der Druckfiltration konnten Membranen ohne makroskopische Defekte erzeugt werden. Sie führte im Vergleich aller Verfahren zu der geringsten Rauhtiefe der Membranen. Die Tauchbeschichtung ließ sich in diesem System nur über den Feststoffgehalt steuern. Membranen aus der Tauchbeschichtung wiesen makroskopische Fehler (große oberflächliche Poren) auf. Die Methode führte hinsichtlich Porengrößen und Rauhtiefe zu den schlechtesten Werten. Die Transfertape-Methode als neuartiger Ansatz erwies sich für das LPS-SiC System als noch nicht ausgereift. Das direkte Bekleben der Substrate war möglich. Hinsichtlich der Membrandicke sind aber Grenzen bei ca. 50 µm gesetzt. Darüber hinaus reißen die Membranen. Es wurden Schwankungen in der Entbinder- und Sinterschwindung verzeichnet. Weiterhin werden große Hohlräume im Substrat nicht von den Transfertapes abgeformt. Beide Effekte erhöhen die Spannungen beim Sintern, so dass bei geringeren Schichtdicken Risse entstehen. / Silicon Carbide (SiC) fulfills many requirements, e.g. a high robustness in terms of corrosion, which makes it a suitable Material for ceramic membranes. The aim of this work was to produce ceramic membranes out of porous liquid phase sintered Silicon Carbide (LPS-SiC). As additives Alumina and Yttria were used. The SiC based on commercial abrasive powders F1200 (Membrane) and F500 (Substrate). Different techniques of membrane formation were applied in order to find the optimum processing procedure: Dip Coating, Electrophoretic Deposition (EPD), Pressure Filtration and the usage of so called Transfer Tapes, a blend of Polyacrylate and ceramic powders). For the slip based methods a water based system was developed without the need of organic additives. A pure electrostatic stabilization was facilitated by solving Yttria with Hydrochloride Acid and precipitation, resulting in the coverage of the SiC particles with finely dispersed Yttria. The EPD was not successful due to a undefined specific resistance of the substrate. The pressure filtration turned out to be the best, most versatile method, leading to defect free membranes with the lowest measured surface roughness. The pressure ranged between 2*10E4 and 1*10E5 Pa. Higher pressure lead to finer pores. The Dip Coating was controlled only by the solids content. Membranes by Dip Coating showed macroscopic defects. As a new concept for ceramic membrane fabrication the Transfer Tapes needed further investigation. The direct gluing on the substrate was possible. The thickness of the membrane was limited to 50 microns in order to keep free of cracks. The Transfer Tapes exhibited pronounced fluctuations in the debinding and sintering shrinkage, leading to increased tension during sintering. Furthermore cavities, (e.g. big pores) were bridged. Both effects lead to increased tension during sintering.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Aufbereitungsprozesses zur Gewinnung von Bitumen aus kanadischem Athabasca Ölsand, der im Tagebau gewonnen wurde. Es wird ein mechanisch-thermisches Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt. Dabei handelt es sich um vier Schritte: (1) Suspendierung des Ölsandes mit den organischen Lösungsmitteln, Toluol und n-Heptan, (2) Filterkuchenbildung, (3) Waschung des Filterkuchens mit Wechsel der Waschflüssigkeiten (gradierte Waschung) und (4) Dampfbeaufschlagung. Der Prozess stellt eine Alternative zur herkömmlichen Heißwasser-extraktion des Ölsandes dar. Die Nachteile der Heißwasserextraktion sind ökologische Probleme, ein hoher Energie- und Frischwasserbedarf. Die Ziele des Alternativprozesses sind die Minimierung des Wasser- und Energiebedarfs, Vermeidung schädlicher Abfallstoffe sowie die Maximierung der Bitumenausbeute. Als Produkte sollen feststofffreies Bitumen und rückstandsfreier, deponierbarer Feststoff gewonnen werden.

Die Filtration unter aggressiven Einsatzbedingungen, z.B. Einsatz in korrosiven Medien, Abgasfiltration, stellt besondere Anforderungen an das Filtermaterial. Sogenanntes "Liquid Phase Sintered Silicon Carbide" (LPS-SiC) erfüllt die Anforderungen sehr gut. Deshalb bestand das Ziel der Arbeit besteht darin, erstmals aus LPS-SiC asymmetrische keramische Membranen (grobporöses Substrat mit dünner, feinporiger Membran) herzustellen. Als Additivsystem fanden Yttriumoxid und Aluminiumoxid Verwendung. Es wurde Siliciumcarbid der Körnung F1200 auf Substrat der Körnung F500 abgeschieden. Dem Herstellungsverfahren kommt für die Qualität der Membran eine große Bedeutung zu. Daher wurden in dieser Arbeit folgende Beschichtungsmethoden untersucht, um die optimale Methode zu identifizieren: Tauchbeschichtung, elektrophoretische Abscheidung, Druckfiltration und Einsatz von Transfertapes (Transfertapes: Mischung aus Polyacrylatkleber und Pulver). Im Mittelpunkt stand dabei die Druckfiltration. Hierfür wurde eine neue Apparatur konzipiert und aufgebaut. Für die schlickerbasierten Methoden wurde ein wässriges System entwickelt, bei dem auf den Einsatz von organischen Hilfsstoffen verzichtet werden konnte. Die elektrostatische Stabilisierung konnte durch gezieltes Anlösen von Yttriumoxid, Ausfällen von feinskaligem Yttriumhydroxid und Belegung des Siliciumcarbids mit dem Yttriumhydroxid erreicht werden. Die Elektrophorese führte zu keinen befriedigenden Ergebnissen aufgrund des undefinierten spezifischen Widerstandes des Substrats (siehe Dissertation Jan Ihle, Bergakademie Freiberg 2004). Die Druckfiltration erwies sich als das geeignetste Verfahren. Mit ihr konnten ohne Einschränkungen hochwertige Membranen erzeugt werden. Druck und Zeit sind bei gegebenen Feststoffgehalt frei wählbar. Der Druck wurde zwischen 2*10E4 und 1*10E5 Pa variiert. Höherer Druck führte zu feineren Porengrößen (mittlere und maximale Porengröße). Mit der Druckfiltration konnten Membranen ohne makroskopische Defekte erzeugt werden. Sie führte im Vergleich aller Verfahren zu der geringsten Rauhtiefe der Membranen. Die Tauchbeschichtung ließ sich in diesem System nur über den Feststoffgehalt steuern. Membranen aus der Tauchbeschichtung wiesen makroskopische Fehler (große oberflächliche Poren) auf. Die Methode führte hinsichtlich Porengrößen und Rauhtiefe zu den schlechtesten Werten. Die Transfertape-Methode als neuartiger Ansatz erwies sich für das LPS-SiC System als noch nicht ausgereift. Das direkte Bekleben der Substrate war möglich. Hinsichtlich der Membrandicke sind aber Grenzen bei ca. 50 µm gesetzt. Darüber hinaus reißen die Membranen. Es wurden Schwankungen in der Entbinder- und Sinterschwindung verzeichnet. Weiterhin werden große Hohlräume im Substrat nicht von den Transfertapes abgeformt. Beide Effekte erhöhen die Spannungen beim Sintern, so dass bei geringeren Schichtdicken Risse entstehen. / Silicon Carbide (SiC) fulfills many requirements, e.g. a high robustness in terms of corrosion, which makes it a suitable Material for ceramic membranes. The aim of this work was to produce ceramic membranes out of porous liquid phase sintered Silicon Carbide (LPS-SiC). As additives Alumina and Yttria were used. The SiC based on commercial abrasive powders F1200 (Membrane) and F500 (Substrate). Different techniques of membrane formation were applied in order to find the optimum processing procedure: Dip Coating, Electrophoretic Deposition (EPD), Pressure Filtration and the usage of so called Transfer Tapes, a blend of Polyacrylate and ceramic powders). For the slip based methods a water based system was developed without the need of organic additives. A pure electrostatic stabilization was facilitated by solving Yttria with Hydrochloride Acid and precipitation, resulting in the coverage of the SiC particles with finely dispersed Yttria. The EPD was not successful due to a undefined specific resistance of the substrate. The pressure filtration turned out to be the best, most versatile method, leading to defect free membranes with the lowest measured surface roughness. The pressure ranged between 2*10E4 and 1*10E5 Pa. Higher pressure lead to finer pores. The Dip Coating was controlled only by the solids content. Membranes by Dip Coating showed macroscopic defects. As a new concept for ceramic membrane fabrication the Transfer Tapes needed further investigation. The direct gluing on the substrate was possible. The thickness of the membrane was limited to 50 microns in order to keep free of cracks. The Transfer Tapes exhibited pronounced fluctuations in the debinding and sintering shrinkage, leading to increased tension during sintering. Furthermore cavities, (e.g. big pores) were bridged. Both effects lead to increased tension during sintering.