Hydrochloric acid leaching of saprolite nickel ores has been proposed as an effective means of recovering nickel and cobalt. However, the leach produces a concentrated brine of magnesium chloride which must be hydrolyzed to recover the HCl lixiviant. The processing of carnallite similarly produces a concentrated MgCl2 brine; converting this brine into HCl and MgO provides an attractive way of adding value while effectively disposing of this waste product. Direct pyrohydrolysis of magnesium chloride brines by the reaction, MgCl2,a + H2Oa  MgOs + 2HClg is energy-intensive as large volumes of water must be evaporated. The energy cost is high, and the HCl stream produced is limited to approximately 20 wt% HCl. This thesis explores alternative methods of obtaining HCl from aqueous magnesium chloride solutions. Two methods are considered: the hydrolysis, under autogenous pressure, of concentrated MgCl2 molten salt hydrates; and the precipitation of magnesium hydroxychloride compounds such as 2MgO·MgCl2·6H2O and 3MgO·MgCl2·11H2O, which are subsequently decomposed at high temperature. Considerable experimental difficulties were encountered in studying pressure hydrolysis of molten salt hydrates, despite extensive equipment modifications. Ultimately, the work moved on to precipitation and decomposition of hydroxychlorides. This was found to bear promise, and conceptual flowsheets based on these reactions are presented. A phase stability diagram giving the areas of predominance of the different hydroxychloride phases is presented, and fundamental thermochemical data are derived. The results of a kinetic study on magnesium hydroxychloride thermal decomposition are also presented. / Thesis (Ph.D, Mining Engineering) -- Queen's University, 2011-03-11 10:14:53.455

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war es, die Grundlagen für ein mögliches technisches Verfahren zur Aromatennitrierung mit Salzhydratschmelzen (M(NO3)3 · n H2O, M = Fe, Cr, Bi, In, Al; n = 4 - 9) zu untersuchen. Es sollte geklärt werden, ob Toluol quantitativ zu Dinitrotoluol bzw. Benzol zu Nitrobenzol umgesetzt werden kann. In Screening-Versuchen wurden geeignete, nitrierend wirkende Salzhydrate ermittelt, sowie Wege untersucht, die Reaktivität der eingesetzten Salzhydratschmelzen durch Variation von Wasser- bzw. Säuregehalt, Durchmischung, verschiedenen Schmelzenzusätzen bzw. Reaktionstemperatur zu steigern. Das entstehende Verhältnis der Isomeren der Mono- und Dinitrierung wurde hinsichtlich einer möglichen Beeinflussung untersucht. Das Spektrum an Nebenprodukten wurde bestimmt, sowie Möglichkeiten aufgezeigt, diese zu vermeiden. Dabei konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zum etablierten Mischsäureverfahren beim Einsatz von Salzhydratschmelzen keine kresolischen Nebenprodukte gebildet werden. Weiterhin wurden Möglichkeiten zur Präparation wasserarmer Salzhydratschmelzen durch thermische Entwässerung bzw. Reaktion mit flüssigem N2O4 untersucht, die Löslichkeit der isomeren Zwischen- und Endprodukte in der Salzhydratschmelze bestimmt sowie das thermische Verhalten von Dinitrotoluol in Gegenwart der Salze betrachtet.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit war es, die Grundlagen für ein mögliches technisches Verfahren zur Aromatennitrierung mit Salzhydratschmelzen (M(NO3)3 · n H2O, M = Fe, Cr, Bi, In, Al; n = 4 - 9) zu untersuchen. Es sollte geklärt werden, ob Toluol quantitativ zu Dinitrotoluol bzw. Benzol zu Nitrobenzol umgesetzt werden kann. In Screening-Versuchen wurden geeignete, nitrierend wirkende Salzhydrate ermittelt, sowie Wege untersucht, die Reaktivität der eingesetzten Salzhydratschmelzen durch Variation von Wasser- bzw. Säuregehalt, Durchmischung, verschiedenen Schmelzenzusätzen bzw. Reaktionstemperatur zu steigern. Das entstehende Verhältnis der Isomeren der Mono- und Dinitrierung wurde hinsichtlich einer möglichen Beeinflussung untersucht. Das Spektrum an Nebenprodukten wurde bestimmt, sowie Möglichkeiten aufgezeigt, diese zu vermeiden. Dabei konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zum etablierten Mischsäureverfahren beim Einsatz von Salzhydratschmelzen keine kresolischen Nebenprodukte gebildet werden. Weiterhin wurden Möglichkeiten zur Präparation wasserarmer Salzhydratschmelzen durch thermische Entwässerung bzw. Reaktion mit flüssigem N2O4 untersucht, die Löslichkeit der isomeren Zwischen- und Endprodukte in der Salzhydratschmelze bestimmt sowie das thermische Verhalten von Dinitrotoluol in Gegenwart der Salze betrachtet.

Salt hydrates have the potential to be used in heat storage as both phase-change materials (PCMs) and thermochemical materials (TCMs). These materials offer advantages over traditional heat storage methods due to their high energy densities. However, both domestic and industrial applications require thousands of thermal cycles and there are often many issues that need to be overcome before these materials can be used reliably for heat storage. One of the major issues with using salt hydrates as PCMs is incongruency - the formation of anhydrous phases during melting. In this research, the mechanisms of the action of polymers to prevent incongruency in sodium acetate trihydrate have been investigated. A new polymorph of anhydrous sodium acetate, Form IV, was obtained in the presence of the polymer. This polymorph crystallises as long, blade-shaped crystals, thereby increasing the surface area to volume ratio. Indexing of the crystal faces revealed that every face had Na+ or the oxygen atoms of the acetate ion near or on the surface, as opposed to hydrophobic methyl groups found on the faces of the anhydrous salt grown without polymer. These two factors are believed to significantly increase the dissolution kinetics. This technique has the potential to be used for screening polymers to reformulate other salt hydrates that display incongruent behaviour. Eutectic compositions of NaCl and KCl with strontium hydroxide octahydrate were investigated as a potential means to prevent the incongruency of this PCM. However, degradation was observed with thermal cycling. Variable temperature PXRD studies discovered a new Sr(OH)2 hydrate when heating above 75 °C - Sr(OH)2. ⅓H2O. The recrystallisation of the octahydrate from the new phase was slow with incomplete conversion, explaining the degradation with continuous cycling. The effect of addition of NaCl and KCl to congruent barium hydroxide octahydrate was also investigated. On heating, a phase transition was observed, but the samples remained solid. Variable temperature PXRD investigations discovered that this was due to the formation of the salt hydrate, Ba(OH)Cl.2H2O. This hydrate melted at 110 °C, showing its potential as a high temperature PCM. The dehydration pathways of magnesium sulfate heptahydrate were investigated. In-situ PXRD studies showed that changing the heating rate changed the intermediates present during the dehydration. The fast dehydration rate saw both the known phases of trihydrate and 2.5 hydrate form as the dehydration product of the tetrahydrate. These both then dehydrated to the known dihydrate. This differed when the slower heating rate was used, as the trihydrate was the only product of dehydration from the tetrahydrate. The trihydrate then proceeded to dehydrate to a new phase. This was found to be a new polymorph of the dihydrate, β-MgSO4.2H2O. Dehydration of MgSO4.7H2O with 50 mol% NaCl was also performed. Loeweite, Na12Mg7(SO4)13.15H2O, a dication sulfate hydrate, was formed as the major intermediate. This mixture showed advantages over the pure MgSO4.7H2O as dehydration to the monohydrate took less time and occurred at a lower temperature. There were also three fewer intermediate phases before dehydration to the monohydrate. Suspension and encapsulation materials were used in order to overcome the major issue of agglomeration with magnesium sulfate. Liquid water was ruled out as a viable hydration medium. Apparatus was developed to test humidity cycling, which allowed the effects of dehydration time and temperature to be investigated, as well testing a range of different formulations.

Phase change materials (PCMs) are a viable option for compact thermal energy storage. Effective designs using PCMs require accurate knowledge of the thermal and physical properties, but for many PCMs these are not well known, and when known the knowledge is sometimes contradictory. Therefore, physical characteristics of several promising PCMs (K3PO4·7H2O, FeCl3·6H2O, Mn(NO3)2·4H2O) were determined. In addition, a life cycle assessment (LCA) of dodecanoic acid in a solar thermal energy storage system was carried out to determine the environmental impact for energy storage. This LCA showed that dodecanoic acid in a solar energy system would save energy and facilitate CO2 reductions. However, the economic cost is high and is unlikely to be implemented without incentives. Finally an experimental testbed for a solar thermal system utilizing dodecanoic acid was built. Preliminary measurements demonstrated the utility of this system.

Die Frage nach der Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten, vor allem auf dem Mars, steht in einem engen Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von flüssigem Wasser. Dies ist bei den vorherrschenden klimatischen Bedingungen, vor allem der tiefen Temperatur, nur mittels einer Gefrierpunktserniedrigung durch Salze erklärbar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit Phasengleichgewichten verschiedener Salz-Wasser-Systeme bei tiefen Temperaturen. Dabei wurden nach einer Sammlung von Literaturdaten und einer Ermittlung der Lücken innerhalb dieser verschiedene Systeme nach Mars-Relevanz, sowie chemischer Systematik ausgewählt und experimentell untersucht. Insgesamt wurden dabei 22 binäre Phasendiagramme von Salz-Wasser-Systemen betrachtet und 29 festen Phasen mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse aufgeklärt. Aus diesen Strukturen wurde ein Modell zur Beschreibung einer zweiten Hydratationssphäre über eine Wechselwirkungsbilanz abgeleitet und an den verfügbaren Strukturen geprüft.

A model is proposed to predict the heat spreading behaviour experienced by laminate materials when heated over only a part of the domain, which is broken up into two regions, known as the heated and fin regions. The 2D, steady-state, two-region fin model is unique in its treatment of multilayer conduction heat transfer, giving the exact solution in the heat-spreading layer only, in both Cartesian and cylindrical coordinates. The experimentally and numerically validated two region fin model can help designers to assess improved heat transfer rates for laminate pouches for use to encapsulate supercooled salt hydrate phase change materials for long-term heat storage. Waste aseptic cartons (e.g. Tetra Brik) are a potentially useful resource for making laminate heat storage pouches since value-added end-uses are largely absent in Canada and in many other countries. The model is also useful for assessing improved temperature uniformity in heat spreading devices with applied heat fluxes.

Die Frage nach der Möglichkeit von Leben auf anderen Planeten, vor allem auf dem Mars, steht in einem engen Zusammenhang mit der Verfügbarkeit von flüssigem Wasser. Dies ist bei den vorherrschenden klimatischen Bedingungen, vor allem der tiefen Temperatur, nur mittels einer Gefrierpunktserniedrigung durch Salze erklärbar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit Phasengleichgewichten verschiedener Salz-Wasser-Systeme bei tiefen Temperaturen. Dabei wurden nach einer Sammlung von Literaturdaten und einer Ermittlung der Lücken innerhalb dieser verschiedene Systeme nach Mars-Relevanz, sowie chemischer Systematik ausgewählt und experimentell untersucht. Insgesamt wurden dabei 22 binäre Phasendiagramme von Salz-Wasser-Systemen betrachtet und 29 festen Phasen mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse aufgeklärt. Aus diesen Strukturen wurde ein Modell zur Beschreibung einer zweiten Hydratationssphäre über eine Wechselwirkungsbilanz abgeleitet und an den verfügbaren Strukturen geprüft.