DEVELOPMENT OF MULTI-LAYERED GRADIENT CERAMIC MEMBRANE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Development_of_Multilayered_gradient_ceramic_membrane.pdf Download (15MB) | Preview

Arabic Abstract

تستعمل الأغشية السراميكية كعوائق للمرور الأجسام غير المرغوبة في عملية التحلية وتنقية الموائع وغالبا ماتصنع هذه الأغشية من مواد مثل: Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 and zeolites وتشكل كلا من سماكة الطبقة وحجم المسامات ونسبة المسامية أهمية كبرى في تصنيع وتحسين الأغسية السيراميكية. الهدف من هذا البحث هو إكتشاف وتطوير الأغشية السيراميكية المنفذة متعددة الطبقات والمسامية من أجل تطبيقات التنقية. من خلال إستخدام تقنية powder metallurgy تم تصنيع الطبقة الأساسية من حبيبات مادة الألومينا على شكل أقراص بحجم 0.3 مايكرومتر وبضغط 620 ميجا باسكال ثم تم تسخينها إلى 1400 درجة مئوية لساعتين. بإستخدام جهاز scanning electron microscopy وتقنية mercury porosimetry technique تم تحديد متوسط حجم المسام في الطبقة وهو مايقارب 0.25 مايكرومتر وتشكل المسامية 50% من الطبقة بسماكة قدرها 2 ميلليمتر. بعد ذلك تم تصنيع الطبقة الثانية من خلال ترسيب حبيبات TiO2 على سطح الطبقة الأساسية من خلال إستخدام تقنية واعدة وهي تقنية sol-gel dip coating وبعد تدراسة وإختبار السطح 30% من السطح تشكل نسبة المسامية وحجم المسامات 0.08 مايكرومتروسماكة 1 مايكرومتر تقريبا تشكل طبقة zeolite A (LTA) اخر طبقة في هذا البحث وتم تصنيعها من خلال تقنية نمو حبيبات الزيولايت على سطح الطبقة التي قبلها ومن أجل تحسين عملية الترسيب والنمو تمت عملية تحسين وتهيئة السطح لتكون مستوية ومقدار الترابط والتلاصق بين الطبقتين أقوى وأفضل.حجم الكريستال يقع في المدى بين1-3 مايكرومتر وكذلك سمك الطبقة يقع بين 2-3 مايكرومتر. تطوير ودراسة هذه الأغشية السيراميكية متعددة الطبقات والمسامات لديها المستقبل الواعد في فلترة وتنقية الموائع. الخطوة الثانية في هذا المشروع سيهتم بالتقييم المختبري لأداء هذه الأغشية.

English Abstract

Ceramic membranes are the permselective barriers usually made from ceramic materials such as Al2O3, TiO2, ZrO2, SiO2 and zeolites. Layer thickness, pore size and amount of porosity are the key elements that govern the fabrication of ceramic membranes. The aim of this research is to explore the development of ceramic based multilayer membrane of porous structure with gradient porosity for potential filtration and purification applications. Disc shaped macro-porous alumina support was fabricated by powder metallurgy technique with α-alumina particle size of 0.3 μm and compacting pressure of 620 MPa followed by sintering at 1400°C for 2h. An average pore size of 0.25 μm with 50% porosity and thickness of 2mm were obtained as determined by scanning electron microscopy and mercury porosimetry technique. Further research was carried out for the preparation of meso- and micro-porous layers which were deposited on top of the macro-porous α-alumina support. The intermediate meso-porous TiO2 layer was deposited on top of α-Al2O3 support using sol-gel dip coating technique followed by drying and heat treatment. The average pore size obtained was approximately 0.08µm with porosity of 30% and thickness of approximately 1 μm. The micro-porous zeolite A (LTA) layer was synthesized on the deposited meso-porous TiO2 layer, after being subjected to UV irradiation. The intermediate meso-porous layer of titania was applied to bridge the pore size gap between the α-alumina support and micro-porous LTA zeolite layer (possessing sub-nanometer pore size), thus forming a multi-layered ceramic membrane with a porosity gradient. The pre-treatment of meso-porous titania layer with UV photons played a major role to improve the surface hydrophilicity of the substrate. In-situ aging microwave heating synthesis method was utilized to synthesize LTA zeolite layer. During the synthesis, the effect of such parameters, like in-situ aging time and synthesis time, on the formation of LTA zeolite layer was investigated. Crystals of 1-3 µm were grown on the substrate surface yielding a continuous and dense layer of LTA zeolite. The measured thickness of the formed zeolite layer was 2-3 µm. The developed multilayer membrane with graded (macro-, meso- and micro) porous structure will have the potential to allow selective passage of a particular species (solvents such as water molecules), while other species i.e, solutes (such as heavy metals, hydrated ions) are retained partially or completely during filtration/purification/desalination process. The next phase of this project is to evaluate the filtration performance of these developed membranes using dedicated flow test cell.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Laoui, Laoui
Committee Members:	Hooshani, Khalid and Syed, Fida Hassan
Depositing User:	MIRZA AQEEL BAIG (g200805980)
Date Deposited:	04 Dec 2011 07:44
Last Modified:	01 Nov 2019 15:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138546