GRAPHENE TRANSFER ONTO PP, PES AND PVDF POLYMERIC SUBSTRATES: DEVELOPMENT OF WATER PURIFICATION MEMBRANES. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Final_Thesis_Format_-_Feras_Kafiah_(g201001860).pdf Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

يعتبر نقل الغرافين (مادة كربونية ثنائية الأبعاد و التي تأخذ شكل خلية النحل) قليل العيوب و الذي يصنع بوساطة عملية ترسيب الأبخرة الكيميائية (CVD process) إلى الأغشية المسامية مهم جداً لتصنيع أغشية الغرافين. تم في هذا البحث نقل الغرافين إلى غشاء البوليسلفون (PSU) ذي الألياف النانوية المغزولة كهربائياً و ايضاً إلى ثمانية أنواع من الأغشية التجارية و المستخدة في عملية الفلترة الدقيقة (Microfiltration) و هي: البولي بروبيلين (PP) و البولي ايثرسلفون (PES) و ستة أنواع من البولي فينيليديندايفلورايد (PVDF1, 2, 3, 4, 5 & 6) و التي تختلف عن بعضها البعض في حجم المسام و طبوغرافية السطح. تم نقل الغرافين أحادي الطبقة على البوليسلفون ذو الألياف النانوية بإستخدام طريقة الغزل الكهربي (Electrospinning method) و تم نقله أيضاً إلى جميع الأغشية التجارية الثمانية بإستخدام عملية النقل بالضغط (Pressing method). تم أيضاً تم تطوير و استخدام طريقة النقل الإلكتروستاتيكي (Electrostatic method) و التي تناسب الأغشية المحبة للماء. تم إذابة طبقة النحاس الحاملة للغرافين كيميائياً في جميع طرق النقل المستخدمة في هذا البحث للحصول أخيراً على الغشاء الغرافيني أحادي الطبقة. لقد وجد أن هناك ثلاثة عوامل رئيسية تؤثر على جودة الغرافين المنقول على سطح الغشاء و هي: خشونة السطح و حجم المسام و مقدار البلل السطحي. لقد تمزقت طبقة الغرافين بشدة و ظهر فيها الكثير من العيوب السطحية عند نقلها على أغشية البوليسلفون ذو الألياف النانوية و ذلك لخشونة السطح و كبر حجم المسامات. يتم الحصول على غرافين بجودة ممتازة بإستخدام عملية الضغط عندما يكون مقدار البلل السطحي للغشاء المنقول عليه أكثر من 90° و عندما يكون ناتج قسمة مقدار زاوية الاتصال على مقدار خشونة السطح أكثر من 2.5 و في حال كانت أقل، تكون جودة الغشاء الغرافيني المنقول سيئة جداً. أظهرت نتائج المجهر الإلكتروني الماسح أن الغرافين المنقول كان مقبول الجودة و يغطي مساحة كبيرة و أظهرت أيضاً وجود بعض الخلل في طبقة الغرافين و التي نشأت أثناء عملية النقل. لدراسة تأثير هذه العيوب، تم عمل دراسات الحمل الايوني (Transport studies) و ذلك بتعريض غشاء الغرافين لفرق تركيز ايوني عالي على جانبيه لتسهيل إنتقال أيونات كلورين البوتاسيوم (KCl) بإستخدام وحدة مخبرية متخصصة (Diffusion cell). على سبيل المثال تمكن الغشاء الغرافيني المنقول على البولي بروبيلين من وقف 57% من الأيوانات المنتقلة، فيما تمكن الغشاء الغرافيني المنقول على PVDF 5 من وقف 40% و هذا يدعم فرضية وجود العيوب السطحية. تم تطوير طريقة جديدة لتسكير و قفل العيوب السطحية في الغشاء الغرافيني و ذلك بإستخدام عملية البلمرة السطحية لبوليمر النايلون 6,6 (Interfacial Polymerization) بإستخدام خلية فرانز (Franz cell). ساعدت عملية البلمرة السطحية على زيادة نسبة منع تسرب أيوانات كلورين البوتاسيوم لتصل إلى ما يقارب 80-85% و ذلك لجميع أنواع الأغشية الغرافينية المصنعه في هذا البحث. تم نقل الغرافين ثنائي الطبقة و المصنع بطريقة الترسيب الكيميائي إلى سطح البولي بروبيلين و عند مقارنته بنفس الغشاء أحادي الطبقة، قام بمنع 60% من الأيونات المنتقلة، و عند تسكير العيوب بعملية البلمرة السطحية ارتفعت النسبة إلى73% . تم أيضاً نقل الغرافين متعدد الطبقات على البوليبروبيلين و بشكل مفاجئ قام هذا الغشاء الجديد بمنع ما نسبته 82% من الأيونات و بعد عملية البلمرة السطحية، تحسنت هذه النسبة بشكل ضئيل. وجد أن الغرافين يحسّن مقاومة الأغشية للإتساخ الحيوي عند نقله إلى الأغشية المحبة للمياه، أما في حالة الأغشية الكارهة للمياه فوجد العكس تماماً. و أخيراً، وجد أن الغشاء الغرافيني على البوليبروبيلين يحقق معدلات تدفق عالية بالمقارنة مع غشاء التناضح العكسي التقليدي و لكن على حساب نسبة رفض الأملاح.

English Abstract

Transfer of graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) to porous membranes with minimal defects is important for the fabrication of nanoporous (NPG) graphene membranes. The present work reports the transfer of graphene onto electrospun polysulfone (PSU) nanofiber mats and eight commercial micro/ultrafiltration membranes, namely, polypropylene (PP), polyethersulfone (PES) and six polyvinylidenedifluoride (PVDF) membranes having different pore sizes and surface characteristics. Monolayer graphene was transferred onto electrospun PSU nanofiber mat by electrospinning PSU directly onto the graphene monolayer grown over copper foil whereas a roll press transfer method was used to transfer graphene on all other membrane substrates. A newly developed electrostatic transfer method was also used for graphene transfer on the hydrophilic membrane substrates. In all cases copper was dissolved by wet etching to obtain membranes containing graphene monolayer over the polymeric micro/ultrafiltration substrates. Three parameters, namely, the roughness of the substrate, the pore size and the surface wetting (degree of hydrophobicity) were found to affect the coverage and conformality of the transferred graphene monolayer on the membrane surface. Graphene severely tore and cracked during the transfer onto the PSU mat due to its high surface roughness and large pore size. Using the pressing method, good graphene transfer was obtained when the substrate surface had adequate hydrophobicity (Contact Angle > 90o), and the contact angle to surface roughness (root mean square, RMS) ratio was higher than 2.5 (CA/RMS > 2.5). Post transfer examination of graphene on polymer substrate carried out via SEM indicated a good graphene transfer with good surface coverage, but revealed the existence of defects (cracks and tears) in the graphene layer. In order to assess the extent of the defects, ion transport characteristics of the otherwise total impervious graphene was investigated by the diffusion of Potassium Chloride (KCl) ions using a Side-bi-Side diffusion cell. The graphene-PP membrane blocked 57% (43% leakage) of KCl ions, whereas the graphene-PVDF 5 membrane blocked 40% (60% leakage) of the ions. The heavy ion leakage through the graphene monolayer confirmed the presence of defects in the transferd graphene. The defects were sealed via interfacial polymerization (IP) of Nylon 6,6 into the defects, which allowed plugging of most of the defects. Consequently KCl ion blockage increased to approximately 80-85% (15-20% leakage) for all graphene membranes. Bi-layer and multi layer graphene was also transferred to the PP substrate. Compared with the 57% ion blockage of monolayer graphene, the ion blockage through bi-layer graphene membrane was a little better (~ 60%) which further increased to 73% after the Nylon 6,6 defect plugging, which was lower than defect sealed the monolayer graphene (~ 84%). Surprisingly, multi-layer graphene transferred onto the PP without IP successfully blocked 82% of KCl ions. A negligible enhancement was seen after sealing defects using the IP process. Graphene/PP membrane showed high conventional permeation fluxes at differnet pressures but at the expense of salt rejection. Biofouling resistance of graphene was alos investigated using E-coli becterial strains. Graphene reduced the static bacterial adhesion (enhanced the biofouling resistance) when transferred to hydrophilic substrates (PES & PVDF 1), wheras opposite occurred when transferred to the hydrophobic substrate (PP).

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Research Research > Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Khan, Zafarullah
Committee Co-Advisor:	Laoui, Tahar
Committee Members:	Nouari, Saheb and Aljundi, Isam and Hussien, Muataz
Depositing User:	KAFIAH FER MOHAMMAD (g201001860)
Date Deposited:	29 May 2016 11:41
Last Modified:	01 Nov 2019 16:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139893