Development and characterization of alumina-CNTs nanocomposite membranes for water filtration application. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Hafiz_Khurram_Shahzad_2017.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

يقدم هذا البحث ولأول مرة طريقة تصنيع الأغشية النانوية المركبة من أكسيد الألمنيوم وأنانيب الكربون النانوية باستخدام تقنية البلازما والشرارة الكهربائية و تقنية التصليب التقليدية بدون استخدام الضغط، والتي تم فيها- أي التقنية الأخيرة- تصنيع الأغشية في صورة أقراص دائرية ( قطرها 27 مم وسماكتها 4 مم ) باستخدام الضغط أحادي المحور لخليط المساحيق ، والذي تبعه تقنية التصليب التقليدية بدون استخدام الضغط. لوحظ توزيع أنابيب الكربون النانوية المتجانس في مصفوفة أكسيد الألمنيوم باستخدام مشتتات اللبان العربي و دوديسيل كبريتات صوديوم. اختبرت الأغشية المصنعة باستخدام تقنية حيود الأشعة السينية لتحليل الأطوار ، وباستخدام المجهر الأليكتروني لتحليل التركيب المجهري. فحص البحث أثر متغيرات عملية التحضير باستخدام تقنية التصليب التقليدية ( وزن الضغط الأولي و درجة حرارة التصليب ) على الأداء الكلي للغشاء ( من جهة المسامية والقوة و تدفق المياه)، والتي ثبت اعتمادها بشكل كبير على متغيرات عملية التحضير. لوحظ انخفاض مسامية الغشاء من 65% إلى 31% وزيادة القوة من 0.76 MPa إلى 15.64 MPa عندما انخفض وزن الضغط من 50 kN إلى 200 kN وارتفعت درجة الحرارة من 1200 °C إلى 1500 °C . استفاد البحث من تقنية التصليب بالبلازما والشرارة الكهربائية لتحضير ذات الغشاء، حيث تزامنت عملية الضغط مع عملية التصليب في آن واحد. حلل أثر متغيرات عملية التصليب، كالضغط ودرجة الحرارة و معدل التسخين و زمن العملية، على مسامية الغشاء و تدفق المياه و النفاذية و الخصائص الميكانيكية، للحصول على أفضل قيم من نفاذية الفشاء و قوته معا. أوضحت نتائج الدراسة توزع أنانيب الكربون النانوية المتجانس في مصفوفة أكسيد الألمنيوم، وبشكل أخص في أطراف الحبيبات. أمكن التحكم في مسامية الغشاء عن طريق متغيرات عملية التصليب بالبلازما والشرارة الكهربائية، حيث ترواحت قيمتها- أي المسامية- بين 10.8% و 69.7%، و التي تأثرت – إلى جانب قوة الغشاء- بدرجة حرارة التصليب و الضغط. وجد أن العينات المصلبة على ضغط 10 MPa ودرجة حرارة 1100 C لمدة 5 min باستخدام معدل تسخين 200 C/min تحصلت على حجم فجوة بمعدل 143 نانومتر، مظهرة بذلك أفضل قيم للنفاذية والقوة معا. اختبر البحث قدرة الأغشية النانوية المركبة من أكسيد الألمنيوم وأنانبيب الكاربون النانوية على تصفية معدن الكادميوم بتجربة الامتزاز بنظام حلقة التدفق. أوضح هذا الاختبار قدرة هذه الأغشية على تصفية 93% من معدن الكادميوم بعملية الامتزازمن عينة ماء تحتوي على 1ppm من الكادميوم برقم هيدروجيني يساوي 6

English Abstract

Porous alumina-carbon nanotubes (Al2O3-CNTs) nanocomposite membrane was developed via powder metallurgical techniques (conventional pressure-less and spark plasma sintering). In conventional pressure-less solid state sintering, the membrane was fabricated into circular disk (27 mm diameter and 4 mm thickness) by uniaxial pressing of the composite powder mixture (Al2O3-5wt%CNTs) followed by sintering in a tube furnace under inert (Ar) atmosphere. Homogeneous dispersion of CNTs within the alumina matrix was achieved using gum Arabic (GA) and sodium dodecyl sulfate (SDS) as dispersants in the powder mixture. The synthesized membrane was characterized using X-Ray Diffraction (XRD) for phase analysis and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) for microstructural analysis. The effect of process parameters (initial powder compaction load and sintering temperature) on the overall performance of the membrane (in terms of porosity, strength, and water flux) was investigated. The results showed that the membrane’s properties were strongly influenced by the process parameters. The porosity of the membrane was observed to decrease from 65% to 31% while strength increased from 0.76 MPa to 15.64 MPa when both compaction load and sintering temperature increased from (50 kN to 200 kN) and (1200° C to 1500° C), respectively. Moreover, spark plasma sintering (SPS) technique was utilized to develop the same membrane in which compaction pressure and sintering were carried out simultaneously. The effect of SPS processing parameters including pressure, temperature, heating rate, and holding time on porosity, water flux, permeability and mechanical properties of the developed membranes was analyzed and correlated with the processing parameters to obtain the best combination of the membrane permeability and strength. The results revealed that CNTs were well distributed in the alumina matrix and located mainly at the alumina grain boundary. The porosity of the developed SPS-membrane varied from 10.8% to 69.7%. The porosity and strength were highly influenced by sintering pressure and temperature. The findings revealed that the membranes sintered at (10 MPa, 1100 C, 200 C/min, 5 min), possessing an average pore size of 143 nm, showed the best combination of permeability (38 L/m2.hr.bar) and strength (9.5 MPa). Selected membranes developed from conventional (200 kN/1400° C) as well as SPS (10MPa, 1100C, 200 C/min, 5 min) methods were utilized for cadmium removal, mainly through physical adsorption, using 1 ppm aqueous solution at pH 6 and rejected 93% and 88% of Cd+2 ions, respectively, from aqueous solution in a single pass. The developed membranes offer a good potential for water treatment application.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Laoui, Tahar
Committee Members:	Khan, Zafarullah and Hakeem, Abbas Saeed
Depositing User:	HAFIZ SHAHZAD (g201405360)
Date Deposited:	13 Jun 2017 09:27
Last Modified:	30 Dec 2020 12:10
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140360