MOLECULAR LEVEL SIMULATIONS AND MODELING OF DECONTAMINATION OF HEAVY METALS FROM GROUNDWATER USING CLAY MINERALS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (MS Thesis) Final.pdf - Accepted Version Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

يعد نقص الموارد المائية قضية متنامية ، في المقام الأول ، في البيئات القاحلة وشبه القاحلة ، مثل المملكة العربية السعودية التي تعتمد على المياه الجوفية كمصدر رئيسي لإمدادات المياه. مع التطور الصناعي السريع في المملكة العربية السعودية في العقود الماضية ، ازدادت بشكل ملحوظ إمكانية تلوث المياه الجوفية من النفايات الصناعية والمنتجات الثانوية. وعادة ما تكون عمليات إزالة التلوث لهذا النوع من الملوثات معقدة وتستغرق وقتا طويلا ومكلفة. وبالتالي ، أصبحت طرق العلاج البديلة حاجة لا غنى عنها. وقد أجريت العديد من الدراسات في هذا الصدد مثل أساليب المعالجة الكهربائية ، والحرارية ، والميكروبية ، وغيرها. ولذلك كان سبب الشروع في هذا البحث هو اقتراح طريقة لمعالجة/إزالة التلوث من المعادن الثقيلة من المياه عن طريق تقنيات الامتزاز على المعادن الطينية. تم استخدام تجربة التدفق المستمر ، والمعروفة باسم عمود الفصل اللوني ذي القاعدة الثابتة ، لهذا الغرض. تم استخدام مزيج من الرمل والطين المعدني الطبيعي ، تحديدا Na-Montmorillonite ، بمثابة مواد للقاعدة الثابتة. ومن أجل تحقيق تدفق مستمر بمعدلات مرغوبة وعملية ، تم تجربة خليط القاعدة بنسب مختلفة من الرمل و الطين (من 6 إلى 0.5 % طين). و كنتيجة ، وجد أن الخليط المكون من الرمل + 0.5 ٪ طين، يعطي التدفق المطلوب. تم عمل الاختبارات الأولية و الكشفية لمواد الرمل ، و الطين ، وخليطها بشكل شامل قبل استخدامها لتجارب الامتزاز. بعد ذلك ، خضع الخليط للتدفق المستمر للمياه المقطرة الملوثة بالمعادن الثقيلة ؛ Cu (II), Pb (II) & Zn (II) بشكل منفصل و ممزوج بتركيزات أولية مختلفة. بعد ذلك تم جمع عينات المياه بعد مرورها من مخرج قاعدة العمود الثابت على مدار الوقت المنقضي ، وتم تحديد التركيزات المتبقية باستخدام مطياف انبعاث ضوئي للبلازما المقترن حثيًا (ICP-OES). وعلاوة على ذلك ، تم تحليل عينات الطين باستخدام المجهر الإلكتروني ومحلل الأشعة السينية المشتت للطاقة (SEM-EDX) قبل وبعد تجارب الامتزاز. وأخيرًا ، تم إجراء محاكاة مونت كارلو على المستوى الجزيئي للرمل والطين من خلال حزمة "Material Studio" ، وتم إجراء المقارنات النوعية والكمية بين نتائج المحاكاة/النمذجة والتجارب.

English Abstract

The deficiency of water resources is a growing issue, primarily, in the arid and semi-arid environments, such as Saudi Arabia which depends on the groundwater as a primary source of the water supply. With the rapid industrial development in Saudi Arabia in the past decades, the potential of groundwater contamination - from the industrial wastes and byproducts - has increased markedly. The decontamination processes for such type of contaminants are usually sophisticated, time-consuming, and costly. Consequently, alternative remediation methods have become an indispensable need. Many studies have been carried out in this regard such as electrokinetic, thermal, microbial remediation methods, among others. The initiation of this research was to propose a method of remediation/decontamination of heavy metals from water by adsorption techniques on clay minerals. A continuous flow experiment, known as fixed-bed column chromatography, is used for this purpose. A mixture of natural sand and clay mineral, namely, Na-Montmorillonite (Na-MMT), is considered as the fixed-bed materials. The Na-MMT was selected because of it has high swelling potential (i.e., high specific surface area), and high imbalanced surface charges (i.e., higher attraction/adsorption). In order to achieve a continuous flow at desirable and practical rates, different mixtures of sand and Na-MMT (6 to 0.5 % of Na-MMT) is tried. The permeability of the mixture was found to be controlled by Na-MMT providing no flow or very slow. However, the mixture of sand + 0.5% Na-MMT is found to provide the required effluent flow. The sand, Na-MMT, and their mixture are comprehensively characterized prior being utilized for adsorption experiments. Thereafter, the mixture is placed in the fixed-bed chromatography and subjected to a continuous flow of distilled water contaminated with heavy metals; Cu(II), Pb(II) & Zn(II) in mono and competitive solutions at different initial concentrations. The effluent samples are collected along the elapsed time, and the residual concentrations are determined using inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Moreover, the Na-MMT samples are analyzed using scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray analyzer (SEM-EDX) before and after the adsorption experiments. Finally, molecular-level Monte Carlo simulations for the Na-MMT and sand adsorption have been conducted through "Material Studio" package, and qualitative and quantitative comparisons between the simulations and experimental results are performed.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Abduljauwad, Sahel N.
Committee Members:	Ahmed, Habib-ur-Rehman and Vohra, Muhammad S.
Depositing User:	HAMZAH BEAKAWI (g201552950)
Date Deposited:	14 May 2018 03:49
Last Modified:	31 Dec 2020 06:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140675