Fluorinated Microporous Polyimide-Based Membranes for Water Desalination via Membrane Distillation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (ImageMagick conversion from application/pdf to application/pdf) Thesis_eprints.pdf Restricted to Repository staff only until 10 January 2025. Download (18MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: طيب اولوميدي اوبيدارا عنوان الرسالة: أغشية-بوليميدية مسامية مسطحة مُفلورة لتحلية المياه باستخدام تقنية التقطير الغشائي التخصص: علوم وهندسة المواد تاريخ الدرجة العلمية: ديسمبر2023 أثبتت عمليات تحلية المياه ومعالجتها أنها وسيلة مستدامة لإنتاج مياه نظيفة. هذه التقنيات تعتمد على الأغشية(المرشحات) التحليلية لفصل الأملاح و الشوائب عن المياة, تقنيات متعددة لهذا الغرض مثل التناضح العكسي، وتقطير الغشاء، والترشيح النانوي لتحلية المياه بسبب استهلاكها لطاقة أقل، ولكفائتها التشغلية بالإضافة لأنها صديقة للبيئة. التحديات الرئيسية التي تواجه تقنية المرشحات تتمثل في تلوث وتبلل المرشح. توفر تقنية التقطير الغشائي-بفجوة الهواء إمكانية نقل البخار(الماء النقي)، بدرجة حرارة أقل، وكفاءة فصل أعلى، وتبلل أقل بسبب تصميمها. يتم استخدام مرشحات مختلفة محضرة من البوليمرات مثل فينيليدن فلوريد البولي، وبولي تيترا فلورو إيثيلين، والبولي سلفون، والبولي أميدات في عملية تقطير الغشائي-بالتجويف الهوائي. في هذا البحث، تم تصنيع أغشية بوليميدية مسامية مسطحة مُفلورة بواسطه 2,3,5,6. الدراسة تسلط الضوء على أهمية الفجوية الداخلية في غشاء البوليميد ، الذي أدى إلى أداء ممتاز، ضمنا تدفقًا عاليًا ورفض مستقر للملح دون الحاجة إلى إضافة مكونات مسبقة للمسام أو مواد كيميائية. تم تحسين خصائص الغشاء عن طريق تغيير وسط غير الذائب (حمام التكاثف)، وتركيز وسمك صب المحاليل البوليمرية. كانت الأغشية المنتجة في حمام التكاثف القائم على الإيثانول لها تركيبة شبيهة بالإسفنج، على عكس الأغشية ذات الشكل المشابه للأصابع التي تم عرضها في حمام تكاثف مائي. تم ملاحظة التغييرات في تراكيبهم باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الذري القوي (AFM)، وزاوية الاتصال بالماء (WCA)، وضغط الدخول السائل (LEP)، ومحلل حجم المسام. علاوة على ذلك، تم تخليق أغشية 6FDA-TMPD باستخدام التحول المساعد بالبخار وتجميد الصب لتحسين حجم المسام والهيدروفوبية الغشاء. تم الحصول على قيمة هيدروفوبية أعلى وحجم مسامي بقيمة 129 و 0.40 عن طريق إدخال بخار الإيثانول إلى الحل البوليمري. وأخيرًا، تم تحليل تقييم أداء الغشاء المحسن/الأفضل 6FDA-TMPD في إعداد AGMD باستخدام معلمات تشغيل رئيسية مثل درجة حرارة التغذية، والتركيز، ومعدل التدفق، وسمك الفجوة الهوائية. تم تقييم تأثير هذه المتغيرات على تدفق الغشاء المنفوخ ونسبة الإخراج المكتسب. كانت هذه المتغيرات مستندة إلى ناتج تدفق الغشاء ونسبة الإخراج المكتسب. تشير النتائج المتحصلة درجة حرارة التغذية وملوحتها تؤثر بشدة على أداء المرشح الغشائي. زيادة درجة الحرارة من 50 إلي 80 درجة مئوية حسنت كل من تدفق الغشاء ونسبة الكسب بنسب 150% و125% علي التوالي.

English Abstract

Desalination and water treatment processes have proven to be a sustainable means of producing clean water. Membrane-based processes such as reverse osmosis, membrane distillation and Nanofiltration have emerged for the desalination of water due to their less energy consumption, separation performance and eco-friendly. The major challenges facing membrane-based technologies are fouling and wetting of the membranes. The air gap membrane distillation (AGMD) provides transport of vapor, exhibits lower temperature, higher separation efficiency and low wetting due to its configuration. Different membranes prepared from polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polysulfone and polyimides are used in AGMD process. In this research, hexa-fluorinated flat sheet microporous polyimide-based membranes were fabricated from hexafuoroisopropylidene diphtalic anhydride (6FDA) and 2,3,5,6 tetramethyl-m-phenylenediamine (TMPD), (i.e., 6FDA-TMPD polymer) for desalination of highly saline synthetic NaCl and real seawater using AGMD technology. 6FDA-TMPD polymer was synthesized through a polycondensation reaction between dianhydride 6FDA and diamine TMPD at 200 oC for 6 h. The polymer was then dissolved in a solvent to prepare the membrane using a nonsolvent-induced phase inversion process. The study highlights the importance of intrinsic microporosity in 6FDA-TMPD polyimide membranes, which has resulted in an excellent performance, ensuring high flux and stable salt rejection without adding pore former or chemical additives. The membrane characteristics were optimized by varying the nonsolvent medium (coagulation bath), concentration and casting thickness of the dope polymer solutions. Membranes produced in an ethanol-based coagulation bath had a sponge-like morphology, as opposed to the finger-like membranes exhibited by a water coagulation bath. The changes in their morphologies were observed using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), water contact angle (WCA), liquid entry pressure (LEP), and pore size analyzer. Moreso, 6FDA-TMPD membranes were fabricated using the vapor-assisted phase inversion and freeze casting methodology to improve the pore size and hydrophobicity of the membrane. Higher hydrophobicity value and pore size of 129° and 0.39 μm were obtained by introducing ethanol vapor to the polymer solution. Finally, the performance evaluation of the optimized/best 6FDA-TMPD membrane was analyzed in AGMD setup using key operational parameters such as feed temperature, concentration, flow rate, and air gap thickness. The influence of these parameters on membrane permeate flux and gained output ratio was assessed. These parameters were based on the output of the membrane flux and gained output ratio (GOR). The results obtained indicated that the feed temperature and feed salinity strongly influenced the performance of the membrane. Increasing the feed temperature from 50 to 80 °C, the membrane flux, and GOR were improved by over 150% and 125%, respectively

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Research > Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Baroud, Turki
Committee Co-Advisor:	Abdul Hamid, Mahmoud
Committee Members:	Drmosh, Qasem and Lawal, Dahiru and wail, fallatah
Depositing User:	TOHEEB OBIDARA (g202115250)
Date Deposited:	11 Jan 2024 07:02
Last Modified:	11 Jan 2024 07:02
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142772