DEVELOPMENT OF STRUCTURAL SUPERCAPACITOR USING RED MUD-BASED CEMENTITIOUS COMPOSITE AS AN ELECTROLYTE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis - Zakaria Nor.pdf Restricted to Repository staff only until 16 May 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

يظل التخلص من الطين الأحمر (RM)، وهو مادة النفايات الناتجة عن صناعة الألومنيوم، مصدر قلق بيئي عالمي بسبب قلويته العالية وحجم جزيئاته الأصغر، والتي لديها القدرة على تلويث الهواء والتربة والماء. في الآونة الأخيرة، بُذلت جهود لتطوير استراتيجية لإعادة استخدام المنتجات الثانوية الصناعية، مثل RM، وتحويل النفايات إلى منتجات ذات قيمة مضافة. تمت مناقشة استخدام RM باعتباره (1) مادة أسمنتية تكميلية للبناء ومواد البناء، مثل الأسمنت والخرسانة والطوب والسيراميك والجيوبوليمرات، و(2) كمحفز تمت مناقشته في هذه المراجعة. علاوة على ذلك، تمت مناقشة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والمعدنية والهيكلية والحرارية لـ RM، بالإضافة إلى تأثيرها البيئي، في هذه المراجعة أيضًا. ومن الممكن أن نستنتج أن استخدام RM في صناعات الحفز والأسمنت والبناء هو الطريقة الأكثر فعالية لإعادة تدوير هذا المنتج الثانوي على نطاق واسع. ومع ذلك، يمكن أن تعزى الخصائص الأسمنتية المنخفضة لـ RM إلى انخفاض الخواص الطازجة والميكانيكية للمركبات التي تتضمن RM. من ناحية أخرى، يمكن استخدام RM كمحفز فعال فعال لتجميع الجزيئات العضوية وتقليل تلوث الهواء، الأمر الذي لا يستفيد من النفايات الصلبة فحسب، بل يخفض أيضًا سعر المحفز. توفر المراجعة معلومات أساسية عن توصيف RM ومدى ملاءمتها لمختلف التطبيقات، مما يمهد الطريق لمزيد من الأبحاث المتقدمة حول التخلص المستدام من نفايات RM. كما يتم تناول وجهات النظر البحثية المستقبلية حول استخدام RM. يتكون المكثف الأساسي من لوحين موصلين مغمورين في محلول كهربائي وسطح عازل بينهما. تمتلك هذه الصفائح شحنات مختلفة؛ أحدهما سلبي والآخر إيجابي. يكتسب الأول شحنات موجبة من المحلول الكهربائي عندما يتم تطبيق جهد عبر المكثف، في حين تكتسب اللوحة الموجبة أيونات سالبة. ينتج عن الانفصال والشحنات في المكثف مجالًا كهربائيًا، والذي يشحن المكثف. وذلك لأن المادة العازلة تمنع حركة الإلكترونات. عند الضرورة، قد تقوم اللوحتان بتوصيل زوج الشحنات هذا على الفور بعد الحفاظ عليهما لفترة طويلة. المكثفات الفائقة هي مكثفات بسيطة ذات سعات تخزين شحن هائلة بشكل لا يصدق. أصبحت فكرة المكثفات الفائقة أكثر أهمية عند النظر في الارتفاع العالمي في الطلب على الطاقة، والاستنزاف السريع لإمدادات الطاقة غير المتجددة، والقضايا البيئية مثل تغير المناخ والاحتباس الحراري. ولهذه الأسباب، فإن استغلال مصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية يحظى باهتمام كبير على نطاق عالمي. بسبب كثافة الطاقة العالية، والسعة النوعية العالية، واستقرار الدورة المحسن، تبرز المكثفات الفائقة بين تقنيات تخزين الطاقة الأخرى كوحدات تخزين طاقة محمولة فعالة للغاية يمكن استخدامها لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية. إحدى مواد البناء التي يُعتقد أنها تمت دراستها في هذا العمل لتكون مرشحًا جيدًا لتصنيع المكثفات الفائقة هي بقايا البوكسيت أو الطين الأحمر (RM). يُنظر إلى المكثفات الفائقة الهيكلية (SSCs) المصنوعة من مواد البناء على أنها أجهزة واعدة لتطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق بسبب حجمها الهائل ومساميتها. ومع ذلك، نظرًا لأنه من الصعب الجمع بين كل من الأداء الكهروكيميائي والقدرة على التحمل للإلكتروليتات القائمة على مواد البناء، علاوة على ذلك، نظرًا لأن مواد الإلكترودات لا تزال بحاجة إلى الاستكشاف لتتناسب مع الإلكتروليتات، فإن النقص في الإلكتروليتات ومواد الإلكترودات المرغوبة يعيق التطور السريع للمكثفات الفائقة الهيكلية. في هذا العمل تم اختبار ودراسة 5 عينات وهي عبارة عن مكثفات فائقة مصنوعة من 0%، 20%، 40%، 60% و80% من استبدال الرمل بواسطة RM. وأظهر إجراء الاختبارات الميكانيكية مثل مقاومة الانضغاط ومقاومة الشد المنفصل ومعامل المرونة أن الاستبدال الأمثل هو 20%. علاوة على ذلك، تم فحص المكثف الفائق المصنوع من استبدال RM بنسبة 20٪ من أجل تقييم أداء المكثف الفائق باستخدام تفريغ الشحنة الجلفانوستاتيكية (GCD)، قياس الجهد الدوري (CV)، التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) واختبارات الثبات الدوري.

English Abstract

The disposal of red mud (RM), a waste material generated by the aluminum industry, remains a global environmental concern because of its high alkalinity and smaller parti-cle size, which have the potential to pollute air, soil, and water. Recently, efforts have been made to develop a strategy for reusing industrial byproducts, such as RM, and turn-ing waste into value-added products. The use of RM as (i) a supplementary cementitious material for construction and building materials, such as cement, concrete, bricks, ce-ramics, and geopolymers, and (ii) a catalyst is discussed in this review. Furthermore, the physical, chemical, mineralogical, structural, and thermal properties of RM, as well as its environmental impact, are also discussed in this review. It is possible to conclude that using RM in catalysis, cement, and construction industries is the most efficient way to recycle this byproduct on a large scale. However, the low cementitious properties of RM can be attributed to a reduction in the fresh and mechanical properties of composites in-corporating RM. On the other hand, RM can be used as an efficient active catalyst to synthesize organic molecules and reduce air pollution, which not only makes use of sol-id waste but also lowers the price of the catalyst. The review provides basic information on the characterization of RM and its suitability in various applications, paving the way for more advanced research on the sustainable disposal of RM waste. Future research perspectives on the utilization of RM are also addressed. The most basic capacitor consists of two conducting plates submerged in an electrolyte and an insulating surface between them. These plates possess different charges; one is negative and the other is positive. The former acquires positive charges from the electro-lyte when a voltage is applied across the capacitor, whereas the positive plate acquires negative ions. The separation and the charges in the capacitor produce an electric field, which charges the capacitor. This is because the insulating material prohibits the move-ment of electrons. When necessary, the two plates may instantly deliver this pair of charges after maintaining them for a lengthy period. Supercapacitors are simple capaci-tors with incredibly enormous charge storage capacities. The idea of supercapacitors be-comes more relevant when considering the global rise in energy demand, the quick de-pletion of nonrenewable energy supplies, and environmental issues like climate change and global warming. For these reasons, the exploitation of unconventional renewable energy sources is of great interest on a global scale. Because of its high-power density, high specific capacitance, and improved cycle stability, supercapacitors stand out among other energy storage technologies as highly effective portable power storage units that may be used for a variety of applications, including consumer electronics and electric vehicles. One of the building materials that are thought and studied in this work to be a good candidate for supercapacitor manufacturing is bauxite residue or red mud (RM). Structural supercapacitors (SSCs) made of building materials have been viewed as promising devices for large-scale energy storage applications because of their enormous volume and porosity. However, because it is challenging to combine both electrochemi-cal performance with load-bearing capacity for building materials-based electrolytes, Moreover, because electrode materials still need to be explored to match the electro-lytes, the shortage of desirable electrolytes and electrode materials impedes the rapid development of Structural supercapacitors. In this work 5 samples were tested and stud-ied which are supercapacitors made of 0%, 20%, 40%, 60% and 80% replacement of sand by RM. Doing Mechanical tests such as compressive strength, split tensile strength and modulus of elasticity revealed that the optimum replacement was the 20%. So fur-ther the supercapacitor made with 20% RM replacement were investigated in order to assess the performances of the supercapacitor using Galvanostatic Charge Discharge (GCD), Cyclic voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Cyclic stability tests.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Electrical
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Ahmad, Shamsad
Committee Co-Advisor:	Abdul Aziz, Md
Committee Members:	Alosta, Mohammed and Algadhib, A.H. and Budaiwi, Ismail M.
Depositing User:	ZAKARIA NOR (g202001540)
Date Deposited:	16 May 2024 08:58
Last Modified:	16 May 2024 08:58
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142860