Optimizing Column Adsorption for MTBE and BTEX Removal from groundwater using colloidal activated carbon. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Updated version of the thesis (the indentation problem in the LOF and LOT was solved)) MS Thesis Baqer Mohammad Al Mousa Final version 24 April 2025_.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 24 April 2026. Download (8MB)

Arabic Abstract

تعتبر حماية و/أو معالجة المياه الجوفية من أبرز التحديات التي تواجه الجهات المعنية بالمياه، وذلك بسبب التكاليف الباهظة التي تفرضها تقنيات المعالجة المختلفة. تهدف هذه الدراسة لاختبار استخدام مادة كربون منشّط سائلة (Colloidal Activated Carbon – CAC) لإزالة ملوثات عضوية من المياه الجوفية، تحديدًا مادة الـ ميثيل ثلاثي بيوتيل الإيثر(MTBE) ومواد البنزين والتلوين و إيثيل البنزين و الزايلين أو ما يعرف اختصارًا بالـ BTEXعلى النطاق المختبري وباستخدام عمود ذو مجال ثابت أو ما يعرف بالـ Fixed-bed column. تم خلال هذا البحث دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية لمادة الكربون المنشَّط السائلة باستخدام المعدات التالية : SEM / EDS ، و XRD، و FTIR، و zeta potential و BET. تقوم التجربة المستخدمة في هذا البحث على حقن كميات مختلفة من مادة الكربون المنشط السائلة في العمود، والذي يتم ملؤه إما بالرمل أو مادة الكربونات. العمود متصل بمضخة تنقل إليه المحلول الملوث بمعدل تدفق محدد. يتم خلال التجربة جمع العينات بعد مرورها عبر العمود في فترات زمنية مختلفة، ليتم بعدها تحليلها في جهاز الـ GC/MS وذلك لتحديد تراكيز مواد الـ MTBE والـ BTEX قبل وبعد التجربة. أظهرت نتائج هذا البحث بأنَّ مادة الكربون المنشط السائلة المستخدمة تحوي سطحًا بشحنة سالبة، ومساحة تبلغ m2/g 1160 . كما أظهرت نتائج جهاز الـ EDS بأنَّ تركيبة عناصر المادة المستخدمة هو كربون بنسبة تبلغ 99.24%. علاوة على ذلك فإنَّ حجم جزيئات مادة الكربون المنشط السائلة تتراوح ما بين 4.5- 21 µm. في الجهة الأخرى، أظهرت نتائج تجارب العمود بأنَّ امتصاص مادتي الـMTBE و الـ BTEX يتأثر بشكل كبير بكمية مادة الكربون المنشط السائلة و التراكيز الأولية للملوّثات و معدل التدفق. فيما كان تأثير الموصلية و نوع المادة التي تملأ العمود و طوله ضئيلًا. الظروف المثلى لعملية امتصاص الـMTBE على النطاق المختبري والتي أعطت أعلى نسب لكفاءات الامتصاص وقيم مرتفعة لسعة الامتصاص كانت: 2g من مادة الكربون المنشط السائلة، تركيز أولى لـMTBE يعادل 5000 µg/L ، معدل تدفق يساوي 1 ml/min باستخدام الرمل و طول 20 cm للعمود بموصلية تعادل 33850 μS/cm. في المقابل كانت الظروف المثلى لإزالة الـBTEX كالتالي: 2g من مادة الكربون المنشط السائلة ، تركيز أولى لـBTEX يعادل 6000 µg/L ، معدل تدفق يساوي 2 ml/min باستخدام الكربونات و طول 20 cm للعمود بموصلية تعادل 16400 μS/cm. تم كذلك تحديد حركية (kinetics) عملية الامتصاص ضمن الظروف المختلفة عبر ملائمة النتائج مع ثلاثة نماذج رياضية هي : (Adams-Bohart ، و Thomas ، و Dose-Response) وأظهرت النتائج أنَّ النموذج الذي أعطى الملائمة الأفضل كان نموذج Dose-Response. بناءً على النتائج المستخرجة، فإن مادة الكربون المنشَّط السائلة المستخدمة تعتبر جيدة للاستخدام كمادة امتصاص لإزالة مادتيْ الـ MTBE والـBTEX من المياه الجوفية الملوثة.

English Abstract

The protection and /or remediation of groundwater is a challenge to water authorities due to the high cost imposed by the various treatment technologies. This study aims to investigate the use of Colloidal Activated Carbon (CAC) material for the removal of organic contaminants particularly Methyl tertiary butyl ether (MTBE), Benzene, Toluene, Ethylbenzene and Xylene (BTEX) from contaminated groundwater using a lab-scale fixed-bed column setup. A full characterization of the CAC was performed using the Scanning electron microscope and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM/EDS), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Zeta potential and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analyzer. Different dosages of the CAC were loaded into a fixed bed column filled with sandstone and carbonate materials and connected to a pump that transfers contaminated solution to the column at a certain flowrate. Samples were collected at different time intervals after passing through the column, then analyzed using Gas chromatography–mass spectrometry (GC/MS) to determine the MTBE and BTEX concentrations before and after treatment. Results of the zeta potential analysis showed that the CAC used has a surface that is negatively charged, while the BET analysis revealed a specific surface area of 1160 m2/g. In addition, EDS results showed that 99.24% of the CAC composition is carbon and 0.76% is potassium. The size of CAC particles falls between 4.5 and 21 µm. The fixed -bed column experiments results showed that MTBE and BTEX adsorption is mostly affected by CAC dosage, initial contaminant concentrations, and flowrate. Conductivity, bed type, and bed height effects were minor. The optimum treatment conditions that gave maximum removal efficiencies and high adsorption capacities for MTBE were: CAC dosage of 2 g, initial concentrations of 5000 μg/L, flow rate of 1 mL/min, using sandstone bed type and bed height of 20 cm at a conductivity of 33850 μS/cm . Whereas that of BTEX was found to be at a CAC dosage of 2 g, with initial concentrations of 6000 μg/L, flow rate of 2 mL/min, using carbonate bed type and bed height of 20 cm at a conductivity of 16400 μS/cm. Furthermore, the experimental data at various conditions was fitted into various models (Adams-Bohart, Thomas and Dose-Response models), and the results showed that Dose-Response model gave the best fit. Based on the laboratory scale results, the used CAC showed that it is feasible to be used as an adsorbent to remediate GW from MTBE and BTEX.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Tawabini, Bassam Shafiq
Committee Members:	Mahmoud, Mohamed and Solling, Theis
Depositing User:	BAQER ALMOUSA (g201460680)
Date Deposited:	27 Apr 2025 05:23
Last Modified:	27 Apr 2025 05:23
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143342