SURFACE-ENGINEERED JANUS MEMBRANES: DUAL APPROACHES FOR HIGH PERFORMANCE WATER DESALINATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis_MD. EMDAD HOSSAIN_g202215820.pdf Restricted to Repository staff only until 26 May 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعد عملية التقطير الغشائي تقنية ناشئة لتحلية المياه تعتمد على الطاقة الحرارية، وتستغل فروق درجات الحرارة لاستخلاص المياه العذبة من مصادر المياه شديدة الملوحة والمياه الملوثة. ومع ذلك، يظل تحسين انتقال البخار عبر سطح الغشاء مع تقليل الفقد الحراري تحديًا بالغ الأهمية. في هذه الدراسة، قمنا بتطوير وتصنيع نوعين من أغشية جانوس عالية الأداء ذات طبيعتين مختلفتين للسطح: أغشية نانوية ليفية ثنائية الطبقة مُحضَّرة بتقنية الغزل الكهربائي، وأغشية PVDF مُحضَّرة بتقنية قلب الطور ومُرَسَّعة بأكسيد الزنك باستخدام الترسيب بالرش الكاثودي. يتميز كلا النوعين بخاصية ترطيب متباينة وعالية، مما يُمكِّن من انتقال بخار الماء بشكل مُوَجَّه عبر المسام النانوية للغشاء. صُنعت الأغشية المغزولة كهربائيًا بطبقة علوية مُدْمَجة من ألياف الكربون النانوية الكارهة للماء والمقاومة للبلل، وطبقة سفلية مُدْمَجة بالكربون الحيوي المحب للماء. أظهر هذا النوع من الأغشية تدفقًا مائيًا فائقًا، يتجاوز ضعف تدفق أغشية PVDF-co-HFP النقية، مع الحفاظ على معدل رفض للأملاح يقارب 100%. كما أظهرت هذه الأغشية استقرارًا تشغيليًا طويل الأمد عند اختبارها في معالجة مياه البحر، حيث أظهرت تدفقًا فائقًا في الظروف القاسية التي تتسم بوجود مكونات التلوث والترسبات الكلسية. وبالمثل، تم تعديل أغشية قلب الطور عن طريق ترسيب طبقة رقيقة من أكسيد الزنك على الطبقة السطحية لأغشية PVDF باستخدام تقنية الرش الكاثودي، مما أدى إلى تكوين واجهة جانوس قوية وغير قابلة للانفصال. أظهرت الأغشية المُرَسَّعة بأكسيد الزنك تحسنًا ملحوظًا في التدفق مقارنة بأغشية PVDF غير المعدلة، وأبدت متانة ممتازة وسلوكًا مقاومًا للبلل واستقرارًا أثناء التشغيل لفترات طويلة. تسلط الاستراتيجيات المشتركة لدمج مواد كربونية متباينة، والتحكم في طاقة السطح، والمحاذاة الهيكلية للأغشية الضوء على مسار جديد وقابل للتطوير لتصنيع أغشية جانوس من الجيل التالي ذات إمكانات قوية لتحلية المياه وإدارة المحاليل الملحية عالية التركيز.

English Abstract

Membrane distillation is an emerging thermally driven desalination process that utilizes low-grade heat to recover fresh water from hypersaline and contaminated sources. However, enhancing vapor transport through the membrane surface while minimizing heat loss remains a critical challenge. In this study, we strategically developed two types of high-performance Janus membranes—electrospun dual-layer nanofibrous membranes and ZnO-sputtered phase inversion PVDF membranes—each demonstrating asymmetric wettability to enable directional vapor transport throughout the membrane’s pore. The electrospun membranes were fabricated with a hydrophobic carbon nanofiber integrated top layer and a hydrophilic biomass-derived carbon incorporated bottom layer, demonstrating superior water flux—more than twice that of pristine PVDF-co-HFP membranes—while maintaining nearly 100% salt rejection. The developed membranes demonstrated long-term operational stability in real seawater, exhibiting superior flux in harsh conditions under scaling and fouling conditions. Similarly, phase inversion membranes were modified by sputtering a thin ZnO layer onto the skin layer of PVDF membranes, creating a robust Janus interface without the risk of delamination. The ZnO sputtered membranes exhibited significant improvement in flux compared to unmodified PVDF membranes and showed excellent durability and anti-wetting behavior under high salinity and prolonged operation. The combined strategies of distinct carbonaceous materials integration, surface energy tuning, and structural alignment highlights a scalable route for fabricating next-generation Janus membranes with strong potential for advanced desalination and hypersaline brine management.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Baroud, Turki Nabieh
Committee Co-Advisor:	Drmosh, Qasem Ahmed
Committee Members:	Aziz, Md Abdul and Lawal, Dahiru Umar and Alam, Fahad
Depositing User:	MD. EMDAD HOSSAIN (g202215820)
Date Deposited:	26 May 2025 06:20
Last Modified:	26 May 2025 06:20
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143458