Covalent Organic Framework (COF) Based Membranes for Desalination and Boron Removal. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Umar_Nuhu_Thesis(202216620).pdf Restricted to Repository staff only until 26 May 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

يُظهر إدخال قنوات أيونية منتظمة البنية وانتقائية في طبقة البولي أميد (PA) لأغشية التحلية بالتناضح العكسي (RO) أثناء البلمرة البينية (IP) وعداً كبيراً في تعزيز تأثيري دونان والاستبعاد الحجمي، مما يؤدي إلى تحسين الأداء. في هذا البحث، نقترح طريقة جديدة لتخليق صفائح نانوية من إطار عضوي تساهمي قابل للذوبان في الماء يحتوي على مجموعات حمض السلفونيك (SA-COF) بشكل سريع، ودمجها أثناء عملية البلمرة البينية لضبط المجموعات الأيونية بدقة داخل طبقة البولي أميد. إن قابلية معالجة SA-COF وطبيعته المشحونة تعزز التوافق مع البولي أميد، مما يسمح بتحميل عالٍ (10% بالوزن) دون التأثير على سلامة الغشاء. بالإضافة إلى ذلك، أدى دمج SA-COF أثناء البلمرة البينية إلى أغشية بولي أميد ذات سماكة أقل، وكثافة شحنة سالبة أعلى، وزيادة في محبة الماء. ونتيجة لذلك، أظهرت أغشية البولي أميد التي تحتوي على 10% وزناً من SA-COF، والتي يشار إليها باسم PA-COF10، نفاذية ماء استثنائية (0.98 لتر/متر مربع·ساعة·بار)، متجاوزة الأغشية الأصلية (0.39 لتر/متر مربع·ساعة·بار)، مع الحفاظ على نسبة رفض تتجاوز 98% لكلوريد الصوديوم (NaCl). علاوة على ذلك، أظهرت أغشية PA-COF10 ثباتًا تشغيليًا ومقاومة ممتازة للتلوث، حيث سجلت معدل استعادة تدفق بلغ 93% بعد 35 دورة تلوث باستخدام ألبومين مصل البقر (BSA)، مقارنة بـ 63% فقط للأغشية الأصلية. كما تمت إضافة SA-COF بشكل منهجي إلى الدعامة الداعمة للغشاء لدراسة تأثيره على رفض البورون. وتم اختبار الأغشية المصنعة باستخدام تحميلات مختلفة من SA-COF تحت ظروف تشغيل متطابقة، حيث حققت نسبة رفض للبورون تقارب 86% عند تحميل أمثل يبلغ 7% وزناً. يمثل هذا التحسين التآزري في النفاذية ورفض الأملاح وإزالة البورون عبر دمج SA-COF المشحون نهجًا عمليًا وصديقًا للبيئة لتطوير أغشية تحلية متقدمة، مما يسهل إنتاج مياه نظيفة بسرعة.

English Abstract

Introducing well-structured and selective ionic channels into the polyamide (PA) layer of Reverse osmosis (RO) membranes during interfacial polymerization (IP) shows promise for boosting the Donnan and steric exclusion effects, thus enhancing performance. In this research work, we propose a novel method to rapidly synthesize water soluble sulfonic acid containing covalent organic framework (SA-COF) nanosheets and incorporated them during IP to precisely adjust ionic groups within the PA layer. The SA-COF's processability and charged nature enhance compatibility with PA, enabling a high loading (10 wt.%) without compromising membrane integrity. Additionally, SA-COF integration during IP results in PA membranes with reduced thickness, increased negative charge density, and increased hydrophilicity. Consequently, PA membranes containing 10 wt.% SA-COF, denoted as PA-COF10, demonstrated exceptional water permeance (0.98 L/m2·h·bar), surpassing pristine PA membranes (0.39 L/m2·h·bar), while maintaining over 98% rejection for NaCl. Moreover, PA-COF10 membranes exhibited outstanding operational stability and resistance to fouling. PA-COF10 membranes exhibited a flux recovery rate of 93% after 35 fouling cycles with bovine serum albumin (BSA), compared to only 63% for pristine membranes. SA-COF was also systematically added to the membrane support to investigate its influence on boron rejection. The membranes fabricated by varying the SA-COF loading were tested under identical operating conditions, achieving around 86% at an optimal loading of 7wt.%. This synergistic enhancement of permeance, salt rejection and boron removal through charged SA-COF integration offers a practical and eco-friendly approach for advanced desalination membrane development, facilitating rapid clean water production.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Zahid, Umer
Committee Co-Advisor:	Al-Jundi, Isam
Committee Members:	Antar, Mohamed Abdelkarim Mohamed and Ahmed, Usama and Khan, Niaz
Depositing User:	UMAR NUHU (g202216620)
Date Deposited:	26 May 2025 05:56
Last Modified:	26 May 2025 05:56
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143460