ENGINEERING OF RECYCLABLE 6FDA-BASED POLYIMIDE MEMBRANES FOR DESALINATION IN MEMBRANE DISTILLATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master's Thesis) MS_Thesis_Ameenu_final.pdf Restricted to Repository staff only until 27 May 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعد تحلية المياه وإعادة تدويرها حجر الزاوية المثالي منذ زمن بعيد لمواجهة التحدي الكبير المتمثل في ندرة المياه، من خلال توفير مياه آمنة ونظيفة، خاصة في المناطق التي يُعتبر فيها ماء البحر المصدر الرئيسي للمياه العذبة. يُعد التقطير الغشائي عملية تعتمد على الأغشية وقد حظيت باهتمام بحثي كبير. ومع ذلك، وعلى الرغم من تزايد الجهود البحثية لتطوير مواد أغشية مخصصة لتطبيقات التقطير الغشائي، لا تزال الجهود تتركز على تعديل الأغشية الحالية، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف ويثير القلق بشأن سمّية عوامل التعديل، وخصوصا المواد الفلوروألكيلية طويلة السلسلة والجسيمات النانوية . . توفر هندسة السطح إمكانيات كبيرة لتحسين خصائص وأداء الأغشية البوليمرية، وقد تم استكشاف العديد من طرق التعديل لهذا الغرض. ومع ذلك، فإن تعقيد هذه الطرق حدّ من تطبيقها العملي في تطوير الأغشية. في هذه الدراسة، قمنا بتطوير الأغشية بوليميد باستخدام 4,4 ′-)هكسافلوروأيزوبروبيلدين( أنهيدريد دي فثاليك وميتا -فينيلين دي أمين (6FDA-mPDA) لتحلية مياه عالية الملوحة ) 70,000 جزء في المليون(، محققين خصائص محسّنة وأداءً عاليا لتطبيقات التقطير الغشائي . ونظراً لأن عملية الفصل الطوري غير المحفز (NIPS) تتسم بسرعة الخلط النسبي، فقد نتج عنها أغشية ذات مقطع عرضي إسفنجي )والذي يُعرف بمساهمته في مقاومة انتقال الكتلة(، بالإضافة إلى أسطح ناعمة ومسامية سطحية منخفضة. من بين أغشية NIPS ، أظهر الغشاء N_13 أفضل أداء، حيث بلغ التدفق الأقصى له 13.03 كجم/م ²/ساعة مع معدل رفض للأملاح ثابت بنسبة 99.98%. وبهدف تحفيز انقلاب طوري أبطأ وأكثر تجانسا وتحسين أداء أغشية البوليميد، قمنا بإدخال عملية بسيطة لهندسة السطح باستخدام فصل الطور المحفز بالبخا .كما درسنا تأثير تركيزات البوليمر ونوع البخار على بنية الغشاء وأدائه. وقد أدى التعريض لفترة طويلة لبخار الماء إلى إنتاج بنية مسامية مثالية. وعلى النقيض، فإن استخدام الإيثانول لتكوين بخار مزدوج )مع الماء( نتج عنه أغشية ذات مسامية أعلى ووقت تعريض أقصر .وقد تم اختيار الإيثانول كمذيب غير محبب نظراً لهذا التأثير. ومن المثير للاهتمام أن قابلية الغشاء للماء وزاوية التلامس قد تحسنت، كما ازدادت المسامية، وتحوّل التركيب السطحي والمقطعي من الشكل الإصبعي إلى الشكل الإسفنجي. ومن الجدير بالذكر أن الأغشية المُحضرة باستخدام بخار الإيثانول أظهرت خصائص استثنائية، حيث بلغت زاوية التلامس مع الماء (WCA) أقصاها عند 150 °، مع تدفق قدره 26.26 كجم/م ²/ساعة ونسبة رفض للأملاح بلغت 99.98 % في نظام التقطير الغشائي بالهواء الفاصل . وقد تم توصيف البُنى الناتجة للأغشية باستخدام تقنيات تحل يل سطحية متعددة، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية المشتتة للطاقة، والمجهر القوة الذرية . إن الجمع بين تقنية الطور المحفز بالبخار والبوليميدات المتقدمة يُظهر وعداً كبيراً في تطوير أغشية عالية الأداء لتطبيقات تحلية المياه .

English Abstract

Desalination and water recycling have long been identified as an ideal cornerstone to handle the major challenge of water scarcity by providing safe and clean water, especially in places where seawater is the major source of fresh water. Membrane distillation (MD) is a membrane-based process that has attracted huge research interest. However, despite growing research interest in developing membrane materials for MD applications, efforts remain focused on modifying existing membranes, which increases costs and raises concerns about the toxicity of modifying agents, particularly long-chain fluoroalkyl substances and nanoparticles. Surface engineering offers significant potential for enhancing the properties and performance of polymeric membranes. For this purpose, numerous methods of modification have been investigated. However, the complexity of these approaches has limited their practical application in membrane development. In this study, we developed polyimide membranes from 4,4′-(hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride and m-phenylenediamine (6FDA-mPDA) for desalinating highly saline water (70,000 ppm), achieving enhanced properties and performance for MD applications. Due to its relatively quick demixing process, NIPS generated membranes with a sponge-like cross-section (known to contribute to mass transfer resistance), smooth surfaces, and low surface porosity. Among the NIPS-based membranes, N_13 ultimately demonstrated the best performance, with a maximum flux of 13.03 kg m−2 h−1 and a consistent salt rejection of 99.98%. Additionally, to induce a slower and more uniform phase inversion and enhance the performance of the polyimide-based membranes, we introduced a straightforward surface engineering process employing vapor-induced phase separation (VIPS). Moreover, we investigated the influence of polymer concentrations and vapor type on membrane structure and performance. A prolonged exposure period produced the ideal membrane porosity with water vapor. In contrast, membranes with a higher porosity and a shorter exposure period were obtained by adding ethanol to form a binary non-solvent vapor, and this motivated the use of ethanol as the non-solvent. Interestingly, membrane hydrophobicity and permeability were improved, and membrane porosity was further increased in addition to changing the surface and cross-sectional structure from finger to sponge-like. Notably, membranes prepared using ethanol vapor exhibited exceptional characteristics, with the highest water contact angle (WCA) reaching 150° with a flux of 26.26 kg m-2 h-1 and a salt rejection of 99.98% in air gap membrane distillation. The resulting membrane morphologies were characterized using various surface analysis techniques, including scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray (EDX), and atomic force microscopy (AFM). The combination of VIPS with advanced polyimides holds promise for developing high-performance membranes for desalination applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Nabieh Baroud, Turki
Committee Co-Advisor:	Atif Abdulhamid, Mahmoud
Committee Members:	Ahmed Drmosh, Qasem and Sulaiman Falath, Wail and Umar Lawal, Dahiru
Depositing User:	AMEENU YAKUBU (g202214920)
Date Deposited:	28 May 2025 07:44
Last Modified:	28 May 2025 07:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143471