A Janus Type Engineered Surface Multiple Layer Membranes for High Saline Water Treatment Via Membrane Distillation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
![]() |
PDF
Thesis book final report (dgs correcttion)_submitted to E-print.pdf Restricted to Repository staff only until 15 June 2026. Download (8MB) |
Arabic Abstract
أدى النقص العالمي في المياه العذبة، الذي تفاقم بسبب تغير المناخ والنمو السكاني وتزايد الطلب على المياه، إلى جعل تقنيات التحلية ذات أهمية كبيرة لمعالجة المياه المستدامة. يعد التقطير الغشائي (MD) تقنية جذابة لتحلية المياه نظرًا لانخفاض استهلاكها للطاقة، خاصةً عند تشغيلها بمصادر الطاقة المتجددة. ومع ذلك، غالبًا ما ينطوي أداء الغشاء في التقطير الغشائي على مشكلات معينة، بما في ذلك انخفاض تدفق النفاذية، والتلبد المبكر للغشاء، وضعف استقرار الغشاء، خاصةً في معالجة المياه شديدة الملوحة. تعالج هذه الأطروحة هذه التحديات من خلال تصنيع أغشية متعددة الطبقات ذات الأسطح المهندسة من نوع جانوس، والمصممة لتعزيز كل من الأداء والمتانة في تطبيقات التقطير الغشائي. توفر أغشية جانوس، التي تتميز بوجود جانبين متميزين أحدهما كاره للماء والآخر محب للماء، حلاً واعدًا للمفاضلات الموجودة في الأغشية أحادية الطبقة. يمكن أن تساعد في التخفيف من التلبد مع الحفاظ على تدفق نفاذية عالٍ، ولكن التحدي المتمثل في ضمان الاستقرار على المدى الطويل لا يزال دون حل. في هذه الدراسة، في البداية، تم تصنيع أغشية جانوس معدلة من جانب واحد عن طريق الغزل الكهربائي لبوليمر فلوريد فينيليدين (PVDF-HFP) مع دمج جزيئات السيليكا النانوية لإنشاء تدرج محب للماء على جانب واحد. أظهرت هذه الأغشية أداءً أوليًا جيدًا، مع تدفق مياه عالٍ ورفض جيد للأملاح، ولكنها أظهرت انخفاضًا كبيرًا في الاستقرار بعد حوالي 36 ساعة من التشغيل، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى مزيد من التحسينات. لتعزيز أداء غشاء جانوس، تم تصنيع غشاء ذي بنية مماثلة عن طريق التعديل المزدوج الجانبين باستخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs). تم تضمين الأطر المعدنية العضوية القائمة على الألومنيوم (MOFs-A) على الجانب الكاره للماء، والأطر المعدنية العضوية القائمة على النيكل (MOFs-B) في الجانب المحب للماء. أدى هذا التعديل إلى تحسين استقرار الغشاء، وتمديد عمر التشغيل إلى 60 ساعة. بالإضافة إلى ذلك، عززت الأطر المعدنية العضوية تدفق الأغشية نظرًا للتوافق الحراري الجيد داخل مصفوفة الغشاء. ومع ذلك، كشف الاختبار طويل الأمد لهذه الفئة من الأغشية عن حدوث انفصال بين الطبقات الكارهة للماء والمحبة للماء، مما أدى إلى المساس بمتانة الغشاء، مما جعل إعادة استخدام الغشاء أمرًا صعبًا. لمعالجة مشكلة التحلية هذه، تم تقديم إستراتيجية هندسة سطحية مبتكرة تحاكي آلية التصاق مماثلة جدًا لتلك الموجودة في الالتصاق من نوع أبو بريص، والتي وجد أنها تفاعل فيزيائي في الغالب دون تكوين روابط تساهمية. تم دمج طبقة مركبة محسنة من PVDF-HFP وجزيئات أكسيد النحاس (CuO) النانوية في الواجهة بين طبقات PVDF الكارهة للماء والبولي إيثرإيميد (PEI) المحبة للماء المصنعة عن طريق فصل الطور والغزل الكهربائي على التوالي. تم تصميم هذه الطبقة المركبة لتحسين الالتصاق بين الأسطح عن طريق محاكاة خصائص الالتصاق القوية الموجودة في أقدام أبو بريص، والتي تستخدم تفاعلات سطحية دقيقة ونانوية معززة بكل من قطبية السطح وقابليته للاستقطاب لتحقيق التصاق أفضل. أدى استخدام جزيئات أكسيد النحاس النانوية في الطبقة المركبة إلى تعزيز القوة الميكانيكية والمتطلبات الحرارية بشكل كبير، خاصة في الجانب المحب للماء، وبالتالي منع الانفصال وتحسين الاستقرار طويل الأمد للأغشية أثناء عمليات التقطير الغشائي. أظهر غشاء جانوس الناتج ذو طبقة الالتصاق تدفقًا عاليًا قدره 37.2 كجم م-2 ساعة-1 عند استخدامه في معالجة المحلول الملحي شديد الملوحة بتركيز 70,000 جزء في المليون وحوالي 39 كجم م-2 ساعة-1 عند اختباره في محلول ملحي بتركيز 35,000 جزء في المليون مع رفض فعال للملح بنسبة 99.98٪. من الناحية الهيكلية، لا يظهر على غشاء جانوس أي علامات للانفصال حتى بعد 60 ساعة من التقطير الغشائي، مما يضمن السلامة الهيكلية مع إمكانيات إعادة الاستخدام. تسلط النتائج الضوء أيضًا على دمج المواد المضافة الكارهة للماء في الطبقة النشطة لأغشية جانوس، نظرًا لتحقيق الأداء العالي من خلال تشكيل سطح PVDF. تمثل النتائج التي توصلت إليها هذه الأبحاث خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير أغشية جانوس متينة وعالية الأداء للتقطير الغشائي، وكذلك توفر آليات الالتصاق من نوع أبو بريص من هندسة الأسطح نهجًا قويًا للتغلب على قيود الانفصال في أغشية جانوس. توفر الاستراتيجيات المبتكرة التي تم تطويرها هنا مسارًا للجيل التالي من أغشية جانوس التي تتميز بالأداء العالي وطول العمر، مما يعالج التحديات الحرجة في تحلية المياه ومعالجة المي
English Abstract
The global freshwater scarcity, exacerbated by climate change, population growth, and the increasing demand for water, has made desalination technologies significant for sustainable water treatment. Membrane distillation (MD) is an attractive technique for desalination due to its low energy consumption, especially when powered by renewable energy sources. However, the performance of membrane in MD often derives certain issues including low permeate flux, early membrane fouling, and poor membrane stability especially in the treatment of hypersaline water. This thesis addresses these challenges by fabricating Janus-type engineered surface multilayer membranes designed to enhance both the performance and durability in MD applications. Janus membranes, characterized by having distinct hydrophobic and hydrophilic sides, offer a promising solution to the trade-offs in single-layer membranes. They can help mitigate fouling while maintaining high permeate flux, but the challenge of ensuring long-term stability remains unresolved. In this study, initially, one-sided modified Janus membranes were fabricated via electrospinning polyvinylidene fluoride (PVDF-HFP) with incorporated silica nanoparticles to create a hydrophilic gradient on one side. These membranes exhibited good initial performance, with high water flux and salt rejection, but showed a significant reduction in stability after approximately 36 hours of operation, highlighting the need for further improvements. To enhance performance of the Janus membrane, similar structured membrane was fabricated by double sided modification with metal-organic frameworks (MOFs). Aluminum-based MOFs (MOFs-A) were embedded on the hydrophobic side, and nickel-based MOFs (MOFs-B) into the hydrophilic side. This modification improved membrane stability, extending operational life to 60 hours. Additionally, the MOFs enhanced the membranes' flux attributed to the good thermal compatibility within the membrane matrix. However, long-term testing of this membrane category revealed delamination between the hydrophobic and hydrophilic layers, which compromised the membrane’s durability, rendering membrane reusability difficult. To address the issue of this desalination, a novel interfacial engineering strategy was introduced mimicking a very similar adhesion mechanism as that in gecko-type adhesion which was found to be predominantly physical interaction without formation of covalent bonds. An optimized composite layer of PVDF-HFP and copper oxide (CuO) nanoparticles was incorporated at the interface between the hydrophobic PVDF and hydrophilic polyetherimide (PEI) layers fabricated via phase separation and electrospinning respectively. This composite layer was designed to improve the interfacial adhesion by mimicking the strong adhesive properties found in gecko feet, which use micro- and nanoscale surface interactions strengthen by both surface polarity and polarizability to achieve better adhesion. The use of CuO nanoparticles in the composite layer significantly enhanced mechanical strength and thermal requirement especially at the hydrophilic side, thus preventing delamination and improving the long-term stability of the membranes during MD operations. The resulting Janus membrane with the adhesion layer showed a high flux of 37.2 Kgm-2h-1 when used in treating hypersaline brine of 70,000 ppm and ~39 Kgm-2h-1 when tested in 35,000 ppm saline with effective saline rejection of 99.98%. Structurally, the Janus membrane shows no signs of delamination even after 60 hours of MD ensuring structural integrity with reusable potentials. The findings also underscore the incorporation of hydrophobic additives in the active layer of Janus membranes considering that high performance was achieved with texturing of the PVDF surface. The findings from this research represent a significant step forward in the development of durable, high-performance Janus membranes for MD and as well, the gecko-type adhesion mechanisms from surface engineering provide a robust approach to overcoming the limitations of delamination in Janus membranes. The innovative strategies developed here offer a pathway for the next generation of Janus membranes that are both high-performing and long-lasting, addressing critical challenges in desalination and water treatment.
Item Type: | Thesis (Masters) |
---|---|
Subjects: | Engineering |
Department: | College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering |
Committee Advisor: | Turki, Baroud Nabieh |
Committee Members: | Drmosh, Qasem and Umar, Dahiru Lawal and Sulaiman, Wael Fallath and Mahmoud, Atif Abdulhamid |
Depositing User: | AMINU DOGUWA (g202214300) |
Date Deposited: | 15 Jun 2025 07:42 |
Last Modified: | 15 Jun 2025 07:42 |
URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143526 |