ELECTROSTATIC AND STRUCTURAL DESIGN OF COVALENT ORGANIC FRAMEWORKS FOR HYDROPHILIC AND HYDROLYSIS-RESISTANT ATMOSPHERIC WATER HARVESTING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
![]() |
PDF
Master's Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 16 June 2026. Download (2MB) |
Arabic Abstract
تعرض هذه الرسالة دراسة حاسوبية شاملة تهدف إلى تحديد وتحسين الأطر العضوية التساهمية لاستخدامات في جمع مياه الغلاف الجوي. تُعد هذه الأطر من المواد نظرا لما تتمتع به من مزيج فريد من الاستقرار الكيميائي، والتنوع في التركيب، وسهولة التعديل، مما يسمح بتصميم دقيق على المستوى الواعدة للغاية في التقاط المياه ا الجزيئي، وارتفاع في المسامية، وقابلية لتعديل خصائص السطح، وهي جميعها صفات أساسية الامتصاص وفصل فعّال للماء في التطبيقات العملية. الحق لاجراء تحليل مفصل لأداء. وقد تم الاختيار بنا ًء على ثالثة ً بدأت الدراسة باستكشاف شامل لعشرين تركيبًا مرش ًحا من هذه الأطر، وتم اختيار ستة منها ا روابط مركزية تم اختيارها بعناية، ولكل منها خصائص إلكترونية وبنائية مميزة، وهي ثالثي (-4فورميل فينيل) بنزين ثالثي (-4فورميل فينيل) ترايزين ثالثي (-4فورميل فينيل) أمين استُخدمت هذه الروابط في بناء أطر تساهمية ترتبط بروابط إيمينية، وتُعتبر مناسبة جدًا لجمع المياه بسبب سهولة تصنيعها ومتانتها الكيميائية وإمكانية تعديلها بعد التركيب. ومن خلال تغيير الخصائص التركيبية والإلكترونية للروابط، تم إنتاج مجموعة متنوعة من الأطر، مما أتاح دراسة منهجية لتأثير تصميم الإطار على سلوك امتصاص الماء لتقييم أداء هذه األطر، تم إجراء حسابات فيزيائية دقيقة لتحسين شكلها الهندسي وتقييم مدى ثباتها البنيوي. وبعد ذلك، جريت أ محاكاة حاسوبية لتحديد كمية الماء التي يمكن امتصاصها في ظروف مختلفة من الرطوبة. وقد أظهرت النتائج معلومات مهمة حول الطاقة المرتبطة بامتصاص الماء، وكشفت عن عناصر تصميم معينة تزيد من قابلية امتصاص الماء وفعاليته. تُعد نتائج هذه الدراسة إضافة قيمة إلى مجال تطوير المواد المبتكرة لتقنيات المياه المستدامة. ومن خالل تقديم رؤية حاسوبية أداء هذه المواد، تدعم هذه الدراسة جهود الباحثين في تصميم وتجربة أطر فعّالة لجمع المياه من الجو، وتمثل التصاميم التي تم تحليلها هنا أسا ًسا لتجارب مستقبلية يمكن أن تسهم في تطوير حلول عملية وقابلة للتطبيق الاستعادة المياه في المناطق الجافة والمحرومة من مصادر المياه
English Abstract
This thesis presents a comprehensive computational study aimed at identifying and optimizing covalent organic frameworks (COFs) for atmospheric water harvesting (AWH). COFs, particularly those linked through imine bonds, have emerged as highly promising materials for water capture due to their unique combination of chemical stability, structural diversity, and ease of functionalization. These features allow for precise molecular engineering, high porosity, and tunable surface properties—qualities that are essential for efficient water adsorption and separation in real-world AWH applications. The study began with a broad exploration of 20 candidate COF structures, from which six were ultimately selected for in-depth modeling and performance analysis. The down-selection was guided by a focus on three strategically chosen linkers, each offering distinct electronic and steric properties: 1,3,5-Tris(4-formylphenyl)benzene 1,3,5-Tris(4-formylphenyl)triazine 1,3,5-Tris(4-formylphenyl)amine These linkers were used to construct imine-linked COFs, which are particularly attractive for water harvesting due to their straightforward synthesis, chemical robustness, and potential for postsynthetic modification. By varying the structural and electronic features of the central linkers, a range of COF architectures was generated, allowing for systematic investigation of how framework design influences water uptake behavior. To evaluate the performance of the selected COFs, Density Functional Theory (DFT) calculations were conducted to optimize the geometry and assess the structural stability of each framework. Following this, Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations were performed to quantify the water adsorption capacity under varying humidity conditions. The results provide critical insights into the thermodynamics of water uptake and identify specific design features that enhance water affinity and adsorption efficiency. The findings of this study make a valuable contribution to the growing field of COF-based materials for sustainable water technologies. By offering a computational perspective on material performance, this work supports the efforts of synthetic chemists seeking to fabricate and test high performing COFs for AWH. In particular, the frameworks examined here offer a blueprint for future experimental validation, paving the way toward scalable and practical solutions for water recovery in arid and water-stressed regions
Item Type: | Thesis (Masters) |
---|---|
Subjects: | Chemistry Research Physics |
Department: | College of Chemicals and Materials > Chemistry |
Committee Advisor: | Al-Betar, Abdulrahman |
Committee Co-Advisor: | Abdulazeez, Ismail |
Committee Members: | Peedikakkal, Abdulmalik |
Depositing User: | SALEH ALMUTAIRI (g201530590) |
Date Deposited: | 17 Jun 2025 05:58 |
Last Modified: | 17 Jun 2025 05:58 |
URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143542 |