Design of metal-organic framework materials and their utilization in thin film nanocomposite membranes for water desalination. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS thesis - Abdullateef.pdf Restricted to Repository staff only until 26 June 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعد تراكم الملوثات على الأغشية والمفاضلة بين النفاذية ومعدل الرفض من العوامل التي تحد من كفاءة أغشية التناضح العكسي والتناضح النانوي. وقد حظيت التطورات الحديثة في استخدام الأطر المعدنية العضوية ثنائية الأبعاد (MOFs) في تصنيع أغشية نانوية رقيقة مركبة (TFN) باهتمام كبير. وتوفر المواد ثنائية الأبعاد من نوع MOF، وخصوصًا الألواح النانوية، مزايا كبيرة في تحسين التوافقية وأداء الترشيح في أغشيةTFN بفضل سمكها النانوي، ومساحتها السطحية العالية، وإمكانية تعديل مجموعاتها الوظيفية، وخصائص المسام القابلة للتعديل. وقد تم تطوير إطار معدني عضوي آخر يعتمد على الفضة، يتميز بالمسامية الداخلية العالية، والمساحة السطحية الكبيرة، وخصائص مقاومة التلوث، بفضل الخصائص المضادة للبكتيريا للفضة، وتم دمجه في الطبقة النشطة المصنوعة من البولي أميد ضمن غشاء رقيق مركب لتحسين مقاومته للتلوث وخصائص الترشيح. لذلك، هدفت هذه الدراسة إلى تصنيع ألواح نانوية من MOF ثنائية الأبعاد عبر تقشير نظيرها ثلاثي الأبعاد المكوّن من طبقات مرتبة. ثم تم تعديل طبقة الفصل المصنوعة من البولي أميد (PA) في الأغشية الرقيقة المركبة (TFC) من خلال دمج تراكيز مختلفة من الألواح النانوية ثنائية الأبعاد القائمة على النيكل المحبة للماء خلال عملية البلمرة البينية، وذلك لإنتاج أغشية TFN عالية الأداء لتحلية المياه باستخدام التناضح العكسي (RO). وقد أظهرت الأغشية المعدلة من نوع TFN تحسنًا في نفاذية المياه النقية (التدفق) مع الحفاظ على معدلات رفض ممتازة للأملاح الأحادية والثنائية التكافؤ، فكان تدفق المياه أعلى بحوالي (50%) مقارنة بغشاء TFC غير المعدل، مع تجاوز معدلات رفض الأملاح نسبة .(95%) كما أظهر غشاء TFN المعدل خصائص ممتازة لمقاومة التلوث تجاه ملوّث بروتيني متمثل في ألبومين مصل البقر (BSA) بتركيز 200 جزء في المليون، كما يتضح من نسبة استعادة تدفق الماء العالية التي بلغت(91.7%) . وبالتالي، فإن النهج الحالي لتعديل الطبقة النشطة المصنوعة من البولي أميد في أغشية التناضح العكسي TFC باستخدام صفائح نانوية ثنائية الأبعاد من الأطر المعدنية العضوية (MOFs) يُعد نهجًا فعالًا وكفؤًا في تصنيع أغشية تناضح عكسي عالية الأداء. بعد ذلك، تم استخدام مركب الفضة المعدني العضوي (silver-MOF) المُركب لتعديل الطبقة الكثيفة من البولي أميد (PA) في غشاء النانوترشيح. وقد أظهرت الأغشية المعدلة من نوع TFN تحسناً في نفاذية الماء النقي (التدفق) بحوالي 50%، مع الحفاظ على قدرة ممتازة في رفض الأملاح، لا سيما أملاح الكلوريد، مع انخفاض طفيف في كفاءة رفض أملاح الكبريتات مقارنة بالغشاء الأصلي. كما أظهر الغشاء المعدل من نوع TFN خصائص ممتازة في مقاومة التلوث ضد ملوث بروتيني من ألبومين مصل البقر (BSA) بتركيز 200 جزء في المليون، ويتجلى ذلك في نسبة استعادة تدفق الماء العالية والتي بلغت 93.3%. ولذلك، فإن الطريقة الحالية لتعديل الطبقة الفعالة من البولي أميد في أغشية TFC RO باستخدام جسيمات نانوية من مركب الفضة المعدني العضوي قد تكون فعالة وكفؤة في تصنيع أغشية نانوترشيح عالية الأداء. وأشارت الاختبارات المستمرة لتقييم استقرار الغشاء باستخدام محلول NaCl بتركيز 2000 جزء في المليون إلى أن الأغشية المعدلة من نوع TFN استمرت في العمل بثبات لمدة 48 ساعة.

English Abstract

The trade-off between selectivity and permeance and the fouling of thin-film composite membranes limits the efficiency of nanofiltration and reverse osmosis processes. The recent development of two-dimensional metal-organic frameworks (MOFs) for fabricating thin film nanocomposite (TFN) membranes has received substantial interest. The 2D-MOF materials, especially nanosheets, offer advantages in enhancing the compatibility and filtration performance of the TFN membrane due to their nanometer-sized thickness, high surface area, modifications in functional groups, and tunable pore structure properties. Another silver-based metal-organic framework was developed with intrinsic porosity, high surface area, and anti-fouling properties. The silver MOF was incorporated into the polyamide (PA) separation layer of a TFC membrane to utilize the antibacterial activity of the silver metal center, improving the membrane fouling resistance and filtration properties. Therefore, the study aimed to synthesize a 2DMOF nanosheet by exfoliating its 3D pillared layer MOF counterpart. Following this, we modified the PA separation layer of TFC membranes by incorporating various concentrations of the hydrophilic 2D nickel-based MOF nanosheet during interfacial polymerization, producing high-performing TFN membranes for reverse osmosis desalination. The tailored TFN membranes showed higher pure water flux and maintained great salt rejection rates for both monovalent and divalent salts (water flux was about 50% greater than that of the pristine TFC membrane, with salt rejections exceeding 95%). The tailored TFN membrane demonstrated remarkable fouling resistance against a 200 ppm bovine serum albumin (BSA) protein foulant, evidenced by a substantial water flux recovery ratio of 91.7%. Therefore, this current approach of modifying the PA active layer of TFC RO membranes with 2D MOF nanosheets effectively and efficiently produces RO membranes with remarkable performance. Subsequently, the synthesized silver-MOF was utilized to modify the dense PA layer of a nanofiltration membrane. The modified TFN membranes demonstrated an improved pure water permeability (flux) of approximately 50%, while maintaining excellent salt rejection, particularly for chloride salts, and exhibited a slight reduction in sulfate salts rejection compared to the virgin membrane. The modified TFN membrane displayed excellent anti-fouling characteristics against a 200 ppm bovine serum albumin (BSA) protein foulant, evidenced by its substantial water flux recovery ratio of 93.3%. Therefore, the current approach of modifying the PA active layer of TFC RO membranes with silver-based MOF nanoparticles can be effective and efficient in fabricating high-performance NF membranes. Continuous tests to assess the stability of the membrane with a 2000 ppm NaCl feed indicated that the modified TFN membranes continued to operate consistently for 48 hours.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Fallatah, Wael Sulaiman
Committee Members:	Baroud, Turki Nabieh and Alam, Fahad and Helal, Aasif and Abdul Hameed, Abdul Waheed
Depositing User:	ABDULLATEE DAUDA (g202214460)
Date Deposited:	29 Jun 2025 06:31
Last Modified:	29 Jun 2025 06:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143578