Graphene/Zeolitic Imidazole Framework Nanocomposites For The Simultaneous Removal of Heavy Metals and Dyes From Wastewater. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PhD Dissertation Final Draft - Ahmed Ismail Adam.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 July 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تشكل المعادن الثقيلة والأصباغ في مياه الصرف خطرًا كبيرًا على صحة الإنسان والبيئة، مما يستدعي تطوير مواد امتزاز فعالة. وتُعد المواد الهجينة، مثل المركبات النانوية المكونة من أكسيد الجرافين وإطار الإيميدازولات الزيوليتي من الحلول الواعدة نظرًا لتكامل خصائصها البنيوية والوظيفية. في هذه الدراسة، تم تحضير مركب نانوي يتكوّن من بروميد سيتيل ثلاثي ميثيل الأمونيوم، أكسيد الجرافين، وإطار الإيميدازولات الزيوليتي-9، واستخدامه في إزالة أيونات الرصاص الثنائي، والكروم السداسي، وصبغة الميثيل أورانج من المحاليل المائية عبر الامتزاز. تم توصيف المركب المحضر باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، والتحليل الحراري الوزني، والمجهر الإلكتروني الماسح، حيث أكدت النتائج حدوث دمج فعّال للمكونات في إطار البنية البلورية، وزيادة الاستقرار الحراري، وظهور ملامح شكلية منتظمة. تم تحسين ظروف الامتزاز باستخدام منهجية الاستجابة السطحية، وأظهرت النتائج أن كتلة المادة الممتزة، وتركيز الملوث الابتدائي، ودرجة حرارة المعالجة، جميعها عوامل تؤثر بشكل كبير في سعة الامتزاز. كما أظهرت نمذجة الشبكة العصبية الاصطناعية دقة تنبؤية أعلى، مما يدل على كفاءتها في توصيف سلوك الامتزاز المعقد. أوضحت دراسات الإيزوثرم أن نماذج فريندلخ وريدليتش-بيترسون كانت الأنسب لوصف امتزاز الرصاص والكروم، مشيرة إلى امتزاز سطحي غير متجانس، في حين كانت نماذج لانغموير وريدليتش-بيترسون الأنسب لصبغة الميثيل أورانج، مما يدل على امتزاز أحادي الطبقة مع تغاير في توزيع المواقع النشطة. وقد بلغت السعات القصوى للامتزاز 1139.7 ملغم/غم للرصاص، و518.7 ملغم/غم للكروم، و1195 ملغم/غم للميثيل أورانج. بيّنت التحاليل الحركية أن نموذج أفرامي هو الأنسب لوصف امتزاز الرصاص والميثيل أورانج، مما يشير إلى حدوث العملية عبر عدة مراحل، بينما كان نموذج الرتبة الثانية الكاذبة هو الأفضل للكروم، مما يدل على تفاعل المادة الممتزة مع المواقع النشطة. أكدت الدراسات الديناميكية الحرارية أن امتزاز الرصاص والكروم كان تلقائيًا، ماصًا للحرارة، ومدفوعًا بالإنتروبيا، في حين أن امتزاز صبغة الميثيل أورانج كان تلقائيًا وطاردًا للحرارة مع انخفاض في العشوائية على واجهة التفاعل. شملت آليات الامتزاز تفاعلات التناسق الكيميائي في حالة الرصاص، والانجذاب الكهروستاتيكي وتكوين روابط تناسقية في حالة الكروم، وتفاعلات π–π، والانجذاب الكهروستاتيكي، والروابط الهيدروجينية في حالة الميثيل أورانج، مما يبرز فعالية وتعدد وظائف هذا المركب النانوي في تطبيقات معالجة مياه الصرف الصناعي.

English Abstract

Heavy metals and dyes in wastewater pose significant risks to human health and the environment, necessitating the development of effective adsorbents. Hybrid materials, such as graphene oxide/zeolitic imidazolate framework (GO/ZIF) composites, offer promising solutions due to their synergistic structural and functional properties. In this study, cetyltrimethylammonium bromide/graphene oxide/zeolitic imidazolate framework-9 (CTAB/GO@ZIF-9) nanocomposite was synthesized and applied for the adsorptive removal of lead (Pb²⁺), chromium (Cr(VI)), and methyl orange (MO) from aqueous solutions. The nanocomposite was characterized using XRD, FTIR, TGA, and SEM techniques, confirming the integration of CTAB/GO into the ZIF-9 framework, enhanced thermal stability, and well-defined morphological features. The adsorption processes were systematically optimized using Response Surface Methodology (RSM), revealing significant effects of adsorbent mass, initial pollutant concentration, and treatment temperature on the adsorption capacity for all three contaminants. Artificial Neural Network (ANN) modeling outperformed RSM in predictive accuracy, achieving R2 values of 0.975 for Pb2+, 0.9565, and 0.991 for MO, highlighting its effectiveness in capturing complex adsorption behavior. Isotherm studies revealed that the Freundlich and Redlich-Peterson models best described Pb2+ and Cr(VI) adsorption, indicating heterogeneous surface adsorption, while the Langmuir and Redlich-Peterson models provided the best fit for MO, suggesting monolayer adsorption with potential surface heterogeneity. The maximum adsorption capacities were 1139.7 mg/g for Pb2+, 518.7 mg/g for Cr(VI), and 1195 mg/g for MO. The kinetic analysis identified the Avrami model as the best fit for Pb2+ and MO, suggesting a multi-step process, while the pseudo-second-order model provided the best fit for Cr(VI), indicating adsorption governed by active site interactions. Thermodynamic studies confirmed that Pb2+ and Cr(VI) adsorption processes were spontaneous, endothermic, and entropy-driven, while MO adsorption was spontaneous and exothermic, with reduced randomness at the solid-liquid interface. The primary adsorption mechanisms included coordination interactions for Pb2+, electrostatic attraction and coordination bonding for Cr(VI), and π–π stacking interactions, electrostatic attraction, and hydrogen bonding for MO. These findings demonstrate that the CTAB/GO/ZIF-9 nanocomposite is a highly effective and versatile adsorbent, offering significant potential for wastewater treatment applications.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Vohra, Muhammad
Committee Co-Advisor:	Onaizi, Sagheer
Committee Members:	Al-Suwaiyan, Mohammed and Chowdhury, Shakhawat and Tawabini, Bassam Shafiq
Depositing User:	AHMED ADAM (g201704750)
Date Deposited:	03 Jul 2025 08:44
Last Modified:	03 Jul 2025 08:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143593