The Removal of Selected Emerging Contaminants from Groundwater Using Colloidal Activated Carbon (CAC). Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Report-FINAL-1.pdf Restricted to Repository staff only until 4 September 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقييم كفاءة مادة الكربون المنشط السائل (Colloidal Activated Carbon - CAC) التجارية في إزالة المواد الدوائية، وهي: كاربامازيبن (Carbamazepine)، لاموتريجين (Lamotrigine)، والكافيين (Caffeine)، من المياه الجوفية الملوثة. وقد تم التحقيق في هذه الدراسة من خلال سلسلة من التجارب المعملية على نظامي الدُفعات (Batch) والأعمدة ذات الطبقة الثابتة (Fixed-bed columns) تم دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للكربون المنشط السائل، بما في ذلك اللزوجة، وحجم الجسيمات، والشكل، وكيمياء السطح، والشحنة السطحية، والتراكيب العنصرية، والمساحة السطحية باستخدام تقنيات مختلفة مثل FTIR، SEM/EDX، Zeta Potential، وBET. أُجريت التجارب باستخدام مياه مقطرة بعد إضافة تراكيز محددة من المركبات الدوائية، عمود مملوء بالرمل وجرعات مختلفة من مادة الكربون المنشط السائل. تم قياس تركيزات المواد الصيدلانية قبل وبعد مرورها عبر العمود باستخدام HPLC. أُجريت تجارب الدفعات بإضافة 0.1 غرام و0.05 غرام من الكربون المنشط السائل في قوارير مخروطية سعة 100 مل بتركيز 20 ملغم/لتر من الادوية، تم تحريكها حتى الوصول إلى حالة التوازن. بينما دُرست عوامل الاعمدة الثابتة الأخرى، بما في ذلك معدل تدفق الماء وتركيز الأدوية وجرعة الكربون المنشط السائل ونوع الرمل وارتفاع العمود. أظهرت نتائج الدراسة أن الكربون المنشط السائل المستخدم في الدراسة يحتوي على نسبة كربون تبلغ حوالي 95.7% و4.3% بوتاسيوم. وأثبتت هذه الاختبارات أن الكربون المنشط السائل له شحنة سطحية سالبة بمساحة سطحية تبلغ 1112.24 متر مربع/غرام. تتراوح جزيئاته بين 6.68 و39.44 ميكروميتر. أظهرت تجارب الدفعات أن تأثير معدل التحريك ودرجة الحموضة والملوحة كان طفيفًا، حيث أظهرت الأدوية الثلاثة سلوكًا متشابهًا وبلغت التوازن بوقت قليل. أما التجارب العمودية الثابتة أظهرت أن أفضل ظروف إزالة للمستحضرات الدوائية كانت عند معدل تدفق 1 مل/دقيقة، وجرعة 2 جم من الكربون المنشط السائل، وتركيز أدوية 20 ملجم/لتر، وارتفاع عمود 10 سم، وخليط من نوع طبقة من رمل أوتاوا وحجر الكربونات. وُجد أن كفاءة الإزالة لأفضل الظروف تبلغ حوالي 44٪ مع وقت اختراق وتشبع عند 0.1 و0.85. علاوة على ذلك، تم تقييم النماذج الحركية في ظل ظروف مختلفة، وتبين أن أفضل نموذج مناسب هو Dose-Response Model. بناءً على النتائج التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة، تأكدت كفاءة الكربون المنشط السائل في المعالجة الموضعية للمياه الجوفية الملوثة بالمستحضرات الدوائية.

English Abstract

The main goal of this study is to assess the efficiency of a commercial colloidal activated carbon (CAC) material on the removal of selected pharmaceuticals, namely: Carbamazepine, Lamotrigine, and Caffeine, from contaminated groundwater was investigated through a series of lab-scale batch and fixed-bed column experiments. The physiochemical properties of the CAC, including viscosity, particle size, morphology, surface chemistry, surface charge, and elemental compositions, were studied using different techniques such as FTIR, SEM/EDX, Zeta potential, and BET. Samples of deionized water spiked with certain concentrations of the pharmaceuticals were run through a column filled with bed materials and various dosages of CAC materials. The concentrations of the pharmaceuticals before and after passing through the column were measured by high-performance liquid chromatography (HPLC). The batch experiments were conducted by adding 0.1 g and 0.05 g of CAC in 100 mL conical flasks with an initial pharmaceutical concentration of 20 mg/L, and stirring until equilibrium was reached. The effect of water chemistry, including stirring rate, pH, and salinity, was determined using the batch experiments, while the effects of other operational parameters, including water flow rate, initial concentration of pharmaceuticals, CAC dosage, bed type, and bed height, were investigated in the fixed-bed column experiments. Results of the study showed that the CAC used in the study has a carbon content of about 95.7% and 4.3% potassium. The zeta potential test proved that CAC has a negative surface charge with a surface area of 1112.24 m2/g. The CAC particles range between 6.68 and 39.44 µm. The batch experimental work showed an insignificant effect of stirring rate, pH, and salinity, as similar trends were found in all parameters for the 3 pharmaceuticals and reached equilibrium quickly. Fixed-bed column experimental work showed that the best removal conditions of the pharmaceuticals were at a flow rate of 1 mL/min, a dosage of 2 g CAC, an initial concentration of 20 mg/L, a bed height of 10 cm, and a bed type mixture of Ottawa sand and carbonate limestone. The removal efficiency of the best conditions was found to be around 44% with a breakthrough and saturation time at 0.1 and 0.85. Moreover, the breakthrough curves and kinetic models under different conditions were evaluated, and the best fit model was found to be the Dose-Response model. This work demonstrates the efficiency of the CAC for the in-situ remediation of groundwater contaminated with pharmaceuticals.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Research > Environment
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Tawabini, Bassam Shafiq
Committee Members:	Benaafi, Mohammed and Chanbasha, Basheer
Depositing User:	SHAHD ALGHAMDI (g202213100)
Date Deposited:	11 Sep 2025 05:14
Last Modified:	11 Sep 2025 05:14
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143696