Bentonite-modified Ultrafiltration Membranes for Oil-in-Water Emulsions Treatment. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master's Thesis) Full Thesis - Mohamad Ebrahim - Bentonite-modified UF Membranes for Oily Wastewater Treatment.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 10 December 2026. Available under License Creative Commons Attribution. Download (5MB)

Arabic Abstract

ينتج الماءُ الزيتي بكمياتٍ كبيرة في العديد من القطاعات الصناعية. وتُعَدُّ المعالجةُ السليمة لهذا الماء أمراً ضرورياً قبل تصريفه إلى البيئة لتجنّب التأثيرات البيئية والصحية الخطيرة. من بين أشكال المياه الزيتية المختلفة، تُعدّ المستحلبات الزيتية في الماء (O/W), والتي تتراوح أحجام قطراتها بين الميكرومتر والنانو متر, من أكثر الأنواع صعوبةً في المعالجة، إذ إنّ الطرق التقليدية الفيزيائية والكيميائية غالباً ما تكون غير فعّالة في تحقيق فصلٍ كافٍ. في هذا السياق، برزت تقنية الأغشية كأحد الحلول الواعدة لمعالجة هذه المستحلبات، لما تمتاز به من كفاءةٍ عالية وتشغيلٍ بسيط وخالٍ من المواد الكيميائية. ومع ذلك، تُعاني الأغشية من مشكلة التلوث (fouling) التي تؤدي إلى انخفاض التدفق وزيادة استهلاك الطاقة وتقليل عمر الغشاء التشغيلي. في هذه الدراسة، تم تعديل أغشية الترشيح الفائق (UF) المصنوعة من بولي إيثر سلفون (PES) باستخدام طين البنتونيت النانوي لتحسين خاصية التبلل (hydrophilicity) والنفاذية ومقاومة التلوث. تم إدخال البنتونيت بنسبٍ مختلفة في محلول الصب، وصُنعت الأغشية باستخدام تقنية الانعكاس الطوري (Phase Inversion). جرى توصيف الأغشية الناتجة باستخدام عدة تقنيات تحليلية تشمل مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وتحليل الجهد السطحي (Zeta Potential)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) المزود بتحليل طاقة التشتت للأشعة السينية (EDX) ورسم خرائط العناصر، إضافةً إلى قياسات زاوية تماس الماء (WCA) وزاوية تماس الزيت تحت الماء (UWOCA) وتحليل الكربون العضوي الكلي (TOC). أُجريت تجارب النفاذية تحت ضغوطٍ مختلفة ولأزمنةٍ متعددة لتقييم أداء الأغشية. أظهرت النتائج أن إدخال البنتونيت أدى إلى تحسينٍ واضح في خاصية التبلل والشحنة السطحية والثبات الحراري للأغشية. أظهر الغشاء الذي يحتوي على أعلى نسبة من البنتونيت (B4) أفضل أداء، حيث حقق تدفق ماءٍ نقي (PWF) مقداره 585 لتر/متر مربع/ساعة عند ضغط 4 بار، وتدفق مستحلب زيتي مقداره 231.3 لتر/متر مربع/ساعة عند نفس الضغط. كما أظهر الغشاء B4 خاصية تبلل فائقة (Superhydrophilic)، إذ انخفضت زاوية تماس الماء إلى صفر خلال دقيقة واحدة. تُعزى هذه التحسينات إلى تكوين طبقة ترطيب على سطح الغشاء وإلى الشحنة السالبة الناتجة عن البنتونيت، مما ساهم في تقليل ترسيب الزيت وتحسين استقرار التدفق بمرور الوقت. تُبرهن هذه الدراسة على أن طين البنتونيت يُعَدّ مادة مالئة نانوية فعّالة ومنخفضة التكلفة لتحسين الخصائص السطحية والأداء التشغيلي لأغشية الترشيح الفائق المصنوعة من بولي إيثر سلفون، مما يجعلها خياراً مستداماً وواعداً لمعالجة المياه الزيتية.

English Abstract

Oily wastewater is produced in large volumes across various industrial sectors. Effective treatment of this wastewater is essential prior to discharge to prevent severe environmental and health impacts. Among the different forms of oily wastewater, oil-in-water (O/W) emulsions, with droplet sizes in the micro- to nanometer range, pose the greatest treatment challenge, as conventional physicochemical methods are often ineffective in achieving satisfactory separation. Membrane filtration has emerged as a promising alternative due to its high efficiency, compact design, and chemical-free operation. However, membrane fouling is still a significant limit that reduces flux, increases energy consumption, and shortens membrane lifespan. In this study, polyethersulfone (PES)-based ultrafiltration (UF) membranes were modified with bentonite nanoclay (NC) to enhance hydrophilicity, permeability, and antifouling performance. Bentonite was incorporated into the casting solution at varying loadings and membranes were fabricated via the phase inversion process. The resulting membranes were systematically characterized using FTIR, TGA, XRD, zeta potential analysis, SEM with EDX and elemental mapping, as well as water contact angle (WCA), underwater oil contact angle (UWOCA), and TOC analyses. Permeation experiments were conducted under varying transmembrane pressures and operating times to evaluate membrane performance. Results revealed that the incorporation of bentonite significantly improved hydrophilicity, surface charge, and thermal stability. The membrane with the highest bentonite loading (B4) exhibited superior performance, achieving a pure water flux (PWF) of 585 LMH and an O/W emulsion flux of 231.3 LMH at 4 bars. Moreover, membrane B4 demonstrated superhydrophilicity, with the WCA decreasing to 0° within one minute. These improvements were ascribed to the formation of a hydration layer and the introduction of a negative surface charge by bentonite, both of which contributed to reduced oil fouling and improved flux stability. Overall, the study demonstrates that bentonite is an effective, low-cost nanofiller for improving the hydrophilicity, permeability, and antifouling properties of PES UF membranes, offering a sustainable pathway for efficient oily wastewater treatment.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Vohra, Muhammad
Committee Members:	Al-Suwaiyan, m.s and Baig, Umair
Depositing User:	MOHAMAD EBRAHIM (g202308810)
Date Deposited:	11 Dec 2025 11:06
Last Modified:	11 Dec 2025 11:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143781