Concurrent Organic Dyes Removal from Wastewater and Hydrogen Sulfide Capture from Natural Gas Using Submerged Ceria Nanotubes/Zeolitic Imidazolate Framework Nanocomposites. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis_202391310_final.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تُعدّ المعالجة المتزامنة لمياه الصرف والغاز الطبيعي الحمضي موضوعًا حاسمًا لكنه غير مستكشف ضمن إطار ترابط المياه‑الطاقة. إن تطوير عمليات ومواد تُمكِّن من مثل هذه المعالجة في وقت واحد سيؤدي إلى وفورات كبيرة مقارنةً بمعالجة هذين التيارين من الملوثات على نحوٍ منفصل. وبناءً على ذلك، يقدّم هذا البحث - ولأول مرة - تطوير وحدة تشغيل واحدة قادرة على إزالة الأصباغ من المياه الملوّثة وإزالة كبريتيد الهيدروجين (H2S) من الغاز الطبيعي الحمضي بالتزامن. تحديدًا، جرى بعثرةُ متراكباتٍ نانويةٍ متعددة الوظائف من أنابيب السيريا النانوية/إطار الإيميدازول الزيوليتي‑8 (CeNTs@ZIF‑8) وأنابيب السيريا النانوية/إطار الإيميدازول الزيوليتي‑67 (CeNTs@ZIF‑67) في مياه ملوثة محمّلة بالأصباغ داخل مفاعل خزان مستمر التحريك (CSTR)، مع ضخّ غاز طبيعي حمضي يحتوي على H2S عبره. تمت توليف المادتين النانويتين بطريقة التحضير المائي (Hydrothermal)، وتوصيفهما على نحوٍ شامل باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وتحليل مساحة السطح بطريقة بروناور- إمرت- تلر (BET) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لتحديد درجة التبلور وخصائص الروابط والمسامية والسمات المورفولوجية، قبل تطبيقهما في المعالجة المتزامنة للمياه الملوثة والغاز الطبيعي. وقبل التجارب المتزامنة، جرى تقييم أداء المتراكبين في التقاط H2S من الغاز الطبيعي في غياب ملوّثات الماء، وكذلك إزالة ملوّثات الماء (أي الأصباغ) في غياب H2S. أظهرت النتائج أن CeNTs@ZIF‑8 حقق سعات لالتقاط H2S بلغت 104.7 مغ/غ عند نقطة الاختراق و140.0 مغ/غ عند الإشباع (ما يعادل 52.36 و70.99 مغ/لتر على التوالي)، في حين وصلت سعات CeNTs@ZIF‑67 إلى 226.9 و289.5 مغ/غ (ما يعادل 113.5 و144.8 مغ/لتر)، متفوّقةً بوضوح على أداء العديد من المواد الملتقِطة التقليدية. كذلك، وفي غياب H2S، بلغت إزالة الميثيلين الأزرق (MB) والفوشين القاعدي (BF) والكريستال فايلِت (CV) على الترتيب 23% و96.3% و83% لمركّب CeNTs@ZIF‑8، و18.9% و89.2% و99.1% لمركّب CeNTs@ZIF‑67. في العملية المتكاملة (المتزامنة)، كشفت تآثرات الأصباغ مع H2S عن تآزرات ومفاضلات بين الملوّثات تعتمد على معدن الإطار المستخدم. فعلى سبيل المثال، مع CeNTs@ZIF‑8 حسَّن MB التقاطَ H2S قليلًا؛ غير أن إزالة MB بوجود H2S ازدادت بنحو 400% مقارنةً بحال المعالجة في غياب H2S. أما BF فأحدث تحسّنًا طفيفًا (~2%) في التقاط H2S دون تغير يُذكر في إزالة BF، في حين سبّب CV انخفاضًا في التقاط H2S بينما ازدادت إزالته هو ذاته بنحو 9%. وبالمقابل، مع CeNTs@ZIF‑67 زاد MB التقاطَ H2S بنسبة 2%، كما حسَّن H2S إزالة MB بأكثر من خمسة أضعاف؛ بينما أنقص كلٌّ من BF وCV سعة H2S بمقدار 16% و5.5% على التوالي، ومع ذلك ازدادت إزالة BF بنسبة 10% واقتربت إزالة CV من إزالة اللون بالكامل (إزالة CV في غياب H2S 99.1%).

English Abstract

The simultaneous remediation of wastewater and sour natural gas presents a critical yet unexplored topic within the water-energy nexus framework. Developing processes and materials that could enable such simultaneous treatment would result in significant reductions in both operational costs and resource consumption relative to treating these waste streams separately. Accordingly, this research reports, for the first time, the development of a singular unit operation capable of simultaneously removing dyes from contaminated water and hydrogen sulfide (H2S) from sour natural gas. Specifically, multifunctional ceria nanotubes/zeolitic imidazolate framework-8 (abbreviated as CeNTs@ZIF-8) and ceria nanotubes/zeolitic imidazolate framework-67 (abbreviated as CeNTs@ZIF-67) nanohybrids are dispersed in dye-laden wastewater contained within a continuously stirred tank reactor (CSTR) through which sour natural gas containing H2S is pumped. CeNTs@ZIF-8 and CeNTs@ZIF-67 were synthesized using a hydrothermal method and comprehensively characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and transmission electron microscopy (TEM) to ascertain crystallinity, bonding characteristics, porosity, and morphological attributes, before applying them for the concurrent wastewater and natural gas treatment. Prior to the concurrent treatment, the performance of the nanocomposites in scavenging H2S from natural gas in the absence of water pollutants and the removal of water pollutants (i.e., dyes) in the absence of H2S was evaluated. The results revealed that CeNTs@ZIF-8 exhibited H2S scavenging capacities of 104.7 mg/g at breakthrough and 140.0 mg/g at saturation (correspondingly 52.36 and 70.99 mg/L), while CeNTs@ZIF-67 attained capacities of 226.9 mg/g and 289.5 mg/g (equivalently 113.5 and 144.8 mg/L), significantly surpassing the performance of numerous conventional scavengers. Additionally, in the absence of H2S, the removal of methylene blue (MB), basic fuchsin (BF), and crystal violet (CV) were 23%, 96.3%, and 83% for CeNTs@ZIF-8, and 18.9%, 89.2%, and 99.1% for CeNTs@ZIF-67, respectively. In the combined (simultaneous) process, the interaction between the dyes and H2S unveiled pollutant-pollutant synergies and trade-offs that were contingent upon the specific framework metal utilized. For instance, in the case of CeNTs@ZIF-8, MB enhanced H2S capture slightly; however, MB removal in the presence of H2S increased by about 400% relative to the case when the treatment was conducted in the absence of H2S. On the other hand, BF resulted in a marginal 2% enhancement in H2S uptake without any notable alteration in BF removal, while CV exhibited a reduction in H2S scavenging, while its own removal increased by approximately 9%. Conversely, for CeNTs@ZIF-67, MB enhanced H2S capture by 2%, and H2S significantly improved MB removal by more than fivefold; BF and CV both diminished H2S capacity by 16% and 5.5 % respectively, yet BF removal exhibited a 10% increase and CV removal approached complete decolorization (CV removal in the absence of H2S is 99.1%). Collectively, the findings substantiate a proof-of-concept for integrated gas-liquid remediation within a single CSTR employing submerged CeNTs/ZIF nanocomposites.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Onaizi, Sagheer
Committee Members:	Malaibari, Zuhair and Abo-Ghander, Nabeel
Depositing User:	MAHMOUD ALMAKHADMEH (g202391310)
Date Deposited:	28 Dec 2025 11:55
Last Modified:	28 Dec 2025 11:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143913