Application of ZIF-8@Zeolite Adsorbent for Wastewater Treatment. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Draft Sadique Khan Final.pdf Restricted to Repository staff only until 3 March 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

يشكّل التصريف العشوائي للأصباغ الصناعية في مجاري مياه الصرف الصحي تهديدًا خطيرًا للاستدامة البيئية وصحة الإنسان. ومن بين هذه الملوثات، تحظى صبغة رودامين 6G (Rh6G) باهتمامٍ متزايد نظرًا لاستخدامها الصناعي الواسع، وارتفاع ذوبانيتها في الماء، وطبيعتها المسرطنة. واستجابةً لذلك، تقترح هذه الدراسة استخدام مركب نانوي مبتكر مكوّن من الإطار الإيميدازولي الزيوليتي المدعّم بالزيولايت (ZIF-8@Zeolite) لإزالة رودامين 6G بكفاءة من الأوساط المائية. وقد تم توصيف المركب النانوي المحضّر باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح المزود بتحليل العناصر (SEM/EDX)، وذلك للتأكد من نجاح تكوين البنية، والمورفولوجيا السطحية، والاستقرار البنيوي للمادة. أظهرت تجارب الامتزاز الدفعي تحسنًا ملحوظًا في أداء إزالة رودامين 6G باستخدام مركب ZIF-8@Zeolite مقارنةً بكل من ZIF-8 والزيولايت منفردين. كما تم تحسين عملية الامتزاز باستخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) المعتمدة على التصميم المركزي المركب متمركز الأوجه، لدراسة التأثيرات المشتركة لجرعة الممتز، وتركيز الصبغة الابتدائي، وزمن التلامس. وقد تبيّن أن تركيز الصبغة الابتدائي هو العامل الأكثر تأثيرًا، يليه زمن التلامس ثم جرعة الممتز، حيث أسفرت الظروف المثلى عن تحقيق سعة امتزاز قصوى تجاوزت 515 ملغم/غم. وُصفت حركيات الامتزاز بشكلٍ أفضل بواسطة نموذج إيلوفيتش، مما يدل على أن عملية الامتزاز تخضع لامتزاز كيميائي على سطح غير متجانس، في حين أظهرت بيانات الاتزان توافقًا ممتازًا مع نموذجي لانكماير وريدليش–بيترسون، مما يشير إلى سلوك امتزاز أحادي الطبقة في الغالب. كما أكدت الدراسة الثرموديناميكية أن عملية الامتزاز تلقائية وملائمة من الناحية الحرارية. وأوضحت دراسة آلية الامتزاز أن قوى التجاذب الكهروستاتيكي، وتكدس π–π، والروابط الهيدروجينية تسهم مجتمعةً في إزالة الصبغة، مع سيادة تآثرات π–π. علاوةً على ذلك، تم توظيف تقنيات متقدمة في تعلم الآلة لتطوير نماذج ذكاء اصطناعي شملت الشبكات العصبية الاصطناعية (ANN)، والانحدار باستخدام آلات المتجهات الداعمة (SVR)، وخوارزمية الغابات العشوائية (RF)، وذلك للتنبؤ بدقة بإزالة رودامين 6G من المياه الملوثة باستخدام مركب ZIF-8@Zeolite. وأظهرت النتائج أن نموذج الغابات العشوائية قدّم أفضل أداء تنبؤي مقارنةً بالنماذج الأخرى، مما يبرز متانته ودقته في نمذجة العلاقات غير الخطية المعقدة. وبوجهٍ عام، تؤكد نتائج هذه الدراسة أن مركب ZIF-8@Zeolite يُعد ممتزًا عالي الكفاءة ومستقرًا، ويتمتع بإمكانات واعدة للتطبيق في تقنيات معالجة مياه الصرف المتقدمة

English Abstract

The indiscriminate discharge of synthetic dyes into wastewater streams poses a serious threat to environmental sustainability and human health. Among these pollutants, Rhodamine 6G (Rh6G) has drawn considerable attention due to its extensive industrial use, high solubility, and carcinogenic nature. In response, this study proposes a novel nanocomposite zeolitic imidazolate framework–zeolite composite (ZIF-8@Zeolite) for the effective removal of Rh6G from aqueous environments. The synthesized nanocomposite was characterized using XRD, FTIR, and SEM/EDX, to confirm successful framework formation, surface morphology, and structural stability. Batch adsorption experiments demonstrated a significantly enhanced Rh6G removal performance of the ZIF-8@Zeolite composite compared to pristine ZIF-8 and zeolite. Process optimization was carried out using Response Surface Methodology (RSM) based on a face-centered central composite design to evaluate the combined effects of adsorbent dosage, initial dye concentration, and contact time. The initial dye concentration was identified as the most influential parameter, followed by contact time and adsorbent dosage. The optimized conditions yielded a maximum adsorption capacity exceeding 515 mg g⁻¹. Adsorption kinetics were best described by the Elovich model, indicating chemisorption on a heterogeneous surface, while equilibrium data showed excellent agreement with the Langmuir and Redlich–Peterson isotherm models, suggesting predominantly monolayer adsorption behaviour. Thermodynamic analysis confirmed the spontaneous and favourable nature of the adsorption process. Mechanistic evaluation revealed that electrostatic attraction, π–π interactions, and hydrogen bonding collectively governed Rh6G uptake, with π–π interactions playing a dominant role. Overall, the results demonstrate that ZIF-8@Zeolite is a highly efficient and stable adsorbent with strong potential for advanced wastewater treatment applications. Advanced machine learning (ML) approaches were employed to develop artificial intelligence (AI) models, including artificial neural networks (ANN), support vector regression (SVR), and random forest (RF), for accurately predicting Rhodamine 6G (Rh6G) removal from contaminated water using the ZIF-8@Zeolite composite. Among these models, the RF algorithm demonstrated superior predictive performance, highlighting its robustness and accuracy in modelling complex non-linear relationships.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Water and Environmental Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Muhammad S. Vohra,
Committee Members:	Mohammed S. Al-Suwaiyan, Sagheer Ahmed Onaizi,
Depositing User:	SADIQUE KHAN (g202304270)
Date Deposited:	09 Mar 2026 10:34
Last Modified:	09 Mar 2026 10:34
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144094