Simultaneous Removal of Organic Pollutants from Wastewater and H2S scavenging from Sour gas using LTH/ZIF based Composite in a Single System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final_Thesis_Mohd_Asad_Ansari.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

إن التزايد المستمر في وجود الملوثات المعقدة في الانبعاثات الصناعية ومياه الصرف، بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، والأصباغ العضوية، والمعادن الثقيلة، يمثل تحدياً كبيراً للبيئة والصحة العامة. غالباً ما تعالج الطرق التقليدية هذه الملوثات بشكل منفصل، مما يؤدي إلى زيادة التعقيد التشغيلي والتكلفة. في هذه الدراسة، تم تحضير مركبات نانوية هجينة جديدة قائمة على MnCuAl، وهي MnCuAl-LTH@ZIF-8 وMnCuAl-LTO@ZIF-8، وتم تقييمها كمواد متعددة الوظائف لإزالة الملوثات الغازية والمائية بشكل متزامن ضمن نظام واحد. تم توصيف المواد المحضّرة باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، وتحليل مساحة السطح بطريقة بروناور–إيميت–تيلر (BET)، حيث أكدت النتائج نجاح دمج البنية الطبقية للهيدروكسيد/الأكسيد الثلاثي مع إطار ZIF-8، بالإضافة إلى تكوين بنية مسامية هرمية ذات مساحة سطحية عالية. وقد أظهر مركب MnCuAl-LTH@ZIF-8 مساحة سطحية نوعية (BET) تبلغ 639.1 م²/غم، بينما أظهر MnCuAl-LTO@ZIF-8 مساحة قدرها 490.5 م²/غم، مما يدل على تحسن كبير مقارنة بالمواد الأصلية. تم تقييم أداء هذه المركبات في إزالة H₂S، وإزالة الأصباغ (الميثيلين الأزرق، البنفسجي البلوري، الكونغو الأحمر، والميثيل البرتقالي)، وكذلك إزالة المعادن الثقيلة (Pb²⁺ وCd²⁺) تحت ظروف مغمورة بالكامل باستخدام مفاعل عمود الفقاعات. وقد أظهرت كلتا المادتين أداءً ممتازاً في امتصاص H₂S، حيث بلغت سعات الاختراق والتشبع حوالي 221.3 و296.4 ملغم H₂S/غم لمركب MnCuAl-LTO@ZIF-8. كما لوحظ تحسن ملحوظ في كفاءة الإزالة بوجود الملوثات المصاحبة. ففي حالة المعادن الثقيلة، وصلت كفاءة الإزالة إلى 100% لكل من Pb²⁺ وCd²⁺ في وجود H₂S، مقارنة بإزالة متوسطة (حوالي 78–93%) في غيابه. وبالمثل، ارتفعت كفاءة إزالة الأصباغ بشكل كبير في وجود H₂S، حيث بلغت نحو 100% لكل من الميثيلين الأزرق والبنفسجي البلوري، وأكثر من 98% لكل من الكونغو الأحمر والميثيل البرتقالي. تشير هذه النتائج إلى وجود تأثير تآزري واضح، حيث يؤدي وجود الأصباغ أو المعادن الثقيلة إلى تعزيز امتصاص H₂S، وفي المقابل يساهم H₂S في تحسين إزالة الأصباغ والمعادن. ويُعزى هذا السلوك إلى مجموعة من الآليات المتداخلة تشمل الامتزاز، والتعقيد السطحي، والتكوين الموضعي لكبريتيدات المعادن (مثل PbS وCdS)، والتي تعمل كمصائد فعالة للملوثات. كما يساهم إطار ZIF-8 في توفير مساحة سطحية عالية وبنية مسامية تسهّل انتقال الكتلة وتوفر مواقع نشطة متعددة، في حين توفر مكونات MnCuAl-LTH/LTO مراكز معدنية تفاعلية وأس surfaces غنية بالعيوب تعزز الامتزاز الكيميائي والتفاعلات الأكسدة-الاختزال. بشكل عام، تقدم هذه الدراسة نهجاً مبتكراً لمعالجة متكاملة للملوثات الغازية والسائلة، وتطرح مفهوم التآزر بين الملوثات في الأنظمة متعددة الأطوار. وتُظهر المركبات MnCuAl-LTH@ZIF-8 وMnCuAl-LTO@ZIF-8 كفاءة عالية في الامتصاص وسعة إزالة ممتازة، مما يجعلها مواد واعدة لمعالجة بيئية مستدامة من خلال حل متكامل خطوة واحدة للتعامل مع التدفقات الصناعية المعقدة

English Abstract

The increasing presence of complex pollutants in industrial emissions and wastewater, including hydrogen sulfide (H2S), organic dyes, and heavy metals, poses significant environmental and public health challenges. Conventional treatment methods often address these contaminants separately, resulting in an increased operational complexity and cost. In this study, novel MnCuAl-based hybrid nanocomposites, namely MnCuAl-LTH@ZIF-8 and MnCuAl-LTO@ZIF-8, were successfully synthesized and evaluated as multifunctional materials for the simultaneous removal of gaseous and aqueous pollutants in a single system. The synthesized materials were characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis, confirming the successful integration of layered triple hydroxide/oxide structures with the ZIF-8 framework and the formation of hierarchical porous architectures with high surface area. The MnCuAl-LTH@ZIF-8 composite exhibited a BET surface area of 639.1 m2/g, while MnCuAl-LTO@ZIF-8 showed a surface area of 490.5 m2/g, indicating significant enhancement compared to the parent materials. The performance of the composites was evaluated for H2S scavenging, dye removal (methylene blue, crystal violet, congo red, and methyl orange), and heavy metal removal (Pb2+ and Cd2+) under fully submerged conditions using a bubble column absorber. Both materials demonstrated excellent H2S scavenging performance, with breakthrough and saturation capacities reaching up to ~221.3 and 296.4 mg H2S/g for MnCuAl-LTO@ZIF-8. In addition, the corresponding scavenging efficiencies were significantly enhanced in the presence of co-contaminants. For heavy metals, removal efficiencies reached 100% for both Pb2+ and Cd2+ under H2S-assisted conditions, compared to moderate removal (~78-93%) in the absence of H2S. Similarly, dye removal efficiencies increased dramatically in the presence of H2S, achieving up to ~100% for methylene blue and crystal violet, and >98% for congo red and methyl orange. These high removal capacities and efficiencies highlight the strong performance of the developed materials in complex multipollutant systems. A pronounced synergistic interaction was observed, where the presence of dyes or heavy metals enhanced H2S uptake, and conversely, H2S significantly improved dye and metal removal. This behavior is primarily attributed to combined mechanisms including adsorption, surface complexation, and in situ formation of metal sulfides (e.g., PbS and CdS), which act as strong sinks for contaminants. The ZIF-8 framework contributes high surface area and porosity, facilitating mass transfer and providing abundant active sites. Overall, this study demonstrates a novel integrated approach for simultaneous gas-liquid pollutant removal and introduces the concept of pollutant-pollutant synergy in multiphase systems. The developed MnCuAl-LTH@ZIF-8 and MnCuAl-LTO@ZIF-8 composites exhibit high scavenging efficiency, excellent removal capacity, and strong potential as multifunctional adsorbents for sustainable environmental remediation, offering an effective single-step solution for treating complex industrial waste streams.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Sagheer Ahmed Sagheer Onaizi,
Thesis Committee Members:	Nabeel Abo-ghander, Zuhair Malaibari,
Depositing User:	MOHD ASAD ANSARI (g202390550)
Date Deposited:	18 May 2026 08:10
Last Modified:	18 May 2026 08:10
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144283