Engineering of PVDF/PAN Janus Membrane for Efficient and Sustainable Next Generation Water Purification: A Green Route toward Multifunctional Approaches of PVDF-Based Membranes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis BooK_Islam, Tarekul_ID_202318950.pdf Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

يقدم هذا البحث غشاءً ثنائي الوجه (Janus) خاليًا من التطعيم الكيميائي، يعزز التدفق ومقاومة الابتلال والكفاءة الحرارية وفصل الزيت عن الماء. استُخدم بوليمران مختلفان هما PVDF وPAN لتصنيع الغشاء ثنائي الوجه (JM). صُنعت الطبقة الكارهة للماء من PVDF باستخدام عملية الفصل الطوري المستحث بغير المذيب (NIPS)، بينما غُزلت الطبقة المحبة للماء من PAN كهربائيًا على طبقة جانب النفوذ من PVDF من خلال تغيير زمن الترسيب لتوليد قابلية ابتلال غير متماثلة دون تعديل كيميائي. تم توصيف الأغشية المصنعة من حيث التشكل السطحي، والتحليل العنصري، والرؤى الكيميائية والتركيبية، والخواص الحجمية، وسلوك قابلية الابتلال السطحي. أظهر أفضل غشاء ثنائي الوجه تدفقًا أعلى بشكل حاسم بلغ 32 كجم·م⁻²·ساعة⁻¹ مع رفض للأملاح >99.99%، وهو ما يمثل زيادة بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا مقارنة بغشاء PVDF النقي الذي أظهر تدفقًا قدره 10.0 كجم·م⁻²·ساعة⁻¹ ورفض للأملاح بنسبة 98.75% في التقطير الغشائي بفجوة مائية. كما تم تقييم الاستقرار التشغيلي طويل الأمد في ظروف ملحية، ومقاومة ابتلال الغشاء، والكفاءة الحرارية النوعية بشكل منهجي. علاوة على ذلك، كشف الغشاء الأمثل عن فصل فعال لمستحلب الزيت/الماء، حيث أظهر تدفقًا قدره 240 لتر·م⁻²·ساعة⁻¹·بار⁻¹ مع رفض للزيت بنسبة 99.99%، بينما أظهر غشاء PVDF المرجعي تدفقًا قدره 112.57 لتر·م⁻²·ساعة⁻¹·بار⁻¹ ورفض للزيت بنسبة 99.50% في منظومة الخلية المسدودة النهاية، مما يبرز الطبيعة متعددة الوظائف للبنية ثنائية الوجه. بناءً على النتائج التجريبية، يقدم الغشاء ثنائي الوجه المطور منصة متعددة الوظائف وبسيطة، توفر أداء فصل يعتمد على الاتجاه، لكل من إزالة الملوحة وفصل الزيت عن الماء، مع الاستغناء عن خطوات التطعيم الكيميائي والتعديل السطحي والمعالجة اللاحقة. يُظهر هذا العمل أن التحكم الدقيق في قابلية الابتلال غير المتماثلة والالتصاق البيني وحده يمكن أن يستكشف اتجاهًا جديدًا ويرسم مسارًا قابلًا للتوسع نحو أغشية تحلية عالية الأداء.

English Abstract

This research work introduces a grafting-free Janus membrane which enhances flux, wetting resistance, thermal efficiency and oil-water separation. Two different polymers were used namely PVDF and PAN, to fabricate the Janus membrane (JM). The hydrophobic PVDF layer was made using a non-solvent induced phase separation (NIPS) process, while the hydrophilic PAN layer was electrospun onto the permeate-side layer of PVDF by varying deposition time to generate asymmetric wettability without chemical modification. The fabricated membranes were characterized for surface morphology, elemental analysis, chemical and structural insights, bulk properties, and surface wettability behavior. The best JM exhibited crucially higher flux of 32 kg.m-2.h-1 with a salt rejection of >99.99%, representing nearly a three-fold increment compared to the pristine PVDF membrane, which showed a flux of 10.0 kg.m-2.h-1 and 98.75% salt rejection in water gap membrane distillation. Long-term operational stability under saline conditions, membrane wetting resistance, and specific thermal energy efficiency were also systematically evaluated. Moreover, the optimized membrane revealed efficient oil/water emulsion separation, demonstrating a flux of 240 L.m⁻².h⁻¹.bar-1 with oil rejection of 99.99% while the control PVDF membrane showed flux of 112.57 L.m⁻².h⁻¹.bar-1 and 99.50% oil rejection in dead-end cell setup, highlighting the multifunctional nature of the Janus architecture. Based on experimental results, the developed JM presents a multifunctional and simple platform, offering direction-dependent separation performance, for both desalination and oil-water separation while eliminating chemical grafting, surface modification, and post-treatment steps. This work demonstrates that careful control of asymmetric wettability and interfacial adhesion alone can explore a new direction and depicts a scalable route toward high-performance desalination membranes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Civil Engineering > Water and Environmental Engineering Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Turki Baroud,
Thesis Committee Members:	Dahiru Lawal, Fahad Alam,
Depositing User:	TAREKUL ISLAM (g202318950)
Date Deposited:	17 May 2026 06:11
Last Modified:	17 May 2026 06:11
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144309