Chemical and Structural Modification of Mxene-based Nanofibers Membrane for High Performance Membrane Distillation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Structural and Chemical Modification of Porous Material Based Membrane for Water Desalination and Purification _e-Prints_Muhammad Rizki_G202390370.pdf Restricted to Repository staff only until 19 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تمثل ندرة المياه العذبة على الصعيد العالمي، التي يرجع سببها إلى النمو السكاني والتصنيع السريع وتغير المناخ، أحد أكثر التحديات إلحاحًا في القرن الحادي والعشرين. تقدم تقنيات الفصل القائمة على الأغشية حلولاً موفرة للطاقة وقابلة للتطوير لمواجهة هذه الأزمة، إلا أن الأغشية التقليدية تعاني من قيود مستمرة تشمل ترطيب المسام، وتلوث السطح، وعدم كفاية الاستقرار على المدى الطويل. تتناول هذه الأطروحة هذه التحديات من خلال التصميم العقلاني وتقييم نظامين متطورين للأغشية المسامية باستخدام استراتيجيات تعديل كيميائية وهيكلية تآزرية. في الدراسة الأولى، تم تطوير أغشية نانوية متحدة المحور مصنوعة من البولي فينيلدين فلوريد-هيكسافلوروبروبيلين (PVDF-HFP) عن طريق الغزل الكهربائي، لاستخدامها في التقطير الغشائي بفجوة مائية (WGMD). تم تصنيع Ti₃C₂Tₓ MXene عن طريق الحفر الانتقائي لسلف المرحلة MAX ثم تم تفعيله باستخدام ميثيل تريميثوكسيلان (MTMS) لعكس طبيعته المائية إلى طبيعة كارهة للماء. تم دمج MXene المُفعَّل (F-MXene) في ألياف PVDF-HFP من خلال ثلاثة تكوينات مختلفة للغزل الكهربائي: التوزيع المتجانس (فوهة واحدة)، والمكشوفة القشرة (PH@FMX)، والمحصورة في القلب (FMX@PH). من بين جميع التكوينات، أظهر غشاء PH@FMX10، مع وجود F-MXene في غلاف الألياف، أعلى تدفق نفاذ يبلغ 51.04 كجم م⁻² ساعة⁻¹ مع رفض ملح بنسبة 99.42٪ تحت تغذية 35 جم ل⁻¹ من كلوريد الصوديوم. ويُعزى هذا الأداء الفائق إلى خشونة السطح الهرمية التي تعزز نظام الترطيب كاسي-باكستر، وزاوية التلامس المائية المرتفعة مع WCA = 147 درجة، وضغط دخول السائل المحسّن (LEP = 0.90 بار). أكدت اختبارات الاستقرار طويلة المدى التي استمرت لأكثر من 120 ساعة في ظل ارتفاع الملوحة من 35 إلى 70 جم/لتر من كلوريد الصوديوم وظروف الترسب القاسية استمرار نسبة الرفض فوق 99٪، وأسفر تقييم التقطير الغشائي الضوئي الحراري (PMD) تحت إشعاع شمس واحد عن تدفق متوسط قدره 1.99 كجم/م²/ساعة مع نسبة رفض للملح تبلغ 99.99٪ في الدراسة الثانية، تم تصنيع غشاء مستوحى من الطبيعة عن طريق ترسيب جزيئات الهيكل المعدني العضوي (MOF) UiO-66-NH₂ على ركيزة نايلون تجارية باستخدام شبكة تثبيت سطحية من البوليدوبامين/البولي إيثيلين إيمين (PDA–PEI) عبر عملية الترسيب المسدود. تعمل مصفوفة PDA–PEI كغراء جزيئي متعدد الوظائف، مما يعزز تثبيت MOF وتوحيد الطلاء وقوة الهيكل في مواجهة الإجهاد الميكانيكي والهيدروليكي. أظهر الغشاء المُحسّن UiO-66-NH₂/PDA–PEI (UPP-4) زاوية تلامس مع الماء تبلغ 24.5 درجة، وزاوية تلامس مع الزيت تحت الماء تبلغ 145.9 درجة، وفصلًا ممتازًا لمستحلب الزيت في الماء بنسبة رفض تبلغ 98.87٪ وتدفق يبلغ 517.58 لترًا في المتر المربع في الساعة في البار. تم التحقق من متانة مقاومة التلوث من خلال 20 دورة ترشيح متتالية، حيث تم تحقيق نسبة استعادة التدفق (FRR) بنسبة 90.47٪. تم توضيح آلية الأداء من خلال نظرية DLVO: حيث يولد سطح PDA–PEI الموجب الشحنة تنافرًا كهروستاتيكيًا قويًا ضد قطرات الزيت المستقرة بواسطة CTAB، مما يمنع التلوث، بينما توفر طبقة الترطيب حواجز فراغية وطاقية تمنع التصاق الزيت بشكل عام، يبرهن هذا العمل على أن الهندسة المكانية الدقيقة للمواد الحشو النانوية الوظيفية داخل هياكل الألياف، مقترنةً بالكيمياء السطحية المستوحاة من الطبيعة، تمثل استراتيجية فعالة وقابلة للتطوير لتطوير أحدث جيل من الأغشية في كل من تطبيقات تحلية المياه وتنقيتها.

English Abstract

Global freshwater scarcity, driven by population growth, rapid industrialization, and climate change, presents one of the most pressing challenges of the 21st century. Membrane-based separation technologies offer energy-efficient and scalable solutions to this crisis, yet conventional membranes suffer from persistent limitations including pore wetting, surface fouling, and insufficient long-term stability. This thesis addresses these challenges through the rational design and evaluation of two advanced porous membrane systems employing synergistic chemical and structural modification strategies. In the first study, coaxial electrospun polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) nanofibrous membranes were developed for water gap membrane distillation (WGMD). Ti₃C₂Tₓ MXene was synthesized via selective etching of the MAX phase precursor and subsequently functionalized with methyl trimethoxysilane (MTMS) to invert its intrinsic hydrophilicity to hydrophobicity. The functionalized MXene (F-MXene) was incorporated into PVDF-HFP fibers through three distinct electrospinning configurations: homogeneous distribution (single-nozzle), shell-exposed (PH@FMX), and core-confined (FMX@PH). Among all configurations, the PH@FMX10 membrane, with F-MXene localized at the fiber shell, demonstrated the highest permeate flux of 51.04 kg m⁻² h⁻¹ with a salt rejection of 99.42% under 35 g L⁻¹ NaCl feed. This superior performance is attributed to hierarchical surface roughness promoting a Cassie–Baxter wetting regime, elevated water contact angle with WCA = 147°, and enhanced liquid entry pressure (LEP = 0.90 bar). Long-term stability testing over 120 hours under escalating salinity 35 to70 g L⁻¹ NaCl and harsh scaling conditions confirmed sustained rejection above 99%, and photothermal membrane distillation (PMD) evaluation under 1-sun irradiation yielded an average flux of 1.99 kg m⁻² h⁻¹ with 99.99% salt rejection. In the second study, a bioinspired membrane was fabricated by depositing UiO-66-NH₂ metal-organic framework (MOF) particles onto a commercial nylon substrate using a polydopamine/polyethyleneimine (PDA–PEI) interfacial stabilization network via dead-end deposition. The PDA–PEI matrix serves as a multifunctional molecular glue, enhancing MOF immobilization, coating uniformity and structural robustness against mechanical and hydraulic stress. The optimized UiO-66-NH₂/PDA–PEI membrane (UPP-4) exhibited a water contact angle of 24.5°, an underwater oil contact angle of 146°, and excellent oil-in-water emulsion separation with 98.87% rejection and a flux of 518 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹. Antifouling durability was validated through 20 consecutive filtration cycles, achieving a flux recovery ratio (FRR) of 90.47%. The performance mechanism was elucidated via DLVO theory: the positively charged PDA–PEI surface generates strong electrostatic repulsion against CTAB-stabilized oil droplets, suppressing fouling, while the hydration layer provides steric and energetic barriers to oil adhesion. Collectively, this work demonstrates that the precise spatial engineering of functional nanofillers within fiber architectures, combined with bioinspired interfacial chemistry, represents a powerful and scalable strategy for advancing next-generation membranes in both desalination and water purification applications

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Chemical Engineering Earth Sciences Research > Engineering Petroleum Petroleum > Fluid Separation and Processing
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Turki Baroud,
Thesis Co-Advisor:	Nadeem Baigh,
Thesis Committee Members:	Fahad Alam,
Depositing User:	MUHAMMAD RIZKI (g202390370)
Date Deposited:	02 Jun 2026 05:30
Last Modified:	02 Jun 2026 05:30
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144374