Fabrication of 2D Composite Membranes and their Applications for Oily Wastewater Separation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ibrahim's Thesis With signatures.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 10 June 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

جذبت الأغشية القائمة على المكسين اهتماماً متزايداً في مجالات فصل الزيت عن الماء؛ نظراً لما تتمتع به من ألفة عالية للماء وقدرة على النقل السريع للماء عبر القنوات النانوية الصفائحية. ومع ذلك، غالباً ما يواجه استخدامها على المدى الطويل عوائق مثل إعادة تراصف الطبقات، وعدم استقرار مسارات النقل المميّهة، والانسداد الناتج عن الاتساخ، خاصة عند معالجة مستحلبات الزيت في الماء المعقدة. وعلى الرغم من أن دمج المواد النانوية الصلبة قد أثبت فعاليته في تحسين أداء أغشية المكسين، إلا أن تحقيق مسارات نقل مميهة ومستقرة وضمان المتانة طويلة الأمد لا يزال يمثل تحدياً. في هذه الدراسة، نُقدم تصميماً لأغشية هجينة من المكسين والأطر المعدنية العضوية مستقرة مائياً، حيث تم إقحام الأطر المعدنية العضوية بين طبقات المكسين لتعمل كفواصل نانوية تحافظ على مسارات النقل وتمنع الانهيار الهيكلي. تم دمج ومقارنة نوعين من الأطر المعدنية العضوية ببنى مختلفة: الإطار المعدني العضوي-808 (القائم على العناقيد) و إطار ميل-101 (كروم) (القائم على الأقفاص) داخل أغشية مكسين كربيد التيتانيوم المهدركسة. وقد أظهر الغشاء الهجين الأمثل (المحتوي على 30% وزناً من الإطار المعدني العضوي-808) نفاذية مياه فائقة تجاوزت 12000لتر لكل متر مربع في الساعة عند ضغط 2 بار مع الحفاظ على كفاءة رفض للزيت أعلى من 99.9% خلال عمليات الفصل المتكررة لمستحلبات الزيت . . وبخلاف الأغشية القائمة على إطار ميل-101 (كروم) التي عانت من انخفاض سريع في التدفق، حقق الغشاء الهجين (مكسين-اطير-808) اداء مستفرا على مدار 25 دورة ترشيح مع استعادة كاملة للتدفق بعد عملية تنظيف فيزيائة بسيطة . . كما أظهر الغشاء كفاءة رفض تصل إلى 90% لمستحلبات زيت الطعام و95% لمستحلبات النفط الخام، مما يشير إلى متانته التطبيقية. تُسلط هذه الدراسة الضوء على دور بنية الأطر المعدنية العضوية في تنظيم النقل بين طبقات المكسين وتطور مقاومة النقل، مما يوفر رؤى جديدة لتصميم أغشية المكسين الهجينة لفصل الزيت عن الماء

English Abstract

MXene-based membranes have attracted increasing attention for oil–water separation due to their high hydrophilicity and fast water transport through lamellar nanochannels. However, their long-term application is often hindered by interlayer restacking, instability of hydrated transport pathways, and fouling-induced blockage, especially when treating complex oil-in-water emulsions. While incorporating rigid nanomaterials has been shown to enhance MXene membrane performance, achieving stable hydrated transport pathways and long-term durability remains challenging. Herein, we report the design of hydration-stabilized MXene–MOF hybrid membranes with intercalated metal–organic frameworks in MXene interlayers, where the MOFs function as nano-spacers that maintain hydrated transport pathways and suppress structural collapse. Two metal–organic frameworks with distinct architectures, cluster-based MOF-808 and cage-based MIL-101(Cr), are incorporated into hydroxylated Ti₃C₂Tₓ MXene membranes and directly compared. The optimized MXene–MOF-808 (70:30) hybrid membrane containing 30 wt% MOF-808 exhibits ultrahigh water permeability (>12,000 L m⁻² h⁻¹) at 2 bar while maintaining oil rejection above 99.9% during repeated oil-in-water emulsion separation. Unlike the MIL-101(Cr)-based membranes, which suffer rapid flux decline, the MXene/MOF-808 hybrid membrane achieves stable performance over 25 filtration cycles and achieves nearly complete flux recovery after simple physical cleaning. The membrane further achieves up to 90% rejection of vegetable oil, and 95% rejection of crude oil emulsions, demonstrating its practical durability. This study demonstrates the role of MOF topology in regulating MXene interlayer transport and the evolution of transport resistance, providing insight into the design of MXene-based hybrid membranes for oil–water separation.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Chemical Engineering Research
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Thesis Advisor:	Khalid Alhooshani,
Thesis Committee Members:	Saheed Ganiyu, Ismail Abdulazeez,
Depositing User:	IBRAHIM JABER
Date Deposited:	23 Jun 2026 11:03
Last Modified:	23 Jun 2026 11:03
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144436