Bio-based Materials for Carbon capture. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Muhammed_Baldeh_Final_Thesis_EPrint.pdf Restricted to Repository staff only until 9 June 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

الملخص الاسم الكامل: محمد بالديه عنوان الرسالة: تحضير وتقييم أداء مواد ماصّة مركبة، حيوية بالكامل وغنية بالنيتروجين، مشتقة من الرمان والكيتوسان لالتقاط ثاني أكسيد الكربون (CO₂) التخصص: علوم الحياة تاريخ الدرجة: مايو 2026 مع زيادة الحاجة لتقنيات فعّالة ومستدامة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، رجع الاهتمام بأبحاث احتجاز وتخزين الكربون (CCS) نحو استخدام مواد ماصّة منخفضة التكلفة ومشتقة من الكتلة الحيوية. في هالدراسة، تم تقييم مواد ماصّة غنية بالنيتروجين وحيوية بالكامل، تم تصنيعها من مسحوق قشور الرمان والكيتوسان، بهدف التقاط غاز CO₂. تم تحضير المواد الماصة عبر عملية تحلل حراري من مرحلتين: المرحلة الأولى كانت الكربنة لتحويل المواد الخام من الرمان والكيتوسان إلى كربون، وبعدها تمت عملية تنشيط كيميائي باستخدام هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) لتكوين المسامية داخل المادة. وتم تصنيع نوعين من المواد الماصة: مواد كربونية حيوية بالكامل (PC)، ومواد كربونية مطعّمة بالميلامين (MPC). وبعد كذا، تم توصيف المواد باستخدام تقنيات XRD وTGA/DTG وSEM وTEM وFTIR بالإضافة إلى تحليل امتزاز ثاني أكسيد الكربون. أظهرت منحنيات الامتزاز المقاسة عند 273 و298 كلفن نمط امتزاز من النوع الأول، وهذا يؤكد وجود نسبة عالية من المسامات الدقيقة (micropores). وبينت النتائج إن المواد المطعّمة بالميلامين كانت أكثر كفاءة في امتزاز CO₂، حيث حققت العينة MPC-700-K أعلى سعة امتزاز بلغت 3.57 mmol/g عند 273 كلفن و2.5 mmol/g عند 298 كلفن، مقارنة بأفضل عينة من المواد الحيوية بالكامل PC-21-800-K اللي حققت 3.17 mmol/g و2.7 mmol/g على التوالي. ويرجع التحسن في امتزاز CO₂ للمواد المطعّمة بالميلامين إلى إدخال مجموعات وظيفية غنية بالنيتروجين، واللي تزيد من ألفة المادة لغاز CO₂ من خلال تفاعلات حمض-قاعدة. كذلك أكدت تحاليل الوزن الحراري (TGA) إن الفقد الكبير في الكتلة وظهور قمم واضحة في منحنيات DTG للمواد MPC يرتبط بتحسن تكوين المسامات وإعادة ترتيب البنية الداخلية للمادة. وعند درجة حرارة 700°C، لوحظ أفضل أداء للعينات الغنية بالنيتروجين، وهذا يعكس توازن مناسب بين المسامية الدقيقة والمجموعات الوظيفية النيتروجينية، بينما أدى رفع درجة الحرارة إلى 800°C إلى فقدان جزئي للمواقع النشطة. وبشكل عام، توضح هالدراسة أن الكربونات الحيوية المطعّمة بالميلامين والكربونات الحيوية بالكامل تمثل طريقة واعدة لإنتاج مواد ماصّة لثاني أكسيد الكربون.

English Abstract

ABSTRACT Full Name : Muhammed Baldeh Thesis Title : Synthesis and Performance Evaluation of Fully Bio-based and Nitrogen-Enriched Pomegranate-Chitosan Composite Sorbents for CO₂ Capture Major Field : Life Science Date of Degree : May, 2026 The growing demand for efficient and sustainable CO₂ capture technologies has refocused carbon capture and storage (CCS) research into low-cost, biomass-derived adsorbents. In this study, nitrogen-enriched and fully bio-based composite sorbents synthesized from pomegranate peel powder and chitosan were evaluated for CO₂ capture. The composite sorbents were prepared through a two-step pyrolysis process: a carbonization step that converted the raw biomass of pomegranate and chitosan into carbon, followed by a chemical activation with KOH to create porosity. Two sets of sorbents were prepared: fully bio-based carbon sorbents (PC) and melamine-doped carbon sorbents (MPC), and eventually characterized using XRD, TGA/DTG, SEM, TEM, FTIR, and CO₂ adsorption analysis. The adsorption isotherms measured at 273 K and 298 K followed a typical type 1 adsorption pattern, which confirms the high presence of micropores. The analysis showed melamine-doped sorbents to be more efficient in CO₂ adsorption performance, with MPC-700-K achieving the maximum capacity of 3.57 mmol/g and 2.5 mmol/g at 273 K and 298 K, respectively, compared to the highest-performing fully bio-based sorbent, PC-21-800-K, which adsorbs 3.17 mmol/g and 2.7 mmol/g, respectively. The improved CO₂ uptake by the melamine-doped sorbents can be due to the introduction of nitrogen functional groups by melamine, which increases CO₂ affinity through acid-base interaction. Thermogravimetric analysis further confirmed that substantial loss of mass and noticeable DTG peaks in MPC sorbents correspond to improved pore formation and structural rearrangement. At 700°C, an optimal performance was observed in the nitrogen-enriched samples that reflects a balance between microporosity and nitrogen functional groups, whereas increasing the temperature to 800°C causes a partial loss of active sites. Overall, this study demonstrates that melamine-doped biomass carbons and fully bio-based carbons can represent a promising method of producing CO₂ adsorbent materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Environmental Civil Engineering > Water and Environmental Engineering Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Moataz Dowaidar,
Thesis Committee Members:	Alexis Mouanda, Mahmoud Abdelnaby,
Depositing User:	MUHAMMED BALDEH
Date Deposited:	10 Jun 2026 05:56
Last Modified:	10 Jun 2026 05:56
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144554