Carbon-Based Magnetic Nanoparticles as Promoters for Efficient CO2 Storage via Hydrate Formation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MAWADDA ADAM MSc THESIS.pdf Restricted to Repository staff only until 10 June 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

برزت تقنية هيدرات الغاز كأحد الأساليب التكنولوجية الواعدة لتخزين ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، إلا أن تطبيقها العملي لا يزال محدودًا بسبب طول زمن الحث، وانخفاض سعة التخزين. تتناول هذه الدراسة استخدام مواد كربونية مدعمة بالمغنيتايت (Fe₃O₄@Carbon) كمحفزات حركية لتكوين الهيدرات، بهدف تعزيز تكوين هيدرات ثاني أكسيد الكربون من خلال الجمع بين تأثير خصائص السطح وتحسين التوصيل الحراري. تحت ظروف تبريد محددة ، تمت دراسة تأثير كل من الكربون المنشط (AC)، والألياف النانوية الكربونية (CNF)، والأنابيب النانوية الكربونية (CNT) على تكوين الهيدرات. أظهر الكربون المنشط أفضل أداء عند مستويات التبريد الفائق الأعلى وبتركيز 0.10% وزني، حيث انخفض زمن الحث بنحو 40%، كما ارتفع استهلاك ثاني أكسيد الكربون إلى ما يقارب ثلاثة أضعاف مقارنة بالنظام الخالي من الإضافات. كما أدى إدخال تركيز منخفض من Fe₃O₄ (حوالي 0.001% وزني) إلى تقليل زمن التنوي إلى نحو 50% مقارنة بنظام الماء المرجعي، مما يؤكد فعاليته في تسريع التنوي من خلال تحسين تبديد الحرارة. ومع ذلك، فقد نتج عن هذه الإضافة انخفاض في إجمالي استهلاك الغاز، مما يشير إلى أن Fe₃O₄ يعزز بشكل أساسي مرحلة التنوي أكثر من استمرارية نمو الهيدرات. أظهرت الأنظمة المعتمدة على CNT وCNF أداءً متفوقًا بصورة ملحوظة، لا سيما تحت ظروف التبريد الفائق المعتدلة. فبالمقارنة مع الماء النقي، أدى تحميل CNT بـ Fe₃O₄ إلى تقليل زمن الحث بأكثر من 75%، في حين حقق نظام Fe₃O₄@CNF انخفاضًا أكبر تجاوز 87%، مما يدل على سرعة عالية في تنوي الهيدرات. ومن حيث امتصاص الغاز، أظهرت الأنظمة المعتمدة على CNF أداءً محسّنًا بشكل كبير، حيث ازداد استهلاك ثاني أكسيد الكربون بنحو 4–5 مرات، وهو ما يعكس تحسنًا ملحوظًا في نمو الهيدرات وكفاءة استهلاك الغاز. وبصورة عامة، تشير النتائج إلى أن Fe₃O₄ يعزز حركية تكوين الهيدرات بصورة رئيسية من خلال التأثيرات الحرارية، في حين أن الخصائص البنيوية والسطحية للمواد الكربونية تلعب الدور الأبرز في نمو الهيدرات وكفاءة التحول. ومن بين جميع الأنظمة التي تم اختبارها، أظهر نظام Fe₃O₄@CNF أفضل أداء إجمالي، حيث وفر توازنًا بين سرعة التنوي وتحسين حركية النمو. وتدعم هذه النتائج الإمكانات الكبيرة للمواد النانوية الهجينة في تطبيقات تخزين الكربون المعتمدة على الهيدرات بكفاءة وقابلية عالية للتوسع.

English Abstract

Gas hydrate technology has emerged as a emerging technology approach for carbon dioxide (CO₂) storage; however, its practical application is limited by slong induction times, and limited storage capacity. This study investigates the use of magnetite-decorated carbon-based materials (Fe₃O₄@Carbon) as kinetic hydrates promoters to enhance the formation of CO₂ hydrate by combining the effects of surface properties and enhanced thermal conductivity. Under controlled subcooling conditions, AC, CNF, and CNT were investigated for their influence on hydrate formation. AC performed most effectively at higher subcooling with a loading of 0.10 wt%, where the induction time was reduced by around 40% and CO₂ consumption rose to nearly three times that observed in the absence of additives. The incorporation of a small concentration of Fe₃O₄ (~0.001 wt%) further reduced the time for nucleation to about 50% of the baseline water system, confirming its effectiveness in accelerating nucleation through improved heat dissipation. However, this addition resulted in lower overall gas consumption, indicating that Fe₃O₄ primarily enhances nucleation rather than sustained hydrate growth. CNT- and CNF-based systems demonstrated markedly superior performance, particularly under moderate subcooling conditions. Compared to pure water, Fe₃O₄-loaded CNT reduced the induction time by more than 75%, while Fe₃O₄@CNF achieved an even greater reduction exceeding 87%, indicating rapid hydrate nucleation. In terms of gas uptake, CNF-based systems exhibited significantly improved performance, with CO₂ consumption increasing by approximately 4–5 times, reflecting enhanced hydrate growth and gas utilization. Overall, the results indicate that Fe₃O₄ enhances hydrate formation kinetics primarily through thermal effects, whereas the structural and surface characteristics of carbon materials dominate hydrate growth and conversion efficiency. Among all tested systems, Fe₃O₄@CNF exhibited the best overall performance, offering a balanced combination of rapid nucleation and improved growth kinetics. These findings support the strong potential of hybrid nanomaterials for efficient and scalable hydrate-based carbon storage applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Thesis Advisor:	Nayef Al-saifi,
Thesis Committee Members:	Mohammed Shaikh, Mohammed Al-khater,
Depositing User:	MAWADDA ADAM
Date Deposited:	14 Jun 2026 11:20
Last Modified:	14 Jun 2026 11:20
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144559