Design and Synthesis of Monomeric Amines and Crosslinkers for the Fabrication of Multipurpose Polyamide Composite Membranes. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Final.pdf Restricted to Repository staff only until 10 June 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تُعدّ أغشية البولي أميد المركبة ذات الطبقة الرقيقة (TFC) ركيزةً أساسيةً في معالجة المياه على المستوى العالمي، إلا أنها لا تزال مقيدةً بمشكلة المفاضلة بين النفاذية والانتقائية. وقد جرى التعرّف منذ زمن طويل على إمكانية استخدام حمض 3,5-ثنائي أمينو البنزويك (DABA) كبديل أكثر محبةً للماء عن مادة الميتا-فينيلين ثنائي الأمين (MPD) لتجاوز هذا القيد، غير أن انعدام ذوبانية DABA في الـ n-hexane (0.00 ملغ/مل) يجعله غير متوافق مع تفاعل البلمرة البينية التقليدي (IP). تتناول هذه الرسالة هذه الفجوة من خلال تصميم وتصنيع ثلاثة مونومرات ثنائية الأمين مشتقة من DABA، وهي DiAm-Gly-OMe وDiAm-βAla-OMe وDiAm-Boc-PIP، تحتفظ بالخصائص الوظيفية القطبية لمادة DABA مع توافقها مع تفاعل البلمرة البينية. صُنِعَ كل مونومر عبر مسار تصنيع محسَّن، وجرى توصيفه بالكامل باستخدام تقنيات الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (¹H NMR) وللكربون (¹³C NMR) والأشعة تحت الحمراء (FTIR). وقد جرى تصنيع ثلاثة أنواع من طبقات الدعم البوليمرية، وهي PSf وPES وPAN، داخل المختبر بواسطة الفصل الطوري المُحفَّز بمذيب غير ذائب (NIPS)، وتوصيفها بتقنيات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومجهر القوى الذرية (AFM) وزاوية تماس الماء. تم تحضير تسعة أغشية TFC نهائية عبر تفاعل البلمرة البينية التقليدي باستخدام ثلاث صياغات مونومرية (عائلات X وG وBP) على الدعامات الثلاث، وجرى تقييمها بواسطة الأشعة تحت الحمراء (ATR-FTIR) وزاوية تماس الماء وSEM وAFM وتدفق الماء النقي ومعدل رفض الأملاح (MgSO₄ وMgCl₂ وCaCl₂ وNa₂SO₄ وNaCl) ومعدل رفض الأصباغ (الكونغو الأحمر والميثيل البرتقالي والروز بنغال) وتحديد حد الفصل بالوزن الجزيئي (MWCO) باستخدام البولي إيثيلين جلايكول (PEG). جرى تحديد ثلاثة أنظمة تطبيقية: حيث قدّم غشاء X@PES أفضل أداء في الترشيح النانوي (NF) برفض للأملاح بنسبة حوالي 70% لـ Na₂SO₄ و44% لـ NaCl، وقدّم غشاء G@PSf أفضل أداء في الترشيح النانوي الفضفاض (LNF) لفصل الصبغة عن الأملاح برفض حوالي 99% للكونغو الأحمر و97% للروز بنغال مع رفض منخفض للأملاح، فيما قدّمت عائلة BP ترشيحًا نانويًا فضفاضًا بتدفق مرتفع، مع ظهور خلل بنيوي مفيد علميًا في غشاء BP@PAN. وقد أظهرت النتائج أن الكيمياء المونومرية الواحدة تُنتج خصائص غشائية مختلفة قياسيًا باختلاف الدعامة، حيث تباين معدل خشونة السطح المقاس بـ AFM بعامل يصل إلى ثلاثة أضعاف داخل العائلة المونومرية الواحدة. تُثبت هذه النتائج أن الكيمياء المشتقة من DABA يمكن دمجها بنجاح في أغشية TFC عبر تفاعل البلمرة البينية التقليدي من خلال التعديل المونومري المُوجَّه، وأن التفاعلات بين المونومر والدعامة تُشكّل عاملاً تصميميًا حاسمًا، وإن كان مُستثمَرًا بشكل غير كافٍ حتى الآن، لضبط أداء أغشية TFC عبر نطاقَي الترشيح النانوي والترشيح النانوي الفضفاض.

English Abstract

Thin-film composite (TFC) polyamide membranes are central to global water treatment, yet they remain limited by the permeability-selectivity trade-off. The use of 3,5-diaminobenzoic acid (DABA) as a more hydrophilic alternative to m-phenylenediamine (MPD) has long been recognized as a promising route to overcome this limitation, but its insolubility in n-hexane (0.00 mg/mL) renders it incompatible with conventional interfacial polymerization (IP). This thesis addresses that gap by designing and synthesizing three novel DABA-derived diamine monomers, DiAm-Gly-OMe, DiAm-βAla-OMe, and DiAm-Boc-PIP, that retain DABA's polar functional character while remaining IP-compatible. Each monomer was prepared through an optimized synthetic route and fully characterized by ¹H NMR, ¹³C NMR, and FTIR. Three polymeric supports, PSf, PES, and PAN, were fabricated in-house via non-solvent induced phase separation (NIPS) and characterized by SEM, AFM, and water contact angle. Nine final TFC membranes were prepared by conventional IP across three monomer formulations (X, G, and BP families) and three supports, and evaluated by ATR-FTIR, water contact angle, SEM, AFM, pure water flux, salt rejection (MgSO4, MgCl2, CaCl2, Na2SO4, NaCl), dye rejection (Congo Red, Methyl Orange, Rose Bengal), and PEG-based molecular weight cut-off determination. Three application regimes were identified, where X@PES delivered the best nanofiltration performance (Na2SO4 70%, NaCl 44%), G@PSf delivered the best loose nanofiltration dye-salt fractionation (Congo Red 99%, Rose Bengal 97%, low salt rejection), and the BP@Support family provided high-flux loose nanofiltration with BP@PAN exhibiting an instructive defect-driven failure mode. The same monomer chemistry produced measurably different membrane properties across supports, with AFM roughness varying by up to threefold within a single family. These findings establish that DABA-derived chemistry can be successfully incorporated into TFC membranes by conventional IP through targeted monomer modification, and that monomer-support interactions constitute a critical, yet currently underexploited, design lever for tuning TFC membrane performance across the nanofiltration and loose nanofiltration regimes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Thesis Advisor:	Nisar Ullah,
Thesis Co-Advisor:	Abdul Waheed,
Thesis Committee Members:	Majad Khan,
Depositing User:	YOUSEF ALALWAN
Date Deposited:	11 Jun 2026 06:01
Last Modified:	11 Jun 2026 06:01
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144565