Gereziher, Gereziher (2026) Development of Mixed Matrix Composite Ultrafiltration Membranes for Efficient Organic Pollutant Removal with Enhanced Antifouling Properties for Efficient Wastewater Treatment. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF final thesis after modification .pdf Restricted to Repository staff only until 19 July 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: قريزيهير بيرهي قريزيهير عنوان الرسالة: تطوير أغشية ترشيح فائق مركّبة ذات مصفوفة مختلطة لإزالة الملوثات العضوية بكفاءة، مع تعزيز خصائص مقاومة التلوث الغشائي لتحقيق معالجة فعّالة لمياه الصرف التخصص: علوم وهندسة المواد تاريخ الدرجة العلمية: مايو 2026 تُمثّل مياه الصرف الصناعي، ولا سيما الناتجة عن قطاع المنسوجات، تحديًا بيئيًا رئيسيًا بسبب الاستهلاك المرتفع للمياه وتصريف ملوثات معقدة التركيب. وتنتج عمليات تصنيع المنسوجات، وبخاصة عمليات الصباغة، كميات كبيرة من مياه الصرف المحتوية على الأصباغ والأملاح والمركبات العضوية المقاومة لطرائق المعالجة التقليدية. وتُعد الأصباغ من أكثر هذه الملوثات خطورةً بسبب ثباتها الكيميائي، واستمرارها لفترات طويلة في البيئات المائية، واحتمالية سميتها. ولا يقتصر تأثير وجودها في المسطحات المائية على تدهور الخصائص الجمالية للمياه فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى الحد من نفاذ الضوء، مما يعوق عمليات البناء الضوئي ويؤثر سلبًا في النظم البيئية المائية. حظيت عمليات المعالجة المعتمدة على الأغشية، ولا سيما الترشيح الفائق (UF), باهتمام متزايد نظرًا لقدرتها على إزالة المواد الصلبة العالقة والغرويات والملوثات الجزيئية كبيرة الحجم بكفاءة، مع إنتاج مياه معالجة عالية الجودة قابلة لإعادة الاستخدام. وعلى الرغم من هذه المزايا، تعاني أغشية الترشيح الفائق التقليدية من بعض القيود المتأصلة، من أبرزها انخفاض تدفق النفاذية وقابليتها للتلوث الغشائي، مما يقلل من كفاءتها التشغيلية ويزيد من متطلبات الصيانة. ولذلك، لا يزال تحسين نفاذية الأغشية وأدائها المقاوم للتلوث من المحاور البحثية المهمة. وللتغلب على محدودية انخفاض تدفق النفاذية في أغشية الترشيح الفائق، أُضيف السيلايت (Celite) بوصفه مادة مضافة غير عضوية محبة للماء إلى مصفوفة من البولي إيثر سلفون(PES) ، وذلك لتحضير أغشية ذات مصفوفة مختلطة (MMMs) وقد جرى تحضير أغشية تحتوي على تراكيز مختلفة من السيلايت تراوحت بين 0.25 و1.0% وزنيًا باستخدام تقنية الانعكاس الطوري، ثم قُيّمت بصورة منهجية من حيث النفاذية وكفاءة الرفض والأداء المقاوم للتلوث. وأدى إدخال السيلايت إلى تحسين أداء الأغشية بصورة ملحوظة، إذ حقق الغشاء الأمثل المحتوي على 0.5% وزنيًا من السيلايت تدفقًا للماء النقي بلغ نحو 400 لتر·م⁻²·ساعة⁻¹ عند ضغط مقداره 1 بار، مقارنةً بالقيم الأقل المسجلة لغشاء البولي إيثر سلفون النقي. ويُعزى التحسن في النفاذية إلى زيادة المسامية، وتعزيز محبة سطح الغشاء للماء، وتكوين مسارات إضافية لنقل المياه نتيجة البنية المسامية للسيلايت. إضافةً إلى ذلك، حافظت الأغشية المعدلة على كفاءة رفض مرتفعة، إذ بلغت نسبة رفض ألبومين مصل الأبقار (BSA) نحو 90%، في حين بلغت كفاءة إزالة صبغة الكونغو الأحمر (CR) نحو 98%، وصبغة إريوكروم بلاك تي (EBT) نحو 96%. كما تحسنت خصائص مقاومة التلوث الغشائي بصورة ملحوظة، حيث أظهرت الأغشية المحتوية على السيلايت نسبًا أعلى لاستعادة التدفق مقارنةً بغشاء البولي إيثر سلفون غير المعدل. ومع ذلك، أدى ارتفاع محتوى السيلايت إلى 1.0% وزنيًا إلى تراجع طفيف في الأداء نتيجة تكتل الجسيمات وحدوث اختلالات في بنية المسام. وبوجه عام، أظهر الغشاء المحتوي على 0.5% وزنيًا من السيلايت أفضل توازن بين النفاذية والانتقائية ومقاومة التلوث الغشائي، مما يشير إلى إمكاناته الواعدة في تطبيقات المعالجة الفعالة لمياه الصرف.

English Abstract

FULL Name Thesis Title Major Field : [GEREZIHER BERHE GEREZIHER] :[Development of mixed matrix composite ultrafiltration membranes for efficient organic pollutants removal with enhanced anti-fouling properties for efficient wastewater treatment] : [Material Science and Engineering] Date of Degree : [MAY 2026] Industrial wastewater, particularly from the textile sector, represents a major environmental concern due to its high-water consumption and the discharge of complex pollutants. Textile processing operations, especially dyeing, generate large volumes of wastewater containing dyes, salts, and organic compounds that are resistant to conventional treatment methods. Among these contaminants, dyes are especially problematic due to their chemical stability, persistence in aquatic environments, and potential toxicity. Their presence in water bodies not only affects aesthetic quality but also limits light penetration, disrupting photosynthetic activity and aquatic ecosystems. Membrane-based processes, particularly UF, have gained significant attention due to their ability to effectively remove suspended solids, colloids, and macromolecular contaminants while producing high-quality effluent suitable for reuse. Despite these advantages, conventional UF membranes suffer from inherent limitations, including low permeation flux and susceptibility to fouling, which reduce their operational efficiency and increase maintenance requirements. Therefore, enhancing membrane permeability and antifouling performance remains a key research focus. xvi To address the limitation of low permeation flux in UF membranes, Celite was incorporated as a hydrophilic inorganic additive into a polyethersulfone (PES) matrix to fabricate mixed matrix membranes (MMMs). Membranes with varying Celite loadings (0.25–1.0 wt.%) were prepared via phase inversion and systematically evaluated in terms of permeability, rejection, and antifouling performance. The incorporation of Celite significantly enhanced membrane performance, with the optimal membrane (0.5 wt.%) achieving a pure water flux of approximately 400 L·m⁻²·h⁻¹ at 1 bar, compared to lower values for the pristine PES membrane. The improved permeability was attributed to increased porosity, enhanced surface hydrophilicity, and the formation of additional water transport pathways due to the porous structure of Celite. In addition, the modified membranes maintained high rejection performance, with BSA rejection reaching ~90% and dye removal efficiencies of ~98% for Congo red (CR) and ~96% for Eriochrome Black T (EBT). Antifouling properties were also significantly improved, with higher flux recovery ratios observed for Celite-incorporated membranes compared to neat PES. However, excessive Celite loading (1.0 wt.%) led to slight performance deterioration due to particle agglomeration and pore structure irregularities. Overall, the membrane containing 0.5 wt. Celite demonstrated the best balance between permeability, selectivity, and fouling resistance, indicating its strong potential for efficient wastewater treatment applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Thesis Advisor:	Wail Falath,
Thesis Co-Advisor:	Abdul Waheed,
Thesis Committee Members:	Turki Baroud,
Depositing User:	GEREZIHER GEREZIHER
Date Deposited:	19 Jul 2026 12:24
Last Modified:	19 Jul 2026 12:24
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144646