Ashraf, Muhammad Shoaib (2026) Optimization of Antimicrobial Activity of Cobalt Oxide (co₃o₄) Nanoparticles and Techno-Economic Analysis. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ms Thesis of Muhammad Shoaib Ashraf) Ms thesis submission final july.pdf Restricted to Repository staff only until 12 July 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

لا تزال مقاومة مضادات الميكروبات تمثل تحديًا صحيًا عالميًا كبيرًا، مما يخلق حاجة ملحّة إلى مواد بديلة مضادة للميكروبات تكون فعّالة وقابلة للتوسّع في الإنتاج . وقد أُشير على نطاق واسع إلى جسيمات أكسيد الكوبالت النانوية (Co₃O₄ NPs) بوصفها عوامل واعدة مضادة للميكروبات؛ إلا أن نشاطها الحيوي يعتمد بدرجة كبيرة على طريقة التحضير، والشكل المورفولوجي، وإمكانية الوصول إلى السطح، وسلوك التكتل . في هذه الدراسة، تم تحضير جسيمات Co₃O₄ النانوية باستخدام طريقة بسيطة من خطوة واحدة تعتمد على التحلل الحراري لنترات الكوبالت سداسية الماء عند درجات حرارة 320 و 420 و 520 و 620 درجة مئوية، وذلك لتقييم تأثير درجة حرارة التحضير في خصائ ص الجسيمات النانوية، والنشاط المضاد للميكروبات، والتوافق الحيوي الأولي، والجدوى التقنية والاقتصادية . أكدت تحاليل حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) تكوّن جسيمات Co₃O₄ النانوية ذات البنية الإسبنيلية، كما أظهرت تغيرات معتمدة على درج ة الحرارة في التبلور والشكل المورفولوجي . أظهرت اختبارات النشاط المضاد للبكتيريا ض د Escherichia coli وBacillus cereus عدم وجود منطقة تثبيط حتى تركيز 10 ملغم / مل، وعدم الوصول إل ى تركيز مبيد أدنى للبكتيريا حتى تركيز 50 ملغم / مل، مما يشير إلى أن تكوّن Co₃O₄ وحده لا يكفي لضمان الأداء المضاد للميكروبات . ومن المرجح أ ن يكون النشاط الضعيف مرتبطًا بالطبيعة غير المغطاة، والمكلّسة، والمتكتل ة للجسيمات النانوية المحضّرة حراريًا، مما قد يقلل من إمكانية الوصول إلى السطح والتفاعل مع البكتيريا . تم اختيار العينة Co₃O₄-420 لإجراء المزيد من تقييمات التوافق الحيوي والجدوى التقنية والاقتصادية نظرًا لخصائصها البنيوية والمورفولوجية المتوازنة . أظهر اختبار الأرتيميا الملحية نسبة نفوق بلغت 25.9% عند تركيز 5 ملغم / مل، م ع عدم الوصول إلى قيمة LC₅₀ ضمن النطاق المختبر، مما يشير إلى توافق حيوي أولي جيد . كما أشار التحليل التقني والاقتصادي لعملية التحضير عند 420 درج ة مئوية إلى إمكانية واعدة للتوسّع في الإنتاج، مع فترة استرداد بلغت 2.67 سنة، ومعدل عائد داخلي بلغ 118.35% ، وصافي قيمة حالية تراكمي قدره 3.32 مليون دولار أمريكي . وبوجه عام ، توضح هذه الدراسة أن جسيمات Co₃O₄ النانوية المحضّرة بالتحلل الحرار ي مجدية اقتصاديًا ومتوافقة حيويًا بشكل أولي، إلا أن افتقارها إلى نشاط ملحوظ مضاد للميكروبات يبرز الحاجة إلى التعديل السطحي أو التحكم في التشتت قب ل استخدامها في التطبيقات المضادة للميكروبات

English Abstract

Antimicrobial resistance remains a major global health challenge, creating an urgent need for alternative antimicrobial materials that are both effective and scalable. Cobalt oxide nanoparticles (Co₃O₄ NPs) have been widely reported as promising antimicrobial agents; however, their biological activity is strongly dependent on synthesis route, morphology, surface accessibility, and agglomeration behavior. In this study, Co₃O₄ nanoparticles were synthesized by a simple one-step thermal decomposition of cobalt nitrate hexahydrate at 320, 420, 520, and 620°C to evaluate the effect of synthesis temperature on nanoparticle properties, antimicrobial activity, preliminary biocompatibility, and techno-economic feasibility. XRD, FTIR, SEM, and TEM confirmed the formation of spinel Co₃O₄ nanoparticles and showed temperature-dependent changes in crystallinity and morphology. Antibacterial testing against Escherichia coli and Bacillus cereus showed no zone of inhibition up to 10 mg/mL and no minimum bactericidal concentration up to 50 mg/mL, indicating that Co₃O₄ formation alone is not sufficient to ensure antimicrobial performance. The weak activity was likely related to the uncapped, calcined, and agglomerated nature of the thermally synthesized nanoparticles, which may have reduced surface accessibility and bacterial interaction. Co₃O₄-420 was selected for further biocompatibility and techno-economic assessment because of its balanced structural and morphological characteristics. Brine shrimp testing showed 25.9% mortality at 5 mg/mL, with no LC₅₀ reached within the tested range, suggesting good preliminary biocompatibility, while techno-economic analysis of the 420°C process indicated promising scale-up potential, with a payback period of 2.67 years, IRR of 118.35%, and cumulative NPV of USD 3.32 million. Overall, this study shows that thermally decomposed Co₃O₄ nanoparticles are economically feasible and preliminarily biocompatible, but their lack of significant antimicrobial activity highlights the need for surface functionalization or dispersion control before antimicrobial application.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Chemical Engineering Research
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Thesis Advisor:	Shihab Uddin,
Thesis Committee Members:	Alexis Mouanda, Md. Abdul Aziz,
Depositing User:	MUHAMMAD SHOAIB ASHRAF
Date Deposited:	15 Jul 2026 10:03
Last Modified:	15 Jul 2026 10:03
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144647