Date of Award

4-2020

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Materials Science

First Advisor

Mohamed H. Al-Marzouqi

Abstract

The development of advanced engineering materials such as carbon nanofibers from low-cost, renewable and/or waste resources is a key aspect of sustainability. In addition, escalating concerns related to the presence of noxious sulfur compounds in commercial fuels are driving the need to develop more efficient desulfurization technologies. In this PhD dissertation research, activated carbon nanofibers were produced from a blend of lignin with recycled poly(ethylene terephthalate) (r-PET) and they were successfully tested for the adsorption of refractory sulfur compounds from a model diesel fuel. Starting from different lignin/r-PET mass ratios, precursor nanofibers of different morphologies were initially prepared using the electrospinning technique. With the aid of a Design-of-Experiments statistical methodology, electro-spun nanofibrous mats with a minimum average diameter of 80 nm were produced. The electro-spun nanofibers were characterized by Differential Scanning Calorimetry, Attenuated Total Reflection-Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Thermogravimetry and Scanning Electron Microscopy. Subsequently, electro-spun precursor nanofibers consisting of different lignin/r-PET mass ratios and of varying average diameters were carbonized into carbon nanofibers (CNFs). It was discovered that the morphology of the CNFs depends on a synergy between the average fibre diameter and the lignin/r-PET mass ratio of the precursor electro-spun nanofibers. These conditions were mapped and CNFs with an average fibre diameter close to 100 nm were prepared. The CNFs were characterized using N2 physisorption, Transmission Electron Microscopy, Raman spectroscopy, X-Ray Diffraction and Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy. Their structure consists mostly of disordered carbon, while the CNFs derived from 50/50 lignin/r-PET with ~400 nm average fibre diameter present the highest BET surface area (353 m2/g). Their chemical activation with KOH boosted their BET surface area to 1413 m2/g, while a further treatment with HNO3 anchored oxygen functional groups on their surface. These activated CNFs (ACNFs) were tested for the adsorption of 4,6-dimethyl dibenzothiophene (DMDBT) and of dibenzothiophene (DBT) from a model diesel fuel (n-dodecane). It was found that they exhibit a very high adsorption capacity (120.3 mgDMDBT/gC and 77.82 mgDBT/gC respectively), combined with remarkably fast adsorption kinetics. Therefore, the ACNFs have a great potential to be used as desulfurization adsorbents.

Comments

عد تطوير المواد الهندسية المتقدمة مثل الياف الكربون النانوية من الموارد منخفضة التكلفة والمتجددة أو من النفايات جانبا رئيسيا في الاستدامة. بالإضافة إلى ذلك، المخاوف المتزايدة المتعلقة بوجود مركبات الكبريت الضارة في الوقود التجاري تدفع الحاجة إلى تطوير تقنيات أكثر كفاءة لإزالة الكبريت في بحث أطروحة الدكتوراه، تم إنتاج ألياف الكربون الثانوية المنشطة من مزيج من اللحنين مع بولي (إيثيلين تيريفثاليت) المعاد تدويره (PET) وتم اختبارها بنجاح لامتصاص مركبات الكبريت الحرارية من وقود الديزل النموذجي. بدءا من نسب كتلة اللجنين/-- ‏PET المختلفة، تم تحضير الياف النانو السلائف من أشكال مختلفة في البداية باستخدام تقنية الدعم الكهربائي. بمساعدة منهجية إحصائية لتصميم التجارب، ثم إنتاج حصائر ليفية متناهية الصغر يقطر متوسط يبلغ 80 نانومتر على الأقل. تميزت ألياف النانو الكهربائية مع قياس المسعر التفاضلي بالمسح الضوئي، الانعكاس الكلي الموهن التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه، قياس الحرارة الحراري، الفحص المجهري الإلكتروني. في وقت لاحق، ثم تفحيم ألياف النانو التي تتكون من نسب كتلة مختلفة من اللجنين، PET- وباقطار متفاوتة بأقطار متناهية الصغر إلى ألياف نانوية كربون, لقد تم اكتشاف أن تشكل CNFs يعتمد على النازر بين متوسط قطر الألياف ونسبة كتلة اللجنين PET، تم تعيين هذه الشروط وتم إعداد CNFS بقطر ليفي متوسط يصل إلى 100 نانومتر. تمیزت CNFs باستخدام physisorption) Nz) المجهر الإلكتروني للإرسال، مطياف رامان، حيود الأشعة السينية وطيفي الأشعة السينية المشتتة من الطاقة. يتكون هيكلها في الغالب من كربون مضطرب، في حين أن مركبات الكربون النانوية (CNF) المشتقة من 50/50 اللجنين مع قطر ألياف يبلغ متوسطه حوالي 400 نانومتر تمثل أعلى مساحة سطحية (353 م2/ جم). ثم تعزيز مساحة سطح BET الخاصة بهذه المركبات إلى 1413 m2/ جم عن طريق تنشيطها كيميائيا مع KOH في حين أن هناك علاجا إضافيا باستخدام مجموعات وظيفية من الأكسجين المرتبط HNO على سطحها. تم اختبار هذه CNFS المنشط (ACNFs) لامتصاص 4-6- ثنائي ميثيل ديبنزوثيوفين (DMDBT) و dibenzothiophene من وقود الديزل نموذج )ن( ( n-dodecane ) وق د وج د أنها تتميز بقدرة امتصا ص عالية جدًا ( 120.3 ) ملغم/ديسيلتر g.C و 77.82 ملغ ديسيبل /غم على التوالي، بالإضافة إلى حركية امتزاز سريعة بشكل ملحوظ. لذلك، فإن ACNFs لديها إمكانا ت كبيرة لإستخدامها كمادة إزالة الكبري ت .

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS