Date of Award

6-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemistry

Department

Chemistry

First Advisor

Dr. Fathy M. Hassan

Second Advisor

Prof. Yaser E. Greish

Abstract

The issue of limited freshwater resources is a significant problem for humans, especially in desert areas where water scarcity poses a serious risk to human survival. In nature, there are several species that harvest fog based on their tuned surface structure, e.g.., Cactus, desert beetles, etc. In addition to surface hydrophilic/hydrophobic architecture, another key factor in effective water collection is the porosity of the surface, which helps droplets to form, grow, and be removed. To address the challenge of water scarcity, we inspired, from nature, to design surfaces that have features that favor water collection. In this aspect, we introduced two approaches. In the first approach, we employed thermal oxidation techniques to create copper oxide nanowires on copper sheets, foam, and mesh surfaces. The surfaces have been structured with arrays of copper oxide nanowires. These architectured surfaces have demonstrated excellent wettability and fog harvesting capabilities. By regulating the porosity of the material, the water harvesting performance can be controlled. Fog harvesting measurement has shown the copper mesh membranes were found to be highly efficient in capturing water from the fog at a rate of 46.5 L/m2 per hour, which can provide a consistent supply of fresh water for various purposes.

The second approach involved the chemical synthesis of CuxO nanostructures, then using polyacrylonitrile as a polymeric binder to apply to the surface of commercially available Al mesh. As a result, a nanostructured array of hydrophilic copper oxide nanoparticles (Cu2O and CuO), decorated with a topping of hydrophobic polyacrylonitrile (PAN) has been designed. This design produced high wettability and effective fog harvesting by synchronizing the hydrophilic/hydrophobic surface property. It has been demonstrated that both the CuO and Cu2O mesh membranes are capable of trapping fog at a rate of 48.45 L/m2/h and 42.6 L/m2/h, respectively. While the collection efficiency is slightly higher than the first approach, utilizing topographic architecture on a commercially available mesh is believed to lower the cost of production and provide a shorter path to commercialize the idea. These findings furnish new insights into the role of surface porosity in highly efficient water harvesting and suggest that the fabrication of effective fog-harvesting devices may be achieved through the creation of nanostructured surfaces with integrated hydrophilic and hydrophobic properties.

Arabic Abstract


تحضير الهياكل النانوية لأكسيد النحاس لتطبيقات حصاد الضباب

مسألة ندرة المياه العذبة هي مشكلة كبيرة بالنسبة للبشر، خاصة في المناطق الصحراوية حيث تشكل ندرة المياه تهديدا خطيرا لحياة الإنسان. في الطبيعة، هناك العديد من الأنواع التي تجمع الضباب استنادا إلى هيكل سطحها المنظم، مثل الصبار والخنافس الصحراوية وغيرها بالإضافة إلى الهندسة المعمارية السطحية المحبة للماء/ الكارهة للماء، هناك عامل رئيسي آخر في التجميع الفعال للمياه وهو مسامية السطح، مما يساعد القطرات على التكوين والنمو والإزالة. لمواجهة تحدي ندرة المياه، ألهمنا، من الطبيعة، تصميم الأسطح التي تحتوي على ميزات تفضل تجميع المياه. في هذا الجانب، قدمنا نهجين. في النهج الأول، استخدمنا تقنيات التأكسد الحراري لإنشاء أسلاك نانوية من أكسيد النحاس على أسطح الألواح النحاسية والرغوة النحاسية والشبكة النحاسية. تم تنظيم السطح بمجموعات من أسلاك نانوية من أكسيد النحاس. أظهرت هذه السطوح المعمارية قدرة ممتازة على تبليل السطح وجمع الضباب، مع تمتع الشبكة النحاسية بأعلى مسامية وأكبر زيادة في كفاءة جمع الضباب. يمكن التحكم في أداء تجميع الماء عن طريق تنظيم مسامية المادة. أظهرت قياسات جمع الضباب أن أغشية الشبكة النحاسية كانت فعالة بشكل كبير في التقاط الماء من الضباب بمعدل 46.5 لتر/متر مربع في الساعة، مما يمكن أن يوفر إمداداً مستمرا بالمياه العذبة لأغراض مختلفة.

النهج الثاني يشمل التخليق الكيميائي لهياكل نانوية من أكاسيد النحاس، ثم استخدام البولي اكريلونيتريل كمادة رابطة بوليمرية لتطبيقها على سطح شبكة الألومنيوم المتاحة تجاريأ. نتيجة لذلك، تم تصميم مجموعة متناظرة من جسيمات نانوية من أكسيد النحاس المائية Cu2O وCuO، مزينة بطبقة من البولي اكريلونيتريل المقاومة للماء. هذا التصميم أفضل للتبليل وفعال في جمع الضباب من خلال مزامنة الخصائص المائية المائلة/مقاومة للسطح. تم إظهار أن غشاءي الشبكة Cu2O وCuO ‎قادران على احتجاز الضباب بمعدل 48.45 لتر/متر مربع في الساعة و 42.6 لتر/متر مربع في الساعة على التوالي. على الرغم من أن كفاءة الجمع تكون أعلى قليلا مقارنة بالنهج الأول، إلا أن استخدام التصميم المعماري على شبكة متاحة تجاريأ يعتقد أنه سيخفض تكلفة الإنتاج ويوفر طريقأ أقصر لتجارة الفكرة. توفرهذه النتاتج رؤى جديدة حول دور المسامية السطحية في جمع الماء بكفاءة عالية، وتشير إلى أنه يمكن تحقيق تصنيع أجهزة فعالة لجمع الضباب من خلال إنشاء سطوح نانوية متكاملة تحتوي على خصائص مائية مائلة و مقاومة.

Download

Included in

Chemistry Commons

COinS