Date of Award

4-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Mohamed Hamouda

Second Advisor

Prof. Munjed Maraqa

Third Advisor

Dr. Hilal El Hassan

Abstract

Reducing the levels of heavy metals in water is crucial, given their severe environmental and health impacts. Various methods exist for heavy metals removal. Yet, they mostly come with multiple drawbacks, such as costly treatments and limited efficiency. Previous studies have found geopolymer to be a promising sorbent because it is synthesized using by-product materials, making it an eco-friendly and economically sustainable alternative. Limited studies explored the sorption potential of fly ash-slag blended geopolymers; none examined the effect of mix design factors synergically on sorption, mechanical properties, and durability, and few considered solution characteristics and operating conditions simultaneously. Therefore, this thesis aims to develop and evaluate a fly ash-slag blended geopolymer sorbent for heavy metals removal from wastewater under varying conditions. The work was implemented through two main phases. In the first phase, an initial study was conducted to design 16 geopolymer mixes and select the optimum mix. In phase two, the impact of various parameters on the uptake capacity for lead (Pb2+) of the selected optimum geopolymer mix was examined.

In phase one, single and binary fly ash and slag blends were utilized as the binding material. The geopolymer composite was activated using either sodium hydroxide solely or in combination with sodium silicate. The Taguchi method was employed to design geopolymer mixes, having four factors, each with four levels of variation. These factors included the fly ash-to-slag ratio (FA), binder content (BC), the molarity of the sodium hydroxide solution (M), and the sodium silicate-to-sodium hydroxide ratio (SS/SH). The performance of the geopolymer sorbent was rigorously assessed against a comprehensive set of responses categorized into synthesis and performance criteria. The TOPSIS methodology was applied to aggregate the response criteria and determine the optimal mix for superior performance. A sensitivity analysis was performed to study the sensitivity of the results to the weights assigned for each criterion. In this phase, the results showed that the optimum mix consisted of an FA of 33%, BC of 1050 kg/m3, M of 10, and SS/SH of 3.

Phase two investigated the impact of various parameters on the uptake capacity for Pb2+ of the selected optimal geopolymer mix. The Pb2+ was targeted in phase II due to its severe health risks to humans, including physiological damage to human kidneys, liver, brain, and nervous system when present at high levels. Additionally, Pb2+ had the highest recorded removal in phase I compared to the other metals. The parameters that have been investigated include changes in solution characteristics and variations in operational conditions. Furthermore, the impact of introducing a foaming agent to the optimum mix was examined. The results demonstrated that the removal efficiency increases by increasing geopolymer dosage, contact time, temperature, and decreasing geopolymer particle size and Pb2+ initial concentration. Moreover, it has been observed that adding a foaming agent to the geopolymer mix enhances the removal efficiency. The optimum removal efficiency was obtained at a final pH of 5. The kinetic data were found to fit the pseudo-second-order kinetic model. Also, the sorption isotherm study indicated that the experimental data showed a high nonlinearity, and the Langmuir model fits the data better than the Freundlich model.

This study demonstrated the potential of using geopolymer as a sorbent in removing heavy metals from water, addressing a critical environmental concern with great implications for practical applications. Future studies should focus on investigating the performance of geopolymer composites in large-scale production and industrial real-life wastewater instead of synthetic wastewater. Additionally, further exploration into the valorization and regeneration of geopolymer composites and sustainable final disposal strategies should be performed. Moreover, expanding the environmental and cost-benefit analyses conducted in this study by including a life cycle assessment to evaluate the geopolymer performance as a sorbent compared to traditional sorbents is recommended.

Arabic Abstract


دراسة وتقييم مدى قدرة خليط الجيوبوليمر على امتصاص المعادن الثقيلة من الماء

يعد خفض مستويات المعادن الثقيلة في الماء أمر بالغ الأهمية، نظراً لتأثيراتها السلبية على البيئة وصحة الإنسان. توجد طرق مختلفة لإزالة المعادن الثقيلة، ومع ذلك، فإن معظمها يأتي مع عيوب عديدة، مثل التكلفة العالية والكفاءة المحدودة. وقد وجدت الدراسات السابقة أن مركب الجيوبوليمر يعد مرشح ا واعد اً وذلك يعود للمواد المستخدمة في توليفه كمخلفات المصانع، مما يجعله بديلاً صديقًا للبيئة واقتصاديًا. استكشفت دراسات محدودة تأثير خلط الرماد المتطاير والخبث على الامتصاص المعادن الثقيلة من الماء، ولم يتم التطرق لتأثير عوامل تصميم الخليط على الامتصاص والخصائص الميكانيكية والمتانة جميعها في دراسة واحد ة من قبل ، ونظر عدد قليل من الدراسات في تأثير خصائص المحلول مع ظروف التنفيذ. لذلك، تهدف هذه الأطروحة إلى تطوير وتقييم خليط ال جيوبوليمر المكون من الرماد المتطاير والخبث كمادة ماصة لإزالة المعادن الثقيلة من المياه الملوثة في ظل ظروف مختلفة. تم تنفيذ العمل خلال مرحلتين رئيسيتين؛ في المرحلة الأولى، أجريت دراسة أولية لتصميم 16 مزيجًا من خليط الجيوبوليمر واختيار الخليط الأمثل. في المرحلة الثانية، تم دراسة تأثير المعايير المختلفة على قدرة خليط الجيوبوليمر الأمثل الذي تم اختياره في المرحلة الأولى على امتصاص معدن الرصاص (Pb2+).

في المرحلة الأولى، تم استخدام أمزجة أحادية من الرماد المتطاير والخبث وأخرى ثنائية تجمع بينهما كمواد رابطة، و تم تنشيط خليط الجيوبوليمر باستخدام مادة هيدروكسيد الصوديوم فقط في بعض الأمزجة وتم خلطه مع سيليكات الصوديو م في أمزجة أخرى . تم توظيف طريقة تا غوتشي لتصميم مخاليط الجيوبوليمر، وا لتي تبنت أربعة عوامل، كل منها بأربعة مستويات من التباين. تم تقييم أداء خليط الجيوبوليمر بدقة مقابل مجموعة شاملة من المعايير لتجميع معايير الاستجابة وتحديد (TOPSIS) المصنفة إلى معايير التوليف ومعايير الأداء. تم تطبيق منهجية توبسيس الخليط الأمثل ذو الأداء الأفضل. تم إجراء تحليل الحساسية لدراسة مدى حساسية طريقة تاجوتشي-توبسيس الهجينة للأوزان التي تم تحديدها لكل معيار. في هذه المرحلة، أظهرت النتائج أن الخليط الأمثل يتكون من 33% من الرماد المتطاير، 1050 كجم/متر مكعب من المواد الرابطة، ومولارية بتركيز 10 ، بنسبة 3 من سيليكات الصوديوم الى هيدروكسيد الصوديوم.

المرحلة الثانية بحثت تأثير العديد من المعايير على كفاءة خليط الجيوبوليمر الأمثل في إزالة معدن Pb2+. تم اختيار معدن الرصاص في المرحلة الثانية تتضمن هذه المعايير تغييرات في خصائص المحلول والاختلافات في الظروف التنفيذية. علاوة على ذلك، تم فحص تأثير إدخال عامل رغوي إلى الخليط الأمثل. أظهرت النتائج أن كفاءة الإزالة تزداد مع زيادة جرعة الجيوبوليمر ووقت التلامس ودرجة الحرارة وانخفاض حجم جسيم الجيوبوليمر والتركيز الأولي لمعدن Pb2+. علاوة على ذلك، لوحظ أن إضافة عامل رغوي إلى مزيج الجيوبوليمر يعزز كفاءة الإزالة. تم الحصول على كفاءة الإزالة المثلى عند درجة حموضة نهائية تبلغ 5. أيضا وجد أن البيانات الحركية تتناسب مع نموذج pseudo-second-order. كما أشارت دراسة ايزوثيرم (Isotherm) أن البيانات التجريبية أظهرت سلوكا غير خطي مرتفع، وأن نموذج لانجمير (Langmuir). هو الأنسب لهذه البيانات من نموذج فريندلش (Freundlich).

أظهرت هذه الدراسة إمكانية استخدام الجيوبوليمر كمادة ماصة لإزالة المعادن الثقيلة من الماء، ومعالجة مشكلة بيئية بالغة الأهمية لها انعكاسات كبيرة على التطبيقات العملية. ينبغي أن تركز الدراسات المستقبلية على التحقيق في أداء مركبات الجيوبوليمر في الصناعات واسعة النطاق واستخدام مياه الصرف الحقيقية بدلاً من محاكاتها. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي إجراء المزيد من الدراسات في تقييم إعادة تجديد مركبات الجيوبوليمر، فضلاً عن استراتيجيات التخلص منها بطريقة مستدامة. وعلاوة على ذلك، يوصى بتوسيع نطاق التحليلات البيئية وتحليلات التكلفة والفائدة التي أجريت في هذه الدراسة من خلال تضمين تقييم دورة الحياة لتقييم أداء الجيوبوليمر كمادة ماصة مقارنة بالمواد الماصة التقليدية.

Download
COinS