Préparation d'une membrane d'acétate de cellulose à l'aide du recyclage des mégots de cigarette et étude de son efficacité à éliminer les métaux lourds d'une solution aqueuse

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20336 (2022) Citer cet article

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Cette étude a examiné le recyclage des mégots de cigarettes fraîchement fumés (FCB) et des filtres de cigarettes non fumées (UCF) dans une membrane d'acétate de cellulose (CA). Les deux échantillons ont été préparés au moyen d'une combinaison de sept marques de cigarettes, et la méthode d'inversion de phase a été utilisée pour recycler chaque échantillon dans une membrane à l'aide de N-méthyl-2-pyrrolidone. L'efficacité des membranes préparées pour l'élimination du chrome, du cadmium et du plomb d'une solution aqueuse dans un réacteur à osmose directe a été étudiée. Les résultats ont montré que les deux membranes avaient une surface lisse et des macrovides. Le flux des membranes préparées à partir du recyclage des UCF et des FCB était de 14,8 et 13,2 LMH, respectivement. La porosité et le sel inverse de la membrane UCF étaient de 61 % et 3,5 gMH, tandis que ceux de la membrane FCB étaient de 58 % et 3,9 gMH. L'efficacité d'élimination des métaux observée des deux membranes était de l'ordre de 85 à 90 %. Cependant, l'augmentation de la concentration de métaux jusqu'à cinq fois a entraîné une légère diminution de l'efficacité d'élimination (moins de 5%).

Lorsque les premières cigarettes à filtre ont été introduites dans les années 1950 pour réduire les éléments nocifs inhalés par les fumeurs1, il semblait que ce type de cigarette pouvait contrôler les conséquences du tabagisme sur la santé. Les cigarettes filtrées ont été en mesure de réduire le risque de fumer grâce à la capacité de leur filtre à piéger les contaminants nocifs de la fumée de cigarette2, et elles constituent aujourd'hui la forme de consommation de tabac la plus courante dans le monde3. Cependant, les cigarettes filtrées ont posé un grave risque pour l'environnement. Les mégots de cigarettes (CB), qui sont souvent jetés comme déchets après avoir été fumés, sont désormais reconnus comme un pollueur environnemental majeur contaminant de nombreux lieux publics dans le monde4. Plus de 4,5 billions de CB sont jetés chaque année5, ce qui en fait l'un des déchets dangereux les plus répandus dans le monde. De plus, le nombre de CB jetés devrait augmenter pour atteindre près de 2 millions de tonnes par an dans le monde6.

Outre le grand nombre de CB, leur dispersion dans l'environnement est un autre aspect dangereux de ces déchets dangereux ; De plus, étant donné que de nombreux fumeurs jettent négligemment les CB, ces déchets ont été considérés comme l'un des déchets les plus courants dans l'environnement7,8,9,10. En conséquence, la gestion de ces déchets est confrontée à de sérieux défis pratiques, notamment les coûts élevés de la collecte des CB encombrés11. De plus, il n'existe pas de solution efficace pour collecter les CB en milieu urbain et dans les lieux publics tels que les plages12. De plus, les CB sont connus comme des déchets dangereux car ils contiennent des milliers de composants chimiques tels que des métaux lourds et des toxines. Étant donné que ces contenus nocifs s'infiltrent souvent dans l'environnement, les CB constituent une menace potentielle pour l'environnement, la santé humaine et les organismes locaux13. Les produits chimiques s'échappant des CB jonchés sont un problème grave car ils entraînent la pollution des sols et de l'eau. En fait, la nicotine lixiviée d'un mégot de cigarette a le potentiel de polluer 1 000 litres d'eau14. De plus, le lixiviat de CB est toxique pour les plantes et les animaux. Les revues de littérature ont révélé que les CB peuvent réduire considérablement la croissance des plantes et modifier la taille normale des organes chez certains animaux15,16. Une autre menace environnementale liée aux CB jonchés est le risque d'ingestion par les animaux domestiques et la faune17,18.

Il est donc essentiel de rechercher des solutions efficaces pour résoudre ce problème environnemental. Cependant, un autre défi associé à la gestion du CB est la limitation de l'utilisation des méthodes conventionnelles d'élimination des déchets telles que la mise en décharge et l'incinération. Les deux techniques mentionnées peuvent entraîner la libération de produits chimiques dangereux dans l'air, l'eau et le sol et ne sont pas suggérées comme une mesure appropriée pour gérer les CB19. Cependant, de nombreuses études avec des résultats encourageants ont été publiées sur le recyclage des CB ces dernières années, telles que l'extraction des produits chimiques piégés dans les CB pour la lutte antivectorielle20,21. De nombreuses tentatives ont été faites dans ce domaine, par exemple, la production de supports de biofilm utilisés dans le traitement des eaux usées22, les adsorbants au carbone23,24, les briques et l'asphalte25,26, les absorbeurs de bruit27 et la pâte à papier28 à partir de CB ont été étudiés dans des études antérieures.

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses tentatives ont été faites pour recycler les CB en divers produits et extraire les produits chimiques piégés dans leur filtre à des fins différentes. Les objectifs de recyclage des mégots de cigarettes peuvent être classés en trois groupes principaux.

L'utilisation de produits chimiques piégés dans le filtre à des fins telles que le contrôle des vecteurs20 et le contrôle de la corrosion des métaux29.

Convertir l'acétate de cellulose récupéré des CB en produits de valeur tels que la pâte à papier28 et le supercondensateur30.

L'utilisation de CB entiers sans séparation de leurs composants pour la fabrication de briques et de produits similaires25.

Des produits de bonne qualité et performants assureront un recyclage durable des CB en tant que déchet dangereux et défi environnemental. Cependant, dans de nombreuses tentatives précédentes dans ce domaine, la qualité du produit final n'était pas satisfaisante par rapport aux échantillons commerciaux. Les briques produites en utilisant l'ajout de CB aux matières premières n'avaient pas les mêmes caractéristiques thermiques comme la résistance à la chaleur et le transfert de chaleur que les échantillons commerciaux25.

Le papier converti à partir du recyclage CB dans l'étude menée par Teixeira et al. paraissait plus sombre et était plus cassant que le papier commercial28. De plus, dans diverses études sur le recyclage du CB en adsorbants au carbone, la capacité d'adsorption des échantillons recyclés a été signalée comme étant modérée par rapport aux adsorbants commerciaux23,24. Cependant, la qualité de certains autres produits finaux issus du recyclage du CB s'est révélée satisfaisante. Ou et al. ont recyclé avec succès les CB en fibres oléophiles, qui sont restées efficaces après 10 essais expérimentaux31. Le support de biofilm préparé à partir du recyclage du CB dans l'étude de Sabzali et al. ont montré des performances similaires à celles des échantillons commerciaux utilisés dans le traitement des eaux usées22.

Cependant, le recyclage des CB est confronté à des défis importants, notamment la menace de fuite de contaminants pendant le processus et la qualité du produit final19. Étant donné que près de 2 millions de tonnes de déchets CB sont produits chaque année dans le monde, l'un des défis les plus importants du recyclage des CB consiste à sélectionner des produits à forte demande comme sortie de recyclage des CB. Étant donné que les filtres de cigarettes sont fabriqués à partir de fibres d'acétate de cellulose4,5, la production de produits à base d'acétate de cellulose peut être une bonne solution pour le recyclage du CB à grande échelle. Les membranes ont de nombreuses applications dans le monde d'aujourd'hui, telles que le traitement de l'eau et des eaux usées32,33,34,35, et l'acétate de cellulose est l'un des matériaux les plus couramment utilisés pour la production de membranes36,37,38, offrant une excellente opportunité de gérer les CB en les recyclant dans des membranes. Cette étude visait à étudier la possibilité de recyclage du CB dans une membrane et les caractéristiques de la membrane produite. En outre, l'efficacité de la membrane produite dans l'élimination du chrome, du cadmium et du plomb d'une solution aqueuse dans un réacteur à osmose directe a été examinée et comparée à d'autres membranes disponibles.

Deux échantillons comprenant des mégots de cigarettes fraîchement fumés (FCB) et des filtres de cigarettes non fumées (UCF) ont été préparés. Afin de préparer un échantillon d'UCF, sept marques de cigarettes les plus vendues ont été identifiées sur le marché iranien. Trois poches (60 cigarettes filtrées) ont été achetées de chaque marque dans trois points de vente différents. Les filtres ont été séparés et mélangés puis utilisés sans traitement. L'échantillon FCB a été préparé à partir des mêmes marques à l'aide d'une pompe à main avec dix succions pour chaque cigarette. Le tabac restant des CB obtenus a été retiré au stade initial de la transformation. Les papiers d'emballage autour des filtres ont ensuite été séparés manuellement. Après le traitement initial, le processus de nettoyage a été effectué par immersion de 20 minutes et mélange dans l'eau trois fois19,23,24. Les filtres ont ensuite été immergés dans de l'éthanol à 96 % deux fois pendant 20 min. Enfin, une solution acide contenant de l'acide nitrique et de l'acide acétique a été utilisée pour éliminer les métaux lourds39. Les filtres nettoyés ont été conservés à température ambiante pendant 48 h pour sécher complètement avant d'entrer dans l'étape principale de recyclage.

La préparation de la membrane a été réalisée sur la base de la méthode d'inversion de phase40,41. Considérant l'effet de la viscosité sur la miscibilité, basé sur des études antérieures ; pour chaque préparation de membrane, les filtres ont été ajoutés au solvant N-méthyl-2-pyrrolidone dans un rapport de 15 % en poids38,41. En raison de l'existence de nombreuses études antérieures dans le domaine de la préparation de membranes à partir d'acétate de cellulose, dans cette étude, une membrane à base d'acétate de cellulose n'a pas été préparée. Ainsi, les performances de la membrane préparée par UCF et FSB ont été comparées aux résultats des études précédentes. Pour obtenir une solution homogène, le mélange a été placé dans un agitateur magnétique pendant 8 h à une température de 40 °C. Les bulles d'air générées doivent être éliminées du mélange avant la coulée, de sorte que le mélange a été maintenu à température ambiante pendant 2 h, puis transféré au réfrigérateur et conservé à 4 °C pendant 24 heures36,42. La solution dégazée a été coulée et un film mince d'une épaisseur de 150 µm a été formé. Le film produit a été immédiatement immergé dans de l'eau déminéralisée pendant 15 min pour subir l'inversion de phase41,42. Le film a été placé dans un bain-marie à 50 ° C pendant 15 minutes pour terminer l'inversion de phase et le remplacement du solvant par de l'eau42,43. La membrane résultante a été conservée dans de l'eau distillée à température ambiante pendant 48 h pour assurer l'élimination complète du solvant et des impuretés43. Enfin, la membrane préparée a été conservée dans de l'eau distillée à 4 °C avant l'évaluation de la morphologie et des caractéristiques40. Les étapes de préparation de la membrane sont illustrées à la Fig. 1.

Étapes de préparation des membranes.

La morphologie et la structure de la porosité des membranes préparées ont été étudiées à l'aide des images de surface et de coupe prises par un microscope électronique à balayage (MEB) selon la méthode présentée dans des études antérieures36,41,42. Les membranes ont été congelées dans de l'azote liquide pendant 60 s, puis les fragments congelés ont été cassés et recouverts d'or par la technique de pulvérisation pour produire une conductivité électrique42. Un système d'osmose directe à l'échelle du laboratoire a été utilisé pour évaluer les caractéristiques opérationnelles des membranes préparées et leur efficacité dans l'élimination des métaux lourds d'une solution aqueuse. Comme le montre la figure 2, ce système consiste en des solutions d'aspiration et d'alimentation, qui sont acheminées séparément par deux pompes différentes. La chambre de maintien de la membrane avait des dimensions de 2,1 cm de largeur et 3,2 cm de longueur, ce qui recouvrait correctement la surface de la membrane égale à 6,7 cm2.

Schéma du système d'osmose directe utilisé.

Afin de déterminer le flux d'eau de la membrane préparée, une osmose directe a été utilisée avec (100 ml de solution de chlorure de sodium 1 M) comme solution d'extraction et 400 ml d'eau désionisée comme solution d'alimentation. La solution d'extraction a été mise en circulation dans le système avec un débit de 18 L par heure, et le flux de membrane a été calculé en utilisant l'équation suivante.

où JW est le flux d'eau en L/m2.h, Δm est la diminution du poids de la solution d'alimentation en litres, Am est la surface active de la membrane en m2, et Δt représente le temps en heure, qui était de 0,25 dans cette étude.

De plus, pour déterminer le flux de sel inverse, la formule suivante a été utilisée.

où Js est le flux de sel inverse en g/MH, ΔCt est la perte de sel de la solution de tirage en gramme, V représente la diminution du poids de la solution de tirage en gramme, Am représente la surface active de la membrane en m2, et Δt est le temps en heure, qui était de 0,25 dans cette étude.

Pour déterminer la porosité, la masse de membrane humide (W1) et la masse de membrane sèche (W2) ont été mesurées et placées dans la formule suivante.

Dans cette équation, \(\rho_{w}\) et \(\rho_{m}\) représentent respectivement la densité de l'eau et de la membrane.

L'efficacité des membranes préparées dans l'élimination du chrome, du cadmium et du plomb d'une solution aqueuse a été étudiée dans le processus d'osmose directe. Les solutions d'alimentation pour chaque métal lourd mentionné ont été préparées à des concentrations de 10, 20, 30 et 50 mg/L. De plus, une solution 1 molaire (M) de chlorure de sodium a été utilisée comme solution de soutirage. Toutes les étapes associées à l'évaluation des caractéristiques opérationnelles de la membrane et de son efficacité dans l'élimination des métaux lourds ont été réalisées à température ambiante. Les deux débits (aspiration et alimentation) ont été ajustés à 0,3 L par minute et l'échantillonnage a été effectué 20 min après le début du processus. La concentration de métaux lourds dans la solution a été mesurée à l'aide du système GF-AAS, fabriqué en Australie. La formule suivante a été utilisée pour déterminer l'efficacité d'élimination des métaux lourds.

Dans cette équation, \(C0\) et \(Ce\) représentent la concentration de métal dans la solution d'alimentation et la solution d'extraction, respectivement.

La morphologie de la membrane a un grand impact sur son efficacité dans des applications spécifiques ; par conséquent, la réalisation d'une structure physique appropriée est essentielle lors de la préparation de la membrane. La morphologie des membranes UCF et FCB développées a été déterminée à l'aide d'un microscope électronique à balayage. Les images obtenues ont démontré que les membranes préparées avaient des macrovides. La formation de membranes par recyclage de CB peut être expliquée sur la base du processus d'inversion de phase. Le filtre de la cigarette, qui est la partie principale des CB, est principalement composé d'acétate de cellulose4,5,18. La N-méthyl-2-pyrrolidone et les CB ont été mélangés ensemble comme solution initiale, ce qui a entraîné la formation d'un mélange visqueux. Ce mélange visqueux a été utilisé pour couler un film, puis le film coulé a été immédiatement immergé dans de l'eau distillée. L'inversion de phase, qui est la miscibilité entre l'eau et le solvant, se produit à ce stade. Ce phénomène conduira à l'échange d'eau et de solvant dû au flux diffusionnel42. L'inversion de phase se produit en raison de la faible miscibilité entre l'acétate de cellulose (filtre de cigarette) et le solvant et se poursuit jusqu'à la fin du processus de démixtion, entraînant une solidification44.

Comme le montre la figure 3, sur la base des images SEM des membranes préparées, les membranes UCF et FCB avaient une surface lisse. La formation d'une structure de surface lisse dans les membranes peut être attribuée à la vitesse du processus de démixtion lors de l'inversion de phase. En général, la morphologie de la membrane dépend de la vitesse de démixtion, et les membranes finales avec une surface lisse et la formation de macrovides indiquent une démixtion instantanée dans l'étude menée, alors que si le processus de démixtion était lent, des membranes avec une structure dense se seraient formées42. En outre, comme l'indique la figure 3, il existe une légère différence dans le nombre de pores sur la surface de la membrane résultante FCB par rapport à la membrane résultante UCF. Cette différence peut être l'effet des impuretés de la fumée de cigarette piégées dans le filtre pendant le processus de fumage, qui sont restées dans les CB malgré les étapes de traitement et de nettoyage. L'effet des composés additifs sur la structure de surface des membranes d'acétate de cellulose a été mentionné dans des études similaires45,46. Le processus de lixiviation additive dans la préparation initiale du mélange et pendant la gélification a été considéré comme une raison de ce phénomène47. En conséquence, une augmentation des impuretés de la solution de coulée peut conduire à une surface plus rugueuse de la membrane et à des pores plus dispersés sur cette surface42.

Images SEM des membranes préparées.

Les images SEM en coupe des membranes préparées à partir du recyclage UCF et FCB sont présentées à la Fig. 3. Comme l'indique la figure, il existe des macrovides dans les membranes. Considérant que la morphologie de la membrane dépend des conditions thermodynamiques et des facteurs affectant la cinétique d'inversion de phase48, la structure observée dans les membranes peut être expliquée. La viscosité de la solution de moulage est l'un des facteurs les plus importants affectant la structure des pores et la porosité de la membrane49,50. Comme la viscosité est efficace dans la diffusion mutuelle du solvant et du non-solvant, le changement de viscosité de la solution de coulée a un impact significatif sur la structure des pores41. En raison du fait que les filtres de cigarette sont fabriqués à partir d'acétate de cellulose, la solution de moulage avait une faible viscosité, conduisant à une porosité et des macrovides appropriés dans les membranes résultantes. En général, une viscosité plus élevée de la solution de coulée indique une vitesse de démixtion plus lente lors de l'inversion de phase, entraînant une modification de la structure de la porosité de la membrane et la formation d'une structure semblable à une éponge36,41. En revanche, une viscosité plus faible et une hydrophilie plus élevée de la solution de moulage contenant de l'acétate de cellulose pur, telle qu'utilisée dans cette étude, entraînent une inversion de phase rapide et, éventuellement, la formation de macrovides et une porosité améliorée dans la membrane42.

Le flux des membranes préparées a été mesuré en utilisant de l'eau déminéralisée comme solution d'alimentation. Comme l'indique le tableau 1, le flux des membranes préparées à partir du recyclage UCF et FCB était de 14,7 et 13,2 L/MH, respectivement. Étant donné que les filtres de cigarette sont principalement fabriqués à partir d'acétate de cellulose, le faible flux observé dans les membranes résultantes peut être dû à une matrice polymère très serrée de CA42 pur. Cependant, l'ajout de certains composés spécifiques à l'acétate de cellulose peut augmenter l'hydrophilie de la membrane et le flux, car une hydrophilie accrue de la solution de moulage peut augmenter le flux dans les membranes préparées41,42. La porosité de la membrane est un autre facteur qui dépend de l'hydrophilie de la solution de coulée et qui agit sur le flux51. Comme le montre le tableau 1, la porosité des membranes préparées à partir du recyclage UCT et FCB était de 61 et 58 %, respectivement. Bien que cette quantité soit proche de la porosité des membranes CA42, cette propriété peut être augmentée en ajoutant des matériaux hydrophiles au mélange initial. L'ajout de composés hydrophiles augmente non seulement le nombre de molécules d'eau absorbées dans la membrane, mais augmente également la possibilité de formation de gros pores et d'occupation des molécules d'eau42. Par conséquent, l'augmentation de la porosité entraîne une augmentation du flux membranaire52. De même, une hydrophilie accrue dans la membrane entraîne un angle de contact de surface externe plus élevé, efficace dans la montée du flux41. Cependant, le flux diminue avec la formation de pores plus petits dans la membrane36. La pression appliquée pourrait être une autre raison de la différence observée dans le flux des membranes dérivées des mégots de cigarettes dans cette étude avec le flux des membranes commerciales à base de CA. Les membranes préparées à partir du recyclage du CB avaient un flux de 14,7 LMH et 13,2 LMH sous pression osmotique provoquée par une solution de soutirage contenant du chlorure de sodium 1 M, alors que le flux de la membrane CA était de 15 LMH à une pression de 100 kPa dans l'étude menée par Han et al.42.

Les résultats de l'efficacité des membranes préparées dans l'élimination des métaux lourds sont présentés dans le tableau 2. À une concentration de 10 mg/L, l'efficacité d'élimination de la membrane FCB résultante pour le plomb, le chrome et le cadmium était de 85,2, 88,4 et 85,3 %, respectivement. En comparaison, l'efficacité d'élimination de la membrane UCF résultante pour ces métaux à la même concentration était de 89,3, 91,3 et 87,6 %, respectivement. L'augmentation de la concentration des métaux mentionnés jusqu'à 50 mg / L en moyenne a entraîné une diminution de l'efficacité d'élimination des membranes FCB et UCF résultantes de 3,53 et 4,06%, respectivement. La présence simultanée des trois métaux dans la solution d'alimentation (10 mg/L de chaque métal) a réduit l'efficacité d'élimination des membranes FCB par rapport à la concentration de 10 mg/L. Cependant, en moyenne, elle était supérieure de 0,73 % à l'efficacité d'élimination avec une concentration de 30 mg/L de chaque métal.

Dans des études précédentes, des membranes préparées utilisant un polymère dans un rapport de 18 % en poids étaient capables d'éliminer les métaux lourds35,38. Cependant, dans cette étude, l'utilisation de mégots de cigarettes dans un rapport de 15 % en poids a conduit à la production d'une membrane capable d'éliminer les métaux lourds, ce qui est probablement dû à l'effet du plastifiant dans le filtre de la cigarette. En comparaison avec les performances des membranes préparées dans cette étude, l'efficacité de la membrane CA pour l'élimination du nickel du flux d'eau a été rapportée comme étant supérieure à 93 % dans une étude menée par Zhao et al.53. En 2013, Butler et al. ont rapporté que l'efficacité des membranes CA pour l'élimination du chrome, du plomb, du cuivre et de l'arsenic dans le processus d'osmose directe était supérieure à 99 %54. En 2019, Chen et al. ont étudié l'efficacité des membranes CA dans l'élimination du plomb, du chrome, du zinc, du cuivre et du mercure à une concentration de 100 mg/L, et le taux d'élimination mentionné pour les métaux était supérieur à 99 %55. Considérant que l'élimination des métaux lourds à l'aide de la technologie à membrane dépend de processus physiques, chimiques et électrochimiques ainsi que de règles hydrauliques56,57, l'efficacité d'élimination des métaux obtenue dans cette étude peut être expliquée. Le transport convectif et la force motrice de la solution d'étirage entraînent le transport des métaux lourds à travers la membrane58. Comme les résultats l'indiquent, l'efficacité d'élimination des deux membranes pour les trois métaux étudiés était proche de 90 % car, lorsque la polarisation de concentration se produit, le caractère sélectif de la membrane peut éliminer efficacement les métaux lourds59. La basse pression appliquée par osmose directe intensifie le phénomène mentionné car à basse pression, le flux dépend de la polarisation de la concentration60. Dans cette condition, le colmatage des pores par des particules plus petites et l'accumulation de grosses particules sur les pores, qui peuvent améliorer l'efficacité d'élimination des métaux, se produisent lentement. En plus de cela, le transport diffusif peut entraîner le déplacement des ions métalliques à travers la membrane quel que soit le mouvement d'écoulement59,61. Contrairement au transport convectif, ce processus dépend des propriétés électrochimiques de la membrane et des ions de métaux lourds ainsi que de la concentration de polarisation58. D'autre part, le manque d'autres ions dans les eaux usées synthétiques usées peut être une autre raison pour ne pas atteindre une efficacité d'élimination prometteuse. La présence d'autres ions peut modifier la charge de surface de la membrane en créant une force répulsive. Il a également un impact sur la polarisation de la concentration et la tendance de la solution à maintenir l'électroneutralité des deux côtés de la membrane. Compte tenu de ces effets, la présence d'autres ions métalliques peut augmenter ou diminuer l'efficacité d'élimination62,63. De plus, comme on le voit dans la réalité, la présence d'autres composés dans la solution peut augmenter l'efficacité de l'élimination.

L'acétate de cellulose commercial peut être utilisé pour fabriquer des nanofiltres avec une excellente perméabilité et une grande efficacité dans la réduction des sels et des ions de la solution aqueuse. Par exemple, Su et al. ont préparé avec succès un nanofiltre en acétate de cellulose avec une perméabilité de 0,47 LMH et la capacité de réduire le chlorure de sodium et le chlorure de magnésium d'une solution synthétique de 90 et 96 %, respectivement. En conséquence, la membrane CA peut être utilisée efficacement dans le processus d'osmose directe64. Moradi Hamedani et al. ont étudié l'efficacité des membranes CA pour l'élimination des métaux tels que le plomb, le cadmium, le zinc et le nickel. Bien qu'une augmentation de la pression ait entraîné une diminution de l'efficacité d'élimination de tous les métaux, la membrane CA a montré la capacité d'éliminer 98 % du plomb et 70 % des autres métaux65. Dans l'étude menée par Idris et al.66, l'efficacité d'une membrane CA modifiée pour l'élimination du plomb des eaux usées était de 97,6 %66. Le nanofiltre CA utilisé par Figoli et al. pour éliminer le cadmium d'une solution aqueuse a montré une efficacité d'élimination allant jusqu'à 95 % sous différentes pressions et valeurs de pH67. Yu et al. ont étudié la capacité des membranes d'acétate de cellulose modifiées à éliminer la pollution par le cuivre et les hydrocarbures de l'eau contaminée. L'efficacité observée pour l'élimination du cuivre atteignait jusqu'à 97 % dans cette étude68. Dans une autre étude d'Al-Wafi et al. La membrane CA a montré une efficacité de 90 % pour l'élimination du chrome hexavalent d'une solution aqueuse. Les chercheurs ont réussi à augmenter l'efficacité d'élimination à 97 % en ajoutant certains composés à la structure membranaire69. Cependant, le mélange de la solution de coulée avec des additifs n'améliore pas toujours l'efficacité d'élimination de la membrane pour les métaux lourds. Nagandaran et al. réalisé que l'augmentation du rapport de polysulfonate dans la solution de coulée pour la préparation de la membrane CA peut modifier négativement la taille des pores de la membrane résultante, réduisant ainsi l'efficacité d'élimination des ions cadmium, zinc, nickel et cuivre51. En comparant les efficacités d'élimination mentionnées pour les membranes CA pures et les membranes préparées à partir du recyclage du CB (85 à 90 % selon le tableau 2), on peut dire que l'efficacité d'élimination des membranes à base de CB était acceptable mais inférieure à celle des types commerciaux. Cependant, cette différence peut être le résultat de conditions de fonctionnement différentes du système d'osmose directe utilisé et des systèmes de sous-pression utilisés dans d'autres études. En outre, l'utilisation des membranes modifiées par d'autres chercheurs pourrait être une autre raison probable.

Compte tenu de la meilleure efficacité d'élimination des membranes CA pures et après avoir examiné les expériences d'autres chercheurs dans ce domaine, les solutions suivantes pourraient être présentées pour améliorer l'efficacité de la membrane à base de CB. Certains produits chimiques tels que l'argent peuvent être utilisés comme additifs dans le processus de préparation de la membrane pour améliorer les performances de la membrane résultante. Cet additif peut affecter positivement la structure de la membrane et augmenter son efficacité dans la réduction des polluants tels que les micro-organismes70. En outre, apporter quelques modifications au processus de préparation de la membrane peut améliorer les propriétés structurelles et les performances de la membrane résultante. Par exemple, dans une étude de Nguyen et al., il a été indiqué que le processus de recuit lors de la fabrication des membranes CA améliore l'efficacité des membranes en raison de l'élimination des additifs et des solvants restants71. Mohammadi et Seljuqi ont examiné l'effet des conditions de préparation sur la structure de la membrane CA et ont conclu que l'augmentation de la concentration en polyéthylène glycol et de la température du bain-marie pendant le processus de préparation de la membrane améliore la résistance thermique de la membrane résultante. De plus, il est devenu évident que l'augmentation de la concentration de polyéthylène glycol entraîne une augmentation de la porosité, tandis que la porosité diminue avec l'augmentation de la concentration d'acétate de cellulose et la diminution de la température du bain-marie72. L'ajout de certains produits chimiques dans le processus de préparation de la membrane peut également améliorer la structure et les performances de la membrane. Par exemple, Vara et al. réussi à réduire la taille des pores de la membrane de 15 à moins de 2 μm en ajoutant de l'alumine à la solution de coulée73. Cependant, l'application d'additifs peut également avoir des effets secondaires négatifs. Par exemple, dans l'étude d'Abedini et al., l'ajout d'oxyde de titane a conduit à une augmentation de l'épaisseur et de la tolérance thermique de la membrane. Pendant ce temps, la taille des pores et la perméabilité de la membrane ont augmenté, entraînant une réduction de l'efficacité d'élimination46. Par conséquent, les produits chimiques utilisés pour la modification de la membrane et leur proportion dans le mélange doivent être choisis avec soin afin d'obtenir le meilleur résultat. A titre d'exemple, on peut citer les résultats intéressants rapportés par Nazimuddin et al. Ils ont découvert que l'ajout de nanotubes de carbone en tant qu'additif à la solution de moulage augmentait la porosité de la membrane résultante, mais augmentait également le rejet de sel à 96 %, et le meilleur rapport polymère/solvant était de 25 à 7574.

Bien que le nombre de produits recyclés à partir de CB ait augmenté ces dernières années, comme le montre la Fig. 4, il existe de sérieux défis liés à ce processus de recyclage des déchets dangereux, entravant le recyclage à grande échelle des CB19.

Méthodes et enjeux sur le recyclage du CB.

Les caractéristiques de la membrane préparée dans cette étude sont comparées à d'autres produits convertis à partir du recyclage du CB sur la Fig. 5. L'un des défis les plus importants du recyclage du CB est la fuite de polluants au stade du traitement sous forme d'eaux usées ou de polluants atmosphériques. Étant donné que les filtres de cigarettes sont conçus pour piéger les polluants de la fumée de cigarette, les déchets CB contiennent un large éventail de polluants, notamment des métaux lourds et des toxines3,6. Ces polluants fuient pendant le traitement du CB, comme le lavage19 et le chauffage25. Par conséquent, la conversion des CB en produits nécessitant moins d'étapes de traitement et de fuites de polluants est plus souhaitable en termes de conséquences environnementales. Certaines méthodes de recyclage du CB se concentrent sur l'extraction des produits chimiques et des toxines piégés dans le filtre, ce qui les rend plus écologiques par rapport aux autres méthodes de recyclage du CB. La production de membranes à partir du recyclage du CB a conduit à la génération d'eaux usées avec divers polluants dans les étapes de lavage à l'eau et au solvant. De ce point de vue, la méthode présentée est similaire aux méthodes de recyclage du CB pour la production d'absorbants acoustiques et de super-condensateurs. Cependant, étant donné que le procédé thermique n'a pas été utilisé pour la préparation du CB dans cette étude, il n'y a aucune menace concernant l'émission de polluants atmosphériques contrairement à la production d'absorbeurs de carbone.

Caractéristiques des produits issus du recyclage CB.

La qualité du produit final est un point clé à prendre en compte dans le recyclage du CB. Les résultats de l'étude présentés ont montré que la membrane préparée à partir de CB avait une morphologie appropriée, et que son flux et son taux de sel inverse étaient similaires aux plages rapportées pour les membranes CA commerciales. En outre, l'efficacité d'élimination de la membrane préparée pour les métaux lourds était supérieure à 85 %, alors que le chiffre était supérieur à 99 % pour les membranes CA pures54,55. Cependant, l'efficacité de la membrane préparée peut être améliorée en ajoutant des composés spécifiques à la matière première ou en modifiant le processus de production de la membrane ; par conséquent, la qualité du produit présenté peut être considérée comme satisfaisante.

On estime que la production annuelle de CB atteindra 1,8 million de tonnes d'ici 2025. Par conséquent, la quantité requise de CB dans la méthode de recyclage joue un rôle important dans la gestion de ces déchets dangereux répandus. Le produit recyclé à partir de CB doit être largement utilisé et nécessite le plus grand nombre de CB au cours du processus de recyclage. Dans cette étude, la production de la membrane CA en tant que produit largement utilisé dans diverses industries a été étudiée. Étant donné que l'acétate de cellulose requis pour la production de membranes provenait du recyclage du CB, ce produit est une excellente option pour la gestion des déchets de CB, alors que ce n'est pas le cas pour certains autres produits recyclés de CB. Mohajerani et al. ont rapporté que le meilleur ratio de CB utilisés dans les matières premières de la brique est de 1 % en poids25. Par conséquent, la production de briques ne peut pas recycler une grande quantité de déchets CB. De plus, dans l'étude de Sabzali et al., bien que la qualité du substrat de croissance microbienne préparé à partir de CB était prometteuse dans l'étude de Sabzali et al. jugé approprié et l'ensemble du substrat a été fourni par le biais du recyclage de CB22, mais la consommation de ces substrats, ce support n'est pas largement utilisé dans l'industrie des eaux usées et n'a pas le potentiel de jouer un rôle considérable dans le monde n'est pas suffisante pour faire une part significative de la gestion des 180 plusieurs millions de tonnes de déchets de CB produits annuellement dans le monde. produit dans le monde grâce au recyclage.

La production de membranes à partir du recyclage du CB a été étudiée dans cette étude. Selon les résultats, la membrane produite à l'aide de la technique d'inversion de phase avait des macrovides et une structure de surface uniforme. Le flux dans la membrane préparée à partir de CB était de 13,2 LMH et le taux de sel inverse était de 3,9 gMH. La comparaison de cette membrane avec la membrane préparée à partir des filtres de cigarettes non fumées a montré que le fumage et le traitement n'avaient pas d'effet négatif sérieux sur la qualité du produit final. Le flux et le sel inverse dans la membrane préparée à partir de filtres de cigarettes non fumées étaient respectivement de 14,7 LMH et 3,5 gMH. Les efficacités d'élimination de la membrane préparée à partir du recyclage du CB pour le plomb, le chrome et le cadmium étaient respectivement de 85,2, 88,4 et 85,3 %, soit en moyenne 3,3 % inférieures à celles de la membrane préparée à partir des filtres de cigarettes non fumées. Compte tenu de la morphologie appropriée et de l'efficacité d'élimination des métaux lourds de la membrane préparée à partir du recyclage de CB, ce produit peut être une solution efficace pour résoudre le problème des déchets de CB. En outre, un autre avantage considérable de ce produit recyclé est le fait que le CA requis pour la production de la membrane provient entièrement du recyclage du CB, ce qui fait de la membrane CA un produit idéal pour gérer les CB comme les déchets les plus courants au monde.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs tiennent à remercier l'Iran University of Medical Sciences, Téhéran, Iran (subvention n° 98-2-2-15471) pour son soutien financier (code d'éthique : IR.IUMS.REC.1398.664).

Centre de recherche sur les technologies de la santé environnementale, Université iranienne des sciences médicales, Téhéran, Iran

Javad Torkashvand, Roshanak Rezaei Kalantary, Mitra Gholami, Ali Esrafili et Mahdi Farzadkia

Département d'ingénierie de la santé environnementale, École de santé publique, Université iranienne des sciences médicales, Téhéran, Iran

Javad Torkashvand, Roshanak Rezaei Kalantary, Mitra Gholami, Ali Esrafili, Mahmood Yousefi et Mahdi Farzadkia

Département d'ingénierie de la santé environnementale, adjoint à la santé, Université des sciences médicales de Guilan, Rasht, Iran

Alireza Saedi-Jurkuyeh

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JT : Conceptualisation, Méthodologie, Enquête, Analyse formelle, Rédaction—ébauche originale. AS-J., RRK, MG, AE, MY : Enquête, Méthodologie, Rédaction—revue ; édition. MF : Méthodologie, Rédaction—révision ; montage, supervision. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Mahdi Farzadkia.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Torkashvand, J., Saeedi-Jurkuyeh, A., Rezaei Kalantary, R. et al. Préparation d'une membrane d'acétate de cellulose à l'aide du recyclage des mégots de cigarette et étude de son efficacité à éliminer les métaux lourds d'une solution aqueuse. Sci Rep 12, 20336 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24432-x

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Reçu : 18 septembre 2022

Accepté : 15 novembre 2022

Publié: 25 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-24432-x

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