Environmental risk assessment of mechanically strengthened cellulose-based electrospun nanocomposite fibrous membranes

Résumé

La technologie à membrane a été utilisée pour la purification de l’eau, le traitement des eaux usées et le retraitement des eaux polluées ces dernières années. Les technologies de filtration à base de membranes peuvent être utilisées dans la purification de l’eau dans la métallurgie primaire, la transformation des métaux, les secteurs pétroliers, etc. Une méthode innovante et durable pour séparer sélectivement les molécules et les ions a été développée à l’aide de membranes nanocomposites polymères constituées d’une phase polymère continue et d’une phase de nanofiller. Cette technologie a été reconnue pour son potentiel à contribuer à la fois à la durabilité et a l’efficacité des applications de filtration. L’équilibre entre durabilité et efficacité est de la plus haute importance dans les technologies membranaires pour assurer des performances optimales tout en minimisant l’impact environnemental. Pour relever les défis associés a la technologie des membranes, nous avons tout d’abord optimisé les paramètres du matériau, c’est-a-dire la concentration d’acétate de cellulose (CA) et la composition du solvant du mélange N, N-dimethylformamide (DMF)/acétone et les paramètres du processus de fabrication de la membrane par électrofilage, c’est-a-dire le débit de la solution, la tension, la distance entre la distance entre spinneret et le collecteur et le temps de traitement. Deuxièmement, nous avons développé et compare des membranes nanofibreuses en acétate de cellulose (CA) renforcée de nanofibrilles de cellulose (CNF) et de nanocristaux de cellulose (CNC). Plusieurs propriétés, dont les morphologies, les interactions chimiques et la résistance mécanique des membranes, ont été étudiées après leur synthèse à l’aide de la technique d’électrofilage et après leur traitement thermique. Les solutions de polymères étaient composées de divers pourcentages massique de CNC, de CNF oxydes par le 2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxyle (TEMPO) (c’est à dire de 0% à 1 %) et de 15% massique de CA résolu dans une fraction volumique égale (1/1) de solvant de mélange DMF/acétone. D’après notre étude, les propriétés de renforcement des nanofiller TOCNF étaient supérieures à celles des nanofiller CNC. La membrane nanofibreuse composite 0.25TOCNF/CA traitée thermiquement a atteint une résistance à la traction et un allongement maximaux au point de rupture de 33.31 MPa et 1.8%, respectivement. Les relations processus-structure-propriété décrites dans cette étude peuvent faciliter la fabrication et améliorer l’efficacité de l’application de membranes nanocomposites électrophiles pour la purification de l’eau. D’autre part, la durabilité est une considération fondamentale lors du développement et de la mise en œuvre des technologies membranaires. Ces technologies offrent plusieurs avantages qui contribuent à une approche plus durable. Cette étude évalue l’impact environnemental de la méthode conventionnelle de filage humide (NIPS) et de la technique innovante de filage à sec (électrofilage) pour les membranes nanofibreuses électrophiles nanocomposites à base de cellulose. L’analyse du cycle de vie (ACV) de la membrane nanocomposite 0.25TOCNF/CA a été réalisée afin de comprendre les impacts environnementaux du processus de fabrication et d’évaluer le potentiel d’utilisation dans des applications industrielles et autres nécessitant une évaluation de l’empreinte environnementale. Les résultats seront précieux pour les chercheurs, les ingénieurs et les décideurs travaillant dans le domaine du traitement de l’eau et de la technologie membranaire. Plusieurs méthodes d’évaluation d’impact ont été utilisées dans cette analyse, y compris les méthodes de demande énergétique cumulée (CED) et IMPACT2002+. Afin de prendre en compte les variations dans les résultats et de faire face aux incertitudes associées, nous avons utilisé la simulation de Monte-Carlo et effectue une analyse de sensibilité. Nous avons également examiné les incertitudes liées à la méthode d’Évaluation des Impacts du Cycle de Vie (EICV), ainsi qu’aux paramètres et sources de données. Les résultats suggèrent que l’utilisation de la technique d’électrofilage pour la fabrication de membranes est un choix plus durable sur le plan environnemental par rapport à la méthode NIPS, notamment en ce qui concerne les catégories d’impact du changement climatique et de l’épuisement des ressources fossiles. Cependant, l’analyse des incertitudes a révélé que des conclusions définitives ne pouvaient pas être tirées concernant les catégories d’impact de l’eutrophisation et de la toxicité. L’énergie totale utilisée par la méthode NIPS pour un filage par lots de 50g de solution polymère à 0.25TOCNF/CA était de 1030MJ, tandis que pour le processus d’électrofilage, elle était de 768MJ. La consommation d’énergie fossile non renouvelable par la méthode NIPS est supérieure à celle de la méthode d’électrofilage. Ainsi, la méthode d’électrofilage est plus efficace que la méthode NIPS en termes de consommation d’énergie. La méthode NIPS a un impact plus important sur l’environnement en raison de sa consommation d’eau plus élevée et du rejet d’eaux usées contaminées par des solvants, et d’une contribution plus élevée a la toxicité cancérogène pour l’homme, non cancérigène, principalement en raison d’une plus grande demande d’électricité.

Date	9 mai 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Robert Hausler (Directeur(-trice))