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

Attari, Nasrin (2024). Environmental risk assessment of mechanically strengthened cellulose-based electrospun nanocomposite fibrous membranes. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Membrane technology has been employed for water purification, wastewater treatment, and reprocessing of polluted water in recent years. Membrane-based filtration technologies can be used in water purification in primary metallurgy, metal processing, petroleum sectors, etc. An innovative sustainable method to selectively separate molecules and ions has been developed using polymer nanocomposite membranes that consist of a continuous polymer bulk phase and a nanofiller phase. This technology has been recognized for its potential to contribute to both sustainability and efficiency in filtration applications. The balance between sustainability and efficiency is of utmost importance in membrane technologies to ensure optimal performance while minimizing environmental impact. To address the challenges associated with the membrane technology, firstly, we have optimized the material parameters, i.e., cellulose acetate (CA) concentration and N, N-dimethylformamide (DMF)/ acetone mixture solvent composition and electrospinning membrane fabrication process parameters, i.e., feed flow rate, voltage, tip-to-collector distance, and processing time. Secondly, we developed, and compared the nanofibrous cellulose acetate (CA)-based membranes reinforced with cellulose nanofibrils (CNFs) and cellulose nanocrystals (CNCs). Several properties including the morphologies, chemical interactions, and mechanical strength of the membranes were investigated after they were synthesized using the electrospinning technique and after they were heat treated. The polymer solutions were composed of various weight percentages of CNCs, 2,2,6,6-tetramethyl- 1-piperidinyloxyl (TEMPO)-mediated oxidized CNFs( i.e., 0 wt% to 1 wt%), and 15 wt% of CA solved in an equal (1/1) volume fraction of DMF/ acetone mixture solvent. Based on our study, the reinforcing properties of TOCNF nanofillers were superior to CNC nanofillers. Heat-treated 0.25TOCNF/CA composite nanofibrous membrane achieved maximum ultimate tensile strength and elongation at the break-point of 33.31 MPa and 1.8%, respectively. The process-structureproperty relationships outlined in this study can facilitate the fabrication and improve the efficiency of the application of electrospun nanocomposite membranes for the purification of water. On the other hand, sustainability is a fundamental consideration when developing and implementing membrane technologies. These technologies offer several advantages that contribute to a more sustainable approach. This study evaluates the environmental impact of the conventional wet spinning method (NIPS) and the innovative dry spinning technique (electrospinning) for cellulose-based nanocomposite electrospun nanofibrous membranes. Life cycle assessment (LCA) of the 0.25TOCNF/CA nanocomposite membrane was conducted to understand the environmental impacts of the fabrication process and to evaluate the potential for use in industrial and other applications that require an assessment of the environmental footprint. The findings will be valuable for researchers, engineers, and policymakers working in the field of water treatment and membrane technology. Several impact assessment methods were used in this analysis, including the Cumulative Energy Demand (CED) and IMPACT2002+ methods. In order to consider the variations in results and tackle the associated uncertainties, we employed Monte Carlo simulation and conducted sensitivity analysis. We also delved into uncertainties linked to the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) method and the parameters and data sources. The results suggest that employing the electrospinning technique for membrane fabrication is a more environmentally sustainable choice compared to the NIPS method, particularly concerning climate change and fossil depletion impact categories. However, the uncertainty analysis revealed that definitive conclusions couldn’t be reached regarding the impact categories of eutrophication and toxicity. The total energy that the NIPS method uses for one batch spinning of 50 gr of 0.25TOCNF/CA polymeric solution was 1030 MJ while for the electrospinning process was 768 MJ. The nonrenewable fossil fuel energy consumption by the NIPS method is more than the electrospinning method. So, the electrospinning method is more efficient than the NIPS method in terms of energy consumption. The NIPS method has a greater impact on the environment due to its higher water consumption and solvent-contaminated wastewater release, and a higher contribution to human carcinogenic, non-carcinogenic toxicity, mainly due to more electricity demand.

Titre traduit

Développement durable de membranes fibreuses nanocomposites électrofilées à base de cellulose renforcées mécaniquement

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 87-101).
Mots-clés libres:	électrofilage, nanocelluloses, acétate de cellulose, nanofibres composites électrofilées, propriétés mécaniques, analyse du cycle de vie, impacts environnementaux, OpenLCA
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Hausler, Robert
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	06 août 2024 17:38
Dernière modification:	06 août 2024 17:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3488

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