吸い殻リサイクルを利用した酢酸セルロース膜の作製と水溶液からの重金属除去効率の検討

Oct 19, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20336 (2022) この記事を引用

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この研究では、吸いたてのタバコの吸い殻 (FCB) と喫煙していないタバコのフィルター (UCF) を酢酸セルロース (CA) 膜にリサイクルする方法を調査しました。 両方のサンプルは 7 種類のタバコ銘柄を組み合わせて調製され、位相反転法を使用して、N-メチル-2-ピロリドンを使用して各サンプルを膜にリサイクルしました。 順浸透反応器内の水溶液からクロム、カドミウム、鉛を除去するための調製された膜の効率が調査されました。 結果は、両方の膜が滑らかな表面とマクロボイドを持っていることを示しました。 ＵＣＦおよびＦＣＢのリサイクルから調製された膜の流束は、それぞれ１４．８および１３．２ＬＭＨであった。 ＵＣＦ膜の多孔率および逆塩は６１％および３．５ｇＭＨであったのに対し、ＦＣＢ膜の多孔率および逆塩は５８％および３．９ｇＭＨであった。 両方の膜で観察された金属除去効率は 85 ～ 90% の範囲でした。 ただし、金属濃度を 5 倍まで高めると、除去効率がわずかに低下します (5% 未満)。

喫煙者が吸い込む有害な要素を減らすために 1950 年代に最初のフィルター付き紙巻きタバコが導入されたとき 1、このタイプの紙巻きタバコは喫煙による健康への影響を制御できると思われました。 フィルター付き紙巻きタバコは、紙巻きタバコの煙から有害な汚染物質を捕捉するフィルターの能力により、喫煙のリスクを軽減することができ2、今日では世界中で最も一般的な紙巻きタバコの使用形態となっています3。 しかし、フィルター付き紙巻きタバコは深刻な環境リスクをもたらしています。 喫煙後に廃棄物としてポイ捨てされることが多いタバコの吸い殻（CB）は、現在、世界中の多くの公共の場所を汚染する主要な環境汚染物質として認識されています4。 年間 4 兆 5,000 億個以上の CB がポイ捨てされており5、CB は世界中で最も蔓延している有害廃棄物の 1 つとなっています。 さらに、ポイ捨てされる CB の数は、世界で年間 200 万トン近くに増加すると予想されています6。

多数の CB に加えて、環境中に分散していることも、この有害廃棄物のもう 1 つの危険な側面です。 また、多くの喫煙者が不注意で CB を廃棄するため、この廃棄物は環境中に最も一般的なゴミの 1 つであると考えられています 7、8、9、10。 その結果、この廃棄物の管理は、ポイ捨てされた CB の回収コストの高さなど、現実的な深刻な課題に直面しています11。 さらに、都市環境やビーチなどの公共の場所から CB を収集するための効率的な解決策はありません 12。 さらに、CB には重金属や毒素などの化学成分が数千も含まれているため、有害廃棄物として知られています。 これらの有害な内容物は環境中に浸出することが多いため、CB は環境、人間の健康、および地域の生物に潜在的な脅威をもたらします13。 散乱したCBからの化学物質の浸出は土壌や水の汚染につながるため、深刻な問題となっている。 実際、タバコの吸い殻から浸出したニコチンは 1,000 L の水を汚染する可能性があります14。 さらに、CB 浸出液は動植物に対して有毒です。 文献レビューにより、CB が植物の成長を大幅に低下させ、一部の動物の器官の正常なサイズを変化させる可能性があることが明らかになりました 15,16。 CB のポイ捨てに関連するもう 1 つの環境脅威は、家畜や野生動物による摂取のリスクです 17,18。

したがって、この環境問題に取り組むための効率的な解決策を模索することが不可欠です。 しかし、CB 管理に関連するもう 1 つの課題は、埋め立てや焼却などの従来の廃棄物処理方法の使用に対する制限です。 言及された両方の技術は、空気、水、土壌への有害な化学物質の放出を引き起こす可能性があり、CBs を管理するための適切な手段としては提案されていません 19。 しかし、媒介生物駆除のための CB に捕捉された化学物質の抽出など、近年 CB のリサイクルに関する有望な発見を伴う多数の研究が発表されています 20,21。 この分野では多くの試みがなされており、例えば、廃水処理に使用されるバイオフィルム担体22、炭素吸着剤23,24、レンガおよびアスファルト25,26、吸音材27、および紙パルプ28のCBからの生産が以前の研究で研究されている。

過去 10 年間、CB をさまざまな製品にリサイクルし、さまざまな目的のためにフィルターに捕捉された化学物質を抽出する多くの試みが行われてきました。 吸い殻のリサイクル目標は、主に 3 つのグループに分類できます。

ベクトル制御 20 や金属腐食制御 29 などの目的で、フィルター内に捕捉された化学物質を使用する。

CB から回収された酢酸セルロースを紙パルプ 28 やスーパーキャパシター 30 などの価値ある製品に変換します。

レンガや同様の製品の製造に、構成要素を分離せずに CB 全体を使用する25。

優れた品質と性能を備えた製品は、有害廃棄物および環境問題としての CB の持続可能なリサイクルを保証します。 しかし、この分野におけるこれまでの多くの試みでは、最終製品の品質は市販サンプルと比較して満足のいくものではありませんでした。 原料に CB を添加して製造したレンガは、耐熱性や伝熱性などの熱特性が市販サンプルと同等ではありませんでした25。

Teixeiraらによって行われた研究で、紙はCBリサイクルから変換されました。 見た目は商業紙よりも暗く、もろかったです28。 さらに、炭素吸着剤への CB のリサイクルに関するさまざまな研究では、リサイクルされたサンプルの吸着能力は市販の吸着剤と比較して中程度であることが報告されています 23,24。 しかし、CBリサイクルによる他のいくつかの最終製品の品質は満足のいくものであると報告されています。 王ら。 は、CB を親油性繊維にリサイクルすることに成功し、10 回の実験後も効率を維持しました 31。 Sabzaliらの研究でCBリサイクルから調製されたバイオフィルム担体。 廃水処理に使用される市販サンプルと同様の性能を示しました22。

しかし、CB のリサイクルには、プロセス中の汚染物質漏洩の脅威や最終製品の品質など、重大な課題が直面しています19。 世界中で毎年 200 万トン近くの CB 廃棄物が生産されていることを考慮すると、CB リサイクルにおける最も重要な課題の 1 つは、CB リサイクル生産物として需要の高い製品を選択することです。 タバコのフィルターが酢酸セルロース繊維から作られていることを考慮すると、酢酸セルロースベースの製品の製造は、大規模な CB リサイクルにとって良い解決策となり得ます。 膜は今日の世界では水や廃水の処理など多くの用途に使用されており 32、33、34、35、酢酸セルロースは膜の製造に使用される最も一般的な材料の 1 つであり 36、37、38、リサイクルして CB を管理する絶好の機会を提供しています。膜に。 本研究は、CB の膜へのリサイクルの可能性と、製造された膜の特性を調査することを目的としました。 さらに、正浸透反応器内の水溶液からクロム、カドミウム、鉛を除去する際の製造された膜の効率が検査され、他の入手可能な膜と比較されました。

新たに喫煙したタバコの吸い殻 (FCB) と喫煙していないタバコのフィルター (UCF) を含む 2 つのサンプルを準備しました。 UCFのサンプルを準備するために、イラン市場で最も売れている7つのタバコブランドが特定されました。 3 つのポケット (フィルター付きタバコ 60 本) が 3 つの異なる販売センターで各ブランドから購入されました。 フィルターは分離・混合してそのまま使用しました。 FCB サンプルは、タバコごとに 10 回吸引できるハンドポンプを使用して、同じブランドから調製されました。 得られたCBから残ったタバコは加工の初期段階で除去されました。 次に、フィルターの周りの包装紙を手作業で剥がしました。 初期処理後、20 分間の水への浸漬と混合を 3 回繰り返して洗浄プロセスを実行しました19,23,24。 次いでフィルターを９６％エタノールに２０分間２回浸漬した。 最後に、硝酸と酢酸を含む酸性溶液を使用して重金属を除去しました39。 洗浄したフィルターは、主なリサイクル段階に入る前に完全に乾燥するまで室温で 48 時間保持されました。

膜の調製は転相法に基づいて行われました40,41。 以前の研究に基づいて、混和性に対する粘度の影響を考慮します。 各膜調製では、フィルターを 15 wt% の比率で N-メチル-2-ピロリドン溶媒に添加しました38,41。 酢酸セルロースからの膜調製の分野では多くの先行研究が存在するため、この研究では酢酸セルロースをベースとした膜は調製されなかった。 したがって、UCF および FSB によって調製された膜の性能を以前の研究の結果と比較しました。 均一な溶液を達成するために、混合物をマグネティックスターラーに入れて 8 時間 40 °C の温度にしました。 生成した気泡はキャスト前に混合物から除去する必要があるため、混合物を室温で 2 時間保持し、その後冷蔵庫に移して 4 °C で 24 時間保持しました 36,42。 脱気した溶液をキャストし、厚さ１５０μｍの薄膜を形成した。 得られたフィルムを直ちに脱イオン水に 15 分間浸漬して、相反転を行いました 41,42。 フィルムを 50 °C の水浴に 15 分間置き、転相と水による溶媒置換を完了しました 42,43。 得られた膜を蒸留水中に室温で 48 時間保持して、溶媒と不純物を完全に除去しました 43。 最後に、形態および特性の評価を行う前に、調製した膜を 4 °C の蒸留水中に保管しました 40。 膜の調製手順を図 1 に示します。

膜の準備手順。

調製された膜の形態および多孔構造は、以前の研究で提示された方法に従って走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影された表面および断面画像を使用して研究されました36、41、42。 膜は液体窒素中で 60 秒間凍結され、その後凍結された破片が破壊され、スパッタリング技術によって金でコーティングされ、導電性が得られました 42。 実験室規模の順浸透システムを利用して、調製した膜の動作特性と水溶液からの重金属除去効率を評価しました。 図 2 に示すように、このシステムは、2 つの異なるポンプによって別々に流される吸引溶液と供給溶液で構成されています。 膜保持チャンバーは、幅２．１ｃｍ、長さ３．２ｃｍの寸法を有し、６．７ｃｍ ２ に等しい膜の表面積を適切に覆った。

使用される正浸透システムの概略図。

調製した膜の水流束を測定するために、（１００ｍｌの１Ｍ塩化ナトリウム溶液）をドロー溶液として、そして４００ｍｌの脱イオン水を供給溶液として用いて、順浸透を使用した。 ドロー溶液を１時間あたり１８Ｌの流量でシステム内を循環させ、膜流束を次の式を使用して計算した。

ここで、JW は水流束 (L/m2.h)、Δm は供給溶液の重量減少 (リットル)、Am は膜の活性面積 (m2)、Δt は時間 (時間) を表し、この研究では 0.25 でした。 。

また、塩の逆流束を決定するために、次の式が使用されました。

ここで、Js は逆塩流束 (g/MH)、ΔCt は誘導溶液の塩損失 (グラム)、V は誘導溶液の重量減少 (グラム)、Am は膜の活性面積 (m2)、Δt はこの研究では 0.25 でした。

気孔率を決定するために、湿潤膜質量 (W1) と乾燥膜質量 (W2) を測定し、次の式に代入します。

この方程式では、\(\rho_{w}\) と \(\rho_{m}\) はそれぞれ水と膜の密度を表します。

水溶液からクロム、カドミウム、鉛を除去する際の調製された膜の効率を、正浸透プロセスで調査しました。 言及した各重金属の供給溶液は、10、20、30、および 50 mg/L の濃度で調製されました。 さらに、１モル（Ｍ）の塩化ナトリウム溶液をドロー溶液として使用した。 膜の動作特性と重金属除去効率の評価に関連するすべてのステップは室温で実行されました。 両方の流量 (吸引と供給) を 0.3 L/分に調整し、プロセスの開始から 20 分後にサンプリングを実行しました。 溶液中の重金属の濃度は、オーストラリア製の GF-AAS システムを使用して測定されました。 重金属の除去効率は次の式で求められます。

この式では、\(C0\) と \(Ce\) はそれぞれ供給溶液とドロー溶液中の金属の濃度を表します。

膜の形態は、特定の用途における効率に大きな影響を与えます。 したがって、膜の調製中に適切な物理構造を達成することが不可欠です。 開発された UCF および FCB 膜の形態は、走査型電子顕微鏡を使用して測定されました。 得られた画像は、調製された膜がマクロボイドを有することを実証した。 CBリサイクルによる膜形成は転相過程に基づいて説明できます。 CB の主要部品であるタバコフィルターは、主に酢酸セルロースで構成されています4,5,18。 N-メチル-2-ピロリドンとCBを初期溶液として混合すると、粘稠な混合物が形成されました。 この粘稠な混合物を用いてフィルムを流延し、次いで流延したフィルムを直ちに蒸留水に浸漬した。 この段階で、水と溶媒の混和性である転相が起こります。 この現象は、拡散流による水と溶媒の交換を引き起こします42。 転相は酢酸セルロース (タバコフィルター) と溶媒の混和性が低いために起こり、混合プロセスが終了するまで継続し、結果として固化します 44。

図3に示すように、調製した膜のSEM画像に基づくと、UCF膜とFCB膜の両方が滑らかな表面を持っていました。 膜における滑らかな表面構造の形成は、転相中の分離プロセスの速度に起因すると考えられます。 一般に、膜の形態は分離速度に依存し、実施された研究では、表面が滑らかでマクロボイドが形成された最終的な膜は瞬間的な分離を示していますが、分離プロセスが遅い場合は、緻密な構造を持つ膜が形成されたであろう 42。 さらに、図３が示すように、ＦＣＢで得られた膜の表面上の細孔の数には、ＵＣＦで得られた膜と比較してわずかな差がある。 この違いは、喫煙プロセス中にフィルターに捕捉されたタバコの煙の不純物の影響である可能性があります。この不純物は、処理および洗浄段階にもかかわらず CB に残留していました。 酢酸セルロース膜の表面構造に対する添加化合物の影響は、同様の研究で言及されています 45,46。 最初の混合物の調製時およびゲル化中の添加剤の浸出プロセスが、この現象の理由と考えられています47。 したがって、流延溶液の不純物の増加により、膜の表面が粗くなり、この表面上の細孔がより分散する可能性があります42。

調製された膜の SEM 画像。

UCFおよびFCBのリサイクルにより調製された膜の断面SEM画像を図3に示します。図が示すように、膜にはマクロボイドが存在します。 膜の形態が熱力学的条件と転相反応速度に影響を与える要因に依存することを考慮すると 48、観察された膜の構造を説明できます。 キャスト溶液の粘度は、細孔の構造と膜の多孔性に影響を与える最も重要な要素の 1 つです49,50。 粘度は溶媒と非溶媒の相互拡散に有効であるため、流延溶液の粘度の変化は細孔の構造に大きな影響を与えます41。 タバコフィルターは酢酸セルロースから作られているという事実により、キャスト溶液の粘度が低く、得られた膜に適切な多孔性とマクロボイドが生じました。 一般に、キャスト溶液の粘度が高いほど、転相における分離速度が遅くなり、膜の多孔構造が変化し、スポンジ状構造が形成されることを示します 36,41。 対照的に、この研究で使用した純粋な酢酸セルロースを含むキャスト溶液の粘度が低く、親水性が高いと、転相が速くなり、最終的にはマクロボイドが形成され、膜の多孔性が向上します42。

調製した膜の流束を、供給溶液として脱イオン水を使用して測定した。 表１が示すように、ＵＣＦおよびＦＣＢのリサイクルから調製された膜の流束は、それぞれ１４．７および１３．２Ｌ／ＭＨであった。 タバコフィルターは主に酢酸セルロースから作られているため、得られる膜で観察される低流束は、純粋な CA42 の非常に緻密なポリマーマトリックスによるものである可能性があります。 しかし、いくつかの特定の化合物を酢酸セルロースに添加すると、膜の親水性と流束を高めることができます。これは、キャスト溶液の親水性の増加により、調製された膜の流束が上昇する可能性があるためです41、42。 膜の空隙率は、キャスト溶液の親水性に依存するもう 1 つの要素であり、フラックスに影響します 51。 表１に示すように、ＵＣＴおよびＦＣＢのリサイクルから調製された膜の気孔率は、それぞれ６１％および５８％であった。 この量は CA 膜 42 の多孔性に近かったが、最初の混合物に親水性材料を添加することでこの特性を高めることができます。 親水性化合物の添加により、膜に吸収される水分子の数が増加するだけでなく、大きな細孔が形成され水分子が占有される可能性も高まります42。 したがって、気孔率を上げると膜流束が増加します52。 同様に、膜の親水性が高まると外表面の接触角が大きくなり、流束の上昇に効果的です41。 ただし、膜内に小さな細孔が形成されると流束は減少します 36。 加えられた圧力は、この研究で観察されたタバコの吸い殻由来の膜の流束と市販の CA ベースの膜の流束の違いのもう 1 つの理由である可能性があります。 CB リサイクルから調製された膜は、1 M 塩化ナトリウムを含む誘導溶液による浸透圧下で 14.7 LMH および 13.2 LMH の流束を持っていましたが、CA 膜の流束は、によって行われた研究では 100 kPa の圧力で 15 LMH と報告されました。ハンら42．

調製した膜の重金属除去効果の結果を表 2 に示します。10 mg/L の濃度で、FCB で得られた膜の鉛、クロム、カドミウムの除去効率はそれぞれ 85.2、88.4、85.3% でした。 。 比較すると、同じ濃度でのこれらの金属に対する UCF で得られた膜の除去効率は、それぞれ 89.3、91.3、および 87.6% でした。 上記の金属の濃度を平均 50 mg/L まで増加させると、得られた膜の FCB および UCF の除去効率がそれぞれ 3.53 % および 4.06% 低下しました。 供給溶液中に 3 つの金属すべてが同時に存在する (各金属 10 mg/L) と、濃度 10 mg/L と比較して FCB 膜の除去効率が低下しました。 ただし、平均すると、各金属の濃度が 30 mg/L の場合の除去効率よりも 0.73% 優れていました。

以前の研究では、18 wt% の割合でポリマーを使用して調製された膜は重金属を除去できました 35,38。 しかし、今回の研究では、タバコの吸い殻を15wt%の割合で使用することにより、タバコフィルターに含まれる可塑剤の効果により、重金属除去能を有する膜が得られたと考えられます。 この研究で調製された膜の性能と比較すると、Zhao らによって行われた研究では、水流からのニッケル除去における CA 膜の効率は 93% 以上であると報告されています 53。 2013 年にバトラーら。 は、順浸透プロセスにおける CA 膜のクロム、鉛、銅、およびヒ素の除去効率が 99% 以上であると報告しました54。 2019 年に、Chen らはらは、濃度 100 mg/L での鉛、クロム、亜鉛、銅、および水銀の除去における CA 膜の効率を研究し、言及された金属の除去率は 99% 以上でした55。 膜技術を使用した重金属の除去は、物理的、化学的、電気化学的なプロセスと水力学的規則に依存することを考慮すると、この研究で達成された金属除去効率は説明できます。 対流輸送と誘導溶液の駆動力により、重金属が膜を通って輸送されます58。 結果が示すように、濃度分極が発生すると膜の選択的特性により重金属を効果的に除去できるため、調査した 3 つの金属すべてに対する両方の膜の除去効率は 90% 近くでした 59。 順浸透を使用して低圧を加えると、低圧では流束が濃度分極に依存するため、前述の現象が強化されます60。 この状態では、より小さな粒子による細孔の詰まりと、金属除去効率を高める大きな粒子の細孔への蓄積がゆっくりと起こります。 それに加えて、拡散輸送により、流れの動きに関係なく金属イオンが膜を通って移動する可能性があります59,61。 対流輸送とは対照的に、このプロセスは膜と重金属イオンの電気化学的特性、および分極濃度に依存します58。 一方、使用済み合成廃水には他のイオンが含まれていないことも、期待できる除去効率が達成できない理由の 1 つである可能性があります。 他のイオンが存在すると、反発力が生じて膜表面の電荷が変化することがあります。 また、濃度分極と、膜の両側で電気中性を維持する溶液の傾向にも影響します。 これらの影響を考慮すると、他の金属イオンの存在により除去効率が向上したり低下したりする可能性があります62,63。 さらに、実際に見られるように、溶液中に他の化合物が存在すると、除去効率が高まる可能性があります。

市販の酢酸セルロースを使用すると、優れた透過性と水溶液からの塩とイオンの低減効率が高いナノフィルターを製造できます。 例えば、スーら。 は、0.47 LMH の透過率と、合成溶液から塩化ナトリウムと塩化マグネシウムをそれぞれ 90 % と 96% 削減する能力を備えた酢酸セルロース製のナノフィルターを調製することに成功しました。 したがって、CA 膜は正浸透プロセスで効果的に使用できます64。 モラディ・ハメダニら。 は、鉛、カドミウム、亜鉛、ニッケルなどの金属を除去するための CA 膜の効率を調査しました。 圧力の増加によりすべての金属の除去効率が低下しましたが、CA 膜は鉛の 98%、その他の金属の 70% を除去する能力を示しました 65。 Idris らによって行われた研究 66 では、廃水からの鉛除去における修飾 CA 膜の効率は 97.6% でした 66。 Figoli らが使用した CA ナノフィルター。 水溶液からカドミウムを除去する場合、さまざまな圧力と pH 値の下で最大 95% の除去効率が示されました 67。 ユウら。 らは、汚染水からの銅および油汚染除去における修飾酢酸セルロース膜の能力を調査した。 この研究で観察された銅除去効率は最大 97% でした 68。 Al-Wafiらによる別の研究では、 CA 膜は、水溶液からの六価クロム除去効率が 90% であることを示しました。 研究者らは、膜構造にいくつかの化合物を追加することで、除去効率を 97% まで高めることに成功しました69。 ただし、キャスト溶液と添加剤を混合しても、膜の重金属除去効率が必ずしも向上するとは限りません。 ナガンダランら。 らは、CA 膜調製用のキャスト溶液中のポリスルホン酸塩の比率を増やすと、得られる膜の細孔サイズがマイナスに変化し、カドミウム、亜鉛、ニッケル、および銅イオンの除去効率が低下する可能性があることに気づきました 51。 純粋な CA 膜と CB リサイクルから調製された膜の前述の除去効率 (表 2 によると 85 ～ 90%) を比較すると、CB ベースの膜の除去効率は許容範囲内ではあるものの、市販タイプよりは低いと言えます。 ただし、この違いは、使用された正浸透システムと他の研究で使用された減圧システムの動作条件の違いの結果である可能性があります。 また、他の研究者による改変された膜の使用も、考えられる別の理由である可能性があります。

純粋な CA 膜の除去効率の向上を考慮し、この分野の他の研究者の経験を検討した後、CB ベースの膜効率を向上させるために次の解決策を提示できます。 銀などの一部の化学物質は、得られる膜の性能を向上させるために、膜の準備プロセスで添加剤として使用できます。 この添加剤は膜構造にプラスの影響を与え、微生物などの汚染物質を削減する効率を高めることができます70。 さらに、膜の調製プロセスにいくつかの変更を加えることで、得られる膜の構造特性と性能を向上させることができます。 例えば、Nguyen らによる研究では、CA 膜の製造中のアニーリングプロセスにより、添加剤と残留溶媒が除去されるため膜の効率が向上すると述べられています 71。 Mohammadi と Seljuqi は、CA 膜の構造に対する調製条件の影響を調査し、膜調製プロセス中のポリエチレングリコール濃度と水浴温度を上げると、得られる膜の耐熱性が向上すると結論付けました。 さらに、ポリエチレングリコール濃度が増加すると気孔率が増加するが、酢酸セルロース濃度が増加し、ウォーターバス温度が低下すると気孔率が減少することが明らかになった72。 膜の準備プロセスにいくつかの化学薬品を追加すると、膜の構造と性能を改善することもできます。 たとえば、Vara et al. は、キャスト溶液にアルミナを添加することにより、膜の孔径を 15 μm から 2 μm 未満に縮小することに成功しました 73。 ただし、添加剤の使用にはマイナスの副作用が生じる可能性もあります。 たとえば、Abedini らの研究では、酸化チタンを添加すると膜の厚さと熱耐性が増加しました。 一方で、膜の細孔径と透過性が増加し、除去効率が低下しました46。 したがって、最良の結果を得るには、膜の修飾に使用する化学薬品とその混合物中の比率を慎重に選択する必要があります。 例として、Nazimuddin らによって報告された興味深い結果を挙げることができます。 彼らは、キャスト溶液への添加剤としてカーボンナノチューブを添加すると、得られる膜の多孔度が増加するだけでなく、塩除去率も 96% に上昇し、ポリマーと溶媒の最適な比率は 25 対 7574 であることが報告されたことを発見しました。

図 4 に示すように、CB からリサイクルされる製品の数は近年増加していますが、この有害廃棄物のリサイクルプロセスに関連する深刻な課題があり、CB の大規模なリサイクルを妨げています19。

CBリサイクルの方法と課題。

この研究で調製された膜の特性を、CBリサイクルから変換された他の製品と比較したものを図5に示します。CBリサイクルの最も重要な課題の1つは、処理段階での汚染物質が廃水または大気汚染物質の形で漏洩することです。 紙巻きタバコのフィルターが紙巻きタバコの煙から汚染物質を捕捉するように設計されていることを考慮すると、CB 廃棄物には重金属や毒素を含む幅広い汚染物質が含まれています 3,6。 これらの汚染物質は、洗浄 19 や加熱 25 などの CB 処理中に漏洩します。 したがって、環境への影響の観点からは、CB をより少ない処理ステップと汚染物質の漏洩を必要とする製品に変換することがより望ましいです。 一部の CB リサイクル方法は、フィルター内に捕捉された化学物質や毒素の抽出に重点を置いており、他の CB リサイクル方法と比較して環境に優しいものとなっています。 CBリサイクルによる膜製造では、水や溶剤を用いた洗浄工程でさまざまな汚染物質を含む廃水が発生します。 この側面から見ると、提示された方法は、吸音材やスーパーキャパシタを製造するための CB リサイクル方法と似ています。 しかし、この研究ではCBの製造に熱プロセスが使用されていないため、炭素吸収剤の製造とは対照的に、大気汚染物質の排出に関する脅威はありません。

CBリサイクル製品の特徴。

CBリサイクルにおいては、最終製品の品質が重要なポイントとなります。 提示された研究結果は、CBから調製された膜が適切な形態を有し、その流束および逆塩速度が市販のCA膜について報告されている範囲と同様であることを示した。 また、調製した膜の重金属除去効率は 85% 以上でしたが、純粋な CA 膜では 99% 以上でした 54,55。 ただし、原料に​​特定の化合物を添加したり、膜の製造プロセスを変更したりすることで、製造された膜の効率を向上させることができます。 したがって、提示された製品の品質は満足のいくものであると考えられます。

CB の年間生産量は 2025 年までに 180 万トンに達すると推定されています。その結果、リサイクル方法における CB の必要量は、この蔓延する有害廃棄物の管理において重要な役割を果たします。 CB からのリサイクル製品は扱いやすく使用する必要があり、リサイクル プロセス中に最も多くの CB を必要とします。 本研究では、さまざまな産業で広く使用されている製品である CA 膜の製造について調査しました。 膜の製造に必要な酢酸セルロースは CB リサイクルから得られたものであるため、この製品は CB 廃棄物管理にとって優れた選択肢となりますが、他の一部の CB リサイクル製品には当てはまりません。 モハジェラニら。 は、レンガ原料に使用される CB の最適な比率は 1 重量％であると報告しています25。 したがって、レンガ製造では大量のCB廃棄物をリサイクルすることができません。 さらに、Sabzaliらによる研究では、CBから得られた微生物増殖基質培地の品質は有望であったが、Sabzaliらによる研究では、CBから得られた微生物増殖基質培地の品質は有望であった。 適切であると報告されており、基質全体が CB リサイクルを通じて供給された 22 が、これらの基質の消費量、この媒体は下水業界では広く使用されておらず、世界で重要な役割を果たす可能性を持たないため、世界中で年間 1 億 8,000 万トンの CB 廃棄物を処理する管理で大きなシェアを占めています。 リサイクルを通じて世界中で生産されています。

この研究では、CBリサイクルによる膜の製造を調査しました。 結果によると、相反転技術を使用して製造された膜はマクロボイドと均一な表面構造を持っていました。 ＣＢから調製された膜における流束は１３．２ＬＭＨであり、逆塩速度は３．９ｇＭＨであった。 この膜を、喫煙していないタバコのフィルターから調製した膜と比較したところ、喫煙と加工が最終製品の品質に重大な悪影響を及ぼさないことがわかりました。 喫煙していないタバコのフィルターから調製した膜の流束と逆塩は、それぞれ 14.7 LMH と 3.5 gMH でした。 CBリサイクルから調製した膜の鉛、クロム、およびカドミウムの除去効率はそれぞれ85.2、88.4、および85.3%であり、非喫煙タバコフィルターから調製した膜の除去効率よりも平均で3.3%低かった。 CB リサイクルから調製された膜の適切な形態と重金属除去効率を考慮すると、この製品は CB 廃棄物問題に取り組む効果的な解決策となる可能性があります。 さらに、このリサイクル製品のもう 1 つの大きな利点は、膜製造に必要な CA が完全に CB リサイクルから得られるという事実であり、CA 膜は世界で最も一般的なごみとしての CB を管理するのに理想的な製品となっています。

現在の研究中に生成および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、イラン、テヘランのイラン医科大学（助成金番号 98-2-2-15471）（倫理規定: IR.IUMS.REC.1398.664）からの財政的支援に感謝の意を表します。

イラン医科大学環境健康技術研究センター（イラン、テヘラン）

ジャバド・トルカシュヴァンド、ロシャナク・レザエイ・カランタリー、ミトラ・ゴラミ、アリ・エスラフィリ、マフディ・ファルザキア

イラン医科大学公衆衛生学部環境健康工学科、テヘラン、イラン

ジャバド・トルカシュヴァンド、ロシャナク・レザエイ・カランタリー、ミトラ・ゴラミ、アリ・エスラフィリ、マフムード・ユセフィ、マフディ・ファルザキア

イラン、ラシュトのギラン医科大学保健学部環境健康工学科

アリレザ・サイディ＝ジュルクエ

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JT: 概念化、方法論、調査、形式分析、執筆—原案。 AS-J.、RRK、MG、AE、MY: 調査、方法論、執筆 - レビュー。 編集。 MF: 方法論、執筆 - レビュー。 編集、監修。 著者全員が原稿をレビューしました。

マフディ・ファルザキアへの通信。

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転載と許可

Torkashvand、J.、Saeedi-Jurkuyeh、A.、Rezaei Kalantary、R. 他タバコの吸い殻をリサイクルして酢酸セルロース膜を作製し、水溶液から重金属を除去する効率を調べる。 Sci Rep 12、20336 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-24432-x

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受信日: 2022 年 9 月 18 日

受理日: 2022 年 11 月 15 日

公開日: 2022 年 11 月 25 日

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

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科学レポート (2023)

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