مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی امکان تولید نانو الیاف سلولزی الکتروریسی شده از پسماند فیلتر سیگار"

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 داﻧﺸﺠﻮی دﮐﺘﺮی، گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،
2 دانشیار، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران
3 دانشگاه تهران
4 سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران
5 استاد، گروه بایو سیستم و تولیدات زیستی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه آلتو، فنلاند.
10.22034/ijwp.2024.2030154.1670
چکیده
بیان مساله و اهداف: آلودگی محیط‌زیست ناشی از تولید انبوه پسماندها در سراسر جهان به یکی از نگرانی‌های عمده جهانی تبدیل شده است. از جمله این پسماندها، فیلتر سیگار است که به‌دلیل غیرقابل‌تجزیه بودن در طبیعت و حضور ترکیبات سمی نظیر نیکوتین، اثرات زیست‌محیطی قابل توجهی دارد. برآوردها نشان می‌دهند که سالانه بیش از 6 تریلیون نخ سیگار در جهان مصرف می‌شود که این موضوع به تولید حجم عظیمی از فیلترهای سیگار به‌عنوان پسماند منجر می‌شود. این پسماندها نه‌تنها دیرتجزیه‌پذیر هستند، بلکه ترکیبات موجود در آن‌ها می‌توانند به منابع طبیعی مانند خاک و آب نفوذ کرده و مشکلات زیست‌محیطی و بهداشتی ایجاد کنند. افزایش مصرف جهانی سیگار نیز باعث افزایش حجم این پسماند خطرناک شده است. این پژوهش با هدف ارزیابی امکان بازیافت فیلترهای سیگار به‌عنوان ماده اولیه برای تولید الیاف سلولزی به روش الکتروریسی انجام شده است. این مطالعه تلاش می‌کند راهکاری نوآورانه برای کاهش اثرات زیست‌محیطی این پسماندها ارائه داده و ارزش افزوده‌ای برای این مواد بلااستفاده ایجاد کند.
مواد و روشها: برای این منظور، فیلترهای سیگار از محیط جمع‌آوری و طی فرآیندی شامل استفاده از ترکیب حلال‌های آلی مختلف پالایش شدند. فرآیند پالایش شامل حذف تنباکو، خاکستر، و سایر آلاینده‌ها از سطح فیلترها بود. سپس محلول 10 درصد وزنی استات سلولز تهیه شده و با استفاده از حلال ترکیبی استون و دی‌متیل‌استامید، آماده‌سازی شد. برای بررسی ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی الیاف تولیدی، از تکنیک‌های پیشرفته‌ای نظیر کروماتوگرافی گازی-طیف‌سنج جرمی (GC-MS) و طیف‌سنج مادون‌قرمز (FTIR) استفاده شد. مورفولوژی و سطح الیاف نیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM) مورد مطالعه قرار گرفت. در فرآیند الکتروریسی از پارامترهایی نظیر غلظت محلول، ولتاژ، نرخ تغذیه و فاصله نوک سوزن تا جمع‌کننده برای دستیابی به بهترین شرایط تولید استفاده شد.
نتایج: نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که ترکیبات سمی موجود در فیلتر سیگار، مانند نیکوتین، طی فرآیند پالایش به‌طور مؤثری حذف شده‌اند. این موضوع نشان‌دهنده کارایی بالای روش استفاده‌شده برای پالایش و آماده‌سازی فیلترها است. بررسی‌های میکروسکوپی نیز نشان داد که مورفولوژی الیاف تولیدی از فیلترهای سیگار، مشابه الیاف تولیدی از استات سلولز تجاری تولید شده از پودر استات سلولز است. قطر الیاف تولیدشده از هر دو منبع در محدوده 150 تا 400 نانومتر قرار داشت و توزیع قطر الیاف نیز یکنواخت بود. همچنین، طیف‌سنجی مادون‌قرمز نشان داد که ترکیبات شیمیایی الیاف تولیدشده از فیلترهای سیگار بازیافتی و پودر استات سلولز تجاری به میزان زیادی هم‌پوشانی دارند.
نتیجه­ گیری: نتایج نشان داد که تولید الیاف سلولزی از پسماند فیلتر سیگار علاوه بر کاهش اثرات زیست‌محیطی، امکان بهره‌گیری از موادی با ارزش افزوده بالا را فراهم می‌کند. این الیاف، به دلیل دارا بودن ویژگی‌هایی نظیر یکنواختی سطح، قطر مناسب و ترکیبات شیمیایی پایدار، می‌توانند در صنایع مختلفی از جمله تولید غشاءهای جداسازی، فیلتراسیون آب و هوا، و حتی کاربردهای پزشکی مانند تولید پانسمان‌های زیستی مورد استفاده قرار گیرند. این پژوهش نشان می‌دهد که استفاده از پسماندهای صنعتی برای تولید مواد پیشرفته نه‌تنها گامی موثر در حفظ محیط‌زیست است، بلکه می‌تواند به توسعه پایدار و اقتصادی نیز کمک کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Joshi, S.V., Drzal, L.T., Mohanty, A.K. and Arora, S., 2004. Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites? Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 35(3), pp.371-376.
[2] Saba, N., Jawaid, M., Alothman, O.Y., Inuwa, I.M. and Hassan, A., 2017. A review on potential development of flame retardant kenaf fibers reinforced polymer composites. Polymers for Advanced Technologies, 28(4), pp.424-434.
[3] Saba, N., Jawaid, M., Paridah, M.T. and Al‐Othman, O.Y., 2016. A review on flammability of epoxy polymer, cellulosic and non‐cellulosic fiber reinforced epoxy composites. Polymers for Advanced Technologies, 27(5), pp.577-590.
[4] Ashtari, H., Janoobi, M., Yousefzadeh, M. and Hamze, Y., 2018. Preparation and characterization of electrospun polyvinyl alcohol nanofibers incorporating cellulose nanocrystals. Iranian Journal of Wood and Paper Science Research, 33(3), pp.438-452. doi:10.22092/ijwpr.2018.121871.1475.
[5] Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W., Lim, T. and Ma, Z., 2005. An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. Singapore: World Scientific Publishing Co.
[6] Zhao, Y., Qiu, Y., Wang, H., Chen, Y., Jin, S. and Chen, S., 2016. Preparation of nanofibers with renewable polymers and their application in wound dressing. International Journal of Polymer Science, 2016, pp.1-8.
[7] Bachs-Herrera, A., Yousefzadeh, O., del Valle, L.J. and Puiggali, J., 2021. Melt electrospinning of polymers: blends, nanocomposites, additives and applications. Applied Sciences, 11(4), p.1808.
[8] Shaban, N.Z., Kenawy, M.Y., Taha, N.A., El-Latif, A., Mona, M. and Ghareeb, D.A., 2021. Cellulose acetate nanofibers: Incorporating hydroxyapatite (HA), HA/berberine or HA/moghat composites, as scaffolds to enhance in vitro osteoporotic bone regeneration. Polymers, 13(23), p.4140.
[9] Figen, A.K., 2020. History, basics, and parameters of electrospinning technique. In: Electrospun Materials and Their Allied Applications, pp.53-69.
[10] Xue, J., Wu, T., Dai, Y. and Xia, Y., 2019. Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods, materials, and applications. Chemical Reviews, 119(8), pp.5298-5415.
[11] Almetwally, A.A., El-Sakhawy, M., Elshakankery, M.H. and Kasem, M.H., 2017. Technology of nano-fibers: Production techniques and properties-Critical review. Journal of Textile Association, 78(1), pp.5-14.
[12] Barhoum, A., Pal, K., Rahier, H., Uludag, H., Kim, I.S. and Bechelany, M., 2019. Nanofibers as new-generation materials: From spinning and nano-spinning fabrication techniques to emerging applications. Applied Materials Today, 17, pp.1-35.
[13] Ibrahim, H.M. and Klingner, A., 2020. A review on electrospun polymeric nanofibers: Production parameters and potential applications. Polymer Testing, 90, p.106647.
[14] Beachley, V. and Wen, X., 2010. Polymer nanofibrous structures: Fabrication, biofunctionalization, and cell interactions. Progress in Polymer Science, 35(7), pp.868-892.
[15] Kondo, T., 1997. The relationship between intramolecular hydrogen bonds and certain physical properties of regioselectively substituted cellulose derivatives. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 35(4), pp.717-723.
[16] Fischer, S., Thümmler, K., Volkert, B., Hettrich, K., Schmidt, I. and Fischer, K., 2008. Properties and applications of cellulose acetate. In: Macromolecular Symposia, 262(1), pp.89-96. Weinheim: Wiley-VCH Verlag.
[17] Heyman, N., 2020. High Resolution 3D Printing with Cellulose Acetate.
[18] Dufresne, A., 2017. Nanocellulose: From Nature to High Performance Tailored Materials. Berlin: Walter de Gruyter GmbH.
[19] Ji, S.H. and Yun, J.S., 2022. Highly porous-cellulose-acetate-nanofiber filters fabricated by nonsolvent-induced phase separation during electrospinning for PM2.5 capture. Nanomaterials, 12(3), p.404.
[20] Du, J. and Hsieh, Y.L., 2009. Cellulose/chitosan hybrid nanofibers from electrospinning of their ester derivatives. Cellulose, 16, pp.247-260.
[21] Zhang, L. and Hsieh, Y.L., 2008. Ultrafine cellulose acetate fibers with nanoscale structural features. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 8(9), pp.4461-4469.
[22] Olaru, N., Anghel, N., Pascariu, P. and Ailiesei, G., 2019. Synthesis and testing of cellulose acetate nicotinate as adsorbent for rhodamine B dye. Journal of Applied Polymer Science, 136(29), p.47772.
[23] Zhang, Y., Zhang, C. and Wang, Y., 2021. Recent progress in cellulose-based electrospun nanofibers as multifunctional materials. Nanoscale Advances, 3(21), pp.6040-6047.
[24] Puls, J., Wilson, S.A. and Hölter, D., 2011. Degradation of cellulose acetate-based materials: A review. Journal of Polymers and the Environment, 19, pp.152-165.
[25] Wsoo, M.A., Shahir, S., Bohari, S.P.M., Nayan, N.H.M. and Abd Razak, S.I., 2020. A review on the properties of electrospun cellulose acetate and its application in drug delivery systems: A new perspective. Carbohydrate Research, 491, p.107978.
[26] Joseph, B., Sagarika, V.K., Sabu, C., Kalarikkal, N. and Thomas, S., 2020. Cellulose nanocomposites: Fabrication and biomedical applications. Journal of Bioresources and Bioproducts, 5(4), pp.223-237.
[27] Mohajerani, A., Kadir, A.A. and Larobina, L., 2016. A practical proposal for solving the world’s cigarette butt problem: Recycling in fired clay bricks. Waste Management, 52, pp.228-244.
[28] Wang, W., Wang, M., Huang, J., Li, X., Cai, L., Shi, S.Q. and Ni, Y., 2020. High efficiency pyrolysis of used cigarette filters for ester-rich bio-oil through microwave-assisted heating. Journal of Cleaner Production, 257, p.120596.
[29] Yousef, S., Eimontas, J., Striūgas, N., Praspaliauskas, M. and Abdelnaby, M.A., 2022. Pyrolysis kinetic behaviour, TG-FTIR, and GC/MS analysis of cigarette butts and their components. Biomass Conversion and Biorefinery, pp.1-21.
[30] Ogundare, S.A., Moodley, V. and Van Zyl, W.E., 2017. Nanocrystalline cellulose isolated from discarded cigarette filters. Carbohydrate Polymers, 175, pp.273-281.
[31] Dobaradaran, S., Soleimani, F., Akhbarizadeh, R., Schmidt, T.C., Marzban, M. and Basirian Jahromi, R., 2021. Environmental fate of cigarette butts and their toxicity in aquatic organisms: A comprehensive systematic review. Environmental Research, 195, p.110881.
[34] Qamar, W., Abdelgalil, A.A., Aljarboa, S., Alhuzani, M. and Altamimi, M.A., 2020. Cigarette waste: Assessment of hazard to the environment and health in Riyadh city. Saudi Journal of Biological Sciences, 27(5), pp.1380-1383.
[35] Fei, P., Liao, L., Cheng, B. and Song, J., 2017. Quantitative analysis of cellulose acetate with a high degree of substitution by FTIR and its application. Analytical Methods, 9(43), pp.6194-6201.
[36] Araújo, M.C.B. and Costa, M.F., 2019. A critical review of the issue of cigarette butt pollution in coastal environments. Environmental Research, 172, pp.137-149.
[37] Smith, E.A. and Novotny, T.E., 2011. Whose butt is it? Tobacco industry research about smokers and cigarette butt waste. Tobacco Control, 20(Suppl 1), pp.i2-i9.
[38] Shen, M., Li, Y., Song, B., Zhou, C., Gong, J. and Zeng, G., 2021. Smoked cigarette butts: Unignorable source for environmental microplastic fibers. Science of the Total Environment, 791, p.148384.
[39] Belzagui, F., Buscio, V., Gutierrez-Bouzan, C. and Vilaseca, M., 2021. Cigarette butts as a microfiber source with a microplastic level of concern. Science of the Total Environment, 762, p.144165.
[40] Arroyo, F.D., Castro-Guerrero, C.F. and León-Silva, U., 2020. Thin films of cellulose acetate nanofibers from cigarette butt waste. Progress in Rubber, Plastics and Recycling Technology, 36(1), pp.3-17.
[41] Ji, S.H. and Yun, J.S., 2022. Highly porous-cellulose-acetate-nanofiber filters fabricated by nonsolvent-induced phase separation during electrospinning for PM2.5 capture. Nanomaterials, 12(3), p.404.
[42] Franqui, L.S., Santos, M.G., Virtuoso, L.S., Maia, P.P. and Figueiredo, E.C., 2015. Synthesis and characterization of a magnetic molecularly imprinted polymer for the selective extraction of nicotine and cotinine from urine samples followed by GC-MS analysis. Analytical Methods, 7(21), pp.9237-9244.
[43] Li, L., Zhang, H., Wen, J., Shen, Y., Li, D., Luo, C., Zheng, J. and Yang, J., 2022. Direct determination of free nicotine content in tobacco. ACS Omega, 7(27), pp.23061-23068.
[44] Hemamalini, T., Karunakaran, S.A., Elango, M.K., Ram, T.S. and Dev, V.R., 2019. Regeneration of cellulose acetate nanofibrous mat from discarded cigarette butts.
[45] Kakoria, A. and Sinha-Ray, S., 2022. Ultrafine nanofiber-based high-efficiency air filter from waste cigarette butts. Polymer, 255, p.125121.
[46] Glugoski, L.P., de Jesus Cubas, P. and Fujiwara, S.T., 2017. Reactive Black 5 dye degradation using filters of smuggled cigarette modified with Fe3+. Environmental Science and Pollution Research, 24, pp.6143-6150.
[47] Marchessault, R.H. and Liang, C.Y., 1960. Infrared spectra of crystalline polysaccharides. III. Mercerized cellulose. Journal of Polymer Science, 43(141), pp.71-86.
[48] Janković, B., Kojić, M., Milošević, M., Rosić, M., Waisi, H., Božilović, B. and Dodevski, V., 2023. Upcycling of the used cigarette butt filters through pyrolysis process: Detailed kinetic mechanism with bio-char characterization. Polymers, 15(14), p.3054.
[49] Sharma, A. and Sharma, V., 2023. Forensic analysis of cigarette filter using non-destructive ATR-FTIR spectroscopy and chemometric methods. Forensic Chemistry, 32, p.100465.
[50] Glugoski, L.P., Cubas, P.J. and Fujiwara, S.T., 2017. Functionalized cellulose acetate filters for advanced environmental applications. Journal of Environmental Science and Technology, 15, pp.1203-1215.