Electrospun Cellulose Acetate and Metal Oxide Composite Membranes for Water Filtration Applications

Des membranes en acétate de cellulose ont été testées pour leur capacité à éliminer les microplastiques, l'arsenic (V) et le cuivre (II) de l'eau par filtration directe. À cette fin, sept membranes composites en acétate de cellulose (CA) et en oxyde métallique ont été préparées par électrofilage en solution pour des applications de filtration. Les membranes préparées avaient des diamètres de fibres allant de 0,4 à 0,9 μm avec des tailles de pores moyennes variant de 2 à 7 μm. Toutes les membranes ont réussi à éliminer les particules de plastique d'un diamètre supérieur à 15-20 μm. Les différentes compositions de membranes ont eu un succès variable dans l'élimination de l'arsenic, la membrane noyée dans l'oxyde de fer à 2,5 % ayant obtenu un rejet de 70 % de l'arsenic, tandis que le taux d'élimination le plus faible (0 %) a été obtenu par la membrane composite d'oxyde de fer à 0,5 %. Les résultats de l'élimination de l'ion cuivre (II) de l'eau n'étaient pas concluants, mais les tendances générales des données montrent que les membranes étaient surtout inefficaces pour éliminer le cuivre à des concentrations d'environ 0,5 g/L et à un pH de 4. Cependant, l'élimination du cuivre pour toutes les membranes approchait 80 % à des niveaux de pH neutres, le cuivre étant alors principalement dans un état solide oxydé, ce qui est prometteur pour l'élimination des particules. Ceci a été interprété comme un succès relatif dans les capacités de filtration par rapport aux travaux précédents sur des membranes similaires. L'ajout d'oxydes métalliques n'a pas montré une amélioration suffisamment significative de la qualité de la membrane pour recommander l'utilisation de membranes composites par rapport aux tapis de CA purs.

Abstract

Cellulose acetate membranes were tested for their ability to remove microplastics, arsenic (V), and copper (II) from water via direct filtration. For this purpose, seven cellulose acetate (CA) and metal oxide composite membranes were prepared by solution electrospinning for filtration applications. The prepared membranes had fiber diameters ranging from 0.4 to 0.9 μm with the average pore sizes of the membranes varying from 2 to 7 μm. All membranes were successful in removing plastic particles above 15-20 μm in diameter. The different membrane compositions had varying success at arsenic removal with the 2.5% iron oxide embedded membrane achieving 70% arsenic rejection while the lowest removal rate of 0% was achieved by the 0.5% iron oxide composite membrane. The results of copper (II) ion removal from water were inconclusive, however the general trends of the data shows that the membranes were mostly ineffective at removing copper at concentrations around 0.5 g/L and a pH of 4. However, copper removal for all membranes approached 80% at neutral pH levels, at which point the copper was predominantly as a solid oxidized state. This was interpreted as a relative success in filtration capabilities compared to previous works on similar membranes. The addition of metal oxides did not show a significant enough improvement in membrane quality to recommend the use of composite membranes over neat CA mats.