孔 偉, 于 永 玲, 呂 麗 華

( 大連工業(yè)大學(xué) 綠色纖維材料應(yīng)用技術(shù)研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

全球每年產(chǎn)生的上千萬噸紡織纖維類廢棄物中占很大比例的是滌棉混紡類紡織品,由于廢棄滌棉混紡制品不可降解,掩埋、燃燒等處理方式不僅造成資源的浪費(fèi),還會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響[1]。據(jù)報(bào)道[2],回收再生的滌綸纖維與用石油制備滌綸原料相比較,可以減少77%的二氧化碳排放量,節(jié)約84%的能源,所以考慮從廢棄滌棉混紡制品中回收滌綸是必要的。常用的方法有溶劑法[3]、酸水解法[4]和酶水解法[5]等。有機(jī)溶劑毒性大、昂貴使得該方法逐漸被淘汰；酶水解時(shí)間較長且成本高；使用較多的是濃硫酸法,但由于濃硫酸需要回收,反應(yīng)條件要求高,制約了該方法的發(fā)展[6]。目前國內(nèi)外報(bào)道較多的是酸法水解木質(zhì)纖維素制糖,而對混紡纖維中棉纖維的降解研究則鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)對從廢棄滌棉混紡纖維中回收滌綸工藝進(jìn)行了探討,試驗(yàn)中采用的稀鹽酸濃度較低,不用回收,可以作為纖維素水解液繼續(xù)使用。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

滌棉混紡纖維(大連新迪紡織廠廢棄物,混紡比65/35)；鹽酸(36%,分析純)；真空抽吸泵。

1.2 方 法

取定量的滌棉混紡纖維,加入到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的100 mL稀鹽酸溶液中,在恒溫水浴鍋中反應(yīng)一定時(shí)間。清洗反應(yīng)后的纖維,直至洗滌液沒有明顯變化。過濾洗滌液,收集剩余纖維及固體殘?jiān)?纖維狀物質(zhì)添加到剩余纖維中。烘干纖維及固體殘?jiān)?在干燥器中冷卻后稱取干重。

1.3 測試與表征

參照GB/T 2910.11—2009《紡織品定量化學(xué)分析第11部分:纖維素纖維與聚酯纖維的混合物(硫酸法)》,測定試樣中棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.1%(干重)。測定混紡纖維中棉纖維去除率衡量滌綸回收效果。棉纖維去除率越高,回收的滌綸纖維純度越高。

Rr=(m0-m1)/0.351m0

式中,Rr,棉纖維去除率,%；m0,原試樣干重,g；m1,分離后回收纖維的干重,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 極差分析

以棉纖維去除率為檢測指標(biāo),選取鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及固液比等4個(gè)因素,每個(gè)因素賦予3個(gè)水平,建立L9(34)正交試驗(yàn)表,結(jié)果與極差分析見表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

通過表1可知,影響棉纖維去除率的因素顯著性主次順序?yàn)?反應(yīng)時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>固液比。最優(yōu)的水平組合為:A3B3C3D2,即采用10%的鹽酸、固液比為40 g/L、在95 ℃下反應(yīng)90 min棉纖維去除率最高,回收的滌綸純度高。在最優(yōu)水平組合下重復(fù)試驗(yàn)得到棉纖維去除率99.84%,混紡纖維中滌綸純度接近100%。

2.2 方差分析

為了驗(yàn)證極差分析結(jié)果,對正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由表2知,影響棉纖維去除率因素顯著性:鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)FA>F0.25(2,2)=3,反應(yīng)時(shí)間FB>F0.10(2,2)=9,反應(yīng)溫度FC

2.3 單因素分析

2.3.1 反應(yīng)時(shí)間對棉纖維去除率的影響

從圖1知,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,棉纖維的去除率逐漸增加。棉纖維素反應(yīng)屬于多相水解反應(yīng),在反應(yīng)初期,酸首先攻擊的是無定形區(qū)的葡萄糖苷鍵,因而反應(yīng)迅速,棉纖維的去除率增加也較快；后期為一級(jí)水解反應(yīng),主要發(fā)生在纖維的結(jié)晶區(qū)域,反應(yīng)速度較慢；反應(yīng)進(jìn)行至90 min基本停止,所以最佳的時(shí)間選擇為90 min。

圖1 時(shí)間對棉纖維去除率的影響

2.3.2 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棉纖維去除率的影響

由圖2知,隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,纖維的去除率呈增加的趨勢。當(dāng)氫離子濃度較高時(shí),其與糖苷鍵結(jié)合的速度及概率也越大,棉纖維被破壞的程度也越高,纖維去除率不斷增加,分離效果明顯。綜合考慮,本試驗(yàn)選用10%的鹽酸。

圖2 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棉纖維去除率的影響

Fig.2 Effect of mass fraction of HCl on the removal rate of cotton

2.3.3 溫度對棉纖維去除率的影響

由圖3可知,在反應(yīng)前期,溫度適中,較多的氫離子與棉纖維的表面及無定形區(qū)結(jié)合,水解迅速；在較高的溫度下,酸主要在棉纖維的結(jié)晶區(qū)反應(yīng),反應(yīng)阻力大速度變緩；溫度繼續(xù)升高,氫離子熱運(yùn)動(dòng)加劇,纖維結(jié)構(gòu)變得疏松,纖維素水解速率快。研究報(bào)道[7],在95 ℃以后鹽酸的揮發(fā)性較大,考慮到時(shí)間與效率的關(guān)系,反應(yīng)溫度選在95 ℃ 較為適宜。

圖3 溫度對棉纖維去除率的影響

Fig.3 Effect of temperature on the removal rate of cotton

2.3.4 固液比對棉纖維去除率的影響

由圖4知,隨著固液比的增加纖維去除率逐漸增加,在40 g/L時(shí)達(dá)到最大；再提高固液比,纖維去除率反而下降。因?yàn)樵谳^低的固液比時(shí),作為反應(yīng)物的棉纖維較少,大部分氫離子不參與糖苷鍵的破壞；當(dāng)固液比適中時(shí),棉纖維結(jié)構(gòu)破壞劇烈,水解也較為迅速；固液比較大時(shí),纖維過度糾纏,阻礙了棉纖維與酸氫離子的接觸,造成纖維去除率下降。所以本試驗(yàn)采取40 g/L的固液比。

圖4 固液比對棉纖維去除率的影響

Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the removal rate of cotton

3 結(jié) 論

通過正交試驗(yàn)得出廢棄滌棉混紡纖維中棉纖維去除率影響因素的主次順序?yàn)?反應(yīng)時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>固液比。最優(yōu)的工藝條件為:反應(yīng)時(shí)間90 min、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、溫度95 ℃、固液比為40 g/L,在此條件下棉纖維被完全去除,回收的滌綸純度最高。反應(yīng)時(shí)間的延長、酸濃度的提高及溫度的增加對棉纖維去除率有促進(jìn)作用,適當(dāng)?shù)墓桃罕扔欣诜磻?yīng)進(jìn)行充分。

[1] 胡雪敏,張海燕. 廢棄紡織品的回收和再利用現(xiàn)狀[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2006(7):52-53.

[2] 中華服裝網(wǎng). 日本帝人公司推廣滌綸再生先進(jìn)循環(huán)再利用流程裝置[EB/OL]. (2007-01-10). http://www.51fashion.com.cn/BusinessNews/2007-1-10/145652.html.

[3] SERAD L S. Polyester dissolution for polyester/cotton blend recycle: USA, 5342854[P/OL]. 1994-08-30. http://www.freepatentsonline.com/5342854.html.

[4] AKIHIKO O, SUBRAMANIAN K, JINICHIRO K. A new methodology to recycle polyester from fabric blends with cellulose[J]. Cellulose, 2010, 17(1):215-222.

[5] VASCONCELOS A, CAVACO-PAULO A. Enzymatic removal of cellulose from cotton/polyester fabric blends[J]. Cellulose, 2006, 13(5):611-618.

[6] 楊洋,張玉倉,何連芳,等. 纖維素類生物質(zhì)廢棄物水解方法的研究進(jìn)展[J]. 釀酒科技, 2009(10):82-86.

[7] 杭志喜,崔海麗. 稀酸降解植物纖維素研究[J]. 安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 28(9):967-970.