棉紡織品廢棄物回收纖維素方法的探析

目前世界紡織品消費(fèi)，我國(guó)是全球第一棉花消費(fèi)國(guó)與第二棉花生產(chǎn)國(guó)，大量的紡織品消費(fèi)使用后被丟棄，紡織品廢棄物產(chǎn)生的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。而由此產(chǎn)生的大部分紡織品廢棄物都采用填埋方式處理，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。因此，需要尋找科學(xué)可行的方法對(duì)紡織品廢棄物回收利用。對(duì)棉混紡紡織品廢棄物的再利用，不但可以減少紡織品原料浪費(fèi)，也能降低紡織產(chǎn)業(yè)環(huán)保污染水平。

1 回收紡織品廢棄物的意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，95%的紡織品廢棄物都能利用，紡織品原材料來自種植、養(yǎng)殖和石化冶煉，每回收1千克廢舊紡織物，即可減少二氧化碳3.6千克排放，節(jié)約6000升水，減少0.3千克的化肥和0.2千克的農(nóng)藥使用。中國(guó)作為全球第一人口大國(guó)，織物原料的生產(chǎn)量巨大，紡織品原材料短缺還需大量進(jìn)口。如果回收利用1噸廢舊棉紡織品，可生產(chǎn)約0.99噸非織造布或0.99噸分色棉紗，相當(dāng)于節(jié)約了1.1噸紡織原料或0.8噸棉花，同時(shí)還能降低大約5%～20%的能源消耗。我國(guó)每年棉花的產(chǎn)量約600萬噸，種植棉花需要占用大量耕地，消耗水、農(nóng)藥、化肥，如果能將紡織品廢棄物充分利用，將極大緩解我國(guó)耕地緊張局面，廢舊織物回收利用將成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)[1]。

2 我國(guó)紡織品廢棄物的現(xiàn)狀形勢(shì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，每個(gè)家庭每年都會(huì)淘汰大量舊衣服，如果人均每年購買5件衣物，人均每年淘汰丟棄3件舊衣物，那么以我國(guó)13億人口數(shù)計(jì)算，每年丟棄的舊衣物將達(dá)到約39億件。按照一件衣物平均重約800克，大約每年會(huì)產(chǎn)生312萬噸廢棄物，如果再算上廢棄家紡、玩具、工業(yè)等各類織物，全國(guó)數(shù)量紡織品廢棄物數(shù)量將非常非常驚人。據(jù)中國(guó)資源綜合利用協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，“十三五”末，我國(guó)將會(huì)有超過1億噸廢舊紡織產(chǎn)品，其中化纖類為7000萬噸，天然纖維類為3000萬噸。純棉衣物由于抗皺、平滑、強(qiáng)力等性能的缺點(diǎn)，服裝企業(yè)為了設(shè)計(jì)制造時(shí)尚新潮款式，都會(huì)混紡添加滌綸、氨綸等化工材料，這些紡織廢棄物被填埋后，難以降解，對(duì)土壤、水質(zhì)等造成不可逆的傷害。另據(jù)中國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年生產(chǎn)約5000萬噸紡織原料，大約產(chǎn)生了超過2000萬噸廢棄紡織品（包括衣物、家紡、玩具等），而廢舊紡織品回收利用僅為約300萬噸，回收利用率僅為15%左右，大多被當(dāng)作垃圾填埋或焚燒處理，紡織品廢棄物回收利用率嚴(yán)重不足[2]。

3 棉混紡紡織品廢棄物回收纖維素方法

棉花纖維的主要成分為α-纖維素分子，占88.0%～96.0%，其余的是蛋白質(zhì)、蠟、果膠和其他物質(zhì)的有機(jī)或無機(jī)物。棉纖維素是一種多糖分子，每個(gè)分子含有3個(gè)羥基（—OH），分子式（C6H10O5）。羥基沿分子鏈作用于氫鍵，棉纖維分子結(jié)晶度高，剛性較大，具有特殊的微纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，在常溫下，它是比較穩(wěn)定的，這是因?yàn)槔w維素分子之間存在氫鍵。廢棄棉混紡紡織品通常是以滌棉混紡織物為主，并且紡織工藝復(fù)雜，導(dǎo)致用機(jī)械方式難以分離回收棉纖維。近年來，通過化學(xué)溶解或者降解方式回收棉花纖維素取得了良好效果，主要有以下幾種回收提取方法:

（1）甲基嗎啉-N-氧化物，分子式是C5H11NO2（NMMO），是工業(yè)上使用的纖維素溶劑之一，在溶解過程中NMMO可以溶解高達(dá)30%纖維素，幾乎可以完全回收，而且溶解是物理過程，不發(fā)生化學(xué)衍生溶質(zhì)。NMMO無毒，完全可生物降解，工作條件即大氣條件壓力和溫度80℃～130℃，在溶解過程中，纖維素大分子結(jié)構(gòu)保持不變，只有氫鍵纖維素大分子之間斷裂[3]。因此，NMMO是唯一能溶解完整纖維素，不發(fā)生任何降解，選擇NMMO溶液作為棉混紡紡織品廢棄物溶劑，棉纖維素被提純?nèi)芙馐褂眯Ч己?，?duì)藍(lán)染色廢牛仔衣服進(jìn)行處理，提取的纖維素可以再生成纖維，其機(jī)械和表面特性類似于萊賽爾纖維。

（2）離子液體溶劑，離子液體（IL）是一種比較環(huán)保的處理溶劑，也被用于分離來自棉混紡紡織品的纖維素。丁基-3-甲基咪唑氯化物（[Bmim]Cl），1-（2-羥色胺）-3-甲基咪唑氯化銨（[C2OHMIM]），1-（2-羥色胺）-氯代3-乙基咪唑，1-乙基-3-乙基咪唑氯化物（[EMIM]Cl），1-丁基-3-甲基咪唑乙酸酯（[BMIM]Ac），3,3-二甲基咪唑亞砜（[MIM]）。IL溶解纖維素的機(jī)理與NMMO相似[4]，主要作用于棉花和滌綸的混紡織物的處理，可以直接利用上述溶劑，根據(jù)需要選擇溶解棉纖維或滌綸纖維，然后將未溶解的纖維進(jìn)行過濾，再用凝固溶劑再生棉纖維素或滌綸[5]。

（3）用堿性溶劑溶解纖維素。棉花纖維素的結(jié)構(gòu)中含有許多羥基，所以纖維素是極性分子。由于堿性溶劑的金屬水化離子在溶液中的體積很小，很容易滲透到纖維素中并與其反應(yīng)，使得纖維素分子的苷鍵斷裂、聚合度下降，纖維素由長(zhǎng)鏈分子變成短鏈分子，最后轉(zhuǎn)化成葡萄糖，纖維素被溶解。因此，可以用氫氧化鈉、氫氧化鋰、尿素等堿性溶劑分離棉纖。但是堿方法不利于環(huán)境保護(hù)，還會(huì)降低棉混紡織物中其他纖維的物理性能[6]。

（4）利用強(qiáng)酸從棉混纖維中分離降解纖維素。例如：可以使用68%硝酸和37%鹽酸為溶劑，或者70%～75%硫酸和85%磷酸作為溶劑，棉纖維酸解后使得滌棉分離，從棉滌制品廢棄物中提取纖維素，并且酸解的提取效果簡(jiǎn)單易行。雖然纖維素的酸水解既簡(jiǎn)單又便宜，但是酸方法的缺點(diǎn)和堿方法同樣突出，高濃度的酸溶液不利于環(huán)境保護(hù)，還會(huì)降低棉滌制品中滌綸的物理性能，對(duì)設(shè)備造成相當(dāng)大的腐蝕[7]。

（5）用乙二醇可以處理廢棄棉滌混紡織物中的滌綸纖維。通過乙二醇與織物的質(zhì)量配比、醇解溫度、醇解時(shí)間等因素的控制，使得完全溶解滌綸，提取棉纖維。研究人員通過大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，確保滌綸充分溶解的同時(shí)，能夠盡量保持棉纖維在溶解過程中的物理性能不被破壞，當(dāng)乙二醇與棉滌混紡織物的溶解配比質(zhì)量為3:1，使滌綸溶醇解溫度控制在196℃左右，醇解時(shí)間控制在約2.5h，過濾未溶解棉纖維的溫度約60℃ ，回收的棉纖維力學(xué)機(jī)械性能幾乎沒有下降，可被重復(fù)再次利用，可以滿足再次紡紗的要求[8]。

（6）利用生物酶法分離降解棉纖維。酶水解回收纖維素是一種清潔的選擇，酶解主要作用于棉纖維。因?yàn)槊蘩w維是天然纖維，可以通過自然降解，主要產(chǎn)物為二氧化碳和水，但降解速度過慢，并且產(chǎn)物無法回收利用。利用生物酶可加速棉纖維水解，使其在一定條件下轉(zhuǎn)化為葡萄糖，通過發(fā)酵制備乙醇。但是，棉花的高結(jié)晶度使酶水解或細(xì)菌水解困難，因此通常采用酸或者堿預(yù)處理，使得織物的棉纖維分離降解成小分子有機(jī)物，再進(jìn)行酶水解，使其全轉(zhuǎn)化為葡萄糖，然后由酵母菌發(fā)酵制得乙醇，達(dá)到回收利用[9]。

（7）以上幾種方法在回收棉混紡紡織品時(shí)都難免利用化學(xué)溶劑，會(huì)對(duì)織物中的纖維造成破壞，降低其回收后的再利用價(jià)值。由于廢棉纖維是由纖維素組成的，纖維素中只有C、H、O三種元素構(gòu)成，碳含量較高，約為44%，可以用來生產(chǎn)碳材料。通過棉纖維在一定水熱條件下，碳化成高附加值的碳微粒子，回收后制備成高吸附性能多孔碳材料。多孔碳材料可以用來處理工業(yè)和生活廢水，碳化方法是一種方便和環(huán)保的方法，能極大地滿足大規(guī)?；厥諒U棉紡織物，解決資源和環(huán)境問題[10]。

綜上所述，目前棉混紡紡織品廢棄物回收利用纖維素的方法包括:（1）溶解，即纖維素分子結(jié)構(gòu)棉纖維不斷裂；（2）棉纖維纖維素分子降解為低分子有機(jī)化合物，如葡萄糖；（3）棉纖維纖維素分子進(jìn)一步降解成小分子化合物，如乙醇；（4）纖維素分子完全分解成單個(gè)元素材料，如碳材料。

4 展望

在全球廢舊紡織品居高不下并持續(xù)增加的情況下，雖然目前各類回收的方法各有優(yōu)點(diǎn)，但投入成本依然較大，難以大規(guī)模適應(yīng)復(fù)雜的廢舊織物的形勢(shì)，因此仍然需要全球科技工作者繼續(xù)探索發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)紡織資源的循環(huán)再利用。