可持續發展理念下廢舊紡織品回收再利用方法比較分析

王 靜,杜劍俠

(北京服裝學院,北京 100029)

可持續發展指的是自然、經濟、社會的協調統一發展,既能滿足當代人的需求,又不損害后代人的長遠利益。在可持續發展理念的影響下,政府和企業開始關注廢棄物回收,常見的回收主要是書本、玻璃瓶、塑料瓶等純度較高的產品。紡織品作為重要的民生產業和環境污染的重災區,也在不斷開展廢舊紡織品的回收利用[1]。在全球范圍內,進入服裝的材料中有73%最終被填埋或焚化,僅12%被回收,中國的回收率則更低[2―3],這就導致了大量的地球資源被浪費。

在垃圾分類全面實施的今天,廢舊紡織品回收再利用便成為了減少碳排放量,實現循環經濟最直接且有效的方式之一。中國關于廢舊紡織品回收利用的政策標準也在逐步完善中,GB/T 38923―2020《廢舊紡織品分類與代碼》中將廢舊分為廢紡織品和舊紡織品兩個中類,再依據材質劃分為不同小類,包括棉類、毛類、滌綸類、錦綸類、腈綸類、其他類和混料類廢舊紡織品。本文基于可持續發展的理念,對廢棄紡織品從回收到分揀到再解聚以及最后的成品,分別從物理、化學和新技術方面分類比較分析,為廢舊紡織品“閉環回收”提供科學依據。

1 國內廢舊紡織品回收分揀現狀

1.1 廢舊紡織品回收現狀

中國循環經濟協會數據表明,我國每年纖維加工總量約5 000萬t,約產生2 000萬t廢舊紡織品,廢舊紡織品綜合利用量約為300萬t,綜合利用率僅為15%左右。這是因為服裝不同于其他產品,一件服裝的面料不僅成分復雜,而且還包括主體面料、里料、輔料(如紐扣、拉鏈、填充物等),所以對其進行纖維回收的難度比較大。隨著《紡織工業“十三五”發展規劃》的實施,廢舊紡織品的回收再利用體系開始慢慢發展[4]。解決廢舊紡織品環境污染、減少碳排放的方式主要有兩種：(1)延長紡織品使用壽命,即捐贈給國內貧困山區或者出口到東非等貧困戰亂國；(2)降解再生,現有的技術主要針對天然纖維和單一纖維材質的紡織品回收利用比較成熟,混紡織物大規模的回收利用仍是難點。

對廢舊紡織品回收再利用的首要環節就是回收,能夠形成有規模的回收方式主要為以廢舊紡織品回收利用為公司運作模式的企業、以環保公益為主要目的的政府和公益組織。廢舊紡織品的來源也分為兩類：一是由纖維加工廠、紡織廠、服裝廠產生的廢絲、廢布等廢舊邊角料,即廢紡織品,廢紡織品污染少,處理工序少成本低；二是人們日常生活中使用后淘汰的舊衣服、毛巾、床上用品等民用紡織品,即舊紡織品,舊紡織品數量多、來源廣、處理難度大。小區中常見的舊衣回收箱便是箱體回收的主要工具,然而普通的箱體回收無法追蹤紡織品來源,無法實時掌握回收現狀,現在逐漸發展起來的智能回收箱則可以實現高效科學收集,解決了箱體回收方式的波動性。互聯網高速發展的今天,單一的線下回收模式已不能滿足大眾的需求,環保企業則通過線上線下結合回收的方式全面掌握回收動態[5],建立互聯網回收平臺,健全回收體質,擴大回收渠道,如飛螞蟻舊衣服回收,可提供快遞上門收衣服務；深圳衣舊情深環保科技投資有限公司,上海緣源實業有限公司等[6]。

1.2 廢舊紡織品分揀現狀

紡織品種類繁雜,包含很多基本屬性,為了能夠實現紡織品高值化利用,需要對其進行嚴格的分類。影響廢舊服裝處理方法的屬性有以下幾個方面[7]。

(1)破損度：指因穿著時間、清洗次數、摩擦等造成的織物不同程度的損壞。(2)污染程度：污染程度即廢舊紡織品不合格物含量,不合格物含量越高,處理方式和工藝難度就越大。(3)厚度：對于可捐贈的二手服裝,按照服裝厚度進行分類。(4)顏色：顏色是影響纖維降解再生的一個重要指標,服裝顏色越淺說明其在生產制作過程中處理工序越少,方便降解再生過程中脫色和剝色,得到質量更好的纖維；深色衣服則不易進行纖維的再生,只能染成更深的顏色以生產低附加值產品。(5)材質：單一材質的紡織品更容易進行降解,混紡材質的紡織品就需要先將面料打散進行纖維分類,處理過程比較復雜,成本較高。

回收后廢舊紡織品需要按照以上屬性要求進行分揀[8],再根據分類結果進行等級劃分,判斷廢舊紡織品的再利用方式。分揀方式又分為：人工分揀、流水線分揀和近紅外技術分揀[9―10]。近紅外技術分揀主要通過辨別纖維的成分、結構和顏色進行分類,具有分析成本低、分析效率高、可在線分析、可重復性等優點,Fibersort機器就是依托近紅外掃描技術,實現紡織品快速分揀。

2 廢舊紡織品回收再利用方法

2.1 物理回收利用

(1)物理機械法[11]是指在不改變紡織品原本材質的前提下,將廢舊紡織品直接加工成具有可紡性的再生纖維或生產低質量的擦拭布等產品。主要運用在兩類廢紡織品上：(1)紡織品生產車間的廢絲。(2)服裝廠的邊角料。純棉纖維經梳理后進行纏結和對齊,可形成再生棉纖維；具有高吸水能力的紡織品可回收進行擦拭布的生產[12]。印度就選擇將純棉布和某些植物纖維材料重新加工成手工紙[13]。物理機械法用簡單的機械切碎、拉伸等方式處理廢舊紡織品,工藝成熟,化學污染小,可用于滌棉類紡織品回收。

(2)物理熔融法[14]首先通過機械手段將紡織品進行開松、打碎,然后利用X 射線探測分離器、靜電分離器或懸液分離技術及近紅外識別技術等分離雜物,再經清洗、除雜、干燥、熔融造粒或直接制作原料。聚酯(PET)纖維的回收就是通過熔融法,但回收來源主要是塑料水瓶,因為其來源廣、化學添加劑少,而紡織品多為混紡且含有紐扣、拉鏈等一系列裝飾品,回收難度大、技術要求高,故將該方法用于服裝中聚酯回收會導致成本過高。

(3)物理溶解法[15]是在機械打碎紡織品基礎上利用織物不同的溶解特性,選用特制的溶劑將織物溶解之后,再溶劑分離,最后造粒或直接紡絲。溶解技術對織物的力學性能沒有特別要求,但當前的溶解方法無法快速實現纖維的完全溶解,也很難充分過濾,而且溶液損耗過高。

對這三種方法分析可知,物理法回收得到的產品普遍附加值低,不具有循環性,對于經過物理方法回收的纖維通常以混紡的方式重新用于產業紡織品生產,或者用于非織造布生產(表1)。

表1 物理回收利用方法對比分析

2.2 化學回收處理

化學回收方法是通過一系列化學過程將廢舊紡織品解聚成低分子化合物,然后重新制作為聚酯原料或者其他化工原料的技術[16]。化學法回收得到的單體方便去除雜質,且單體質量與原始單體完全相同,可取得性能更優良的纖維。傳統的化學回收利用方法有水解法、醇解法、氨解法等,見表2。

表2 化學回收利用方法分析對比

(1)水解法分為酸性、堿性和中性水解,酸解和堿解對設備的耐腐蝕性要求較高,容易對環境造成污染。中性水解環境污染小,但反應條件高,所以并沒有被廣泛應用。

(2)醇解法主要利用解聚劑,甲醇、乙醇和乙二醇是最常見的醇解劑,醇解法條件溫和,不需要酸堿催化,對設備和環境的壓力較小,是目前應用最廣泛的方法。王偉[17]在對不同滌棉比紡織品醇解中使用乙二醇醇解,結果表明乙二醇與滌棉織物中的棉不發生化學反應,且棉纖維在反應后可被回收再利用,對于滌棉織物回收具有充分的可行性。鼎緣(杭州)紡織品科技有限公司就采用醇解法分解滌棉混紡織物提取纖維素進行噴絲,得到棉紡面料。

(3)氨解法指的是廢舊PET 通過無水氨乙二醇溶液氨解生成對苯二甲酸酰胺,對苯二甲酸酰胺可以先轉化為對苯二甲酸腈,然后再轉化為對苯二甲基二胺,或者轉化為1,4-二胺以及環乙烷,處理得到的產物純度高于99%,但并沒有形成大規模應用。

3 廢舊紡織品再利用新方法

3.1 超臨界法

工程上將某流體所處的壓力和溫度均超過臨界壓力和臨界溫度時的狀態,稱為超臨界。利用超臨界狀態下,物質性質的極大變化,發揮超臨界水的溶解能力、可壓縮性和傳質特性,提高反應速度。田朋[18]研究了PET 在超亞臨界甲醇及其共溶劑體系中的解聚,發現在反應溫度280 ℃、反應時間30 min、投料比8.0、共溶劑濃度25%條件下,PET 顆粒解聚產物主要為DMT、EG、對苯二甲酸甲基羥基乙基酯、間苯二甲酸二甲酯等。這種方法可以得到目標產物,但為了能在超臨界流體中得到更高的目標產物回收率,還必須找到一個塑料解聚和單體穩定的平衡點。利用超臨界甲醇解聚廢舊PET 的反應溫度及壓力都比較低,操作相對容易,反應時間短,轉化率高,在掌握了超臨界的平衡點后有可能實現工業化。

3.2 離子溶液法

離子溶液[19]是由陰陽離子組成的液體,常溫下為液態或者熔融狀態,屬于一種強極性溶劑,不揮發、不氧化,對水和空氣具有超強的穩定性。棉纖維主要成分為纖維素,分子中含有大量氫鍵,具有較高的結晶結構,難溶于一般溶劑,采用離子溶液法分離滌棉纖維的原理是：離子溶液中的陽離子與纖維素中羥基上的氧結合,破壞纖維素分子間或分子內的氫鍵,使得纖維素溶解于離子溶液中。

榮真[20]發現離子液體[BMIM]Cl可以有效地分離廢棄滌棉混紡織物中的滌綸和棉纖維,且分離出的滌綸性能沒有顯著變化,溶解的棉纖維也可轉變成固態純纖維。呂芳兵[21]基于離子液體對棉纖維溶解性能的研究中,選用[AMIM]C1和[BMIM]C1兩種咪唑型離子液體溶解分離廢舊聚酰胺/棉織物,溶解其中的棉纖維組分,同時不改變聚酰胺組分的形態結構和化學性能,有效分離棉纖維和聚酰胺纖維。運用離子溶液法進行回收再利用,可以使回收過程更加環保、綠色,而且離子液體可以重復利用對提高PET 的回收率有較明顯的成效。

3.3 水熱法

水熱法采用水溶液作為反應體系,在高溫高壓的環境中讓通常難溶或不溶于水的物質溶解并重結晶。水熱法回收廢棄滌棉混紡織物時,主要通過在不同的酸堿介質中將PET 水解為單體,實現棉纖維與聚酯纖維的分離。陳旭紅[22]對水熱法回收聚酯/棉混紡織物研究發現,在水熱反應體系中,纖維素纖維發生碳化,聚酯纖維發生水解降解,回收再利用所得樣品主要為以無定形碳的形式存在的碳產物和對苯二甲酸。這種方法對織物純度要求低,帶有40%雜質的PET 也可適用,但是為了得到純度可直接用于生產PET 的對苯二甲酸,需要進行多次提純。

經分析發現,超臨界法、離子溶液法和水熱法都是將廢棄聚酯類紡織品降解成低聚物或者單體,可以有效減少雜質,得到較高品質的聚酯纖維,重新進入服用紡織品產業鏈,實現循環利用。還有一些新方法,如針對滌綸類服裝的脫氣熔融及再聚合技術,針對滌棉類服裝的醇解、分離及再聚合技術,針對多組分混紡服裝的溶劑法回收及分離技術,但這些方法都未成熟。

3.4 酶降解

生物酶降解可以用來回收天然纖維與聚酯的混紡織物,原理是天然纖維與酶發生反應從而溶解天然纖維而保留聚酯纖維[23]。例如滌棉混紡織物,棉纖維在酶的作用下降解得到纖維素和葡萄糖等,防止自然降解得到CO2和H2O。孔偉等[24]利用纖維素酶對廢棄滌棉混紡纖維水解分離并對分離工藝進行優化,分離后的滌綸成纖維狀,棉纖維部分被水解為葡萄糖和細小碎片,分離完成后的兩者可以分別回收利用。近年來,纖維素酶快速普及,已成為世界上第二大產業酶,其在50 ℃的弱酸性環境中具有良好的催化活性[25],胡等[26]發現廢舊棉紡織物可作為生產纖維素酶和曲霉真菌的原料,從這種真菌中萃取所生產的酶再用于水解棉,可達到70%的轉化率。澳大利亞昆士蘭科技大學研究團隊[27]開發了一種商業化的酶,可以溶解羊毛/聚酯混紡織物中的羊毛纖維且不損傷聚酯紗線,為混紡織物的分離提供新的方向。

聚酯纖維也可采用酶降解,Yoshida等[28]研究發現一種新細菌產生的兩種酶可以在大約50 天內將50%的聚酯底物水解。但由于大蛋白分子無法進入聚酯材料內部,只在表面反應,大多會持續數月時間,很難實現經濟開發。法國Carbios公司也開發了一種酶法工藝,可將無定形100%PET 解聚成其原始的單體精對苯二甲酸和乙二醇,同時保持相同的質量和物理化學性質,用于純凈PET 的合成,但該方法對PET 純度要求太高,在紡織服裝領域很難實現。生物酶降解的方法幾乎不產生廢物污染,難點在于對酶的選擇,解決酶的制備問題,就可實現大規模利用。

4 結語

垃圾分類的今天,可持續發展成為當前社會討論的主流話題,傳統紡織行業作為第二大污染源,也開始受到越來越多重視[29],對紡織品回收利用方法的研究也在不斷推進,各種新方法層出不窮,但縱觀實際發展會發現這些方法各有利弊。

(1)物理法操作容易,設備簡單,技術成熟,可以實現大規模工業化,但再生的纖維質量低劣,只能用于汽車內飾、絕緣紡織品等工業用,不能實現循環經濟。

(2)化學法在進行大規模化過程中對工廠的要求較高,反應條件有特定要求,可能會造成化學溶劑污染,但經過化學解聚可得到與原材料同樣的纖維,實現廢舊紡織品的“閉環回收”。

(3)超臨界法、酶解法等新方法相較于物理和化學法更加環保,具有高回收率、低污染的優點,且能夠有效分離廢舊混紡織物,但是大多處于實驗室階段。

為了降低碳排放、實現循環經濟,不僅要在技術上不斷改進,還需要從源頭上減少使用混紡織物,多采用再生棉等可降解再生的原料。政府也需要為環保企業提供一定的支持,提高企業經濟效益,推進可持續不斷發展,提升公眾的可持續發展意識。在政策導向、經濟支持、科研進步的共同作用下,效益高、可大規模操作的廢舊紡織品回收再利用方法也會不斷有新的進展。