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，我國是全球第一棉花消費國與第二棉花生產國，大量的紡織品消費使用后被丟棄，紡織品廢棄物產生的環境問題也日益嚴重。而由此產生的大部分紡織品廢棄物都采用填埋方式處理，既不經濟也不環保。因此，需要尋找科學可行的方法對紡織品廢棄物回收利用。對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，也能降低紡織產業環保污染水平。

1 回收紡織品廢棄物的意義

據統計，95%的紡織品廢棄物都能利用，紡織品原材料來自種植、養殖和石化冶煉，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，節約6000升水，減少0.3千克的化肥和0.2千克的農藥使用。中國作為全球第一人口大國，織物原料的生產量巨大，紡織品原材料短缺還需大量進口。如果回收利用1噸廢舊棉紡織品，可生產約0.99噸非織造布或0.99噸分色棉紗，相當于節約了1.1噸紡織原料或0.8噸棉花，同時還能降低大約5%～20%的能源消耗。我國每年棉花的產量約600萬噸，種植棉花需要占用大量耕地，消耗水、農藥、化肥，如果能將紡織品廢棄物充分利用，將極大緩解我國耕地緊張局面，廢舊織物回收利用將成為循環經濟重點[1]。

2 我國紡織品廢棄物的現狀形勢

隨著我國經濟快速發展，每個家庭每年都會淘汰大量舊衣服，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13億人口數計算，每年丟棄的舊衣物將達到約39億件。按照一件衣物平均重約800克，大約每年會產生312萬噸廢棄物，如果再算上廢棄家紡、玩具、工業等各類織物，全國數量紡織品廢棄物數量將非常非常驚人。據中國資源綜合利用協會統計，“十三五”末，我國將會有超過1億噸廢舊紡織產品，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、強力等性能的缺點，服裝企業為了設計制造時尚新潮款式，都會混紡添加滌綸、氨綸等化工材料，這些紡織廢棄物被填埋后，難以降解，對土壤、水質等造成不可逆的傷害。另據中國循環經濟協會數據統計，我國每年生產約5000萬噸紡織原料，大約產生了超過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，大多被當作垃圾填埋或焚燒處理，紡織品廢棄物回收利用率嚴重不足[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、蠟、果膠和其他物質的有機或無機物。棉纖維素是一種多糖分子，每個分子含有3個羥基（—OH），分子式（C6H10O5）。羥基沿分子鏈作用于氫鍵，棉纖維分子結晶度高，剛性較大，具有特殊的微纖維化學結構。因此，在常溫下，它是比較穩定的，這是因為纖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，并且紡織工藝復雜，導致用機械方式難以分離回收棉纖維。近年來，通過化學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），是工業上使用的纖維素溶劑之一，在溶解過程中NMMO可以溶解高達30%纖維素，幾乎可以完全回收，而且溶解是物理過程，不發生化學衍生溶質。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，纖維素大分子結構保持不變，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，棉纖維素被提純溶解使用效果良好，對藍染色廢牛仔衣服進行處理，提取的纖維素可以再生成纖維，其機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，根據需要選擇溶解棉纖維或滌綸纖維，然后將未溶解的纖維進行過濾，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。棉花纖維素的結構中含有許多羥基，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，使得纖維素分子的苷鍵斷裂、聚合度下降，纖維素由長鏈分子變成短鏈分子，最后轉化成葡萄糖，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境保護，還會降低棉混紡織物中其他纖維的物理性能[6]。

（4）利用強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單易行。雖然纖維素的酸水解既簡單又便宜，但是酸方法的缺點和堿方法同樣突出，高濃度的酸溶液不利于環境保護，還會降低棉滌制品中滌綸的物理性能，對設備造成相當大的腐蝕[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量配比、醇解溫度、醇解時間等因素的控制，使得完全溶解滌綸，提取棉纖維。研究人員通過大量試驗發現，確保滌綸充分溶解的同時，能夠盡量保持棉纖維在溶解過程中的物理性能不被破壞，當乙二醇與棉滌混紡織物的溶解配比質量為3:1，使滌綸溶醇解溫度控制在196℃左右，醇解時間控制在約2.5h，過濾未溶解棉纖維的溫度約60℃ ，回收的棉纖維力學機械性能幾乎沒有下降，可被重復再次利用，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。因為棉纖維是天然纖維，可以通過自然降解，主要產物為二氧化碳和水，但降解速度過慢，并且產物無法回收利用。利用生物酶可加速棉纖維水解，使其在一定條件下轉化為葡萄糖，通過發酵制備乙醇。但是，棉花的高結晶度使酶水解或細菌水解困難，因此通常采用酸或者堿預處理，使得織物的棉纖維分離降解成小分子有機物，再進行酶水解，使其全轉化為葡萄糖，然后由酵母菌發酵制得乙醇，達到回收利用[9]。

（7）以上幾種方法在回收棉混紡紡織品時都難免利用化學溶劑，會對織物中的纖維造成破壞，降低其回收后的再利用價值。由于廢棉纖維是由纖維素組成的，纖維素中只有C、H、O三種元素構成，碳含量較高，約為44%，可以用來生產碳材料。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和生活廢水，碳化方法是一種方便和環保的方法，能極大地滿足大規模回收廢棉紡織物，解決資源和環境問題[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，即纖維素分子結構棉纖維不斷裂；（2）棉纖維纖維素分子降解為低分子有機化合物，如葡萄糖；（3）棉纖維纖維素分子進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增加的情況下，雖然目前各類回收的方法各有優點，但投入成本依然較大，難以大規模適應復雜的廢舊織物的形勢，因此仍然需要全球科技工作者繼續探索發展，最終實現紡織資源的循環再利用。