可持續(xù)發(fā)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(xué)院,北京 100029)

可持續(xù)發(fā)展指的是自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展,既能滿足當(dāng)代人的需求,又不損害后代人的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益。在可持續(xù)發(fā)展理念的影響下,政府和企業(yè)開(kāi)始關(guān)注廢棄物回收,常見(jiàn)的回收主要是書本、玻璃瓶、塑料瓶等純度較高的產(chǎn)品。紡織品作為重要的民生產(chǎn)業(yè)和環(huán)境污染的重災(zāi)區(qū),也在不斷開(kāi)展廢舊紡織品的回收利用[1]。在全球范圍內(nèi),進(jìn)入服裝的材料中有73%最終被填埋或焚化,僅12%被回收,中國(guó)的回收率則更低[2―3],這就導(dǎo)致了大量的地球資源被浪費(fèi)。

在垃圾分類全面實(shí)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(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)最直接且有效的方式之一。中國(guó)關(guān)于廢舊紡織品回收利用的政策標(biāo)準(zhǔn)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(gè)中類,再依據(jù)材質(zhì)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(xù)發(fā)展的理念,對(duì)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(xué)和新技術(shù)方面分類比較分析,為廢舊紡織品“閉環(huán)回收”提供科學(xué)依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)廢舊紡織品回收分揀現(xiàn)狀

1.1 廢舊紡織品回收現(xiàn)狀

中國(guó)循環(huán)經(jīng)濟(jì)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)每年纖維加工總量約5 000萬(wàn)t,約產(chǎn)生2 000萬(wàn)t廢舊紡織品,廢舊紡織品綜合利用量約為300萬(wàn)t,綜合利用率僅為15%左右。這是因?yàn)榉b不同于其他產(chǎn)品,一件服裝的面料不僅成分復(fù)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(duì)其進(jìn)行纖維回收的難度比較大。隨著《紡織工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》的實(shí)施,廢舊紡織品的回收再利用體系開(kāi)始慢慢發(fā)展[4]。解決廢舊紡織品環(huán)境污染、減少碳排放的方式主要有兩種：(1)延長(zhǎng)紡織品使用壽命,即捐贈(zèng)給國(guó)內(nèi)貧困山區(qū)或者出口到東非等貧困戰(zhàn)亂國(guó)；(2)降解再生,現(xiàn)有的技術(shù)主要針對(duì)天然纖維和單一纖維材質(zhì)的紡織品回收利用比較成熟,混紡織物大規(guī)模的回收利用仍是難點(diǎn)。

對(duì)廢舊紡織品回收再利用的首要環(huán)節(jié)就是回收,能夠形成有規(guī)模的回收方式主要為以廢舊紡織品回收利用為公司運(yùn)作模式的企業(yè)、以環(huán)保公益為主要目的的政府和公益組織。廢舊紡織品的來(lái)源也分為兩類：一是由纖維加工廠、紡織廠、服裝廠產(chǎn)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?nèi)粘Ｉ钪惺褂煤筇蕴呐f衣服、毛巾、床上用品等民用紡織品,即舊紡織品,舊紡織品數(shù)量多、來(lái)源廣、處理難度大。小區(qū)中常見(jiàn)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(wú)法追蹤紡織品來(lái)源,無(wú)法實(shí)時(shí)掌握回收現(xiàn)狀,現(xiàn)在逐漸發(fā)展起來(lái)的智能回收箱則可以實(shí)現(xiàn)高效科學(xué)收集,解決了箱體回收方式的波動(dòng)性?；ヂ?lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天,單一的線下回收模式已不能滿足大眾的需求,環(huán)保企業(yè)則通過(guò)線上線下結(jié)合回收的方式全面掌握回收動(dòng)態(tài)[5],建立互聯(lián)網(wǎng)回收平臺(tái),健全回收體質(zhì),擴(kuò)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(wù)；深圳衣舊情深環(huán)?？萍纪顿Y有限公司,上海緣源實(shí)業(yè)有限公司等[6]。

1.2 廢舊紡織品分揀現(xiàn)狀

紡織品種類繁雜,包含很多基本屬性,為了能夠?qū)崿F(xiàn)紡織品高值化利用,需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的分類。影響廢舊服裝處理方法的屬性有以下幾個(gè)方面[7]。

(1)破損度：指因穿著時(shí)間、清洗次數(shù)、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(duì)于可捐贈(zèng)的二手服裝,按照服裝厚度進(jìn)行分類。(4)顏色：顏色是影響纖維降解再生的一個(gè)重要指標(biāo),服裝顏色越淺說(shuō)明其在生產(chǎn)制作過(guò)程中處理工序越少,方便降解再生過(guò)程中脫色和剝色,得到質(zhì)量更好的纖維；深色衣服則不易進(jìn)行纖維的再生,只能染成更深的顏色以生產(chǎn)低附加值產(chǎn)品。(5)材質(zhì)：?jiǎn)我徊馁|(zhì)的紡織品更容易進(jìn)行降解,混紡材質(zhì)的紡織品就需要先將面料打散進(jìn)行纖維分類,處理過(guò)程比較復(fù)雜,成本較高。

回收后廢舊紡織品需要按照以上屬性要求進(jìn)行分揀[8],再根據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行等級(jí)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(shù)分揀[9―10]。近紅外技術(shù)分揀主要通過(guò)辨別纖維的成分、結(jié)構(gòu)和顏色進(jìn)行分類,具有分析成本低、分析效率高、可在線分析、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),Fibersort機(jī)器就是依托近紅外掃描技術(shù),實(shí)現(xiàn)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(jī)械法[11]是指在不改變紡織品原本材質(zhì)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(chǎn)低質(zhì)量的擦拭布等產(chǎn)品。主要運(yùn)用在兩類廢紡織品上：(1)紡織品生產(chǎn)車間的廢絲。(2)服裝廠的邊角料。純棉纖維經(jīng)梳理后進(jìn)行纏結(jié)和對(duì)齊,可形成再生棉纖維；具有高吸水能力的紡織品可回收進(jìn)行擦拭布的生產(chǎn)[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(jī)械法用簡(jiǎn)單的機(jī)械切碎、拉伸等方式處理廢舊紡織品,工藝成熟,化學(xué)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(guò)機(jī)械手段將紡織品進(jìn)行開(kāi)松、打碎,然后利用X 射線探測(cè)分離器、靜電分離器或懸液分離技術(shù)及近紅外識(shí)別技術(shù)等分離雜物,再經(jīng)清洗、除雜、干燥、熔融造?；蛑苯又谱髟?。聚酯(PET)纖維的回收就是通過(guò)熔融法,但回收來(lái)源主要是塑料水瓶,因?yàn)槠鋪?lái)源廣、化學(xué)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(shù)要求高,故將該方法用于服裝中聚酯回收會(huì)導(dǎo)致成本過(guò)高。

(3)物理溶解法[15]是在機(jī)械打碎紡織品基礎(chǔ)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?；蛑苯蛹徑z。溶解技術(shù)對(duì)織物的力學(xué)性能沒(méi)有特別要求,但當(dāng)前的溶解方法無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)纖維的完全溶解,也很難充分過(guò)濾,而且溶液損耗過(guò)高。

對(duì)這三種方法分析可知,物理法回收得到的產(chǎn)品普遍附加值低,不具有循環(huán)性,對(duì)于經(jīng)過(guò)物理方法回收的纖維通常以混紡的方式重新用于產(chǎn)業(yè)紡織品生產(chǎn),或者用于非織造布生產(chǎn)(表1)。

表1 物理回收利用方法對(duì)比分析

2.2 化學(xué)回收處理

化學(xué)回收方法是通過(guò)一系列化學(xué)過(guò)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(shù)[16]?；瘜W(xué)法回收得到的單體方便去除雜質(zhì),且單體質(zhì)量與原始單體完全相同,可取得性能更優(yōu)良的纖維。傳統(tǒng)的化學(xué)回收利用方法有水解法、醇解法、氨解法等,見(jiàn)表2。

表2 化學(xué)回收利用方法分析對(duì)比

(1)水解法分為酸性、堿性和中性水解,酸解和堿解對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性要求較高,容易對(duì)環(huán)境造成污染。中性水解環(huán)境污染小,但反應(yīng)條件高,所以并沒(méi)有被廣泛應(yīng)用。

(2)醇解法主要利用解聚劑,甲醇、乙醇和乙二醇是最常見(jiàn)的醇解劑,醇解法條件溫和,不需要酸堿催化,對(duì)設(shè)備和環(huán)境的壓力較小,是目前應(yīng)用最廣泛的方法。王偉[17]在對(duì)不同滌棉比紡織品醇解中使用乙二醇醇解,結(jié)果表明乙二醇與滌棉織物中的棉不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),且棉纖維在反應(yīng)后可被回收再利用,對(duì)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(jìn)行噴絲,得到棉紡面料。

(3)氨解法指的是廢舊PET 通過(guò)無(wú)水氨乙二醇溶液氨解生成對(duì)苯二甲酸酰胺,對(duì)苯二甲酸酰胺可以先轉(zhuǎn)化為對(duì)苯二甲酸腈,然后再轉(zhuǎn)化為對(duì)苯二甲基二胺,或者轉(zhuǎn)化為1,4-二胺以及環(huán)乙烷,處理得到的產(chǎn)物純度高于99%,但并沒(méi)有形成大規(guī)模應(yīng)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(guò)臨界壓力和臨界溫度時(shí)的狀態(tài),稱為超臨界。利用超臨界狀態(tài)下,物質(zhì)性質(zhì)的極大變化,發(fā)揮超臨界水的溶解能力、可壓縮性和傳質(zhì)特性,提高反應(yīng)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(fā)現(xiàn)在反應(yīng)溫度280 ℃、反應(yīng)時(shí)間30 min、投料比8.0、共溶劑濃度25%條件下,PET 顆粒解聚產(chǎn)物主要為DMT、EG、對(duì)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(biāo)產(chǎn)物,但為了能在超臨界流體中得到更高的目標(biāo)產(chǎn)物回收率,還必須找到一個(gè)塑料解聚和單體穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。利用超臨界甲醇解聚廢舊PET 的反應(yīng)溫度及壓力都比較低,操作相對(duì)容易,反應(yīng)時(shí)間短,轉(zhuǎn)化率高,在掌握了超臨界的平衡點(diǎn)后有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

3.2 離子溶液法

離子溶液[19]是由陰陽(yáng)離子組成的液體,常溫下為液態(tài)或者熔融狀態(tài),屬于一種強(qiáng)極性溶劑,不揮發(fā)、不氧化,對(duì)水和空氣具有超強(qiáng)的穩(wěn)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(jié)晶結(jié)構(gòu),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(yáng)離子與纖維素中羥基上的氧結(jié)合,破壞纖維素分子間或分子內(nèi)的氫鍵,使得纖維素溶解于離子溶液中。

榮真[20]發(fā)現(xiàn)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(méi)有顯著變化,溶解的棉纖維也可轉(zhuǎn)變成固態(tài)純纖維。呂芳兵[21]基于離子液體對(duì)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(shí)不改變聚酰胺組分的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能,有效分離棉纖維和聚酰胺纖維。運(yùn)用離子溶液法進(jìn)行回收再利用,可以使回收過(guò)程更加環(huán)保、綠色,而且離子液體可以重復(fù)利用對(duì)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(yīng)體系,在高溫高壓的環(huán)境中讓通常難溶或不溶于水的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶。水熱法回收廢棄滌棉混紡織物時(shí),主要通過(guò)在不同的酸堿介質(zhì)中將PET 水解為單體,實(shí)現(xiàn)棉纖維與聚酯纖維的分離。陳旭紅[22]對(duì)水熱法回收聚酯/棉混紡織物研究發(fā)現(xiàn),在水熱反應(yīng)體系中,纖維素纖維發(fā)生碳化,聚酯纖維發(fā)生水解降解,回收再利用所得樣品主要為以無(wú)定形碳的形式存在的碳產(chǎn)物和對(duì)苯二甲酸。這種方法對(duì)織物純度要求低,帶有40%雜質(zhì)的PET 也可適用,但是為了得到純度可直接用于生產(chǎn)PET 的對(duì)苯二甲酸,需要進(jìn)行多次提純。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),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(zhì),得到較高品質(zhì)的聚酯纖維,重新進(jìn)入服用紡織品產(chǎn)業(yè)鏈,實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。還有一些新方法,如針對(duì)滌綸類服裝的脫氣熔融及再聚合技術(shù),針對(duì)滌棉類服裝的醇解、分離及再聚合技術(shù),針對(duì)多組分混紡服裝的溶劑法回收及分離技術(shù),但這些方法都未成熟。

3.4 酶降解

生物酶降解可以用來(lái)回收天然纖維與聚酯的混紡織物,原理是天然纖維與酶發(fā)生反應(yīng)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?？讉サ萚24]利用纖維素酶對(duì)廢棄滌棉混紡纖維水解分離并對(duì)分離工藝進(jìn)行優(yōu)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(xì)小碎片,分離完成后的兩者可以分別回收利用。近年來(lái),纖維素酶快速普及,已成為世界上第二大產(chǎn)業(yè)酶,其在50 ℃的弱酸性環(huán)境中具有良好的催化活性[25],胡等[26]發(fā)現(xiàn)廢舊棉紡織物可作為生產(chǎn)纖維素酶和曲霉真菌的原料,從這種真菌中萃取所生產(chǎn)的酶再用于水解棉,可達(dá)到70%的轉(zhuǎn)化率。澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[27]開(kāi)發(fā)了一種商業(yè)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(fā)現(xiàn)一種新細(xì)菌產(chǎn)生的兩種酶可以在大約50 天內(nèi)將50%的聚酯底物水解。但由于大蛋白分子無(wú)法進(jìn)入聚酯材料內(nèi)部,只在表面反應(yīng),大多會(huì)持續(xù)數(shù)月時(shí)間,很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。法國(guó)Carbios公司也開(kāi)發(fā)了一種酶法工藝,可將無(wú)定形100%PET 解聚成其原始的單體精對(duì)苯二甲酸和乙二醇,同時(shí)保持相同的質(zhì)量和物理化學(xué)性質(zhì),用于純凈PET 的合成,但該方法對(duì)PET 純度要求太高,在紡織服裝領(lǐng)域很難實(shí)現(xiàn)。生物酶降解的方法幾乎不產(chǎn)生廢物污染,難點(diǎn)在于對(duì)酶的選擇,解決酶的制備問(wèn)題,就可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用。

4 結(jié)語(yǔ)

垃圾分類的今天,可持續(xù)發(fā)展成為當(dāng)前社會(huì)討論的主流話題,傳統(tǒng)紡織行業(yè)作為第二大污染源,也開(kāi)始受到越來(lái)越多重視[29],對(duì)紡織品回收利用方法的研究也在不斷推進(jìn),各種新方法層出不窮,但縱觀實(shí)際發(fā)展會(huì)發(fā)現(xiàn)這些方法各有利弊。

(1)物理法操作容易,設(shè)備簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化,但再生的纖維質(zhì)量低劣,只能用于汽車內(nèi)飾、絕緣紡織品等工業(yè)用,不能實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

(2)化學(xué)法在進(jìn)行大規(guī)模化過(guò)程中對(duì)工廠的要求較高,反應(yīng)條件有特定要求,可能會(huì)造成化學(xué)溶劑污染,但經(jīng)過(guò)化學(xué)解聚可得到與原材料同樣的纖維,實(shí)現(xiàn)廢舊紡織品的“閉環(huán)回收”。

(3)超臨界法、酶解法等新方法相較于物理和化學(xué)法更加環(huán)保,具有高回收率、低污染的優(yōu)點(diǎn),且能夠有效分離廢舊混紡織物,但是大多處于實(shí)驗(yàn)室階段。

為了降低碳排放、實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì),不僅要在技術(shù)上不斷改進(jìn),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(huán)保企業(yè)提供一定的支持,提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,推進(jìn)可持續(xù)不斷發(fā)展,提升公眾的可持續(xù)發(fā)展意識(shí)。在政策導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)支持、科研進(jìn)步的共同作用下,效益高、可大規(guī)模操作的廢舊紡織品回收再利用方法也會(huì)不斷有新的進(jìn)展。