棉纺织品废弃物回收纤维素方法的探析

目前世界纺织品消费，我国是全球第一棉花消费国与第二棉花生产国，大量的纺织品消费使用后被丢弃，纺织品废弃物产生的环境问题也日益严重。而由此产生的大部分纺织品废弃物都采用填埋方式处理，既不经济也不环保。因此，需要寻找科学可行的方法对纺织品废弃物回收利用。对棉混纺纺织品废弃物的再利用，不但可以减少纺织品原料浪费，也能降低纺织产业环保污染水平。

1 回收纺织品废弃物的意义

据统计，95%的纺织品废弃物都能利用，纺织品原材料来自种植、养殖和石化冶炼，每回收1千克废旧纺织物，即可减少二氧化碳3.6千克排放，节约6000升水，减少0.3千克的化肥和0.2千克的农药使用。中国作为全球第一人口大国，织物原料的生产量巨大，纺织品原材料短缺还需大量进口。如果回收利用1吨废旧棉纺织品，可生产约0.99吨非织造布或0.99吨分色棉纱，相当于节约了1.1吨纺织原料或0.8吨棉花，同时还能降低大约5%～20%的能源消耗。我国每年棉花的产量约600万吨，种植棉花需要占用大量耕地，消耗水、农药、化肥，如果能将纺织品废弃物充分利用，将极大缓解我国耕地紧张局面，废旧织物回收利用将成为循环经济重点[1]。

2 我国纺织品废弃物的现状形势

随着我国经济快速发展，每个家庭每年都会淘汰大量旧衣服，如果人均每年购买5件衣物，人均每年淘汰丢弃3件旧衣物，那么以我国13亿人口数计算，每年丢弃的旧衣物将达到约39亿件。按照一件衣物平均重约800克，大约每年会产生312万吨废弃物，如果再算上废弃家纺、玩具、工业等各类织物，全国数量纺织品废弃物数量将非常非常惊人。据中国资源综合利用协会统计，“十三五”末，我国将会有超过1亿吨废旧纺织产品，其中化纤类为7000万吨，天然纤维类为3000万吨。纯棉衣物由于抗皱、平滑、强力等性能的缺点，服装企业为了设计制造时尚新潮款式，都会混纺添加涤纶、氨纶等化工材料，这些纺织废弃物被填埋后，难以降解，对土壤、水质等造成不可逆的伤害。另据中国循环经济协会数据统计，我国每年生产约5000万吨纺织原料，大约产生了超过2000万吨废弃纺织品（包括衣物、家纺、玩具等），而废旧纺织品回收利用仅为约300万吨，回收利用率仅为15%左右，大多被当作垃圾填埋或焚烧处理，纺织品废弃物回收利用率严重不足[2]。

3 棉混纺纺织品废弃物回收纤维素方法

棉花纤维的主要成分为α-纤维素分子，占88.0%～96.0%，其余的是蛋白质、蜡、果胶和其他物质的有机或无机物。棉纤维素是一种多糖分子，每个分子含有3个羟基（—OH），分子式（C6H10O5）。羟基沿分子链作用于氢键，棉纤维分子结晶度高，刚性较大，具有特殊的微纤维化学结构。因此，在常温下，它是比较稳定的，这是因为纤维素分子之间存在氢键。废弃棉混纺纺织品通常是以涤棉混纺织物为主，并且纺织工艺复杂，导致用机械方式难以分离回收棉纤维。近年来，通过化学溶解或者降解方式回收棉花纤维素取得了良好效果，主要有以下几种回收提取方法:

（1）甲基吗啉-N-氧化物，分子式是C5H11NO2（NMMO），是工业上使用的纤维素溶剂之一，在溶解过程中NMMO可以溶解高达30%纤维素，几乎可以完全回收，而且溶解是物理过程，不发生化学衍生溶质。NMMO无毒，完全可生物降解，工作条件即大气条件压力和温度80℃～130℃，在溶解过程中，纤维素大分子结构保持不变，只有氢键纤维素大分子之间断裂[3]。因此，NMMO是唯一能溶解完整纤维素，不发生任何降解，选择NMMO溶液作为棉混纺纺织品废弃物溶剂，棉纤维素被提纯溶解使用效果良好，对蓝染色废牛仔衣服进行处理，提取的纤维素可以再生成纤维，其机械和表面特性类似于莱赛尔纤维。

（2）离子液体溶剂，离子液体（IL）是一种比较环保的处理溶剂，也被用于分离来自棉混纺纺织品的纤维素。丁基-3-甲基咪唑氯化物（[Bmim]Cl），1-（2-羟色胺）-3-甲基咪唑氯化铵（[C2OHMIM]），1-（2-羟色胺）-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），3,3-二甲基咪唑亚砜（[MIM]）。IL溶解纤维素的机理与NMMO相似[4]，主要作用于棉花和涤纶的混纺织物的处理，可以直接利用上述溶剂，根据需要选择溶解棉纤维或涤纶纤维，然后将未溶解的纤维进行过滤，再用凝固溶剂再生棉纤维素或涤纶[5]。

（3）用碱性溶剂溶解纤维素。棉花纤维素的结构中含有许多羟基，所以纤维素是极性分子。由于碱性溶剂的金属水化离子在溶液中的体积很小，很容易渗透到纤维素中并与其反应，使得纤维素分子的苷键断裂、聚合度下降，纤维素由长链分子变成短链分子，最后转化成葡萄糖，纤维素被溶解。因此，可以用氢氧化钠、氢氧化锂、尿素等碱性溶剂分离棉纤。但是碱方法不利于环境保护，还会降低棉混纺织物中其他纤维的物理性能[6]。

（4）利用强酸从棉混纤维中分离降解纤维素。例如：可以使用68%硝酸和37%盐酸为溶剂，或者70%～75%硫酸和85%磷酸作为溶剂，棉纤维酸解后使得涤棉分离，从棉涤制品废弃物中提取纤维素，并且酸解的提取效果简单易行。虽然纤维素的酸水解既简单又便宜，但是酸方法的缺点和碱方法同样突出，高浓度的酸溶液不利于环境保护，还会降低棉涤制品中涤纶的物理性能，对设备造成相当大的腐蚀[7]。

（5）用乙二醇可以处理废弃棉涤混纺织物中的涤纶纤维。通过乙二醇与织物的质量配比、醇解温度、醇解时间等因素的控制，使得完全溶解涤纶，提取棉纤维。研究人员通过大量试验发现，确保涤纶充分溶解的同时，能够尽量保持棉纤维在溶解过程中的物理性能不被破坏，当乙二醇与棉涤混纺织物的溶解配比质量为3:1，使涤纶溶醇解温度控制在196℃左右，醇解时间控制在约2.5h，过滤未溶解棉纤维的温度约60℃ ，回收的棉纤维力学机械性能几乎没有下降，可被重复再次利用，可以满足再次纺纱的要求[8]。

（6）利用生物酶法分离降解棉纤维。酶水解回收纤维素是一种清洁的选择，酶解主要作用于棉纤维。因为棉纤维是天然纤维，可以通过自然降解，主要产物为二氧化碳和水，但降解速度过慢，并且产物无法回收利用。利用生物酶可加速棉纤维水解，使其在一定条件下转化为葡萄糖，通过发酵制备乙醇。但是，棉花的高结晶度使酶水解或细菌水解困难，因此通常采用酸或者碱预处理，使得织物的棉纤维分离降解成小分子有机物，再进行酶水解，使其全转化为葡萄糖，然后由酵母菌发酵制得乙醇，达到回收利用[9]。

（7）以上几种方法在回收棉混纺纺织品时都难免利用化学溶剂，会对织物中的纤维造成破坏，降低其回收后的再利用价值。由于废棉纤维是由纤维素组成的，纤维素中只有C、H、O三种元素构成，碳含量较高，约为44%，可以用来生产碳材料。通过棉纤维在一定水热条件下，碳化成高附加值的碳微粒子，回收后制备成高吸附性能多孔碳材料。多孔碳材料可以用来处理工业和生活废水，碳化方法是一种方便和环保的方法，能极大地满足大规模回收废棉纺织物，解决资源和环境问题[10]。

综上所述，目前棉混纺纺织品废弃物回收利用纤维素的方法包括:（1）溶解，即纤维素分子结构棉纤维不断裂；（2）棉纤维纤维素分子降解为低分子有机化合物，如葡萄糖；（3）棉纤维纤维素分子进一步降解成小分子化合物，如乙醇；（4）纤维素分子完全分解成单个元素材料，如碳材料。

4 展望

在全球废旧纺织品居高不下并持续增加的情况下，虽然目前各类回收的方法各有优点，但投入成本依然较大，难以大规模适应复杂的废旧织物的形势，因此仍然需要全球科技工作者继续探索发展，最终实现纺织资源的循环再利用。