回收旧衣服，一个15分钟反应，一篇>10分文章

衣食住行，“衣”排在了第一位。衣服不但起到蔽体和保暖的功能，也体现着身份和审美的变迁。据统计，2021年，全球纤维产量增至创纪录的1.13亿吨，这个数字在过去20年里几乎翻了一番，如果一切如常，预计到2030年将增至1.49亿吨 ^[1]。快时尚的消费理念，进一步缩短了纺织品的使用寿命。根据美国国家标准与技术研究院（NIST）的统计，超过500亿件服装在生产后一年内就被丢弃 ^[2]。全球每年估计有9200万吨纺织品废物，其中只有不到1%被回收，约四分之三被填埋或焚烧，造成了大量的资源浪费和严重的环境污染。纺织品产生的温室气体排放量占全球温室气体排放量的5-10%，进入海洋中的微塑料，有约三分之一或更多来自服装废物。^[3]

纺织品分为两大类：天然纺织品和合成纺织品。棉花和羊毛等植物和动物原料的产量相对稳定，而合成纺织品的数量则增长迅速。最广泛使用的合成纺织纤维是聚对苯二甲酸乙二酯（PET），2021年其市场份额占全球纤维产量的54% ^[4]。由于材质与PET瓶子材料相同，14.7%的PET纤维是由机械回收废旧瓶子制成的。尽管对PET化学回收技术，如水解、甲醇解和酶解等，已被广泛研究，但纺织品中的聚酯纤维通常与其他纤维（包括棉、尼龙、氨纶以及各种染料）紧密交织。处理混合纺织废料需要昂贵的分离费用，这使得机械分离变得非常复杂。

纤维材料的可持续性技术。图片来源：Nat. Sustain. ^[4]

近日，美国特拉华大学Dionisios G. Vlachos课题组和塑料创新中心（Center for Plastics Innovation）Sunitha Sadula等合作在Science Advances 杂志上发表论文，报道了一种可以在混合纺织品中分解聚酯纤维的化学回收工艺。该方法不仅能打破聚酯纤维与尼龙或棉等其他材料之间的键合，还可以将其分解为对苯二甲酸双羟乙酯（BHET），作为单体重新生产聚酯，起到循环利用的效果。进一步优化该工艺，可以使纺织循环利用率达到88%。

化学法回收纺织品工艺示意图。图片来源：Sci. Adv.

该化学回收工艺采用ZnO作催化剂，在微波辅助加热条件下，对PET纤维进行乙二醇解（glycolysis）。研究样品采用市场上容易购买到的白色100%聚酯纺织品、100%棉纺织品以及50/50聚酯和棉混纺织品。聚酯纺织品通过乙二醇解后，BHET产率为90%，而100%棉纺织品只损失了~7.8%的质量，且固体残留物的红外光谱几乎不变。通过进一步对50/50聚酯/棉混纺织品进行微波乙二醇解，15分钟后溶液颜色变为淡黄色。如果继续降解至45分钟，由于溶液温度升高，棉在加热条件下逐渐分解，导致颜色转变为深橙色。

50/50聚酯/棉混纺织品的降解。图片来源：Sci. Adv.

随后，研究者对50/50聚酯/棉混纺织品降解15分钟后的剩余固体进行表征，红外光谱、X射线衍射图以及热重分析曲线显示，剩余产物中聚酯特征峰消失，曲线与纯棉纺织品相似，扫描电子显微照片进一步证实了这一结果，剩余产物为卷曲的棉纤维。

降解后剩余固体表征。图片来源：Sci. Adv.

商业纺织品上往往存在各种染料和添加剂（抗菌、抗静电、抗紫外线等），这些样品也可以利用微波乙二醇解工艺，将聚酯分解为BHET。不过，由于染料和添加剂的存在，尤其是抗紫外线和阻燃剂增加了纺织品的疏水性，阻燃剂存在的磷元素使催化剂失活，都会降低BHET的产率。

含染料和添加剂的聚酯纺织品的乙二醇解。图片来源：Sci. Adv.

商业产品中，聚酯纤维除了与棉进行混纺以外，还常常与其他纤维混合，其中以氨纶和尼龙最多，比如我们经常穿着的运动服和休闲服就是这几种纤维的混纺品。于是，研究者又采用多种混合织物做样本，在ZnO催化剂条件下进行乙二醇解。降解之后，纺织品转变为粉末和粘性固体，光谱显示，其他组分不会阻碍聚酯的解聚，且降解过程中，氨纶也几乎完全降解，尼龙则部分降解。

聚酯、棉、尼龙和氨纶的降解。图片来源：Sci. Adv.

为了验证该方法的实用性，研究者从特拉华大学时装与服装研究系获取到0.5克未知成分的纺织废料，在微波催化降解后，聚酯完全转化为BHET，氨纶转化为含二苯基甲烷的多种分子，棉和尼龙则几乎保持不变。未反应的棉和尼龙，经过过滤后，用去离子水洗涤，并在100 °C下空气干燥过夜。室温下使用90%的甲酸可以溶解尼龙，简单地将二者分离并再次用于制造新的衣物。将滤液旋蒸，可以进一步得到BHET的乙二醇浓溶液，在冰箱中冷却至4 °C过夜，析出BHET晶体。此时，乙二醇溶液中还含有价值较高的氨纶分解产物——4,4'-二氨基二苯基甲烷（MDA），可以通过萃取、沉淀或柱层析等技术将其分离。

混合纺织废料的降解与循环利用。图片来源：Sci. Adv.

根据上述实验，研究者对该工艺进行了技术经济分析（TEA），表现出良好的商业化前景。随着对纺织废物处理能力的增加，利润率和项目的整体经济可行性还会进一步提高。

技术经济分析。图片来源：Sci. Adv.

“机械回收很难将多纤维纺织品分离成可循环使用的产品，而且，通常情况下，这些混合物需要几天的时间才能分解。我们将几天缩短到十几分钟，这是一次重大更新”，Dionisios Vlachos说，“我们有能力开发技术来处理所有这些纺织废物，并将它们从环境、垃圾填埋场和海洋中清除”。^[3]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Chemical recycling of mixed textile waste

Erha Andini, Pooja Bhalode, Evan Gantert, Sunitha Sadula, Dionisios G. Vlachos

Sci. Adv. 2024, 10, eado6827. DOI: 10.1126/sciadv.ado6827

参考文献：

[1] Textile Exchange, Preferred Fiber And Materials Market Report 2022; 

https://textileexchange.org/knowledge-center/reports/materials-market-report-2022/ 

[2] How fast fashion can cut its staggering environmental impact

https://www.nature.com/articles/d41586-022-02914-2 

[3] Nature NEWS: ‘Chemical recycling’: 15-minute reaction turns old clothes into useful molecules

https://www.nature.com/articles/d41586-024-02210-1 

[4] L. Zhang, et al. Advancing life cycle sustainability of textiles through technological innovations. Nat. Sustain. 2023, 6, 243–253. DOI: 10.1038/s41893-022-01004-5

导师介绍

Dionisios G. Vlachos

https://www.x-mol.com/university/faculty/343153 

（本文由小希供稿）