Forscher trennen Baumwolle von Polyester in Mischgewebe

In einer neuen Studie fanden Forscher der North Carolina State University heraus, dass sie Mischgewebe aus Baumwolle und Polyester mithilfe von Enzymen trennen können – den Werkzeugen der Natur zur Beschleunigung chemischer Reaktionen. Letztendlich hoffen sie, dass ihre Erkenntnisse zu einer effizienteren Möglichkeit führen werden, die Stoffbestandteile zu recyceln und so den Textilabfall zu reduzieren.

Sie stellten jedoch auch fest, dass der Prozess mehr Schritte erfordert, wenn das Mischgewebe gefärbt oder mit Chemikalien behandelt wurde, die die Knitterfestigkeit erhöhen.

„Wir können die gesamte Baumwolle aus einer Baumwoll-Polyester-Mischung heraustrennen, was bedeutet, dass wir jetzt sauberes Polyester haben, das recycelt werden kann“, sagte die korrespondierende Autorin der Studie, Sonja Salmon, außerordentliche Professorin für Textiltechnik, Chemie und Naturwissenschaften an der NC State. „Auf einer Mülldeponie wird der Polyester nicht abgebaut, und es kann mehrere Monate oder länger dauern, bis die Baumwolle abgebaut ist. Mit unserer Methode können wir die Baumwolle in weniger als 48 Stunden vom Polyester trennen.“

Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde werfen Verbraucher jedes Jahr etwa 11 Millionen Tonnen Textilabfälle auf US-Deponien. Die Forscher wollten eine Methode entwickeln, um die Baumwolle vom Polyester zu trennen, damit jedes einzelne Material recycelt werden kann.

In der Studie verwendeten die Forscher einen „Cocktail“ aus Enzymen in einer leicht sauren Lösung, um Zellulose in Baumwolle zu zerkleinern. Zellulose ist das Material, das den Zellwänden von Pflanzen Struktur verleiht. Die Idee besteht darin, die Zellulose so zu zerkleinern, dass sie aus der gemischten Webstruktur „herausfällt“ und einige winzige Baumwollfaserfragmente zusammen mit Glukose zurückbleiben. Glukose ist das biologisch abbaubare Nebenprodukt der abgebauten Zellulose. Anschließend wird die Glukose abgewaschen und die Baumwollfaserfragmente herausgefiltert, sodass sauberes Polyester zurückbleibt.

„Dies ist ein milder Prozess – die Behandlung ist leicht sauer, wie die Verwendung von Essig“, sagte Salmon. „Wir haben es auch bei 50 Grad Celsius laufen lassen, was der Temperatur einer heißen Waschmaschine entspricht.“

„Es ist sehr vielversprechend, dass wir den Polyester sauber abtrennen können“, fügte Salmon hinzu. „Wir haben noch einiges an Arbeit vor uns, um die Eigenschaften des Polyesters zu charakterisieren, aber wir gehen davon aus, dass sie sehr gut sein werden, weil die Bedingungen so mild sind. Wir fügen lediglich Enzyme hinzu, die den Polyester ignorieren.“

Sie verglichen die Zersetzung von Stoffen aus 100 % Baumwolle mit der Zersetzung von Baumwoll- und Polyestermischungen und testeten auch Stoffe, die mit roten und blauen Reaktivfarbstoffen gefärbt und mit langlebigen Presschemikalien behandelt wurden. Um die gefärbten Materialien aufzuspalten, mussten die Forscher mehr Zeit und Enzyme einsetzen. Bei Stoffen, die mit haltbaren Presschemikalien behandelt wurden, mussten sie vor der Zugabe der Enzyme eine chemische Vorbehandlung durchführen.

„Der von Ihnen gewählte Farbstoff hat einen großen Einfluss auf die mögliche Schädigung des Stoffes“, sagte die Hauptautorin der Studie, Jeannie Egan, eine Doktorandin an der NC State. „Außerdem stellten wir fest, dass das bisher größte Hindernis die knitterfreie Oberfläche ist. Die Chemie dahinter stellt eine erhebliche Blockade für den Zugang des Enzyms zur Zellulose dar. Ohne Vorbehandlung erreichten wir einen Abbau von weniger als 10 %, aber danach Mit zwei Enzymdosen konnten wir es vollständig abbauen, was ein wirklich spannendes Ergebnis war.“

Forscher sagten, der Polyester könne recycelt werden, während die Aufschlämmung aus Baumwollfragmenten als Zusatzstoff für Papier oder nützliche Ergänzung zu Verbundmaterialien wertvoll sein könnte. Sie untersuchen auch, ob die Glukose zur Herstellung von Biokraftstoffen verwendet werden könnte.

„Die Aufschlämmung besteht aus restlichen Baumwollfragmenten, die einem sehr starken enzymatischen Abbau widerstehen“, sagte Salmon. „Es hat potenziellen Wert als Stärkungsmittel. Für den Glukosesirup arbeiten wir an einem Projekt, um zu sehen, ob wir ihn in einen anaeroben Fermenter einspeisen können, um Biokraftstoff herzustellen. Wir würden den Abfall nehmen und ihn in Bioenergie umwandeln, was.“ wäre viel besser, als es auf eine Mülldeponie zu werfen.

Die Studie „Enzymatische Textilfasertrennung für eine nachhaltige Abfallverarbeitung“ wurde in Resources, Environment and Sustainability veröffentlicht. Zu den Co-Autoren gehörten Siyan Wang, Jialong Shen, Oliver Baars und Geoffrey Moxley. Die Finanzierung erfolgte durch die Environmental Research and Education Foundation, die Kaneka Corporation und das Department of Textile Engineering, Chemistry and Science der NC State.

-oleniacz-

Hinweis für Redakteure:Die Zusammenfassung der Studie folgt.

Enzymatische Textilfasertrennung für eine nachhaltige Abfallverarbeitung

Autoren: Jeannie Egan, Siyan Wang, Jialong Shen, Oliver Baars, Geoffrey Moxley und Sonja Salmon.

Veröffentlicht: 8. März 2023, Ressourcen, Umwelt und Nachhaltigkeit

DOI: 10.1016/j.resenv.2023.100118

Abstrakt: Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde werden jährlich rund 11 Millionen Tonnen Post-Consumer-Textilabfälle (PCTW) auf US-Deponien entsorgt, was 8 % aller festen Siedlungsabfälle entspricht. PCTW wird deponiert, weil es komplexe Mischungen aus natürlichen und synthetischen Fasern enthält, die sich nicht leicht trennen lassen, und Farbstoffe und Ausrüstungschemikalien auf den Stoffen das Recycling beeinträchtigen. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, ein Verfahren im Labormaßstab zur Zerlegung und Trennung geschnittener Stoffe in verschiedene Faserfraktionen zu entwickeln, um gereinigte Produktströme zu erzeugen, die das Textilrecycling fördern könnten. Die Methodenparameter wurden aus Vorversuchen an verschiedenen Stofftypen ausgewählt, gefolgt von einer parametrischen Bewertung mit einer Reihe rational vorbereiteter Modelltextilabfälle. Die Kombination aus aggressiver mechanischer Bewegung und Cellulase-katalysierter Hydrolyse führte dazu, dass 100 % Baumwollstoffe vollständig in eine Aufschlämmung aus < 2 mm kleinen Feststoffen und wasserlöslichen Abbauprodukten zerfielen. Das Vorhandensein von Reaktivfarbstoffen auf den Modellgeweben hemmte den Abbau, wobei der bifunktionelle Reaktivfarbstoff größere Abbaubarrieren bildete als der monofunktionelle Farbstoff. Farbstoffbedingte Barrieren wurden mit ausreichender Zeit, ausreichender Enzymmenge und wiederholter Behandlung überwunden. Auch wenn die Nebenwirkung eine Verringerung der anfänglichen Berstfestigkeit des Gewebes war, stellte das Vorhandensein einer dauerhaften Pressausrüstung (DP) auf Baumwolle ein großes Hindernis für den enzymatischen Abbau dar. Dieses Problem konnte durch eine Säure-/Laugen-Vorbehandlung des DP-Gewebes vor der Anwendung des Enzyms behoben werden. Das Vorhandensein von Polyesterfasern in einer Baumwoll-Polyester-Mischung führte dazu, dass der Stoff seine makroskopische Strickstruktur beibehielt, während enzymatisch abgebaute Baumwolle durch Waschen und Filtrieren entfernt wurde, um sauberen Polyester zu ergeben. In allen Fällen wurden die Stoffabbauprodukte durch Filtration in – je nach Schwere der Behandlungen – verbleibende große Feststoffe und kleine Feststofffraktionen sowie eine geklärte Prozessflüssigkeit, die lösliche Bestandteile enthielt, getrennt. Diese drei Fraktionen wurden gravimetrisch quantifiziert und mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), Röntgenbeugung (XRD), Differentialscanningkalorimetrie (DSC), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Viskosimetrie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert ) und optische Mikroskopie. Die kleinen Feststoffe, die nach dem Baumwollabbau in den Aufschlämmungen vorhanden sind, könnten als Zusatzstoffe für Papier, Verbundwerkstoffe und andere Produkte wertvoll sein, während die glukosereichen Prozesssirupe zur Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien durch Fermentation verwendet werden könnten, was alles dazu beitragen würde, PCTW von Mülldeponien fernzuhalten . Selbst wenn Zellulose-Textilkomponenten nicht vollständig zu löslichen Verbindungen abgebaut wurden, ermöglichte ihre Umwandlung in pumpbare Aufschlämmungen eine einfache Handhabung des abgebauten Materials und ermöglichte die Rückgewinnung nicht abgebauter synthetischer Fasern durch einfaches Filtrieren und Waschen.