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废旧纺织品回收再利用综述

2018/12/31 16:28:58      点击:
进入新世纪以来,中国经济得到空前发展,人民生活水平显著提高,大众对于个人着装越来越关注,服装的功能已从单纯御寒蔽体向舒适、美观、多功能的方向发展。尤其是快时尚文化的出现,时尚周期的缩短,更带动了服用纺织品的消费需求。不只是服用纺织品,随着社会的发展,家用、产业用纺织品的消费量也逐年 增 大,导致 纺 织原料紧 缺、价格上涨,而由此产生的数量巨大的废弃纺织品,则成了堆积如山的垃圾。作为世界上最大的发展中国家,我国的人口基数大,人均资源少,对资源的循环利用尤为重要。倘若任由废旧纺织品变为垃圾,或焚烧,或填埋,是对资源的严重浪费,同时还会产生大量有害气体,占用土地资源,影响地下水质,给环境带来巨大危害。
相关研究表明,相 对 于焚烧处 理 而 言,合 理 分类,循环利用1t废旧纺织品,可减少 10t二氧化碳排放[1-2]。根据国家发展和改革委员会发布的《中国资源综合利用年度报告(2014)》,2013年我国废旧纺织品产生量约2000万t。其中,化纤1377.7万t,棉纤维562万t,其他纤维67.6万t。如果废旧纺织品综合利用率为提升到15%,相当于节约原油380万t,耕地22.67万公顷(340万亩)[3]。若能够完全回收再利用,理论上可节约原油约2400万t,接近大庆油田产量的一半[4]。由此可见,废旧纺织品的回收再利用具有显著的经济效益和社会效益。
《纺织工业“十二五”科技进步纲要》明确提出,加大对纯化纤和天然纤维废旧纺织品的回收力度,形成环保、可持续的纤维综合利用技术,力争在“十二五”末使废旧纺织品的回 收利用率增至 20% ~40%[5]。2015年是纺织行业全面完成“十二五”规划的收官之年,也是全行业谋划、布局“十三五”的关键年份。为继续推进节约资源、保护环境的基本国策,开松机建立健全废旧纺织品的回收体系,积极研究废旧纺织品的循环利用工艺成为了一个重要课题。
1 国内外废旧纺织品回收再利用现状
一些发达国家较早认识到废旧纺织品循环再利用的重要性,目前已经建立起比较完善的回收体系,并掌握了相对成熟的技术。图1是近年我国废旧纺织品回收率与各主要发达国家的比较,统计显示,发达国家平均回收利用率为16%,其中德国的回收利用率高达 42%,近80万t的废旧纺织品被循环利用[6]。而同期我国的废旧纺织品回收利用率仅为9%左右[7]。
英国每年回收的废旧织物,有67%被再销售、再利用;27%被作为再生纤维生产原料循环利用;仅6%被作为垃圾填埋处理。更多新的再利用途径也在逐渐被尝试,如有生态学家研究在废旧布料织成的毯子上种植野花种子,用于城市绿化,以降低绿化成本,同时减少垃圾填埋[8]。
美国联邦商业委员会将废旧纺织品的处理纳入国家政策,市政、慈善机构、非赢利机构、中小学、品牌服装企业、废旧纺织品回收专业企业都参与对废旧纺织品的回收。他们采取各式各样的方式来回收废旧纺织品,如民众将废旧衣物等放入特制的垃圾袋,由专车统一收集;不少服装零售商也在商场设置回收箱;还有慈善商店回收,并低价再销售较新的旧服饰[9-10]。
日本2001年完全实施“循环型社会形成推进基本法”[11],要求当化学回收和材料回收不可能时,才实施热回收。据日本经贸工业部报道,2009年日本有22.1%的服装和其他纤维产品获得回收利用[12],在许多服装零售店都设有专门的柜台用于 回收旧衣,成色新的提交给联合国难民署,失去服用价值的则用来生产绝热材料或重新制成纱线,进而生产手套和毯子。一些服装品牌,如优衣库,启动品牌内部回收项目,对消费过的服饰进行回收[13]。
相比之下,国内废旧纺织品回收起步较晚,除了回收利用率不高外,技术上也落后于国际水平。然而,近年来全社会对于废旧纺织品的回收再利用意识已有所提高,并逐渐形成了一定的产业规模,国家也积极采取措施来推动废旧纺织品回收利用技术的提升。上海、杭州等多地试点投放旧衣回收箱;浙江苍南地区的纺织废料回收基地,江阴、无锡等地的废旧毛纺织品的综合利用集聚区相继建成;攻克了真空开棉技术、脱气熔融技术、再聚合工艺及设备、半醇解技术、涤棉分离技术等关键技术,研制了部分关键设备,取得了一系列阶段性成果[14]。2013年,我国纯涤类废旧纺织品综合利用实现产业化应用,年利用废旧衣物3万t,年产化学纤维2.5万t[3]。
目前,废旧纺织品的回收再利用主要有以下几种途径。
a)捐献或二次销售
这主要针对尚有利用价值的废旧纺织品,国际上约50%的废旧服装可通过这种方式再利用。回收的服装根据款式、材质、新旧程度等进行分类、评级,进而流入二手店或国外市场。国外二手服装销售较为常见,除了在本国的二手服装店、慈善商店进行销售外,很大一部分销售到了欠发达地区和国家,如非洲有些国家超过80%穿着二手服装[15]。
而在我国,目前有偿收购、销售来源不明的二手服装尚属于违法行为,相关规定较为模糊,因此二手服装作为服用再利用更多是走捐献、捐助的渠道,民政部门或慈善机构常会募捐八成新以上的御寒衣物援助贫困地区。也有部分二手服装通过非法渠道转售至欠发达国家或地区。
b)物理回收
通过一定的机械加工或手工改造,延长纺织品的使用寿命。经一定的机械切割、开松等作用,将废旧纺织品重新投入纺纱环节,纺成新的纱线;将旧衣服裁剪制成抹布,或将旧毛衣拆成毛线重新编织等,属于废旧纺织品的物理回收。但物理回收会造成纤维长度过短、机械性能差等问题[16-17]。
c)化学回收
简单的转售或物理加工只能延长其使用寿命,而只有不断地回收、再生才能实现真正的循环利用。近年来引起关注的化学回收法,是将废旧纺织品回收、分类后,经过一定的化学处理,将高分子材料解聚成单体或拆分,重制成纺织原料,再次进入纺纱环节,或与其他纤维原料进行混纺,制成纱线,用于生产新的纺织品[18]。但化学回收设备昂贵、成本高,同时会产生化学试剂废液。
d)能量回收
丧失再利用价值的纺织品还可以通过焚烧成为火力发电的原材料[17];具有生物降解性的纺织品还可以通过堆肥,经微生物分解后成为肥料,实现回收再利用[19]。
2 废旧纺织品的回收再利用工艺
2.1 天然纤维
废旧天然纤维经切割、开松后,长度很短不可纺的棉短绒,可作为纤维素原料用于造纸浆料、粘胶纤维、制药、填料、火药、生物乙醇以及高级涂料等方面[20]。日本研究者木村照夫等将废旧棉纤维经开松后与聚丙烯混合,经挤出成型制成复合材料。实验表明,废旧棉纤维的加入对材料的抗弯强度和弯曲模量有所提高[21]。池内智彦等研究者则着力研究利用生物学方法将棉纤维糖化,用以制作高质量的 生 物 乙 醇,但 目 前 并 未 找 到 反 应 所 需 高 效 的酶[22]。
而可纺的废旧天然纤维可利用摩擦纺、环锭纺、转杯纺等方法再加工[23]。摩擦纺纺纱速度低,原料适应性广,棉类废旧纺织品的工艺路线为:废旧纺织品→分类→加湿→切割机→开松机→梳棉机→并条机→摩擦纺。转杯纺工艺流程短,对纤维长度、纤度要求不高,产品较粗,适用于牛仔布、绒毯等产品加工。经检验,再生纤维与原棉经转杯纺所纺制的纱线,质量可达转杯纱一等品水平,可用于牛仔服装制作[24]。
废旧毛衣扯松后得到的毛纤维长度较长,经消毒等处理后,可直接使用或与其他纤维混纺,制作羊毛织物或针织羊毛内衣。意大利有公司将毛纤维做一定处理后,生产的粗纺呢绒或毛衣裤的质量可基本达到新品水平[20]。
2.2 合成纤维
据统计,2013年我国产生的废旧纺织品中,化学纤维达68.9%[3],其中90%以上都是由石油为原料生产的[24],开松机若能将其回收再利用,可大大减少对石油的消耗。广受关注的化学回收法,可将废旧合成纤维熔融或溶解得到高分子材料,再将其进一步降解成单体,重新聚合、纺丝,从而制成高质量的再生纤维制品。但根据具体成分不同,其回收方法、回收价值各异,如废旧丙纶经物理回收可制成再生丙纶丝,用作混凝土的次要加筋材料;纯氨纶废旧纺织品则可回收加工成为油漆原料[20];锦纶地毯在欧美国家的回收较为普遍,回收方法主要有解聚、萃取、熔解和机械分离[26]。日本东丽公司回收锦纶6制品,经前处理、解聚、精制,得到己内酰胺,再经聚合制成再生锦纶6制品,用于制作雨衣、户外运动衣、购物袋等产品[27]。
聚酯纤维涤纶是产量最大的化学纤维品种。目前,国内外以聚酯瓶为代表的非纤聚酯回收再生技术较为成熟,而废旧聚酯纺织品循环利用技术仍处在初级阶段。部分原因是非纤聚酯成分相对单一,杂质少,易处理,回收再利用成本低。而纯涤及涤棉废旧纺织品堆积密度小,成分复杂,含染料、颜料及油剂、助剂等添加剂,回收难度大、成本高、效益低。但废旧聚酯纺织品产生量巨大,其回收利用技术的进展值得广泛关注。下面以聚酯纤维为例,详细讨论其回收、再利用工艺。
2.2.1 回收方法
聚酯纤维的主要回收方法有物理法和化学法。物理法较简单、成本低,一般采用开松机、粉碎机、剪切机等扯松、打碎废旧聚酯材料,利用静电分离器、X 射线探测分离器或近红外识别技术、悬液分离技术等将杂物分离[28]。再经一系列清洗、除杂,干燥造粒或直接作为原料备用,再次进入纺丝系统进行纺丝加工,也可使用成型工艺生产其他聚酯产品,达到再利用的目的。但物理法会使聚合物机械性能下降,相对分子质量减小,黏度、变形温度降低,产品力学性能差,难以达到纺织用标准,多用作填充料或产业用途。不过,可使用固相缩聚增加其分子量,也可 以 使 用 液 相 增 黏 来 适 度 提 高 聚 合 物 的 性能[29]。我国现已成功研发“废旧纺织品-纤维剥离-除尘与一次消毒-纤维复合配比-热熔成形或针刺成形-半成基材”物理法生产技术[7]。
化学法包括化学改进及化学降解[28]。聚酯回收料会被酸、碱或水分解,分子链断裂,分子量减小,化学改进法可以采用增链改性、交联改性、氯化改性等方法来改变聚酯的链长、结构,在一定程度上解决聚酯回收料的平均分子量和特性黏度下降的问题,改善其理化性能;化学降解是用解聚剂在一定条件下打断酯键,将高聚物降解为单体或低聚物,从而实现再资源化。
化学降解有水解法、醇解法、热解法、超临界流体降解法等[30]。其中以醇解法最为常用,因 PET聚酯是由精对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯与乙二醇反应合成,相反地,将其解聚回到单分子级,除去添加剂和其他混合材料,重新聚合,即可实现再利用[27]。
日 本 月 岛 机 械 株 式 会 社 研 发 的 PET 回 收法[31],是将PET废料经粉碎、洗净、分选、干燥等前处理,将回收料制成8mm 的PET 切片,再将其置于170~185℃ 的 乙 二 醇 中,常 压 下,与 碳 酸 钠 反 应40min左右(其 中碳 酸 钠与 PET 摩 尔 比 为 1.0~1.2),将 PET 解聚为对苯二甲酸钠和乙二醇,其基本反应式为:
之后对其进行固液分离,分离所得乙二醇经过精制,回收至解聚反应处再利用。而将对苯二甲酸钠和少部分残留的乙二醇溶于水,制得对苯二甲酸钠溶液。再对溶液进行过滤,以除去 PP、PE以及未反应的 PET,并用活性炭除去染料等溶解性杂质。
向处理后的溶液加入硫酸,析出对苯二甲酸晶体。反应如下:
由此,经过以上解聚、固液分离、除杂、活性炭处理、中和晶析步骤,再对所得对苯二甲酸晶体进行过滤、洗净、干燥,便可得到对苯二甲酸制品[31]。
日本帝人株式会社开发出“新原料回收再生技术”(又名“资源循环型化学回收再生技术”)。利用该技术,能够从绝大多数聚酯产品中去除各种杂质、添加剂,回收再生聚酯原料(对苯二甲酸二甲酯和乙二醇),且与由石油制造的聚酯原料具有同等纯度。其工艺主要分为三个阶段:前处理(粉碎→洗净→熔融→解聚)→原料再生(酯交换→再结晶→对苯二甲酸二甲酯分离→对苯二甲酸二甲酯精制)→聚酯再生产[11]。
2.2.2 纺丝工艺
聚对苯二甲酸乙二酯属于结晶性高聚物,其熔点低于热分解温度,因此常采用熔体纺丝法。再生聚酯纤维的纺丝工艺分为直接纺丝法和切 片纺丝法[32]。
直接纺丝法常用于生产聚酯短纤维,工艺简单,成本低廉。直接将聚合釜中的熔体送入纺丝机,加工成最终产品。德国 Rieter公 司 采用短程 纺技术生产高线密度范围的短纤维,集合所有加工工序,从原料供应,经结晶、干燥、纺丝、拉伸、卷曲、切断、打包,一个周期完成[28]。
切片纺丝法是将缩聚工序制得的聚酯熔体经铸带、切粒和纺前干燥之后,采用螺杆挤出机将切片熔化成为熔体再进行纺丝,适用于生产线密度低,品质要求高的产品,可以将回收的聚酯再生料进一步加工 成 附 加 值 高 的 各 种 纤 维 产 品。 如 意 大 利Montefibre公司开发的 Terital Eco产品可纺细旦短纤和长丝,产品性能与标准产品相似。
由于聚酯回收料的相对分子质量分布宽、熔点不稳定、黏度低、含杂多,结合其特点,多用于纺聚酯短纤 维。 江 苏 扬 州 天 富 龙 汽 车 内 饰 纤 维 有 限 公司[33]利用再生聚酯回收料生产涤纶短纤的工艺流程为:回收料→转鼓干燥→聚合增粘→色母粒计量增加混合→螺杆熔融挤压→溶体过滤器→纺丝箱体→计量泵→喷丝板组件→环吹风冷却→卷绕→络筒→集束→后拉伸→上油剂→热定型→切断→打包。
2.3 混纺产品
如今为提高产品性能,纺织品多为混纺,且经过染整加工后会残存各种油剂、染液等物质,这增加了废旧纺织品回收再利用的难度和成本。对于常见的涤棉混纺的废旧纺织品,可用醇解法等方法降解涤纶,再将棉纤维过滤,也可用粘胶法或铜氨法溶解或以盐酸降解棉纤维,将固态的聚酯纤维滤除[34]。分离出的聚酯降解物和棉纤维可按照上述聚酯和天然纤维的回收方法再利用。还可以利用离子液体分离混纺纤维,选择合适的离子液体,使混纺纤维中的一种可以溶解,而另一种几乎不溶,在对溶解液中纤维进行萃取,从而得到一种纤维[27]。
但上述方法分离成本高,收益低,难以应用于实际生产。日本研究者将废旧涤棉织物用作复合材料的增强剂。将混合织物进行开松后,与聚丙烯混合,通过压缩成形制成复合材料,研究表明,所制复合材料的强度及断裂伸长率等性能 明显高于聚丙烯材料[35-36]。
3 废旧纺织品的产业用途
天然纤维中,不可纺的废旧棉纤维可作为纤维素原料用于造纸、粘胶纤维、火药、生物乙醇以及高级涂料等方面;而可纺的纤维,可再次进入纺纱环节,或与其他纤维原料进行混纺,制成新的纱线,用于制作毛粗纺面料、牛仔面料、服装衬里、毯子、劳保手套、拖布等。废旧毛纤维经扯松、消毒后可用于制作纱线、面料、毛毡、毛毯、服装衬里以及装饰材料、家具面料、产业用织物、滤布、填充物等[20]。
合成纤维成分不同于天然纤维,用途更加广泛。废旧涤纶可用于纺丝再生产;废旧腈纶可用作混凝土的次要加筋材料,开松机也可用于高性能混凝土道路路面;丙纶经物理回收可制成再生丙纶丝,还可加入水泥中,增强水泥性能,使其更轻巧结实;废旧氨纶则可回收加工成为油漆原料;废旧锦纶可回收用于制作雨衣、冲锋衣、购物袋、地毯、配件等;混纺产品分离困难,可用作复合材料的增强剂,提高复合材料性能[20-21]。
国外一些公司已实现废旧纺织品再生产品的品牌化,或将它们用于生产高品质、高附加值工业产品。如日本帝人株式会社与服装厂家、流通企业、行政单位联合,对回收再生商品加上 ECO CIRCLE的产品认定标记,产品经销售使用后可回收,采用“新原料回收再生技术”进行再生,周而复始,实现纤维制品的完 全 循 环,用 于 服 装 生 产[13]。德国 EcologRecycling公 司 使 用 同 一 标 准 的 聚 酯 材 料 制 成“Ecolog”商标服装,消费后可统一回收,制成聚酯切粒,再生产成新的内衬材料以及织物[28]。
此外,日本帝人株式会社还利用聚酯回收料开发出了高耐水性的打印纸,美国克蓝造纸公司将旧衣服用以生产高质量的美钞用纸,耐克公司研发的再生异形纤维面料,所制运动衫轻薄透气,性能更胜传统运动衫。
相比于国外,国内限于技术水平,再生产品质量损失大,附加值低,多作 工业 用途或作为填充料使用,如生产汽车内饰、墙体保温材料、建筑装修材料、空调外壳等。无法再利用的则用于火力发电,或通过堆肥,经微生物分解后作为肥料利用[7]。
4 我国废旧纺织品回收再利用存在的问题及建议
我国目前的废旧纺织品回收再利用技术水平相对落后,回收、分类、清洗、消毒、再生产等一系列过程的处理成本过高,而产品质量较差,附加值偏低,回收企业盈利微薄,经营困难,致使许多企业不愿涉足。已有的回收企业规模小,产业集群少,增加了运作难度。
对此,可以借鉴国外相应环保政策、循环经济发展模式,例如,美国杜邦模式(企业内部循环)、丹麦卡伦堡生态工业园区模式(区域工业园内部循环)、德国 DSD 模式(社会组织集中循环模式)、日本社会循环经济模式等[37]。政府也可对回收企业给予政策优惠,鼓励企业开展回收项目。企业也应增强社会责任感,积极参与到回收再利用中,为发展循环经济共同努力。
另外,虽然近年来人们对于环保、再生产品的接受程度大大提高[38],但我国法律对于二手服装的交易以及废旧纺织品回收尚缺乏法律和政策上的有力支持[39],使回收的废旧纺织品来源得不到规范,加之一些不法企业利用废旧纺织品制作“黑心棉”的报道不时见诸报端,使得许多人对使用再生纺织品有顾虑,也给废旧纺织品回收利用的推行增加了难度。
针对这一点,政府需加强政策引导,建立健全相关法律法规,完善废旧纺织品回收制度,弥补法律空缺,保障正规企业的合法权益,同时严惩不法分子。有关部门、机构需加强社会推广,加大宣传力度,同时应注重宣传方法,注意推广、宣传的基础性、针对性,将宣传面铺广,针对不同人群选择不同的宣传方式,同时注重持久性,须持之以恒地进行宣传。
技术方面,目前公开的技术中,物理回收法成本低,但产品力学性 能 差,而化学 回 收法产品 质量较好,但成本高昂,同时还会产生大量试剂废液。
因此,希望政府部门对相关研究课题给予支持,增加立项,鼓励、支持广大研究人员攻克技术难题。针对废旧纺织品回收再利用亟待解决的问题,研究方向有:a)研发低成本高效益回收再利用技术,降低回收成本,或开发高附加值再生产品;b)开发回收产品多 样利用 途 径;c)研 究 高 效 的 化 学 法 用 试剂,提高反应效率;d)探究有效的混纺纤维的分离、回收方法;e)开发易回收纺织材料、面料;f)开发高效的除金属件设备;g)研究高效除染料等杂质的方法;h)解决回收过程中产生的二次污染,使回收再利用过程无污染化等。
5 结 语

废旧纺织品回收再利用前景广阔,对节约资源和保护环境均具有十分重要的意义。面对我国废旧纺织品回收利用过程中存在的问题,政、用、产、学、研各方面应联合起来,借鉴国外先进经验,共同攻克关键技术难题,提高技术水平和产品质量,实现再生制品的产业化和高附加值利用。各相关行业也应当积极携手,跨行业、跨领域共同开发适用技术,构建废旧纺织品回收体系,依据不同行业特点制定行业标准。同时还需要政府的有力支持,加强宣传力度,增强大众的环保意识,建立健全相关政策法规,依法规范废旧纺织品的回收再利用,扶持相关产业和企业,让废旧纺织品真正实现变废为宝。



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