孔 偉, 于 永 玲, 呂 麗 華

( 大連工業(yè)大學(xué) 綠色纖維材料應(yīng)用技術(shù)研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

全球每年產(chǎn)生的上千萬(wàn)噸紡織纖維類廢棄物中占很大比例的是滌棉混紡類紡織品,由于廢棄滌棉混紡制品不可降解,掩埋、燃燒等處理方式不僅造成資源的浪費(fèi),還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣的影響[1]。據(jù)報(bào)道[2],回收再生的滌綸纖維與用石油制備滌綸原料相比較,可以減少77%的二氧化碳排放量,節(jié)約84%的能源,所以考慮從廢棄滌棉混紡制品中回收滌綸是必要的。常用的方法有溶劑法[3]、酸水解法[4]和酶水解法[5]等。有機(jī)溶劑毒性大、昂貴使得該方法逐漸被淘汰；酶水解時(shí)間較長(zhǎng)且成本高；使用較多的是濃硫酸法,但由于濃硫酸需要回收,反應(yīng)條件要求高,制約了該方法的發(fā)展[6]。目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道較多的是酸法水解木質(zhì)纖維素制糖,而對(duì)混紡纖維中棉纖維的降解研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

本試驗(yàn)對(duì)從廢棄滌棉混紡纖維中回收滌綸工藝進(jìn)行了探討,試驗(yàn)中采用的稀鹽酸濃度較低,不用回收,可以作為纖維素水解液繼續(xù)使用。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

滌棉混紡纖維(大連新迪紡織廠廢棄物,混紡比65/35)；鹽酸(36%,分析純)；真空抽吸泵。

1.2 方 法

取定量的滌棉混紡纖維,加入到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度的100 mL稀鹽酸溶液中,在恒溫水浴鍋中反應(yīng)一定時(shí)間。清洗反應(yīng)后的纖維,直至洗滌液沒(méi)有明顯變化。過(guò)濾洗滌液,收集剩余纖維及固體殘?jiān)?纖維狀物質(zhì)添加到剩余纖維中。烘干纖維及固體殘?jiān)?在干燥器中冷卻后稱取干重。

1.3 測(cè)試與表征

參照GB/T 2910.11—2009《紡織品定量化學(xué)分析第11部分:纖維素纖維與聚酯纖維的混合物(硫酸法)》,測(cè)定試樣中棉纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.1%(干重)。測(cè)定混紡纖維中棉纖維去除率衡量滌綸回收效果。棉纖維去除率越高,回收的滌綸纖維純度越高。

Rr=(m0-m1)/0.351m0

式中,Rr,棉纖維去除率,%；m0,原試樣干重,g；m1,分離后回收纖維的干重,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 極差分析

以棉纖維去除率為檢測(cè)指標(biāo),選取鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度及固液比等4個(gè)因素,每個(gè)因素賦予3個(gè)水平,建立L9(34)正交試驗(yàn)表,結(jié)果與極差分析見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

通過(guò)表1可知,影響棉纖維去除率的因素顯著性主次順序?yàn)?反應(yīng)時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>固液比。最優(yōu)的水平組合為:A3B3C3D2,即采用10%的鹽酸、固液比為40 g/L、在95 ℃下反應(yīng)90 min棉纖維去除率最高,回收的滌綸純度高。在最優(yōu)水平組合下重復(fù)試驗(yàn)得到棉纖維去除率99.84%,混紡纖維中滌綸純度接近100%。

2.2 方差分析

為了驗(yàn)證極差分析結(jié)果,對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由表2知,影響棉纖維去除率因素顯著性:鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)FA>F0.25(2,2)=3,反應(yīng)時(shí)間FB>F0.10(2,2)=9,反應(yīng)溫度FC

2.3 單因素分析

2.3.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)棉纖維去除率的影響

從圖1知,隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,棉纖維的去除率逐漸增加。棉纖維素反應(yīng)屬于多相水解反應(yīng),在反應(yīng)初期,酸首先攻擊的是無(wú)定形區(qū)的葡萄糖苷鍵,因而反應(yīng)迅速,棉纖維的去除率增加也較快；后期為一級(jí)水解反應(yīng),主要發(fā)生在纖維的結(jié)晶區(qū)域,反應(yīng)速度較慢；反應(yīng)進(jìn)行至90 min基本停止,所以最佳的時(shí)間選擇為90 min。

圖1 時(shí)間對(duì)棉纖維去除率的影響

2.3.2 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)棉纖維去除率的影響

由圖2知,隨著酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,纖維的去除率呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)氫離子濃度較高時(shí),其與糖苷鍵結(jié)合的速度及概率也越大,棉纖維被破壞的程度也越高,纖維去除率不斷增加,分離效果明顯。綜合考慮,本試驗(yàn)選用10%的鹽酸。

圖2 鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)棉纖維去除率的影響

Fig.2 Effect of mass fraction of HCl on the removal rate of cotton

2.3.3 溫度對(duì)棉纖維去除率的影響

由圖3可知,在反應(yīng)前期,溫度適中,較多的氫離子與棉纖維的表面及無(wú)定形區(qū)結(jié)合,水解迅速；在較高的溫度下,酸主要在棉纖維的結(jié)晶區(qū)反應(yīng),反應(yīng)阻力大速度變緩；溫度繼續(xù)升高,氫離子熱運(yùn)動(dòng)加劇,纖維結(jié)構(gòu)變得疏松,纖維素水解速率快。研究報(bào)道[7],在95 ℃以后鹽酸的揮發(fā)性較大,考慮到時(shí)間與效率的關(guān)系,反應(yīng)溫度選在95 ℃ 較為適宜。

圖3 溫度對(duì)棉纖維去除率的影響

Fig.3 Effect of temperature on the removal rate of cotton

2.3.4 固液比對(duì)棉纖維去除率的影響

由圖4知,隨著固液比的增加纖維去除率逐漸增加,在40 g/L時(shí)達(dá)到最大；再提高固液比,纖維去除率反而下降。因?yàn)樵谳^低的固液比時(shí),作為反應(yīng)物的棉纖維較少,大部分氫離子不參與糖苷鍵的破壞；當(dāng)固液比適中時(shí),棉纖維結(jié)構(gòu)破壞劇烈,水解也較為迅速；固液比較大時(shí),纖維過(guò)度糾纏,阻礙了棉纖維與酸氫離子的接觸,造成纖維去除率下降。所以本試驗(yàn)采取40 g/L的固液比。

圖4 固液比對(duì)棉纖維去除率的影響

Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the removal rate of cotton

3 結(jié) 論

通過(guò)正交試驗(yàn)得出廢棄滌棉混紡纖維中棉纖維去除率影響因素的主次順序?yàn)?反應(yīng)時(shí)間>鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>反應(yīng)溫度>固液比。最優(yōu)的工藝條件為:反應(yīng)時(shí)間90 min、鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、溫度95 ℃、固液比為40 g/L,在此條件下棉纖維被完全去除,回收的滌綸純度最高。反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)、酸濃度的提高及溫度的增加對(duì)棉纖維去除率有促進(jìn)作用,適當(dāng)?shù)墓桃罕扔欣诜磻?yīng)進(jìn)行充分。

[1] 胡雪敏,張海燕. 廢棄紡織品的回收和再利用現(xiàn)狀[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2006(7):52-53.

[2] 中華服裝網(wǎng). 日本帝人公司推廣滌綸再生先進(jìn)循環(huán)再利用流程裝置[EB/OL]. (2007-01-10). http://www.51fashion.com.cn/BusinessNews/2007-1-10/145652.html.

[3] SERAD L S. Polyester dissolution for polyester/cotton blend recycle: USA, 5342854[P/OL]. 1994-08-30. http://www.freepatentsonline.com/5342854.html.

[4] AKIHIKO O, SUBRAMANIAN K, JINICHIRO K. A new methodology to recycle polyester from fabric blends with cellulose[J]. Cellulose, 2010, 17(1):215-222.

[5] VASCONCELOS A, CAVACO-PAULO A. Enzymatic removal of cellulose from cotton/polyester fabric blends[J]. Cellulose, 2006, 13(5):611-618.

[6] 楊洋,張玉倉(cāng),何連芳,等. 纖維素類生物質(zhì)廢棄物水解方法的研究進(jìn)展[J]. 釀酒科技, 2009(10):82-86.

[7] 杭志喜,崔海麗. 稀酸降解植物纖維素研究[J]. 安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 28(9):967-970.