CREST | 香港城市大学连思琪团队：基于循环经济模式的纺织品废物的增值利用方法和高价值产品生产——研究趋势、机遇与挑战

导读

 

香港城市大学连思琪（Sze Ki Carol Lin）团队以及香港高等教育科技学院曾志荣（Chi Wing Alex Tsang）团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“基于循环经济模式的棉花、聚酯及两者混合纺织品废物的增值利用方法和高价值产品生产——研究趋势、机遇以及挑战（An overview of cotton and polyester, and their blended waste textile valorisation to value-added products: A circular economy approach – research trends, opportunities and challenges; 2022, 52(21): 3921-3942）”的综述。

时装类产品的快速迭代导致纺织品产量的提升以及纺织品废物的急剧增长。纺织品的生产、消费和报废对环境的影响也得到了充分的记录。因此，纺织工业也开始从线性的“资源-产品-污染排放”经济模式转向至“资源-产品-再生资源“的循环经济模式。纺织品通过循环进入其生命周期形成闭环，从而实现资源的高效利用以及环境影响的减弱。为此，纺织工业固体废物的增值策略和高价值产品的生产近年来越来越受到关注。纺织废物的增值利用主要包括三个主要步骤：预处理、酶水解和纤维再生。本综述介绍了纺织废物的增值策略、可获得的高价值产品及其应用，强调了主要的技术方法和最新的技术发展。此外，本综述着重描述了通过发酵的方式利用基于纺织废物中棉花的纤维素组分的葡萄糖可合成的高价值产品。本综述指明了现有策略中的不足和挑战，为未来研究确定了方向。本综述将有助于让研究人员和从业者了解通过升级循环利用纺织废物实现其增值最新研究进展，并指导他们设计有效的纺织废物可持续管理策略。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

全球纺织品市场以棉等纤维素纤维和聚酯等合成纤维为主，并且具有较高的聚合度和结晶度。将纺织废物中的纤维素部分转化为可用于发酵的葡萄糖，并回收聚酯用于材料的再利用，是一种非常具有前景的生物精炼策略（图2）。例如，基于棉花的纺织废物可以转化为葡萄糖和乙醇等生物燃料，或合成为各种再生纤维素纤维，如醋酸纤维素和粘胶纤维。然而，由于棉花晶体结构高度致密，棉花类纺织废物的增值仍然难以确保高转化率和产品产量。对于合成纺织品，合成聚合物可以从100%合成或混合纺织废料中提取并再生以生产长丝纱线，例如聚酯和尼龙。

图2 纺织废物的增值策略

纺织废料的增值利用主要包括三个步骤，预处理、酶水解和纤维再生，以回收糖类和聚酯。预处理步骤主要利用物理或化学方法，降低纺织材料的结构强度，去除表面杂质，并加强材料的亲水性，以便于提高后续步骤的表现。物理预处理一般会减小纺织品颗粒的尺寸，以增大后续步骤的反应接触面积。化学预处理被认为是最具成本效益的途径，通过酸、碱、离子液体和超临界流体等，去除混合纺织物废物中的合成纤维成分，并提升最终葡萄糖的产率。其中，超临界流体表现突出，然而，由于其高压要求和昂贵存储，整个超临界流体工艺尚未被证明在经济上可行，所以很少被用于回收纺织废物。最近，有学者尝试了通过可降解有机酸，甲磺酸、草酸、酒石酸、柠檬酸、苹果酸、甲酸和乙酸等，催化棉与PET混纺物的水热反应，反应温度范围为 110~180℃，反应时间为 0.5~3 小时，反应后混纺物首先通过筛网过滤以分离PET纤维，然后通过膜得到棉纤维。在优化条件下，PET和棉花的回收产可达95%和80%。此方法的优势在于这些有机酸的廉价以及其卓越的效果，PET与绵纤维分离后，棉可以很容易地进一步加工用于生产葡萄糖或转化为其他有价值的化学品，PET纤维则可用于再生。

预处理步骤后，纺织废物中的绵组分可以通过酶水解的方式转化为可用于发酵的葡萄糖。纺织废物中的主要可生物降解组分是绵，其95%的成分都是纤维素。通过断裂糖苷键，纤维素酶可以将纤维素一步步降解为葡萄糖。纤维素酶可以通过各种细菌或丝状真菌生产，其中木霉菌属是最被广泛研究的。纤维素酶的水解效率被一系列因素所影响，包括纤维素酶活力、纤维素底物的成分、以及预处理的方式。除纤维素酶外，氧化酶也被用于纺织废物的增值，特别是在预处理中或用于修饰纺织品的性质。裂解性多糖单加氧酶（Lytic polysaccharide monooxygenases, LPMOs）是一种新发现的铜依赖加氧酶，通常用于降解附着在结晶表面上的顽固的多糖。对于纺织废物的增值，LPMOs催化的糖苷键的氧化裂解可以使底物在后续步骤中更容易水解。特别要注意的是，仅存在于真菌中的AA9 LPMOs可以在抗坏血酸、邻苯三酚或辅助蛋白等电子供体的帮助下通过产生切口从而削弱纺织纤维的凝聚力，利用这种特性与纤维素酶的协同作用，可以将原本是纺织工业重要副产品的棉花短绒升级为纳米纤维化纤维素，并且，还可以利用另一种氧化酶，漆酶，在纳米纤维化纤维素的基础上添加新的功能基团，改善这种纳米材料的特性。除了绵组分的水解，合成纤维的水解也正在被尝试和研究。PET是在纺织业中应用最广泛的合成纤维，但其不可生物降解的特性使得其环境影响不容被忽视。角质酶具有降解PET的可能，其常用于预处理PET纤维以增强纤维表面的亲水性，但对于纺织体的降解非常有限。最近研究中，最值得注意的是，有学者从塑料回收设施中分离出了一种嗜中温细菌，Ideonella sakaiesis 201-F6，其可以利用PET纤维作为碳源及能量源，归功于其分泌的PETase和MHETase，两种酶共同作用，从而使得该细菌可以同化PET。这些酶，通过进一步的研究和利用，必定可以为纺织业和纺织废物的增值利用带来不可忽视的益处。

近年来，纺织废料发酵已被证明是一种可行的纤维素酶生产方法。经预处理的纺织废料作为唯一的碳源，利用真菌，通过固态发酵或沉浸发酵的方式，生产纤维素酶，这些纤维素又能直接利用于纺织废物的水解。这种方式降低了纺织废物增值策略所需要的商业酶的投入成本，大大提升了纺织废物增值策略的竞争力。值得注意的是，纺织废料已被用作通过黑暗发酵生产甲烷和氢气的底物，学者们也一直致力于在自然条件下分离出栖息在纺织废料中的健壮菌株以增加纤维素酶的产量。

图3 纺织废物中PET的回收、重旋步骤示意图

纤维再生是纺织废物增值策略的最终步骤。通过之前的步骤获得的纺织废物中的PET组分，可以通过造粒、固态聚合、以及熔融纺丝等步骤再生（图3）。这些再生的PET纤维可以重新利用于纺织业，但是，从水解产物中滤出的PET组分的纯度会极大的影响再生纤维的质量和产率。并且，研究表明，在熔融纺丝步骤中加入来自塑料瓶的PET（图3）使得纤维的再生并不经济有效，其环境影响也较大。

表1 纺织废物中PET的回收、重旋步骤示意图

如表1所示，棉花和其他纺织废料通过增值可以生产各种不同的高价值产物，包括复合材料、微生物燃料电池、钾离子交换、生物炭（催化剂/吸附剂）的环境应用、吸音器、隔热材料和电磁干扰屏蔽等。对废旧牛仔裤进行增值以回收棉纤维和聚酯显示出高达1,629 美元/吨的经济回报，并减少了1,440千克二氧化碳当量/吨废物的碳足迹，废牛仔裤的棉质部分可用于生产沼气、生物乙醇和糖类。纺织废水含有有毒污染物，如各种染料和金属，以及可以转化为增值产品的有机添加剂。由于微藻具有降解污染物的潜力，并且其可以有效利用生物质，通过培养微藻来增值纺织废物受到了特别关注。例如，香港城市大学连思琪团队将富含淀粉的纺织废物废水用于微藻的培养，微藻不仅处理了该废水，还达到了16.9 KJ/(L·d)的氢气、甲烷和乙醇的总产率。总体而言大多数纺织废物增值的研究都集中在讲纺织废料转化成各种高价值产品，如活性炭纤维和炭等，如图1所示。

总结与展望

纺织废料的成功增值以生产可直接用于服装生产系统的再生纤维是纺织业循环经济发展的一个重要里程碑，不仅是经济方面，在环境方面，也可以减少纺织业对环境的影响。在今后的研究中，要加强对于纺织废物本身的研究，纺织废物的产地、产量、和组分的了解有助于收集、分类、运输这些废物，并将其应用于增值过程中。并且，不仅仅是增值策略的技术方法，对于其相关的环境、经济、社会影响，也必须有相关的评价，以便于权衡各种增值策略。最后，为了更好地满足可持续发展的原则，协调的监管框架和伙伴机制，以及整个纺织业的产业链都应精心设计和维护，例如可以利用更多的行政和金融工具激励更多可持续的纺织废物增值策略的应用。通过各方努力，才可以成功的将纺织业带入可持续发展的道路上。

作者简介

第一作者简介：

Karpagam Subramaniana，香港城市大学能源与环境学院博士生。从事生命周期评价、环境影响评价等方面研究。

通讯作者简介：

连思琪（Sze Ki Carol Lin），香港城市大学能源与环境学院副教授。研究兴趣为利用可再生资源进行化学品、材料和燃料的绿色可持续生产，特别关注基于废物的生物炼制。已发表160多篇研究论文和26个书籍章节。担任Biochemical Engineering Journal期刊副主编，Green Chemistry、Topics in Current Chemistry、Process Safety and Environmental Protection、Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry、Bioresource Technology和Journal of Hazardous Materials期刊客座编辑。

曾志荣（Chi Wing Alex Tsang），香港高等教育科技学院助理教授。研究兴趣为生物质能、氢能、生物可再生材料、材料测试和回收技术。他还担任化学工程前沿副主编、催化剂客座主编和可视化实验杂志主编。担任Frontiers in Chemical Engineering期刊副主编，Catalysts和Journal of Visualized Experiments期刊客座编辑。

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