全球人口增长导致对纤维制品的需求增加，2021年全球纤维产量为1.13亿吨，预计到2030年将达到1.49亿吨。由于穿衣风格的迅速变化导致纺织品需求增加并且寿命较上一代缩短，这导致了废物的大量积累，全球每年估计产生约9200万吨纺织废物。不到1%的纺织废物得到了回收利用，其中约73%被倾倒在垃圾填埋场或被焚烧，14%在生产和收集过程中丢失，12%被降级再利用到低价值的应用中。这导致了宝贵资源的大量浪费和重大的环境问题。
近期，美国特拉华大学Dionisios G. Vlachos教授和美国塑料创新中心Sunitha Sadula博士（共同通讯）提出了新的化学回收策略：首先在ZnO催化剂下进行微波辅助的乙二醇解聚后，通过溶剂分离实现了废弃混合纺织废物的分离与转化。这种方法使得涤纶和氨纶在15分钟内迅速解聚成其单体。同时，简单的溶剂溶解法进一步可使棉和尼龙分离，从而满足不同领域的需求。
2024年7月3日，相关工作以“Chemical recycling of mixed textile waste”为题发表在Science Advances上。
在本文中，提出了一种处理消费后混合纺织废物中的涤纶、棉、尼龙和氨纶的策略，即在ZnO催化剂下利用微波辅助的乙二醇解聚。该策略实现了在15分钟内将涤纶和氨纶完全降解为相应的单体，同时保持棉和尼龙的完整（见图1）。这项研究为混合纺织废物的化学回收提供了新的见解。进一步改进该工艺有望实现全球88%的纺织循环利用率。
图1. 本文的回收策略
在不同温度下对50/50 聚酯棉T恤进行了醇解实验，以了解当两者紧密结合时棉花对聚酯醇解的影响。实验表明只有聚酯纤维发生反应，而棉花保持完整不参与醇解。
图2. 解聚混合织物
为了证实在210℃下15 min后聚酯完全转化，对固体残渣进行了表征。图3A中的TGA数据显示，醇解后，聚酯特征峰消失，曲线与棉花相似。同样，醇解后样品的XRD和FTIR光谱(图3B，C)与单独的棉花(浅灰色突出显示)相似。在XRD光谱上，回收棉花的结晶度略有下降，这表明化学解聚影响了棉花的晶体形态。扫描电镜进一步证实了这一发现，其中只观察到卷曲的棉纤维(图3D)。上述表征表明，在210℃下15 min后聚酯可以完全转化，而棉纤维几乎不受影响。
图3. 解聚产物表征
进一步对含有各种具有潜在无法识别的染料，添加剂和杂质的纺织废料进行了催化醇解。这些纺织品具有各种染料(红色、蓝色和黄色)和添加剂(抗菌、抗静电、抗紫外线、防火和抗水渍)。如图4所示，对未通过预处理的样品进行醇解发现，染色纺织品的BHET收率低于未染色(白色)聚酯纺织品。这是因为分散染料通过范德华力和氢键与纤维结合，其可能与催化剂相互作用并阻碍催化剂活性。蓝色纺织染料的影响较小，因为它们的体积较大，会导致空间位阻，从而导致更高的BHET产率。值得注意的是，醇解溶液中含有丰富的染料，表明有回收利用的潜力。具有抗菌、抗静电、防水和防污整理的纺织品也表现出类似的趋势。抗紫外线和防火添加剂对醇解有负面影响。前者增加了织物的疏水性，引起了与亲水性EG溶剂混合的挑战。含防火涂料的低收率归因于磷，导致炭的形成。磷化合物可以在物理和化学上使催化剂和底物失活。
图4. 含有添加剂纺织品的解聚
纺织品的性能通常是根据特定的应用而定制的，在制造过程中加入各种添加剂，增加了对混合成分的废弃纺织品的解构的复杂性。作者为真正混合纺织废料开发了一种化学回收途径(图5)。用未知的聚酯、棉、尼龙和氨纶成分对切碎的随机混合物(总共0.5 g)进行醇解。在210℃的反应温度下，聚酯完全转化为BHET，氨纶转化为含二苯甲烷分子和粘稠多元醇(氨纶扩链剂)。棉花和尼龙完好无损。未反应的棉花、尼龙和多元醇(氨纶扩链剂)不溶于EG，很容易过滤掉。用去离子水洗涤剩余的固体，在100℃下干燥一夜，再生多元醇融化到滤纸中，从棉花和尼龙中分离出来。用90%甲酸在室温下进行简单溶剂溶解，可以将尼龙和棉花分离。
图5. 综合回收策略
综上，由于材料和污染物的复杂混合，回收混合纤维具有挑战性。本文展示了一种转化混合纺织废料的策略，能够在短的反应时间（15分钟）内，在含ZnO催化剂的微波辅助加热下，将聚酯完全解聚成单体。同时，部分回收组分可以直接集成到纺织品和服装制造价值链中，用于纺织品到纺织品的回收，而其他组分则可以用于不同的应用。本研究为混合纺织废料的化学回收提供了见解。进一步改进这一工艺有可能实现88%的全球纺织品循环率。
