研究者は混紡生地で綿とポリエステルを分離します

新しい研究で、ノースカロライナ州立大学の研究者らは、化学反応を促進する自然のツールである酵素を使用して、綿とポリエステルの混紡生地を分離できることを発見しました。 最終的に彼らは、その発見が生地の構成材料をより効率的にリサイクルする方法につながり、それによって繊維廃棄物が削減されることを望んでいます。

ただし、混紡生地が染色されたり、しわになりにくくなる化学薬品で処理されたりする場合、プロセスにはさらに多くのステップが必要であることもわかりました。

「綿とポリエステルの混合物からすべての綿を分離することができます。つまり、リサイクルできるきれいなポリエステルが得られることになります」と、この研究の責任著者であり、ノースカロライナ州立大学の繊維工学、化学、科学の准教授であるソニア・サーモン氏は述べた。 「埋め立て地では、ポリエステルは分解されず、綿が分解するまでに数か月以上かかる可能性があります。私たちの方法を使用すると、48時間以内に綿とポリエステルを分離できます。」

米国環境保護庁によると、消費者は毎年約 1,100 万トンの繊維廃棄物を米国の埋め立て地に捨てています。 研究者たちは、各構成材料をリサイクルできるように、ポリエステルから綿を分離する方法を開発したいと考えていました。

この研究では、研究者らは弱酸性溶液中の酵素の「カクテル」を使用して、綿のセルロースを切り刻んだ。 セルロースは植物の細胞壁に構造を与える材料です。 そのアイデアは、セルロースを細かく切り刻んで、ブレンドされた織物構造からセルロースが「抜け落ち」、ブドウ糖とともに小さな綿繊維の破片が残るようにすることです。 グルコースは、分解されたセルロースの生分解性副産物です。 次に、彼らのプロセスでは、ブドウ糖を洗い流し、綿繊維の破片を濾過して取り除き、きれいなポリエステルを残します。

「これはマイルドなプロセスです。この処理は酢を使用するようなわずかに酸性の処理です」とサーモン氏は語った。 「また、熱い洗濯機の温度のような摂氏50度で実行しました。

「ポリエステルをきれいなレベルまで分離できるのは非常に有望です」とサーモン氏は付け加えた。 「ポリエステルの特性を特徴付けるにはまだ作業が必要ですが、条件が非常に穏やかであるため、非常に良好な特性が得られると考えています。ポリエステルを無視して酵素を追加しているだけです。」

彼らは、綿 100% 生地の劣化を綿とポリエステルの混紡生地の劣化と比較し、赤と青の反応性染料で染色し、耐久性のあるプレス化学薬品で処理した生地もテストしました。 染色された材料を分解するために、研究者らは使用する時間と酵素の量を増やす必要がありました。 耐久性のあるプレス化学薬品で処理された生地の場合、酵素を添加する前に化学前処理を使用する必要がありました。

「選択した染料は、生地の潜在的な劣化に大きな影響を与えます」と、研究の主著者でノースカロライナ州立大学の大学院生であるジーニー・イーガン氏は述べた。 「また、これまでのところ最大の障害は、しわになりにくい仕上げであることがわかりました。その背後にある化学反応により、酵素がセルロースにアクセスするのに大きなブロックが生じます。前処理なしでは、10％未満の分解しか達成できませんでしたが、その後、 2 回の酵素投与で完全に分解することができ、これは本当に興味深い結果でした。」

研究者らは、ポリエステルはリサイクルできる一方、綿片のスラリーは紙の添加剤や複合材料への有用な添加物として価値がある可能性があると述べた。 彼らはまた、そのグルコースをバイオ燃料の製造に使用できるかどうかも調査している。

「このスラリーは、非常に強力な酵素による分解に耐える残留綿の破片でできています」とサーモン氏は語った。 「これには強化剤としての潜在的な価値がある。グルコースシロップについては、嫌気性消化装置に供給してバイオ燃料を作ることができるかどうかを調べるプロジェクトで協力している。廃棄物を取り出してバイオエネルギーに変えるつもりだ。埋め立て地に捨てるよりずっと良いでしょう。」

この研究「持続可能な廃棄物処理のための酵素による織物繊維の分離」は、『Resources, Environmental and Sustainability』誌に掲載されました。 共著者には、Siyan Wang、Jialong Shen、Oliver Baars、Geoffrey Moxley が含まれます。 資金は環境研究教育財団、株式会社カネカ、ノースカロライナ州繊維工学・化学・科学部から提供されました。

-オレニアック-

編集者への注記:研究の要約は次のとおりです。

持続可能な廃棄物処理のための酵素繊維分離

著者: ジーニー・イーガン、シーヤン・ワン、ジアロン・シェン、オリバー・バース、ジェフリー・モクスリー、ソニア・サーモン。

発行日: 2023 年 3 月 8 日、資源、環境、持続可能性

DOI: 10.1016/j.resenv.2023.100118

抽象的な：米国環境保護庁によると、年間約 1,100 万トンの使用済み繊維廃棄物 (PCTW) が米国の埋め立て地に処分されており、これは都市固形廃棄物全体の 8% に相当します。 PCTW には天然繊維と合成繊維が複雑に混合されており、分離するのが難しく、生地に含まれる染料や仕上げ用の化学物質がリサイクルの妨げとなるため、埋め立てられています。 この研究の目標は、切断された生地を分解してさまざまな繊維部分に分離し、繊維のリサイクルを促進できる精製された製品ストリームを作成するための実験室規模のプロセスを開発することでした。 メソッドパラメータは、さまざまな種類の布地の予備テストから選択され、その後、合理的に準備された一連のモデル繊維廃棄物を使用してパラメトリック評価が行われました。 積極的な機械的撹拌とセルラーゼ触媒による加水分解の組み合わせにより、綿 100% 生地が完全に崩壊して、<2 mm の小さな固形物と水溶性分解生成物のスラリーになりました。 モデル生地上の反応性染料の存在は劣化を抑制し、二官能性反応性染料は単官能性染料よりも劣化に対する大きな障壁を作り出しました。 色素誘発性の障壁は、十分な時間、酵素の量、および繰り返しの処理により克服されました。 その付随的な影響は生地の初期破裂強度の低下でしたが、綿に対する耐久性プレス (DP) 仕上げの存在は、酵素分解に対する大きな障害となりました。 この問題は、酵素を適用する前に DP ファブリックに酸/アルカリ前処理を含めることで克服されました。 綿/ポリエステル混合物にポリエステル繊維が存在すると、生地は巨視的な編み構造を保持しますが、酵素的に分解された綿は洗浄と濾過によって除去され、きれいなポリエステルが得られます。 すべての場合において、布地劣化生成物は、処理の程度に応じて濾過によって、残留する大きな固体と小さな固体画分、および可溶性成分を含む浄化されたプロセス液体に分離されました。 これら 3 つの画分は重量分析により定量され、高速液体クロマトグラフィー (HPLC)、X 線回折 (XRD)、示差走査熱量測定 (DSC)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、粘度測定、走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して特性評価されました。 ）および光学顕微鏡検査。 綿の分解後にスラリー中に存在する小さな固体は、紙、複合材料、その他の製品の添加剤として価値がある可能性があり、一方、グルコースが豊富なプロセスシロップは、発酵による燃料や化学物質の製造に使用できる可能性があり、そのすべてが埋め立て地からPCTWを転用するのに役立つ可能性があります。 。 重要なのは、セルロース系繊維成分が可溶性化合物に完全に分解されなかった場合でも、ポンプ輸送可能なスラリーに変換することで、分解した材料の取り扱いが容易になり、簡単な濾過と洗浄で分解していない合成繊維を回収できるようになったということです。