索尼婭·薩爾蒙是纖維素的忠實粉絲，這就是她想要破壞它的原因。“我喜歡纖維素，”她說。“我正在分解纖維素，因為我喜歡它。”
她也在分解纖維素，因為這種聚合物天然存在於木材和棉花中，佔紡織品製造中使用纖維總量的四分之一。這意味著，為了儘可能長時間地保持服裝和織物在迴圈經濟中的一部分，任何回收服裝和織物的努力都必須包括處理所有這些纖維素的方法。
薩爾蒙是羅利市北卡羅來納州立大學威爾遜紡織學院的聚合物科學家，她正在研究分解廢棄紡織品中的纖維素並重新利用它。許多服裝面料是由一半滌綸和一半棉花混合而成的——棉花和滌綸的單根纖維緊密地纏繞在一起，形成紗線，然後編織或針織成服裝。機械地拆開這種結構具有挑戰性，因此薩爾蒙用纖維素酶處理它，纖維素酶是一組分解纖維素的酶。“我們可以把它咀嚼成足夠小的分子和碎片，使其實際上從織物的其餘結構中脫落，”薩爾蒙說。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
她的重點是表徵分解過程中產生的材料，並研究它最適合用於什麼。例如，酶將纖維素分解成葡萄糖，葡萄糖可以用作製造生物燃料的原料。它們還留下微小的棉纖維塊，可以為混凝土提供輕質增強。“即使棉纖維不再足夠長，無法直接將其紡回紗線，我們認為該材料具有價值，”薩爾蒙說。
這種思維方式與目前處理舊衣服和紡織品（如室內裝潢織物和地毯）的方式大相徑庭。根據艾倫·麥克阿瑟基金會（Ellen MacArthur Foundation）的資料，全球只有 13% 的服裝製造材料被回收利用。該基金會是英國考斯的一個推廣迴圈經濟的組織。每年產生的大部分紡織廢料——僅時尚界估計就有 9200 萬噸——最終被掩埋或焚燒。“我們把東西扔進垃圾填埋場，然後像對待垃圾一樣對待它，”薩爾蒙說。“我們沒有把它看作實際上可以重複利用的原材料。” 美國環境保護署估計，2018 年美國人均丟棄 47 公斤紡織品。其中約四分之三（36 公斤）是衣服和鞋類，其餘主要是毛巾、床上用品、傢俱織物和地毯。與此同時，資源被消耗來創造原始材料（參見“線數”）——水和土地用於種植更多的棉花，石油用於製造更多的聚酯（參見“回收聚酯”）。
為了應對所有這些浪費，研究人員和初創公司正在開發回收和再利用材料的方法。與薩爾蒙類似，他們的大部分重點是化學回收，即將材料分解成其基本組成部分，並用於製造新材料，包括可以編織成新衣服的纖維。挑戰在於開發用於此類處理的工藝。它們必須是實用的，但它們也必須至少與簡單地製造新纖維一樣具有成本效益。
來源：K. Niinimäki 等人。《自然評論·地球與環境》。1, 189–200 (2020)。
紡織新線
除了來自棉花的天然纖維素纖維外，一些紡織品還包括人造纖維素纖維。這些纖維來源於木漿纖維素，可用於製造粘膠纖維（人造絲）和一種名為萊賽爾的類似材料。根據德克薩斯州拉梅薩市的紡織品交易所（一個推廣環保材料的非營利組織）的資料，纖維素纖維約佔所有紡織纖維產量的 6%。
西雅圖一家初創公司 Evrnu 正在將萊賽爾製造工藝的一種變體應用於紡織品廢物問題。該公司對該工藝進行的一項重大改變是，它使用廢棄紡織品而不是木材作為其纖維素的來源。它還調整了工藝，生產出一種纖維，該公司聯合創始人兼總裁克里斯托弗·斯坦尼夫表示，這種纖維優於其他纖維素和棉花，並且可以回收更多次。“我們可以用棉花製造出比木漿纖維更堅固的纖維，”紡織工程師斯坦尼夫說。
與標準萊賽爾工藝一樣，原材料用N-甲基嗎啉-N-氧化物 (NMMO) 處理，這是一種溶解纖維素的有機化合物。這會產生濃稠的紙漿，然後進行過濾。此時，傳統工藝將涉及將纖維素透過稱為噴絲頭的裝置擠出——首先進入空氣中，然後進入主要由水組成的凝固浴中，在其中材料凝固成纖維。然而，Evrnu 在擠出纖維素分子之前將其轉化為液晶，使其彼此對齊併產生更結晶的纖維結構。
回收聚酯
纖維素不是研究人員想要重複使用的唯一聚合物——他們還將目光投向了聚酯
聚酯是來源於石油的一系列聚合物的通用術語，但它主要指聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。在全球範圍內，PET 聚酯約佔所有紡織品中纖維的一半。棉花佔四分之一，其餘由其他植物基纖維組成，例如亞麻和大麻；動物產品，例如羊毛和羊駝毛；其他合成纖維，包括腈綸和尼龍；以及人造纖維素纖維。
與棉花一樣，PET 聚酯可以紡成新的纖維，但重新紡制的纖維會隨著重複迴圈而變得更短更弱。然而，與棉花不同，聚合物可以分解成構成它的更簡單的分子，然後可以將這些單體重新構成新的聚合物。北卡羅來納州立大學羅利分校的聚合物科學家索尼婭·薩爾蒙說，從廢棄的 PET 開始，有可能創造出本質上是原始的材料——一種與石油製成的 PET 沒有區別的材料。然而，PET 非常穩定，因此將其還原為單體很困難。
一些科學家正在開發可能能夠處理這些分子的酶。2016 年，一個團隊發現了一種可以分解 PET 的細菌（S. Yoshida 等人。《科學》 351, 1196–1199; 2016），此後科學家們開發了其他酶來降解它（J. Egan & S. Salmon SN Appl. Sci. 4, 22; 2022）。西雅圖 Evrnu 的聯合創始人克里斯托弗·斯坦尼夫說，除了分解纖維素的主要重點外，這家初創公司還在研究分解 PET 和聚氨酯以及分離聚酯-棉混紡物的工藝。
“透過這樣做並擁有相當結晶的組織結構，您可以提高強度，並且還可以設計這種纖維的效能，”斯坦尼夫說。他說，這種纖維比標準萊賽爾纖維強約 20%，而萊賽爾纖維本身就比棉花強。
這種質量轉化為由該纖維製成的織物的更長壽命，以及可以多次再生的纖維。每次分子經過回收過程時，它們都會變得更短更薄。但斯坦尼夫說，由於它們的初始強度更高，因此相同的材料應該能夠再生至少五次，然後才會變得比原始棉纖維更弱；該公司實驗室的一些測試表明，該材料最多可以回收十次。這比紙張的回收次數更多，紙張只能回收 5-7 次，之後纖維就會變得太短，無法制成可用的新產品。
Evrnu 正在德國和美國其他地方的合作伙伴公司進行試點專案，以證明其工藝可以生產織物。它希望一家更大的紡織公司隨後會想要許可這項技術。目前，它正在使用 NMMO，因為該化合物很容易獲得，但斯坦尼夫希望最終改用離子液體——一種在 100 °C 以下是液體的鹽——它比 NMMO 化學性質更穩定，並且更能耐受汙染物。該公司尚未針對生產工藝最佳化任何此類液體。
然而，一家芬蘭公司正在與由其創始人之一、芬蘭埃斯波市阿爾託大學的物理化學家赫伯特·西克塔開發的離子液體合作。Ioncell（公司和工藝的名稱）使用的液體是一種超鹼，一種高度鹼性的物質，可破壞纖維素分子中的氫鍵。與使用 NMMO 時的方式相同，該工藝會產生紙漿，可以透過噴絲頭進料以製造新的纖維素纖維。NMMO 往往不穩定，需要新增緩衝溶液，但離子液體不需要。西克塔說，他的離子液體也是完全可回收的，這使得該工藝既環保，又能生產出比棉花具有更好機械效能的纖維。
Ioncell 工藝可以使用木漿，西克塔說，這被認為是迴圈經濟的一部分，因為原材料來自芬蘭的可持續森林——這些森林的管理方式是增長速度超過移除量。“我們的大學有一個龐大的紡織品設計團隊，因此我們可以處理木材、生產紙漿、將其轉化為纖維、將其轉化為紗線、將其轉化為織物、設計服裝，並在時裝秀上展示服裝，”西克塔說。該工藝還可以接受紡織品廢物，將舊衣服變成新衣服。Ioncell 已經建立了一個試點工廠，目標是在大約兩年內評估其工藝在現實世界中的效果。
成本問題
亞特蘭大佐治亞理工學院的材料工程師王友江表示，儘管技術挑戰比比皆是，但紡織品廣泛回收的主要障礙可能是經濟方面的。“大多數材料沒有那麼有價值，”王說。生產聚酯、棉花和其他織物的成本非常低廉，除非回收工藝非常便宜，否則幾乎沒有利潤空間。
除了少數私人服裝捐贈團體外，還缺乏用於收集和分類舊紡織品的基礎設施。一件衣服中複雜材料的混合——不僅是不同的天然纖維和合成纖維，還有染料和化學塗層、紐扣和拉鍊，以及任何非織造新增物，如皮革或乳膠——必須分開才能處理各個元件。
王認為，政策制定者應該考慮將舊衣服回收利用，不是為了製作新衣服，而是為了製作其他有用的（如果價值較低）產品。例如，纖維可以被粉碎用作土壤穩定劑，或者纖維素可以分解成葡萄糖，葡萄糖可以轉化為燃料。即使燃燒聚酯來獲取能量也比從地下抽出更多的石油來發電要好。“這聽起來不是很高階，但總的來說，你確實從中獲得了相當大的好處，”王說。
王說，迴圈經濟應被視為在可以重複使用其他產品時，儘可能減少原始材料創造的一種方式。“如果你真的想讓回收利用對環境更好，而不僅僅是為了宣傳，那麼我們需要開發更多的技術，以便你可以儘可能多地使用你收集到的東西，”他說。“這將使整個迴圈更加迴圈。”
本文是《自然瞭望：迴圈經濟》的一部分，這是一個由編輯獨立完成的增刊，由谷歌提供財政支援。關於此內容。