Chemical recycling of cotton-based waste textiles by sulfuric acid hydrolysis

Abstract

Large amounts of waste textiles are produced annually, of which only a small fraction is recycled currently. The purpose of this study was to develop a method to recycle cotton-based waste textiles chemically that can be coupled to the production of biofuels or green chemicals. Bedlinens, labeled 100% cotton, were dissolved and hydrolyzed in sulfuric acid to produce a glucose solution without the need of enzymes. One-step hydrolysis, where dissolution of raw material and hydrolysis occurred at the same conditions, and two-step hydrolysis, where the raw material was dissolved in concentrated sulfuric acid in a first step followed by hydrolysis in diluted sulfuric acid in a second step, were studied. The one-step procedure was not able to deliver high yields nor glucose concentrations due to the limitations of using only one particular concentration of acid. However, the two-step procedure was successful in producing pure, concentrated glucose solutions. When using 5wt% sulfuric acid in the second step, it was possible to obtain a 40 g/L solution and a yield of 84%, while increasing the concentration of sulfuric acid to 7.5% in the second step allowed to reach a higher glucose concentration of 50 g/L, but at a lower yield (68%). It could be expected that the solutions can be easily fermented to fuels or chemicals, as there are almost no impurities due to by-production formation. Further studies are needed to assess the economic viability of this process on a commercial scale, although it stands in a good position to compete with lignocellulose-based processes thanks to the cost savings in feedstock and enzymes.

Popular Abstract (Swedish)

Vi har lyckats utveckla en metod för att utvinna glukos ur kasserade bomullstyger, som i sin tur kan användas för att producera nya kemikalier och biobränslen. På så vis kan vi hjälpa textilindustrin att bli betydligt mer hållbar.
Mycket av kläderna i min garderob är begagnade, det beror delvis på att jag gillar känslan när man lyckas hitta något oväntat trevligt fynd, men också för att återanvändning och återvinning är väldigt viktigt för mig. Men det är inte bara viktigt för mig; för att samhället ska kunna bli hållbart måste vi göra en omställning till en cirkulär ekonomi, där vi återvinner och återbrukar istället för att nyproducera och kassera. Textilindustrin ställs här inför ett stort problem, för även om människor som jag väljer att återbruka gamla kläder så går den allra största delen av alla kasserade kläder, ca 90%, till soptippen och förbränning. Anledningen är att det inte finns någon bra metod för att återvinna kläder på just nu. Det vanligaste sättet är att använda fibrerna i det kasserade tyget för att väva nytt tyg, men det fungerar bara så länge fibrerna är tillräckligt långa och hela. Fibrer slits med tvätt och användning och alla tyger kommer förr eller senare att bli för korta för att återvinnas som fibrer. Men det är här vi har utvecklat en lösning.
I mitt examensarbete ”Chemical recycling of cotton-based waste textiles by sulfuric acid hydrolysis” har vi utvecklat en metod för att, på kemisk väg, återvinna bomullstyger. Med hjälp av svavelsyra bryts bomullstyget ner i sina minsta beståndsdelar, en sockerart som heter glukos. Glukos är, förutom en livsnödvändig beståndsdel för livet på jorden, ett fantastiskt användningsbart ämne. Det kan användas till att producera en mängd av olika kemikalier och produkter, däribland etanol, en alkohol som har stor betydelse som ett miljövänligt alternativ till fossila bränslen.
I den här studien klippte vi ner bomullstyger i små bitar som vi sedan blandade med svavelsyra. Vi lät blandningen reagera vid en förhöjd temperatur för att studera vad som hände. Med hjälp av resultaten utvecklade vi en metod så att vi kunde utvinna drygt 80% av all glukos i bomullstyget och få en koncentrerad glukoslösning på drygt 40 gram per liter i utbyte. Detta har en god potential, för en sådan här process är inte känslig för vilken kvalitet bomullsfibrerna har. Oavsett om det är färska, missfärgade bomullsfibrer eller fibrer som redan blivit återvunna flertalet gånger kan den här processen utvinna glukosen från dem. Den slutliga produkten är faktiskt väldigt ren, knappt några biprodukter bildas under processen, så uppreningen borde inte bli särskilt besvärlig eller kostsam. Svavelsyra produceras dessutom i väldigt stora mängder över hela världen, vilket gör att det inte är en särskilt dyr kemikalie och därför borde den här processen inte ha några problem med att bli ekonomiskt hållbar.
Även om bomullstyger utgör en stor del av alla textilier som produceras på marknaden idag är det långt ifrån allt. Andra tyger och tyger med fibrer av olika sorter blandade samman måste också ha ett hållbart sätt att återvinnas på och inom detta område krävs mer studier. Det är viktigt, för en textilindustri utan ett bra system för återvinning är en väldigt resurskrävande och avfallsgenerande industri som är långt ifrån hållbar.

• author: Ruuth, Edvin
• supervisor: Mats Galbe
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: recycling, hydrolysis, cotton, waste textiles, sulfuric acid, glucose, chemical engineering, kemiteknik
• language: English
• id: 9018398
• date added to LUP: 2020-06-15 15:54:57
• date last changed: 2020-06-15 15:54:57