Integration of textile recycling with pulp mills - process design and optimization

Abstract

As the production of textiles has increased over the years, the climate impact of the textile industry is becoming more evident. Textile production can have negative impacts on the environment, both during production, use and disposal, which calls for efficient recycling methods to recover some of the resources invested. However, textile waste is primarily incinerated or landfilled, which pose as non-favourable options for treating textile waste. One strategy for textile recycling is tertiary recycling by depolymerization, in which textile waste can be hydrolysed into a glucose solution that can be used to produce valuable chemicals. The tertiary recycling process investigated in this project employs a hydrolysis step by the aid of cellulases, which is preceded by an alkali pretreatment step to increase the efficacy during hydrolysis.

One goal for this project was to investigate the possibility of designing a pretreatment step that would allow for integration with pulp mills with this process. This is because there are several alkali internal streams available at pulp mills that potentially could be employed in the pretreatment step, as well as excess heat. Previous studies of this process have been focused on use on cotton textile waste with sodium carbonate as pretreatment agent, which is the main constituent of green liquor. As it was shown that a 5% sodium carbonate solution were effective for pretreatment of cotton, this led to the investigation whether it would be effective for use on viscose textile waste. Thus, this project focused primarily on finding suitable pretreatment and hydrolysis conditions for viscose waste textiles when using a 5% sodium carbonate solution as pretreatment agent.

It was shown that the enzyme loading during hydrolysis could be lowered as compared to pretreatment of cotton, due to the characteristics of viscose material of being more accessible to cellulases. Then, an enzymatic hydrolysis yield of 87.4% was achieved for the untreated material at an enzyme loading of 0.10 g/g solids. This yield was considered as exceptionally high, while there where not found any pretreatment conditions that lead to an improvement of the process compared to the untreated material. For example, alterations in temperature and residence time during pretreatment did not lead to an increased efficacy of the process when using a 5% sodium carbonate solution. Although the results when employing 7.5% sodium carbonate solution were seen as promising, it was seen that this increase in concentration of sodium carbonate would require washing steps prior to hydrolysis to guarantee a suitable pH, which in turn would negatively affect the costs of the process.

Magnesium hydroxide was used as pretreatment agent to evaluate the possibility of integration with the sulphite process. However, it was rendered as a poor pretreatment agent due to the difficulties of washing magnesium hydroxide off from the textiles after pretreatment, which had deposited on the textile. This in in turn caused inhibition of the enzymatic hydrolysis due to a too high pH. Since the untreated material is highly amenable to enzymatic hydrolysis by cellulases, which was indicated by the high yields attained, further developments of this process could be made for untreated viscose waste textile. Further investigations of the pretreatment should include other pretreatment agents than those employed in this study, namely sodium hydroxide and sodium sulfide that are main constituents of alkali internal streams available at pulp mills.

Abstract (Swedish)

Alltmedan produktionen av textiler kommit att öka under de senaste åren har dess miljöpåverkan blivit mer uppenbar. Eftersom dagens textilproduktion har negativa konsekvenser under produktion, användande, såväl som vid avfallshantering, så finns det ett behov av att hitta effektiva metoder för att ta tillvara på de resurser som investerats under produktionen. Idag förbränns eller deponeras textilavfall till största del, vilket bör ses som ofördelaktiga alternativ för hantering av textilavfall. Tertiär återvinning via depolymerisering är en strategi för textilåtervinning varvid textilavfallet hydrolyseras till en glukoslösning som kan användas till att producera nya värdefulla produkter. Den tertiära återvinningsprocess som undersöks i detta projekt inkluderar ett hydrolyssteg med cellulaser vilket föregås av ett alkaliskt förbehandlingssteg för att öka effektiviteten under hydrolysen.

Ett av målen för detta projekt var att undersöka möjligheten att designa ett förbehandlingssteg som möjliggör en integrering med massabruk med denna process. Detta med anledning av att det finns flera alkaliska strömmar att tillgå på massabruk som hade kunnat nyttjas i förbehandlingssteget, så väl som överskottsvärme. Tidigare studier av denna process har fokuserat på förbehandling med natriumkarbonat, som är den huvudsakliga beståndsdelen i grönlut, med dess tillämpning på bomullsmaterial. Eftersom det visade sig att en 5% natriumkarbonat-lösning var effektiv vid förbehandling av bomull, ledde detta till att det i denna studie undersöktes om denna kunde vara effektiv även för tillämpning på viskostextilier. Följaktligen var det primära målet för detta projekt att hitta lämpliga förbehandlings-och hydrolysbetingelser för att tillämpa denna process på viskostextilier då en 5% natriumkarbonat-lösning används vid förbehandlingen.

Det visade sig att enzymladdningen under hydrolysen kunde minskas i jämförelse med förbehandling av bomull till följd av att viskos är mer åtkomligt för cellulaser. Därvid erhölls ett utbyte på 87.4% vid den enzymatiska hydrolysen med enzymladdningen 0.10 g/g fast material. Detta utbyte bedömdes vara högt, alltmedan det inte kunde ses att de förbehandlingar som utfördes ledde till förbättring av processen i jämförelse med det obehandlade materialet. Till exempel medförde förändringar i temperatur eller uppehållstid inte en ökad effektivitet för processen då en 5% natriumkarbonat-lösning används vid förbehandlingen. Även om resultaten för användandet av en 7.5% natriumkarbonat-lösning vid förbehandlingen verkade lovande, så visade det sig att denna ökning i koncentration av natriumkarbonat skulle innebära att tvättsteg behöver inkluderas i processen för att garantera ett lämpligt pH under hydrolysen, vilket i sin tur skulle medföra ökade kostnader i denna process.

Undersökningen av användandet av magnesiumhydroxid i förbehandlingssteget gjordes för att evaluera möjligheten för integrering med sulfitprocessen. Dock visade det sig att magnesiumhydroxid var ofördelaktig för användning i förbehandlingssteget eftersom det fanns svårigheter i att tvätta bort magnesiumhydroxid som fastnat på materialet. Detta orsakade i sin tur inhibering av den enzymatiska hydrolysen till följd av ett för högt pH.

Eftersom det sågs som uppenbart att det obehandlade materialet är mottagligt för enzymatisk hydrolys med cellulaser i hög grad, vilket indikerats av de höga utbyten som erhölls, så kan vidare utveckling av denna process göras för tillämpning på obehandlade viskostextiler. Undersökning av möjliga förbehandlingar bör inkludera andra alternativ utöver de som undersöktes i detta projekt, förslagsvis natriumhydroxid och natriumsulfid som är de huvudsakliga beståndsdelarna av de alkaliska materialströmmarna på massabruk.

Popular Abstract (Swedish)

Studie om en kemisk återvinningsprocess för viskostextiler genom enzymatisk nedbrytning samt undersökning av dess möjlighet för integration med massabruk

Återvinning börjar bli allt mer aktuellt i dagens samhälle i takt med att det börjar ställas krav på tillvaratagandet av de resurser som investeras i syfte att minska belastningen på miljön. Inom området för kemisk återvinning av textilier finns det ännu många utmaningar, bland annat eftersom de olika material som används i textilier såsom bomull, viskos och syntetiska textilier förväntas kräva specifikt utformade processer för återvinning. Denna studie inriktar sig på en process för kemisk återvinning av viskostextilier, varvid en nedbrytning av materialet görs med hjälp av enzymer som har förmåga att bryta ned cellulosan i materialet till beståndsdelen glukos. Den resterande glukoslösningen kan i sin tur kan användas för att skapa nya produkter.

I detta arbete undersöktes kemisk återvinning av viskostextilier. Viskos består till största del av cellulosa, vilket i sin tur utgörs av en kedja av glukosmolekyler. Processen som undersöktes innefattar enzymatisk nedbrytning av cellulosan i textilierna, vilket föregås av ett förbehandlingssteg i syfte att förbättra tillgängligheten av cellulosan för ökad möjlighet till reaktion med enzymerna. Denna process har tidigare undersökts för applicering på bomullstextiler. Det framgår av studien som gjorts här att det visar sig vara lättare att bryta ned viskos i jämförelse med bomull. Detta bedöms bero på att cellulosan i viskos är mer lättillgänglig för reaktion med enzymerna på grund av dess struktur och kemiska egenskaper, vilket bör ses som lovande för framtida utveckling av processen för tillämpning på detta material. Därvid sågs det att enzymmängden skulle kunna minskas till en viss mängd utan att effektiviteten minskade avsevärt i denna process, vilket hade varit fördelaktigt ur ett ekonomiskt perspektiv.

Undersökning av tillämpningen av den alkaliska förbehandling som tidigare visat sig vara effektiv vid tillämpning på bomullstextilier gav många intressanta resultat. Denna alkaliska förbehandling innefattar användandet av natriumkarbonat, vilket är huvudkomponenten i grönlut som används i massabruk. Därvid skulle det kunna avgöras om det skulle finnas möjlighet att integrera denna process med massabruk, där det förväntas finnas både överskottsvärme som skulle kunna nyttjas för uppvärmning vid förbehandlingen, och alkaliska materialströmmar som eventuellt kan användas vid förbehandlingen. I utvärderandet av möjligheten att använda natriumkarbonat för förbehandling av viskos undersöktes effekten av flera betingelser vid förbehandlingen, såsom uppehållstid, temperatur och alkalikoncentration. Resultatet för denna undersökning var dock att det inte kunde identifieras några betingelser som innebar att effektiviteten av processen förbättrades. Detta bedömdes vara till följd av att betydande cellulosaförluster ägde rum under förbehandlingen, och att en förhöjd effektivitet vid den enzymatiska nedbrytningen för det mesta uteblev, vilket sammantaget medförde en mindre effektiv process jämfört med en direkt nedbrytning av det obehandlade materialet. Även användandet av magnesiumhydroxid undersöktes som ett alternativ till natriumkarbonat vid förbehandlingen, men detta gav inte heller önskad effekt. En förklaring till att det inte kunde identifieras några betingelser som förbättrade processens effektivitet i detta fall, bedöms vara att de goda resultaten för det obehandlade materialet medför att det endast finns litet fönster för förbättring av processen. Samtidigt görs bedömningen att framtida studier bör fokusera på andra typer av alkaliska förbehandlingar än de som undersökts här, framför allt då med fokus på att hitta en alkalisk förbehandling som möjliggör integration med massabruk. Den huvudsakliga slutsatsen i denna studie är alltjämt att det obehandlade materialet har en god mottaglighet för enzymatisk nedbrytning, och bedöms därför kunna användas utan att ett förbehandlingssteg inkluderas för vidare utveckling av denna process.

• author: Gustafsson, Caroline
• supervisor: Miguel Sanchis Sebastia; Ola Wallberg
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: textile recycling, viscose, enzymatic hydrolysis, chemical engineering
• language: English
• id: 9089691
• date added to LUP: 2022-06-20 11:56:09
• date last changed: 2022-06-20 11:56:09