Modelling ZnCl2 solutions for quality control in a textile recycling pilot plant

Abstract

Textile recycling is highly needed as great amounts of waste are produced every year and most of it is put into landfill or incinerated. This thesis lays the foundations for a quality control system which may be applied for controlling the recycling of cellulosic textiles in an upcoming pilot plant based on ShareTex’s technology. The quality control system was constructed as a mathematical model relating the reactor parameters concentration, temperature and regeneration time to the quality parameter, intrinsic viscosity of the regenerated pulp. The model was built using a central composite design matrix. The investigated cellulose solvent was 65 wt% hydrated ZnCl2 and the cellulosic material investigated was post-consumer white 100% cotton. The experimental data was gathered for the following reactor parameter intervals: 1-5 wt% cotton, 30-120 minutes and 70 - 90 °C. All experiments were carried out on a lab scale using a KENWOOD COOKING CHEF XL as an agitated reactor vessel. The recycling method consisted in dissolving the starting material at the different conditions followed by precipitation through hydration level alteration. The intrinsic viscosity of the regenerated pulps was measured according to the ISO standard SS-ISO 5351:2010. The empirical model was fitted to the experimental data through black box modelling in the open-source programming language Python and was validated through the ANOVA method. All reactor parameters (temperature, cotton concentration and residence time) were determined highly relevant and non-compressible for regulation of the recycling process. The model was determined to have statistically significant linear, quadratic and interactive factors which described well the variation in the experimentally measured response. A general intrinsic viscosity model was constructed and evaluated. To conclude, the empirical model created in this thesis was statistically validated and has potential for further implementation within control and optimisation within the textile recycling industry.

Popular Abstract (Swedish)

Kvalitetskontrollsmodell för textilåtervinning
2025 infördes en EU-lag som gjorde det obligatoriskt att sortera textilavfall separat. Här presenteras grunden för en modell som relaterar reaktorparametrar till kvalité på återvunnen textilmassa.
Textilindustrin omfattade 2024 knappt 2 biljoner USD. Det är en global industri där textilierna ofta designas i USA, produceras i asiatiska länder och slutligen sälj till västvärldens konsumenter. Utsläpp från frakt och ineffektiva anläggningar, som ofta använder fossil energi, gör att textilindustrin idag står för 6,5 % av de globala CO2 utsläppen. Textilier som slängs hamnar idag i stor utsträckning på soptippar eller bränns. För att minska resursslöseriet kommer det nu statliga incitamentet för textilåtervinning.
Det finns många olika sorters textilier, naturliga fiber så som bomull, linne och ull, samt kemiska fiber så som polyester, viskos och nylon med flera. Den här artikeln fokuserar på att återvinna använda vita 100% bomullstyger och är ett samarbete mellan ShareTex och Lunds Tekniska Högskola. Återvinningsprocessen består av att klippa tygerna till mindre delar, lösa upp dem i ett billigt och miljövänligt lösningsmedel, samt fälla ut regenererade fiber. Fördelen med det valda lösningsmedel samt metoden är att fibrerna kan bibehåll en hög kvalitet.
För att reglera den här processen så att de regenererade fibrerna inte tappar i kvalité samt att processen blir miljövänlig, togs en experimentell designmatris fram för att mäta den regenererade bomullens kvalité efter olika regenereringsbetingelser. Därefter samlades all data in genom att utföra regenereringen vid dessa betingelser. Resulterande kvalitét fastställdes genom en analys av hur trögflytande den regenererade textilerna var i ett annat lösningsmedel (inneboende viskositet). Därefter togs en empirisk matematisk modell fram som beskriver hur olika kombinationer av reaktortemperatur (T), regenereringstid (t) och textilkoncentration (c) påverkar kvalitén.
Modellen verifierades genom att utföra statistiska tester och den visade sig vara användbar, vilket innebär att den är bra på att förespå vilken kvalité bomullen kommer få vid regenerering under specifika T, t och c. Modellen visade även att det finns många sätt att få den optimala kvalitén på bomullen. Det innebär att en uppskalning av återvinningsprocessen kan bli flexibel och att hänsyn kan tas till andra responsparametrar än bara bomullskvalité. Andra responsparametrar kan t.ex. vara energikonsumtionen, processekonomi eller alternativa kvalitetsparametrar.
Under projektets gång blev det uppenbart att det finns andra viktiga kvalitéts-indikatorer än hur trögflytande den upplösta textilmassan är, så som renhet, partikelstorlek och kristallinet. Renheten är viktig eftersom lösningsmedlet inte får släppas ut i naturen samt att produktvärdet sänks om det är kontaminerat. Partikelstorleken är viktig då regenererad textil har ett brett partikelstorleksspann som måste beaktas för att undvika materialförluster. Kristallinitet är viktigt då det påverkar fibrernas upplevda kvalité och styrka.
Sammanfattningsvis lades grunden för en kvalitetskontrollsmodell som kan appliceras i en textilåtervinningsfabrik. Det finns många förbättringsmöjligheter, bl.a. att expandera till andra textiler än bomull. Modellen är idag är tillräckligt noggrann beräkna effekten av reaktorbetingelser på kvalitén, i form av inneboende viskositet, hos regenererad använd vit 100% bomull.

• author: Nordin, Viktoria and Pettersson, Elin
• supervisor: Borbala Erdei; Miguel Sanchis Sebastia
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Textile recycling, ZnCl2 solutions, Cotton, Modeling, Chemical engineering
• language: English
• id: 9201095
• date added to LUP: 2025-06-18 10:00:07
• date last changed: 2025-06-18 10:00:07