Oportunidades del reciclaje químico de algodón mediante el uso de líquidos iónicos

Abstract

El tema d'estudi d'aquesta tesi és el reciclatge tèxtil per la via química, usant un procés de reciclatge químic mitjançant l'ús de líquids iònics (ILs). Actualment es coneixen dos tipus de reciclatge: el mecànic i el químic. El mecànic va ser el primer a desenvolupar-se, i funciona de manera que la fibra del nou material obtingut és de la mateixa composició que el material original. Normalment es duu a terme amb teixits que estan composts d'un sol material, encara que a vegades es duu a terme amb teixits composts per més d'un material si aquesta composició és molt típica en el mercat. D'altra banda, el reciclatge químic es duu a terme quan es vol reciclar un teixit compost per més d'una mena de material. En aquest cas l'objectiu és obtenir per separat i de manera pura, un o més dels materials que componen el teixit a reciclar. El reciclatge químic suposa un gran avanç ja que trenca les limitacions que es troben en reciclar mitjançant el procés mecànic. Dins dels diferents processos de reciclatge químic, un dels més interessants és el procés de reciclatge mitjançant ILs ja que pot separar completament les fibres sintètiques de les naturals i recuperar-les com a nova fibra reciclada. Altres processos de reciclatge químic en canvi despolimeritzan una de les dues (com en els casos de processos de reciclatge enzimàtic o hidrotèrmic). D'altra banda, els processos químics són processos que encara estan en desenvolupament, generant uns costos que poden arribar a ser elevats i un impacte ambiental a tenir en compte a l'hora d'escalar el procés. La primera tasca va ser l'estudi i la comprensió del funcionament dels ILs i el sulfòxid de dimetil (DMSO) com a cosolvent i la seva interacció amb el cotó. La segona tasca va ser seleccionar el IL idoni per a treballar d'ara endavant. Per a això es va estudiar la solubilitat del cotó en [Bmim][OAc], [Bmim][Cl] i [Amim][Cl]. A continuació, es va estudiar la solubilitat de la cel·lulosa mircocristal·lina (MCC) i del cotó retallat en una mescla de [Bmim][OAc]/DMSO per a obtenir la ràtio molar [Bmim][OAc]/DMSO òptima. Al costat d'aquests dos experiments, s'analitza la conductivitat de diferents ràtios molars de [Bmim][OAc]/DMSO per a determinar si existeix una relació entre la conductivitat i la ràtio molar [Bmim][OAc]/DMSO òptima de treball. També es va estudiar la separació de teixit desfilat 50% cotó - 50% polièster sota les mateixes condicions per a així estudiar el sistema quan se li afegeix polièster al teixit. Una vegada trobada la ràtio molar [Bmim][OAc]/DMSO òptima, es decideix treballar amb ella (0,16) a 37 °C per a aprofundir en l'estudi de la dissolució de cotó mitjançant balanços de matèria a diferents temps de mescla (2h, 4h i 5 dies). Finalment s'estudia l'impacte ambiental, a través d'una anàlisi de cicle de vida (ACV), del procés de reciclatge químic mitjançant ILs estudiat per a reciclar teixit 50% cotó - 50% polièster. Aquí s'estudien diferents estadis: 2h de barrejat a 90 °C, 2h de barrejat a 37 °C, 4h de barrejat a 90 °C i 4h de barrejat a 37 °C. Per a poder desenvolupar el ACV, es decideix comparar-ho amb el procés hidrotèrmic com a procés de reciclatge químic. En aquest cas hi ha 2 estadis estudiats: en el primer el HCl s'obté de la bossa de subproductes de Catalunya i finalitzat el seu ús es torna a exportar mitjançant la mateixa plataforma; en el segon estadi, el HCl és sintetitzat i tractat com a residu en el procés. En tots dos processos es té en compte l'impacte evitat de la fabricació de fibres verges de cotó 100% i polièster 100%.

El tema de estudio de esta tesis es el reciclaje textil por la vía química, usando un proceso de reciclaje químico mediante el uso de líquidos iónicos (ILs). Actualmente se conocen dos tipos de reciclaje: el mecánico y el químico. El mecánico fue el primero en desarrollarse, y funciona de manera que la fibra del nuevo material obtenido es de la misma composición que el material original. Normalmente se lleva a cabo con tejidos que están compuestos de un solo material, aunque a veces se lleva a cabo con tejidos compuestos por más de un material si esa composición es muy típica en el mercado. Por otro lado, el reciclaje químico se lleva a cabo cuando se quiere reciclar un tejido compuesto por más de un tipo de material. En este caso el objetivo es obtener por separado y de manera pura, uno o más de los materiales que componen el tejido a reciclar. El reciclaje químico supone un gran avance ya que rompe las limitaciones que se encuentran al reciclar mediante el proceso mecánico. Dentro de los distintos procesos de reciclaje químico, uno de los más interesantes es el proceso de reciclaje mediante ILs ya que puede separar completamente las fibras sintéticas de las naturales y recuperarlas como nueva fibra reciclada. Otros procesos de reciclaje químico en cambio despolimerizan una de las dos (como en los casos de procesos de reciclaje enzimático o hidrotérmico). Por otra parte, los procesos químicos son procesos que aún están en desarrollo, generando unos costes que pueden llegar a ser elevados y un impacto ambiental a tener en cuenta a la hora de escalar el proceso. La primera tarea fue el estudio y la comprensión del funcionamiento de los ILs y el sulfóxido de dimetilo (DMSO) como cosolvente y su interacción con el algodón. La segunda tarea fue seleccionar el IL idóneo para trabajar en adelante. Para ello se estudió la solubilidad del algodón en [Bmim][OAc], [Bmim][Cl] y [Amim][Cl]. A continuación, se estudió la solubilidad de la celulosa mircocristalina (MCC) y del algodón recortado en una mezcla de [Bmim][OAc]/DMSO para obtener la ratio molar [Bmim][OAc]/DMSO óptima. Junto a estos dos experimentos, se analiza la conductividad de diferentes ratios molares de [Bmim][OAc]/DMSO para determinar si existe una relación entre la conductividad y la ratio molar [Bmim][OAc]/DMSO óptima de trabajo. También se estudió la separación de tejido deshilachado 50% algodón - 50% poliéster bajo las mismas condiciones para así estudiar el sistema cuando se le añade poliéster al tejido. Una vez encontrada la ratio molar [Bmim][OAc]/DMSO óptima, se decide trabajar con ella (0,16) a 37ºC para profundizar en el estudio de la disolución de algodón mediante balances de materia a diferentes tiempos de mezcla (2h, 4h y 5 días). Finalmente se estudia el impacto ambiental, a través de un análisis de ciclo de vida (ACV), del proceso de reciclaje químico mediante ILs estudiado para reciclar tejido 50% algodón - 50% poliéster. Aquí se estudian diferentes estadios: 2h de mezclado a 90ºC, 2h de mezclado a 37ºC, 4h de mezclado a 90ºC y 4h de mezclado a 37ºC. Para poder desarrollar el ACV, se decide compararlo con el proceso hidrotérmico como proceso de reciclaje químico. En este caso hay 2 estadios estudiados: en el primero el HCl se obtiene de la bolsa de subproductos de Cataluña y finalizado su uso se vuelve a exportar mediante la misma plataforma; en el segundo estadio, el HCl es sintetizado y tratado como residuo en el proceso. En ambos procesos se tiene en cuenta el impacto evitado de la fabricación de fibras vírgenes de algodón 100% y poliéster 100%.

The subject of study of this thesis is textile recycling by the chemical route, using a chemical recycling process by means of ionic liquids (ILs). Two types of recycling are currently known: mechanical and chemical. Mechanical recycling was the first to be developed, and works in such a way that the fibre of the new material obtained is of the same composition as the original material. It is normally carried out with fabrics that are composed of a single material, although it is sometimes carried out with fabrics composed of more than one material if that composition is very typical in the market. On the other hand, chemical recycling is carried out when you want to recycle a fabric composed of more than one type of material. In this case, the objective is to obtain separately and in a pure manner, one or more of the materials that make up the fabric to be recycled. Chemical recycling represents a great advance, as it breaks the limitations found when recycling by means of the mechanical process. Among the different chemical recycling processes, one of the most interesting is the recycling process using ILs, as it can completely separate synthetic fibres from natural fibres and recover them as new recycled fibres. Other chemical recycling processes, on the other hand, depolymerise one of the two (as in the case of enzymatic or hydrothermal recycling processes). On the other hand, chemical processes are processes that are still under development, generating costs that can be high and an environmental impact that must be taken into account when scaling up the process. The first task was to study and understand the performance of ILs and dimethyl sulfoxide (DMSO) as cosolvent and their interaction with cotton. The second task was to select the suitable IL to work on further. For this purpose, the solubility of cotton in [Bmim][OAc], [Bmim][Cl] and [Amim][Cl] was studied. Then, the solubility of myrcocrystalline cellulose (MCC) and trimmed cotton in a [Bmim][OAc]/DMSO mixture was studied to obtain the optimal [Bmim][OAc]/DMSO molar ratio. Along with these two experiments, the conductivity of different molar ratios of [Bmim][OAc]/DMSO is analysed to determine if there is a relationship between conductivity and the optimal working [Bmim][OAc]/DMSO molar ratio. The separation of 50% cotton - 50% polyester frayed fabric under the same conditions was also studied in order to study the system when polyester is added to the fabric. Once the optimal [Bmim][OAc]/DMSO molar ratio was found, it was decided to work with it (0.16) at 37ºC in order to study the cotton dissolution in depth by means of material balances at different mixing times (2h, 4h and 5 days). Finally, the environmental impact is studied, through a life cycle assessment (LCA), of the chemical recycling process by means of ILs studied to recycle 50% cotton - 50% polyester fabric. Here, different stages are studied: 2h of mixing at 90ºC, 2h of mixing at 37ºC, 4h of mixing at 90ºC and 4h of mixing at 37ºC. In order to develop the LCA, it was decided to compare it with the hydrothermal process as a chemical recycling process. In this case, there are 2 stages studied: in the first stage, HCl is obtained from the by-product exchange in Catalonia and after its use it is exported again through the same platform; in the second stage, HCl is synthesised and treated as waste in the process. Both processes take into account the avoided impact of the manufacture of 100% virgin cotton and 100% polyester fibres.