Decolorization of cellulose-based post-consumer textile waste in a sequence involving sodium hydroxide, chlorine dioxide, and hydrogen peroxide

毎年、世界中で山のような衣類が廃棄されています。この廃棄物の多くは埋め立て地に送られるか、焼却処分されます。ファッション業界がかつてないほど多くの衣服を大量生産し続けている今、そのような運命を受け入れることはますます困難になっています。有望な解決策は、これらの古い服を新しいものへと再生させるプロセス、すなわち「ファイバー・トゥ・ファイバー（繊維から繊維へ）」のリサイクルにあります。しかし、この循環型の夢は、一つの手強い障害に直面しています。それは「色」です。廃棄されたテキスタイルは、数え切れないほどの色彩で染められた生地が混沌と混ざり合ったものであり、それらを再び有用なものにするためには、その色を取り除かなければなりません。課題は単に染料を除去することではなく、生地そのものを破壊することなく除去することです。このパズルの核心にある素材は、セルロースです。これはコットンに見られる天然繊維であり、ビスコースに使用される再生繊維でもあります。これらの繊維は、布に強度を与える長い分子の鎖ですが、同時に非常にデリケートでもあります。染料を漂白するために必要な化学物質そのものが、時にこれらの鎖を断ち切り、強い糸を弱く役に立たない泥状のものに変えてしまうことがあるのです。

スウェーデンの化学会社であるNouryonの研究者たちは、このバランス調整の問題を解決しようと取り組みました。彼らは、分別・粉砕され、処理の準備が整った、使用済みコットンとビスコースの混合物という特定の種類の廃棄物に焦点を当てました。彼らの目標は、混合繊維から色を洗い流しながら、繊維を新しい糸として紡げる程度に完全な状態に保つことができる一連の化学的工程を見つけ出すことでした。彼らは、水酸化ナトリウム、二酸化塩素、および過酸化水素を用いた3段階のプロセスをテストしました。最初のステップで使用される水酸化ナトリウムは、強力な石鹸のように作用し、繊維から染料を緩める助けとなります。2番目のステップでは、強力な漂白剤である二酸化塩素を導入し、最終ステップでは過酸化水素を使用して作業を完了させ、素材を明るく仕上げます。研究者たちは、この組み合わせによって、暗い色の混合廃棄物を明るく清潔な素材へと変容させることができるものの、各ステップの正確な条件が極めて重要であることを発見しました。

その道のりはアルカリ処理から始まりました。研究者が高温下で粉砕された布地を水酸化ナトリウムで処理すると、色が浮き上がり始めました。彼らは、化学物質を一定量（布地1トンに対して150キログラム）加えることで、過度な損傷を与えることなく、染料の大部分を除去できることを見出しました。この最初の洗浄により、コットンの明るさはどんよりとした10パーセントから約40パーセントへ、ビスコースは7パーセントからほぼ50パーセントへと上昇しました。この段階で排出された液体は、取り除かれた染料によって暗くなっており、色が繊維から正常に分離されていることを証明していました。決定的なことに、研究者たちは、このプロセス中にコットン繊維は内部の強度をいくらか失うものの、ビスコース繊維は驚くほど安定しており、化学的な攻撃を受けてもその構造をよく維持していることを観察しました。

次に、残りの色を取り除くための「重量級の担い手」として、二酸化塩素の段階が続きました。研究者たちはこのステップにおける水の酸性度を調整し、わずかに酸性の環境が最適であることを発見しました。このレベルにおいて、二酸化塩素は残りの染料を剥ぎ取り、コットンの明るさを74パーセントへ、ビスコースを77パーセントへと押し上げました。この段階は、チームが繊維の強度を制御できるという点で特に重要でした。酸性度を微調整することで、化学物質がセルロースの鎖を過度に分解するのを防ぐことができたのです。これにより、素材が将来の使用に耐えうる堅牢さを備えていることを保証しながら、特定の強度のレベルを狙うことが可能になりました。プロセスは非常に効果的で、最終製品は清潔で白い紙のシートのように見え、プロセスの開始時にあった色彩豊かなバラバラの切れ端とは対照的な姿となりました。

最終ステップでは、一般的な漂白剤である過酸化水素が用いられましたが、そこには工夫がありました。研究者たちはマグネシウムを混合に加えました。この動きは安定剤として作用しました。マグネシウムがない場合、過酸化水素は時として過剰に攻撃的になり、繊維を分解して廃水中に有機廃棄物を放出することがあります。マグネシウムが存在することで、漂白はより制御されたものになりました。繊維は本来の強度をより多く保持し、廃水中の溶解有機物質の量も大幅に減少しました。これは、プロセスをよりクリーンで効率的にできることを示す重要な発見でした。マグネシnesiumは、それなしの場合よりも布を白くするわけではありませんでしたが、生地の完全性を保護し、処理による環境負荷を軽減しました。

実験を通じて、チームは最終製品に残っているものについても詳細に調査しました。彼らは、一部の色付きの繊維が残留していることを見出しましたが、これらの頑固な破片を分析したところ、それらはコットンやビスコースではなかったことが判明しました。代わりに、それらはポリエステルであり、おそらく元の衣服を縫い合わせるために使用された縫い糸によるものでした。この混入はリサイクルにおける既知の問題です。なぜなら、ポリエステルはセルロースのように同様の方法で溶解しないからです。研究者たちは、これはハードルではあるものの、漂白プロセスを開始する前のより優れた選別や分離技術によって管理できるものであると指摘しました。研究は、この3段階のシーケンスが前進するための実行可能な道筋であると結論付けました。それは、複雑な混合廃棄物を明るく高品質な原材料へと見事に変容させ、捨てられた服の色がその物語の終わりであってはならないことを証明したのです。