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

매년 전 세계적으로 엄청난 양의 의류가 버려집니다. 이 폐기물의 상당 부분은 매립지에 버려지거나 소각되는데, 패션 산업이 그 어느 때보다 더 많은 옷을 찍어내고 있는 상황에서 이러한 운명은 점점 더 받아들이기 힘든 현실이 되고 있습니다. 유망한 해결책은 이 낡은 옷들을 다시 새 옷으로 만드는 것, 즉 '섬유 대 섬유(fiber-to-fiber)' 재활용이라 불리는 과정에 있습니다. 그러나 이 순환의 꿈은 '색상'이라는 고집스러운 장애물에 직면해 있습니다. 버려지는 대부분의 텍스타일은 수많은 색조로 염색된 직물들이 무질서하게 섞여 있으며, 이를 다시 유용하게 만들기 위해서는 그 색상을 제거해야 합니다. 과제는 단순히 염료를 제거하는 것이 아니라, 원단 자체를 파괴하지 않으면서 색을 빼내는 것입니다. 이 퍼즐의 중심에 있는 물질은 면직물과 비스코스에 사용되는 재생 섬유에서 발견되는 천연 섬유인 셀룰로오스입니다. 이 섬유들은 옷감에 강도를 부여하는 긴 분자 사슬이지만, 동시에 매우 섬세하기도 합니다. 염료를 표백하기 위해 필요한 바로 그 화학 물질들이 때로는 이 사슬을 끊어버려, 튼튼한 실을 약하고 쓸모없는 죽처럼 만들어버릴 수 있기 때문입니다.

스웨덴의 화학 기업인 누리온(Nouryon)의 연구진은 이 균형 잡기 문제를 해결하기 위해 나섰습니다. 그들은 분류되고 잘게 부서져 처리 준비를 마친 소비자 사용 후 면과 비스코스 혼합 의류라는 특정 유형의 폐기물에 집중했습니다. 그들의 목표는 혼합 직물에서 색을 씻어내면서도 새로운 실로 뽑아낼 수 있을 만큼 섬유의 형태를 온전하게 유지할 수 있는 화학적 단계의 순서를 찾는 것이었습니다. 그들은 수산화나트륨, 이산화염소, 과산화수소를 포함하는 3단계 공정을 테스트했습니다. 첫 번째 단계인 수산화나트륨은 염료를 섬유로부터 느슨하게 만드는 강력한 비누와 같은 역할을 합니다. 두 번째 단계에서는 강력한 표백제인 이산화염소를 투입하며, 마지막 단계에서는 과산화수소를 사용하여 작업을 마무리하고 재료를 밝게 만듭니다. 연구진은 이 조합이 어둡고 다양한 색이 섞인 폐기물을 밝고 깨끗한 재료로 변모시킬 수 있다는 것을 발견했지만, 각 단계의 정확한 조건이 매우 중요하다는 것을 알아냈습니다.

여정은 알칼리 처리로부터 시작되었습니다. 연구진이 잘게 부서진 직물을 높은 온도에서 수산화나트륨으로 처리했을 때, 색상이 빠지기 시작했습니다. 그들은 섬유에 투입하는 화학 물질의 양을 섬유 1톤당 150킬로그램으로 조절하면 과도한 손상 없이 상당 부분의 염료를 제거할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 초기 세척 과정을 통해 면의 밝기는 칙칙한 10%에서 약 40%로, 비스코스는 7%에서 거의 50%로 높아졌습니다. 이 단계에서 배출된 액체는 제거된 염료로 인해 어두운 색을 띠었으며, 이는 색상이 섬유로부터 성공적으로 분리되고 있음을 증명했습니다. 결정적으로, 연구진은 이 과정에서 면 섬유의 내부 강도는 다소 감소했지만, 비스코스 섬유는 놀라울 정도로 안정적인 상태를 유지하며 화학적 공격 속에서도 구조를 잘 유지한다는 것을 관찰했습니다.

다음은 남은 색을 제거하는 핵심 역할을 하는 이산화염소 단계였습니다. 연구진은 이 단계에서 물의 산도(pH)를 조절하여, 약간 산성인 환경이 가장 적절하다는 것을 찾아냈습니다. 이 수준에서 이산화염소는 나머지 염료를 벗겨내어 면의 밝기를 74%, 비스코스의 밝기를 77%까지 끌어올렸습니다. 이 단계는 특히 중요한데, 팀이 섬유의 강도를 제어할 수 있게 해주었기 때문입니다. 산도를 미세하게 조정함으로써, 그들은 화학 물질이 셀룰로오스 사슬을 너무 공격적으로 분해하는 것을 방지할 수 있었습니다. 이는 그들이 특정 수준의 섬야 강도를 목표로 할 수 있게 하여, 재료가 향후 사용하기에 충분히 견고하도록 보장했습니다. 이 공정은 매우 효과적이어서 최종 생성물은 마치 깨끗하고 하얀 종이 한 장처럼 보였으며, 이는 처음 시작했던 화려하고 엉망이 된 조각들과 극명한 대조를 이루었습니다.

마지막 단계는 흔히 쓰이는 표백제인 과산화수소를 사용하되, 약간의 변화를 주었습니다. 연구진은 마그네슘을 혼합물에 추가했는데, 이는 안정제 역할을 했습니다. 마그네슘이 없으면 과산화수소가 때때로 너무 공격적으로 변하여 섬유를 분해하고 폐수에 유기 폐기물을 방출할 수 있습니다. 마그네슘이 존재함에 따라 표백 과정은 더 통제된 방식으로 진행되었습니다. 섬유는 본래의 강도를 더 많이 유지했고, 폐수에 용해된 유기 물질의 양도 크게 줄어들었습니다. 이는 공정을 더 깨끗하고 효율적으로 만들 수 있음을 보여주는 중요한 발견이었습니다. 마그네슘이 없었을 때보다 직물을 더 하얗게 만들지는 않았지만, 직물의 온전함을 보호하고 처리에 따른 환경적 부담을 줄여주었습니다.

실험 전반에 걸쳐 팀은 최종 제품에 무엇이 남아 있는지도 면밀히 살펴보았습니다. 그들은 일부 색상이 있는 섬유가 남아 있음을 발견했지만, 이 고집스러운 조각들을 분석한 결과 그것들은 면이나 비스코스가 아니라는 사실을 알아냈습니다. 대신 그것들은 원래 의류를 꿰매는 데 사용된 폴리에스테르 봉제사였습니다. 이러한 오염은 재활용에서 알려진 문제인데, 폴리에스테르는 셀룰로오스와 같은 방식으로 녹지 않기 때문입니다. 연구진은 이것이 하나의 장애물이긴 하지만, 표백 공정을 시작하기 전에 더 나은 분류 또는 분리 기술을 통해 관리할 수 있는 문제라고 언급했습니다. 연구는 이 3단계 순서가 실행 가능한 경로임을 입증하며 결론지었습니다. 이 방식은 복잡하고 혼합된 폐기물을 밝고 고품질의 원료로 성공적으로 탈바꿈시켰으며, 우리가 버린 옷의 색상이 반드시 그 이야기의 끝이어야 할 필요는 없다는 것을 증명했습니다.