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

Elk jaar gooit de wereld bergen kleding weg. Veel van dit afval belandt op stortplaatsen of wordt verbrand, een lot dat steeds moeilijker te accepteren is naarmate de mode-industrie meer kledingstukken produceert dan ooit tevoren. Een veelbelovende oplossing ligt in het terugveranderen van deze oude kleren in nieuwe, een proces dat bekend staat als vezel-naar-vezel recycling. Deze circulaire droom staat echter voor een hardnekkig obstakel: kleur. De meeste weggegooide textielproducten zijn een chaotische mix van stoffen die in talloze tinten zijn geverfd, en om ze weer bruikbaar te maken, moet die kleur worden verwijderd. De uitdaging is niet alleen het verwijderen van de kleurstof, maar dit te doen zonder de stof zelf te vernietigen. Het materiaal dat centraal staat in deze puzzel is cellulose, de natuurlijke vezel die in katoen wordt gevonden en in de geregenereerde vezels die voor viscose worden gebruikt. Deze vezels zijn lange ketens van moleculen die het doek zijn kracht geven, maar ze zijn ook delicaat; de chemische stoffen die nodig zijn om de kleurstof weg te bleken, kunnen soms deze ketens doorbreken, waardoor sterke draad verandert in zwak, nutteloos snot.

Onderzoekers bij Nouryon, een chemisch bedrijf in Zweden, zetten zich in om dit evenwichtsprobleem op te lossen. Ze richtten zich op een specif kind type afval: een mengsel van post-consumer katoenen en viscose kledingstukken die waren gesorteerd, versnipperd en voorbereid voor behandeling. Hun doel was om een sequentie van chemische stappen te vinden die de kleur uit deze gemengde stoffen kon wassen terwijl de vezels intact genoeg bleven om tot nieuwe garen te worden gesponnen. Ze testten een driestaps proces bestaande uit natriumhydroxide, chloordioxide en waterstofperoxide. De eerste stap, met behulp van natriumhydroxide, werkt als een sterke zeep die helpt de kleurstof van de vezels los te weken. De tweede stap introduceert chloordioxide, een krachtig bleekmiddel, en de laatste stap gebruikt waterstofperoxide om het werk te voltooien en het materiaal op te helderen. De onderzoekers ontdekten dat deze combinatie donker, veelkleurig afval kon transformeren tot een helder, schoon materiaal, maar de exacte condities van elke stap waren van enorm belang.

De reis begon met de alkalische behandeling. Wanneer de onderzoekers de versnipperde stof behandelden met natriumhydroxide bij hoge temperaturen, begon de kleur te verdwijnen. Ze ontdekten dat het toevoegen van een specifieke hoeveelheid van de chemische stof — 150 kilogram per ton stof — voldoende was om een aanzienlijk deel van de kleurstof te verwijderen zonder excessieve schade te veroorzaken. Deze initiële wassing verhoogde de helderheid van het katoen van een dof 10 procent naar ongeveer 40 procent, en dat van de viscose van 7 procent naar bijna 50 procent. De vloeistof die tijdens deze fase wegstroomde was donker door de verwijderde kleurstoffen, wat bewees dat de kleur succesvol werd gescheiden van de vezels. Cruciaal was dat de onderzoekers observeerden dat hoewel de katoenvezels tijdens dit proces wat van hun interne sterkte verloren, de viscosevezels verrassend stabiel bleven en hun structuur goed behielden, zelfs onder deze chemische aanval.

Vervolgens kwam de chloordioxide-fase, die diende als de zware krachtpatser voor het verwijderen van de resterende kleur. De onderzoekers pasten de zuurgraad van het water in deze stap aan en ontdekten dat een licht zure omgeving het ideale punt was. Op dit niveau verwijderde de chloordioxide de rest van de kleurstof, waardoor de helderheid van het katoen steeg naar 74 procent en die van de viscose naar 77 procent. Deze fase was bijzonder belangrijk omdat het het team in staat stelde de sterkte van de vezels te controleren. Door de zuurgraad nauwkeurig af te stemmen, konden zij voorkomen dat de chemische stof de celluloseketens te agressief afbrak. Dit betekende dat ze een specifiek niveau van vezelsterkte konden targeten, waardoor ze ervoor konden zorgen dat het materiaal robuust genoeg zou zijn voor toekomstig gebruik. Het proces was zo effectief dat het eindproduct eruitzag als een schoon, wit vel papier, een schril contrast met de kleurrijke, verfrommelde resten die het proces begonnen.

De laatste stap omvatte waterstofperoxide, een gangbaar bleekmiddel, maar met een twist. De onderzoekers voegden magnesium toe aan het mengsel, een zet die werkte als een stabilisator. Bij afwezigheid van magnesium kan waterstofperoxide soms te agressief worden, waardoor de vezels worden afgebroken en organisch afval in het water vrijkomt. Met de aanwezigheid van magnesium verliep het bleken gecontroleerder. De vezels behielden meer van hun oorspronkelijke sterkte en de hoeveelheid opgelost organisch materiaal in het afvalwater daalde aanzienlijk. Dit was een vitale bevinding, aangezien het aantoonde dat het proces schoner en efficiënter gemaakt kon worden. Magnesium maakte de stof niet witter dan deze zonder zou zijn geweest, maar het beschermde de integriteit van de stof en verminderde de milieubelasting van de behandeling.

Gedurende het hele experiment keken de onderzoekers ook nauwlettend naar wat er in het eindproduct overbleef. Ze ontdekten dat sommige gekleurde vezels standhielden, maar toen ze deze hardnekkige stukjes analyseerden, ontdekten ze dat dit helemaal geen katoen of viscose was. In plaats daarvan was het polyester, waarschijnlijk afkomstig van de naaigaren die gebruikt waren om de oorspronkelijke kledingstukken te stikken. Deze contaminatie is een bekend probleem in recycling, aangezien polyester niet op dezelfde manier oplost als cellulose. De onderzoekers merkten op dat hoewel dit een hindernis is, het een is die beheerst kan worden met betere sorteer- of scheidingstechnieken voordat het bleekproces begint. De studie concludeerde dat de driestaps sequentie een levensvatbaar pad voorwaarts was. Het slaagde erin een complexe, gemengde afvalstroom te transformeren in een heldere, hoogwaardige grondstof, waarmee bewezen werd dat de kleur van onze weggegooide kleding niet het einde van hun verhaal hoeft te zijn.