《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Extraction of parent compounds from non-textile polyester buttons using pyrolysis technology
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热解技术回收纺织废弃物中塑料纽扣的原化合物，实验室固定床反应器研究470-530°C下产物分布及成分。结果表明气体（47.7-55.6wt.%）、液体（36.3-41.8wt.%）、炭层（8.2-10.5wt.%）为主产物，470°C时油产量最高达41.8wt.%，含乙醇和苯乙烯，炭层含碳及氧元素。
萨米·尤塞夫（Samy Yousef）|尤斯塔斯·埃蒙塔斯（Justas Eimontas）|英娜·皮塔克（Inna Pitak）|涅里尤斯·斯特里乌加斯（Nerijus Striūgas）|凯斯图蒂斯·扎卡拉乌斯卡斯（K?stutis Zakarauskas）
立陶宛考纳斯工业大学机械工程与设计学院生产工程系，LT-51424 考纳斯，立陶宛
摘要
聚酯塑料纽扣（PBs）在纺织废料中占非纺织成分的最大比例，回收其原始化合物对于提高纺织行业的循环性和可持续性至关重要。本研究通过热解技术对这些化合物进行了回收利用。在实验室规模的固定床反应器中，分别在470°C、500°C和530°C下对PBs进行了热化学转化，以确定最大化液体产物（油和冷凝物）产量的最佳条件。使用GC/MS和GC-TCD方法观察了温度对油、冷凝物组分及非冷凝气体组成的影响。此外，还利用SEM-EDX和FTIR技术监测了所得炭的形态和成分变化。结果表明，气体是主要产物（47.7-55.6 wt.%），其次是液体（36.3-41.8 wt.%），最后是炭（8.2-10.5 wt.%）。在470°C时获得了最高的油产量，且随着温度的升高，油的产量逐渐减少；而气体的产量则呈现相反趋势。GC/MS分析显示，在135.5%（500°C）至41.47%（470°C）的范围内，油组分中主要成分是乙醇和2-[4-(1,1-二甲基乙基)-2-甲基苯氧基]，同时含有少量苯乙烯（最高达16.92%）。在19.35%（470°C）至44.68%（500°C）的范围内，苯乙烯主要存在于冷凝物组分中，同时还含有大量邻苯二甲酸二乙酯（最高达32.26%）。GC-TCD结果显示，在500°C时，CO、CH4和H2是气体产物中的主要可燃气体。SEM-EDX分析表明，炭主要由碳和氧组成，其中还含有少量在纽扣生产过程中添加的金属元素，这些元素有助于提高产品的稳定性和耐久性。这些结果表明，热解工艺可以用于处理PBs并从中提取芳香族化合物、邻苯二甲酸二乙酯（增塑剂）和苯乙烯（原始化学成分）。
引言
近年来，纺织废料引起了各方的广泛关注，据估计每年产生的纺织废料量高达1500亿件[1]，这些废料在2019年产生的二氧化碳当量超过700万吨[2]。除了会释放大量微塑料纤维进入海洋，破坏海洋生态平衡[3]外，纺织废料还含有丰富的天然和合成纤维（如棉、聚酯、羊毛、丝绸等）[4][5]，如果采用适当的回收技术，这些纤维可以成为有价值的资源[6]。随着人们开始开发新的环保解决方案来回收这些材料（无论是天然纤维、合成纤维还是副产品和能源产品[7]），制造商意识到必须先去除织物中的非纺织成分（如拉链、纽扣等）。这些非纺织成分具有不同的组成和形状，通常以固态形式存在[8]，与柔软灵活的织物不同。这些固态成分的存在会影响回收效率及回收材料的质量。为了解决这一问题，人们开始开发自动化技术来分离非纺织部件[9]，并建立先进的基础设施和系统，利用数字识别技术和人工智能对纺织废料进行分类[10]。得益于锯齿机、清洗滚筒和涡流分离器等先进设备，非纺织成分已不再是纺织废料回收的最大障碍。此外，最近还开发了一些先进的化学和酶法回收工艺，可以将纤维分解到分子层面，通过过滤（浮选和沉降）轻松分离纽扣、拉链等杂质，只需进一步投资即可[11]。
对于不含非纺织成分的织物回收，近年来开发了许多现代技术，包括机械预处理以及热处理和化学处理[12][13]。热处理（如热解和气化）可将织物转化为清洁的油、气体燃料甚至氢能源[14][15]；化学处理则可通过浸出、溶解和生物浸出等步骤回收纯纤维[17][18]。高性能发酵方法也被用于纤维素的生产[19]。这些方法在回收材料的质量及其环境和经济性能方面取得了良好效果[20][21]。这些举措有助于减轻垃圾填埋场和焚烧的压力，后者通常处理了80%以上的服装废料，导致大量的碳排放、能源消耗和纤维损失[22]。随着纺织废料中非纺织成分问题的逐渐解决，非纺织废料的管理成为了一个亟需解决的挑战。旧纽扣是纺织废料管理中最棘手的非纺织成分之一。纽扣通常由塑料（尼龙和聚酯树脂）、金属（铝和不锈钢）以及天然材料（木材、竹子、骨头）制成[8][23][24]。衣物使用寿命结束后，非纺织成分会被分离出来，高质量成分可重新利用，低质量成分则进行其他处理：金属纽扣会被熔化并用于采矿过程[25]。虽然天然纽扣可生物降解且易于处理，但由于机械性能不佳和保质期较短，其数量较少[24]。塑料纽扣由于不可生物降解且成本较低、性能更好、使用寿命更长，成为最大的处理难题[8]。由于缺乏有效的回收途径，旧塑料纽扣通常作为城市固体废物被焚烧，这对环境和公共健康造成严重影响[26]。
在探索最大化利用塑料纽扣的新方法时，研究了热解工艺在纽扣处理中的可行性及其基本分解特性[23]。使用热重分析仪（TGA）进行的分析表明，纽扣在470°C下可完全分解，活化能为449 kJ/mol。聚酯纽扣热解产生的蒸汽中，苯乙烯（84.54%）是主要成分，这表明热解技术在将纽扣分解为其原始化学成分（富含苯乙烯的产物）方面具有巨大潜力，这些成分可重新用于生产新聚合物（尤其是聚苯乙烯[27]）。文献中还广泛研究了聚酯在不同形式下的热解特性（树脂[28][29]、织物[30][31][32][33]、混纺织物[34][35]、纤维[36]、颗粒[37]、基于聚酯的复合材料[38]和涂层[39]）。通过分析、基准和试点规模反应器测量和分析了其基本性质、动力学、生产率和组成，证实热解技术对聚酯安全处理具有显著作用。此外，该技术还显示出回收塑料拉链（另一种非纺织成分）的高潜力[40]。此外，还研究了在ZSM-5催化剂作用下纽扣的催化热解对分解机制和气体组分的影响，发现该技术能有效降低活化能（263 kJ/mol）并减少反应复杂性，同时将苯乙烯这种有毒元素转化为苯甲酸（73%）[41]。然而，催化热解仍处于早期阶段，且催化剂消耗量较大（20 wt%），可能影响最终热解产品的成本。尽管这些基础特性和动力学对于工业反应器的设计至关重要，但它们仍不足以提供未来扩展、商业化和投资所需的信息，特别是在回收产物的产量、组成和最佳操作条件方面。因此，本研究旨在使用实验室固定床热解装置研究聚酯塑料纽扣（PBs）的热转化特性，以确定最佳操作温度及其对热解产物产量和组成的影响。
塑料纽扣的制备与表征
实验中使用的塑料纽扣（约1公斤）购自立陶宛考纳斯的纺织品装饰店。为确保纽扣成分的一致性，我们确保纽扣是全新的、未使用过的，并且来自同一生产批次，具有相同的形状和大小，从而保证收集到的纽扣成分一致（见图1A）。
产物分布
完成塑料纽扣的热分解后，在指定温度下获得了三种产物（气体、液体和碳），但产量不同（见表2）。这些产物的产量基于液体组分（油和冷凝物）和炭的质量平衡计算得出，气体产量的确定则使用了相关公式[1][2][3][48]。
结论
本文提出了一种环保的热解技术，用于处理旧聚酯塑料纽扣（PBs）并回收其原始化学成分。实验在470°C、500°C和530°C下进行，随后利用GC/MS、GC-TCD、SEM-EDX和FTIR技术观察了分解温度对热解产物的影响。结果显示，在470°C时获得了最高的油产量（41.81 wt%）。
作者贡献声明
萨米·尤塞夫（Samy Yousef）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件使用、资源协调、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。
英娜·皮塔克（Inna Pitak）：数据分析。
涅里尤斯·斯特里乌加斯（Nerijus Striūgas）：研究实施、数据分析、概念构思。
凯斯图蒂斯·扎卡拉乌斯卡斯（K?stutis Zakarauskas）：资源协调、数据分析、概念构思。
尤斯塔斯·埃蒙塔斯（Justas Eimontas）：资源协调、方法论设计。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
致谢
本项目获得了立陶宛研究委员会（LMTLT）的资助，协议编号为S-MIP-23-118。
