迈向纺织工业环保：一种森林副产品的生物质增值作为多功能整理剂

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Towards environmental protection in textile industry: Biomass valorisation of a forest by-product as a multi-functional finishing agent

　　

**摘要**

纺织工业消耗大量有毒物质和水资源，被认为是污染最严重的行业之一，仅次于石油行业。为缓解这一问题，将林产副产品用作纺织品染色过程中的天然染料，不仅是一种前景广阔的绿色化学理念，还能够在更大程度上提升消费者的关注度，促进行业朝着更加可持续和社会负责的方向发展，并实现持续改进。因此，本研究旨在探索利用 Danae Racemosa 作为新型染料来源的可能性，因其具有生物活性植物成分活性。为改善纤维素材料与 D. Racemosa 染料之间较差的亲和力，本研究开发了一种新方法，使用单宁酸作为生物媒染剂。通过方差分析（ANOVA）发现，所建立的二次回归模型在统计上显著，R2 值为 0.94，F 值为 35.56。最佳条件为染料浓度 95%、明矾 3.5%、醋酸 3.7%、单宁酸 16%、沸水温度和染色时间 60 分钟，所得预测的 K/S 值高达 6.04。研究结果表明，虽然单宁酸生物媒染剂能够提升染色性能，但 D. Racemosa 提取物作为棉织物染色的新染料来源，还能进一步表现出可接受的耐久性（4）和耐光性（4.5）、抗氧化活性（79.36%）、舒缓眼睛的色调和色泽。通过 FESEM 和 FTIR 分析对生物媒染剂、染料和棉大分子之间官能团的化学相互作用与固定以及随后稳定络合物的形成进行了评估。基于上述结果，所提出的工艺为减少纺织工业和林产副产品引发的环境污染提供了一种有吸引力的选择。

**引言**

纺织工业是全球最古老的必要工业部门之一，但其现状是污染严重且资源浪费的。如今，时尚产业迅速扩张，以极高的生产速度制造低质量、新设计的服装。这加速了纺织品的过度生产和过度消费，同时伴随着废弃物的增加。纺织印染和后整理行业产生大量废水，需要大量水资源，并排放大量污染废水。众所周知，纺织行业每年产生 12 亿吨二氧化碳当量，是全球第二大污染行业 [1]。除二氧化碳排放外，服装消费和纺织品生产的急剧增加也被认为存在诸多弊端，如每年产生超过 9200 万吨废弃物、消耗能量和 79 万亿升水资源 [2]，以及大量使用有机染料、重金属、致癌芳香化合物和其他有毒物质 [3][4][5][6]。不幸的是，许多这些有害物质被直接排放到环境中 [7]。因此，纺织行业对环境污染的担忧日益加剧，未来工业对严重环境影响的敏感度越来越高。为避免这些顾虑并促进循环经济，应充分评估和合理利用绿色生物基材料，特别是与环保材料化相关的方面仍存在诸多挑战。降低纺织相关有害影响的主要途径之一是将染色工艺从合成材料转向绿色材料。在绿色生产理念的背景下，天然染料已受到全球关注，因为它们具有抗微生物效力、阻燃、紫外线防护、除臭、可生物降解和改善纺织品性能等优点 [8][9][10]。

尽管近几十年来，对纺织染色过程中使用可持续染料的研究受到了大量关注，但关于森林和园林废弃物在纺织品生物后整理中应用的评估报告却少之又少。最近，一些研究人员研究了这些废弃物生物质材料在纺织品天然染色中的应用，展示了采用循环方法的环境和经济效益。例如，R?is?nen 等人 [11] 评估了用从森林蘑菇 Cortinarius semisanguineus 中提取的生物染料对再生纤维素纤维的染色性能。他们得出结论，可持续性目标强烈支持寻找可持续染料、纤维及其在长寿命产品中的应用，而染料生产与林业和农业产业的结合也支持了这一新兴领域。通过超声辅助程序对 C. Oblonga 叶片以及漆树和香蕉壳的分析也证实了丰富的酚类基团的存在，这些基团可以作为完整作物产品用于生态友好的纺织染色工艺。据报道，它们还具有良好的紫外线防护效率，能够保护人体皮肤免受紫外线辐射产生的脂质过氧化的侵害 [12]。榅桲叶水提取物也被用于羊毛纤维染色，并评估了其抗菌活性 [13]。此外，桃花心木废料被认为是有机非织造棉织物着色的安全染料，可能是纺织行业合成染料的可靠替代品 [14]。值得注意的是，Sun 等人 [15] 专注于从植物渗出液中提取染料。他们从 Garcinia Morella 渗出液中提取了一种新型天然染料，并探索了其在棉织物染色中的潜在应用。此外，百里香是另一种森林和园林植物，通过索氏提取法用于棉和羊毛织物的染色。由于染色样品的抗微生物活性结果令人满意，该方法染色的织物可用于医疗保健领域 [16]。此外，从栎树（Quercus coccifera L.）果实中提取了一种天然染料，用于在有无不同媒染剂的情况下替代合成染料对羊毛进行染色。获得了从浅色到深棕色的广泛色域 [17]。Zuber 等人 [18] 研究了在微波辐射作用下从印楝（Azadirachta indica）树皮中提取染料（单宁），用于在姜黄、指甲花、石榴和阿拉伯胶等更清洁的生物媒染剂存在下对丝绸织物进行染色。结论认为，微波辅助提取不仅提高了从印楝树皮中提取单宁的效率，还改善了低条件下的色度特性 [18]。

为解决这些环境问题，在研究潜在森林和园林废弃物期间，我们遇到了一种植物，称为 Danae Racemosa（英文名为"Alexandrian Laurel"，波斯语名为"Hamishak"），主要种植于从叙利亚到南高加索和伊朗的山地。它属于天门冬科，常用于鲜花装饰中因其观赏性绿色叶片。

D. Racemosa 提取物的化学成分已在文献中有报道。它含有重要的芳香植物化学物，有潜力作为纺织染色过程的天然染料来源。黄酮类化合物是 D. Racemosa 颜色的来源，目前已报道槲皮素和山柰酚两种主要黄酮类化合物是其提取物中的主要着色成分 [19][20]。由于它可作为生物活性化合物和独特发色体的宝贵来源，因此可以作为染色过程中合成染料的环保无毒替代品。然而，目前尚无关于 D. Racemosa 在天然染色工艺中应用的研究报告。

在服装领域，棉花是最广泛认可的材料之一，由于其透气性、耐久性、视觉吸引力、天然舒适性、可生物降解性和价值等特性，具有众多应用前景 [21]。它是一种多用途的纤维素纤维，表面带有负电荷。棉纤维在天然染色过程中染料吸收率低是由于其表面电荷所致。为改善棉的天然染色性能，金属媒染剂被广泛使用。这些材料是重金属盐，其排入废水会对环境和公共健康造成严重问题；它们显然不符合当代可持续性要求。在此背景下，单宁酸可以作为生物媒染剂，因其多酚结构活性可用于纺织染色过程，以环保方式减少废水污染 [22][23]。

基于上述目标和考虑因素，本工作提出了一种绿色纺织染色的新方法，利用 D. Racemosa 作为富含生物成分的新型染料用于棉织物的生物后整理过程。此外，还评估了单宁酸作为生物媒染剂对染色性能的影响。同时评估了独立染色因素对工艺性能的影响，并使用响应面法（RSM）优化了染色工艺。RSM 是一种统计和经验工具，用于确定工艺参数对响应值的主要影响，并建立良好的统计模型以预测后整理工艺和优化工艺条件。它旨在以最少的试验次数减少时间、化学品和资源成本 [24]。

此外，通过 UV-VIS 和 FTIR 光谱的组合鉴定了 D. Racemosa 提取物中酚类化合物的表征。所制备的样品还在反应机理、表面形貌、色牢度、抗氧化性能和比色行为方面进行了测试。据作者所知，此前从未有人将 D. Racemosa 提取物作为棉织物染色过程的天然后整理剂进行研究。本工作的发现可被视为建立纺织工业可持续生产的绿色工艺以及开发医用和卫生相关纺织品的第一步。

**分段片段——材料**

本研究使用了漂白平纹机织棉织物，重量为 157 g/m2，采用气流纺系统，纬密（24 根/cm），经密（27 根/cm），纬纱支数（29 特），经纱支数（28 特）。本工作中使用的 D. Racemosa 叶片采集自伊朗吉兰省。叶片用蒸馏水清洗以去除灰尘和附着的土壤，然后在荫蔽处干燥以减少水分含量。干燥后，将叶片粉碎成粉末。

**D. Racemosa 提取物分析**

D. Racemosa 水提取物的 UV-VIS 光谱（200–700 nm 范围）如图 2 所示。提取物在 4000–400 cm?1 范围内的 FTIR 光谱也显示在该图中。

从 FTIR 光谱中可以看出，显现了多酚化合物的典型重要特征带：3700–3100 cm?1 处的宽峰对应氢键合的 O-H 伸缩振动，2080 cm?1 处的弱振动与腈类化合物的氰基和硫氰酸根离子相关，具有多重 C≡N

**结论与后续研究**

本工作报告了一种安全的方法，即应用单宁酸和源自 Danae Racemosa 的生物活性化合物对棉基材进行后整理，用于纤维素纺织品的生态功能化处理过程。使用 BBD 响应面法评估并优化了工艺变量对棉染料吸收的影响。研究结果表明，所有线性项、明矾和单宁酸浓度的二次效应以及明矾-单宁酸相互作用项均显著。

**致谢**

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何专门资助。

**作者贡献声明（CRediT）**

Somayeh Baseri：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、可视化、验证、监督、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念构思。

**利益冲突**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Somayeh Baseri
Semnan 大学纺织设计与印染系，伊朗 Semnan，邮编 35131-19111