索尼娅·萨尔蒙是纤维素的忠实粉丝，这就是她想要破坏它的原因。“我喜欢纤维素，”她说。“我正在分解纤维素，因为我喜欢它。”
她也在分解纤维素，因为这种聚合物天然存在于木材和棉花中，占纺织品制造中使用纤维总量的四分之一。这意味着，为了尽可能长时间地保持服装和织物在循环经济中的一部分，任何回收服装和织物的努力都必须包括处理所有这些纤维素的方法。
萨尔蒙是罗利市北卡罗来纳州立大学威尔逊纺织学院的聚合物科学家，她正在研究分解废弃纺织品中的纤维素并重新利用它。许多服装面料是由一半涤纶和一半棉花混合而成的——棉花和涤纶的单根纤维紧密地缠绕在一起，形成纱线，然后编织或针织成服装。机械地拆开这种结构具有挑战性，因此萨尔蒙用纤维素酶处理它，纤维素酶是一组分解纤维素的酶。“我们可以把它咀嚼成足够小的分子和碎片，使其实际上从织物的其余结构中脱落，”萨尔蒙说。
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她的重点是表征分解过程中产生的材料，并研究它最适合用于什么。例如，酶将纤维素分解成葡萄糖，葡萄糖可以用作制造生物燃料的原料。它们还留下微小的棉纤维块，可以为混凝土提供轻质增强。“即使棉纤维不再足够长，无法直接将其纺回纱线，我们认为该材料具有价值，”萨尔蒙说。
这种思维方式与目前处理旧衣服和纺织品（如室内装潢织物和地毯）的方式大相径庭。根据艾伦·麦克阿瑟基金会（Ellen MacArthur Foundation）的数据，全球只有 13% 的服装制造材料被回收利用。该基金会是英国考斯的一个推广循环经济的组织。每年产生的大部分纺织废料——仅时尚界估计就有 9200 万吨——最终被掩埋或焚烧。“我们把东西扔进垃圾填埋场，然后像对待垃圾一样对待它，”萨尔蒙说。“我们没有把它看作实际上可以重复利用的原材料。” 美国环境保护署估计，2018 年美国人均丢弃 47 公斤纺织品。其中约四分之三（36 公斤）是衣服和鞋类，其余主要是毛巾、床上用品、家具织物和地毯。与此同时，资源被消耗来创造原始材料（参见“线数”）——水和土地用于种植更多的棉花，石油用于制造更多的聚酯（参见“回收聚酯”）。
为了应对所有这些浪费，研究人员和初创公司正在开发回收和再利用材料的方法。与萨尔蒙类似，他们的大部分重点是化学回收，即将材料分解成其基本组成部分，并用于制造新材料，包括可以编织成新衣服的纤维。挑战在于开发用于此类处理的工艺。它们必须是实用的，但它们也必须至少与简单地制造新纤维一样具有成本效益。
来源：K. Niinimäki 等人。《自然评论·地球与环境》。1, 189–200 (2020)。
纺织新线
除了来自棉花的天然纤维素纤维外，一些纺织品还包括人造纤维素纤维。这些纤维来源于木浆纤维素，可用于制造粘胶纤维（人造丝）和一种名为莱赛尔的类似材料。根据德克萨斯州拉梅萨市的纺织品交易所（一个推广环保材料的非营利组织）的数据，纤维素纤维约占所有纺织纤维产量的 6%。
西雅图一家初创公司 Evrnu 正在将莱赛尔制造工艺的一种变体应用于纺织品废物问题。该公司对该工艺进行的一项重大改变是，它使用废弃纺织品而不是木材作为其纤维素的来源。它还调整了工艺，生产出一种纤维，该公司联合创始人兼总裁克里斯托弗·斯坦尼夫表示，这种纤维优于其他纤维素和棉花，并且可以回收更多次。“我们可以用棉花制造出比木浆纤维更坚固的纤维，”纺织工程师斯坦尼夫说。
与标准莱赛尔工艺一样，原材料用N-甲基吗啉-N-氧化物 (NMMO) 处理，这是一种溶解纤维素的有机化合物。这会产生浓稠的纸浆，然后进行过滤。此时，传统工艺将涉及将纤维素通过称为喷丝头的装置挤出——首先进入空气中，然后进入主要由水组成的凝固浴中，在其中材料凝固成纤维。然而，Evrnu 在挤出纤维素分子之前将其转化为液晶，使其彼此对齐并产生更结晶的纤维结构。
回收聚酯
纤维素不是研究人员想要重复使用的唯一聚合物——他们还将目光投向了聚酯
聚酯是来源于石油的一系列聚合物的通用术语，但它主要指聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。在全球范围内，PET 聚酯约占所有纺织品中纤维的一半。棉花占四分之一，其余由其他植物基纤维组成，例如亚麻和大麻；动物产品，例如羊毛和羊驼毛；其他合成纤维，包括腈纶和尼龙；以及人造纤维素纤维。
与棉花一样，PET 聚酯可以纺成新的纤维，但重新纺制的纤维会随着重复循环而变得更短更弱。然而，与棉花不同，聚合物可以分解成构成它的更简单的分子，然后可以将这些单体重新构成新的聚合物。北卡罗来纳州立大学罗利分校的聚合物科学家索尼娅·萨尔蒙说，从废弃的 PET 开始，有可能创造出本质上是原始的材料——一种与石油制成的 PET 没有区别的材料。然而，PET 非常稳定，因此将其还原为单体很困难。
一些科学家正在开发可能能够处理这些分子的酶。2016 年，一个团队发现了一种可以分解 PET 的细菌（S. Yoshida 等人。《科学》 351, 1196–1199; 2016），此后科学家们开发了其他酶来降解它（J. Egan & S. Salmon SN Appl. Sci. 4, 22; 2022）。西雅图 Evrnu 的联合创始人克里斯托弗·斯坦尼夫说，除了分解纤维素的主要重点外，这家初创公司还在研究分解 PET 和聚氨酯以及分离聚酯-棉混纺物的工艺。
“通过这样做并拥有相当结晶的组织结构，您可以提高强度，并且还可以设计这种纤维的性能，”斯坦尼夫说。他说，这种纤维比标准莱赛尔纤维强约 20%，而莱赛尔纤维本身就比棉花强。
这种质量转化为由该纤维制成的织物的更长寿命，以及可以多次再生的纤维。每次分子经过回收过程时，它们都会变得更短更薄。但斯坦尼夫说，由于它们的初始强度更高，因此相同的材料应该能够再生至少五次，然后才会变得比原始棉纤维更弱；该公司实验室的一些测试表明，该材料最多可以回收十次。这比纸张的回收次数更多，纸张只能回收 5-7 次，之后纤维就会变得太短，无法制成可用的新产品。
Evrnu 正在德国和美国其他地方的合作伙伴公司进行试点项目，以证明其工艺可以生产织物。它希望一家更大的纺织公司随后会想要许可这项技术。目前，它正在使用 NMMO，因为该化合物很容易获得，但斯坦尼夫希望最终改用离子液体——一种在 100 °C 以下是液体的盐——它比 NMMO 化学性质更稳定，并且更能耐受污染物。该公司尚未针对生产工艺优化任何此类液体。
然而，一家芬兰公司正在与由其创始人之一、芬兰埃斯波市阿尔托大学的物理化学家赫伯特·西克塔开发的离子液体合作。Ioncell（公司和工艺的名称）使用的液体是一种超碱，一种高度碱性的物质，可破坏纤维素分子中的氢键。与使用 NMMO 时的方式相同，该工艺会产生纸浆，可以通过喷丝头进料以制造新的纤维素纤维。NMMO 往往不稳定，需要添加缓冲溶液，但离子液体不需要。西克塔说，他的离子液体也是完全可回收的，这使得该工艺既环保，又能生产出比棉花具有更好机械性能的纤维。
Ioncell 工艺可以使用木浆，西克塔说，这被认为是循环经济的一部分，因为原材料来自芬兰的可持续森林——这些森林的管理方式是增长速度超过移除量。“我们的大学有一个庞大的纺织品设计团队，因此我们可以处理木材、生产纸浆、将其转化为纤维、将其转化为纱线、将其转化为织物、设计服装，并在时装秀上展示服装，”西克塔说。该工艺还可以接受纺织品废物，将旧衣服变成新衣服。Ioncell 已经建立了一个试点工厂，目标是在大约两年内评估其工艺在现实世界中的效果。
成本问题
亚特兰大佐治亚理工学院的材料工程师王友江表示，尽管技术挑战比比皆是，但纺织品广泛回收的主要障碍可能是经济方面的。“大多数材料没有那么有价值，”王说。生产聚酯、棉花和其他织物的成本非常低廉，除非回收工艺非常便宜，否则几乎没有利润空间。
除了少数私人服装捐赠团体外，还缺乏用于收集和分类旧纺织品的基础设施。一件衣服中复杂材料的混合——不仅是不同的天然纤维和合成纤维，还有染料和化学涂层、纽扣和拉链，以及任何非织造添加物，如皮革或乳胶——必须分开才能处理各个组件。
王认为，政策制定者应该考虑将旧衣服回收利用，不是为了制作新衣服，而是为了制作其他有用的（如果价值较低）产品。例如，纤维可以被粉碎用作土壤稳定剂，或者纤维素可以分解成葡萄糖，葡萄糖可以转化为燃料。即使燃烧聚酯来获取能量也比从地下抽出更多的石油来发电要好。“这听起来不是很高端，但总的来说，你确实从中获得了相当大的好处，”王说。
王说，循环经济应被视为在可以重复使用其他产品时，尽可能减少原始材料创造的一种方式。“如果你真的想让回收利用对环境更好，而不仅仅是为了宣传，那么我们需要开发更多的技术，以便你可以尽可能多地使用你收集到的东西，”他说。“这将使整个循环更加循环。”
本文是《自然瞭望：循环经济》的一部分，这是一个由编辑独立完成的增刊，由谷歌提供财政支持。关于此内容。