废旧纺织品的生态降解.docx

废旧纺织品的生态降解摘要：对目前废旧纺织品的处理方式以及再自然界的降解方式进行了综述。综合各方面因素的考虑发现生态降解是比较适合纺织品的处理的过程，符合生态纺织品的范畴。对常见的一些纤维（棉纤维，羊毛，聚乳酸纤维）进行了介绍，阐述了一些学者的研究成果。研究发现：通知纤维在土壤中讲解要比子啊水浴中降解较快，效果较好。这很可能是因为土壤中细菌种类较多，细菌之间存在相互促进的协同效应。并对生态降解存在的问题进行了总结和展望。目前废旧纺织品回收技术不过关，回收成本较高。在这方面的研究较少，还需要更进一步的探讨和深入的研究。关键词：纺织品 生态降解 降解方式1前言纺织材料生态化已成为全世界关注的发展方向。现有地球上的资源和能源的有限,甚至缺乏条件下,是人们日益重视并着力解决的问题。纤维的生物降解可以说是目前纺织材料或者其他材料比较合理的一种处理方式。纺织行业中若纤维的生物降解中产生有毒、有害的和高能耗的降解产物不仅值得质疑,而且应予以制止。人们是在致力于研究既不影响生态环境,又能生态利用的纤维资源和新纤维1。但绝大多数集中在人体组织工程中生物降解纤维。目前学者多是研究一些课降解的材料，其显见的现象是以可生物降解材料来解决“白色污染”,不仅忽视了降解过程中更为有害的污染,而且忽视了纤维资源的丢失2。本文将重点讨论纺织纤维在生物降解过程中的可生物降解性及其降解的生态性的评价,使人们对纤维材料生物降解的可行性和生态性有客观的认识,并为正确地使用和再生利用纤维资源提供参考。纤维及纤维制品广泛应用在纺织服装、农业、建筑、医疗等领域中,这些产品使用后多数被直接丢弃在自然界中。因此,研究各类纤维在自然环境下的降解具有重要的实际意义。2纤维及纤维制品在自然界中的降解方式纤维及纤维制品广泛应用在纺织服装、农业、建筑、医疗等领域中,这些产品使用后多数被直接丢弃在自然界中。因此,研究各类纤维在自然环境下的降解具有重要的实际意义。在自然界中,纤维及纤维制品的降解方式主要有光降解、化学降解和生物降解,在实际中这三种方式往往综合交叉进行,降解机理具有复杂性、多元性,可以兼有光、热、氧、生物等分解途径的几类或全部3。2.1.1光降解在日光照射下,材料吸收紫外线等辐射能后发生光引发作用,使键能减弱,长链分裂成较低分子量的碎片,聚合物的完整性受到破坏,物理性能下降失去其物理强度并脆化4。较低分子量的碎片在空气中进一步发生氧化作用,最后被彻底氧化为C02和H20。2.1.2化学降解材料接触自然界中酸、碱、氧化、还原等化学作用使分子减小的过程。通常指有机化合物分子中碳原子数目由于共价键断裂而减少的过程。如蛋白质、多糖、脂质等均一或非均一的分解(或水解)。2.1.3热降解热降解也是降解的一种方式,指纤维材料在温度升高时所发生的降解反应。纤维在遇到高温或火焰时,材料发生裂解,逐渐分解为低分子量物质,最终解体5。如聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯热降解。2.1.4生物降解生物降解是通过细菌或其他微生物的酶系活动分解纤维的过程,一般指微生物的分解作用。自然界的生物降解依靠微生物的酶作用,主要发生在土壤、堆肥、河流湖泊、污泥里。这类降解会受到当时环境的温湿度、pH、光照条件、微生物状况以及矿物质养分等的影响6-9。2.1.5降解的其他方式除了上述4种主要的消失方式外,还有一些其他的方式。如自然界中除了微生物能够降解纤维素以外,还存在着降解纤维素的动物,这些动物主要包括食木性的节肢动物以及草食性动物,如白蚁、食木蟑螂、锅牛、线虫等10。3生物降解的定义与过程3.1生物降解生物降解性通常指通过微生物活动使某一物质改变其原来的化学和物理性质,即有机化合物从一种形式生物转化为另一种形式11。根据降解产物的不同,可分为初级降解,即有机物只发生了单一转换;完全降解即有机物被完全无机化,生成出C02等无机物;部分降解则介于两者之间。可生物降解高分子材料是相对通用高分子材料而言的,广义上认为,材料在使用废弃后,在一定条件下会自动分解而消失生物降解材料依靠自然环境中的微生物,如:细菌、霉菌和藻类所释放出的酶降解,使其丧失原来的形态,这是一个自然分解过程,在该过程中有机物转化为简舉的化合物及矿物质,在低分子化的过程中重新进入和参与自然循环。按美国ASTM定义:生物降解高分子材料是指在一定条件下,在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或分解的高分子材料。微生物对高分子材料的生物降解分两步进行,第一步发生在微生物体外,微生物向体外分泌水解酶,从而与材料表面相结合,并通过水解切断表面的高分子链,生成低相对分子质量的化合物(有机酸、低聚糖等)。第二步降解产物被微生物摄入体内,生理代谢后,被微生物体利用,转化为微生物活动能量,并在需氧和厌氧条件下分别转化 C02,H2O 或 CH4,H2S, C02, H2O。生物降解过程主要分为三个阶段:(1)高分子材料的表面被微生物粘附,微生物粘附于材料表面的方式受高分子材料的表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。(2)高分子经过微生物在高分子材料表面上所分泌的酶的作用,通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。(3)微生物吸收或消耗低相对分子质量的碎片,一般相对分子质量低于500,经过代谢最终形成C02、H2S及生物量。3.2降解机制聚合物的降解机理十分复杂,一般认为生物降解并非单一机理,是复杂的生物物理、生物化学作用,同时伴有其他的物理化学作用,如水解、氧化等,生物作用与物理化学作用相互促进,具有协同效应12。微生物侵蚀高分子后,由于细胞的增大,致使高分子材料发生机械性破坏。一般情况下只有极性高分子材料才能与酶相粘附并很好地亲和,因此高分子材料具有极性是生物降解的必要条件。4几种纤维降解性能4.1 羊毛及其生物降解性羊毛属于天然蛋白质纤维,一般来讲,在生物降解过程中,微生物可以通过胞外蛋白水解酶催化,将蛋白质大分子分解成多肽,多肽在肽酶的作用下进一步被分解成氨基酸、NH4等小分子。对羊毛而言,微生物首先破坏其麟片层,进而侵烛纤维内部131415。目前普遍认为,微生物降解角蛋白可分为三个相关的步骤:变性作用、水解用和转氨基作用。微生物降解角蛋白的机理各不相同,因此降解过程中的产物也不相同。对多数角蛋白降解菌如何还原破坏胱氨酸双硫键的机理还不清楚。某些真菌还原双硫键是通过菌丝体表面所分泌的亚硫酸盐及其产生的酸性环境;链霉菌则是通过产生胞内还原酶。然而,不溶于水的角蛋白只能以颗粒的形式存在于胞外。张小英等16人研究了羊毛织物在自然土埋条件下的降解情况,以表面和内部形态结构的变化及纤维力学性能的变化来表征可生物降解性。结果表明:在填埋两个月后,羊毛的鳞片被剥蚀,内部似没受微生物的侵蚀,其力学性能几乎没有变化;在被填埋6个月后,羊毛被完全降解。4.2棉纤维及其生物降解性棉纤维绝大部分由纤维素组成。纤维素是天然高分子化合物,是一种多糖物质。其纤维素纤维的降解机理,目前大多数学者认同的是协同理论该理论认为:纤维素降解是由EG (内切葡聚糖酶)、CBH (外切葡聚糖纤维二糖水解酶)和CB (纤维二糖酶或P-葡萄糖苷酶)共同作用的结果。其酶反应的顺序机理:内切葡聚搪酶首先进攻纤维素的非晶区,形成外切纤维素酶需要的新的游离末端,然后外切纤维素酶从多糖链的非还原端切下纤维二糖单位,(3-葡萄糖苷酶再水解纤维二糖单位形成葡萄糖。Hageun Su等17利用活性污泥进行聚合物分解发现,棉纤维2天后 始溶解,10天后无纤维结构破坏并释放大量C02,14天后全部溶解,2个月后有藻类生长,质量和强度损失均在20天达到100%。棉纤维属于天然纤维素纤维,国内外的研究表明其具有良好的生物降解性能，可100%生物降解且降解周期较短,4.3 PLA及其生物降解性能聚乳酸(PLA)是一种人造的可生物降解纤维,是对环境友好的脂肪族聚酷类高分子材料,它以谷物如淀粉、纤维素等发酵得到的乳酸单体为原料聚合而得。PLA的降解不同于纤维素等天然聚合物,它不能由酶直接催化反应,在自然条件下需先发生水解,使其相对分子质量降低,分子骨架破裂,形成相对分子质量较低的物质,而且这一水解过程首先发生在非品区和品区表面18。这些最先形成的相对分子量较低的组份到一定程度方可以进一步在酶的作用下产生新陈代谢作用而使降解过税得以完成。聚乳酸降解可分为简单水解(酸碱催化)降解和酶催化水解降解。从化学角度看,主要有3种方式降解:(1)主链降解生成低聚体和单体;(2)侧链水解生成可溶性主链高分子;(3)交链点裂解生成可溶性线性高分子。本体侵烛机理认为聚乳酸降解的主要方式为本体侵蚀,根本原因是聚乳酸分子链上酯键的水解。聚乳酸类聚合物的端梭基(由聚合引入及降解产生)对其水解起催化作用,随着降解的进行,端梭基量增加,降解速率加快,从而产生自催化现象。一般而言,聚乳酸制品的内部降解快于表面降解,这归因于具端梭基的降解产物滞留于样品内,产生自加速效应。目前研究者主要采用土壤填埋降解和水浴培养降解两种方式19，土壤降解工艺简单，但是受环境影响较大，受土壤的条件，温度的变化以及环境中的水分和紫外线的强度等都会影响他的降解。水浴培养过程的重复性相比较而言，重复性较好。但是降解的效果较差，工艺较复杂。有学者研究了同种纤维不同降解方式下的降解情况，发现两种降解条件下同种纤维的降解程度为土壤条件水性培养液条件20。这可能是因为土壤中细菌种类繁多，种群之间的相互促进其生长降解，或者促进其代谢产物的产生，有利于纤维的降解21。土壤填埋也是目前使用最多的方法。5展望生物降解是一个复杂的过程,涉及物理、化学、生物方面的反应,对纤维降解性能的表征和生态性的评价又涉及到材料、环境等学科的交叉。纺织品废弃物的处理作为关乎生态环境的问题,研究的深入展开将需要更多的相关知识。就本文的工作而言,由于作者学识水平和知识能力及时间的限制,许多工作也仅仅是刚刚起步。以下一些工作值得进一步展开:(1)实验的可重复性需要提高生物降解实验的实验环境的可控性差,如实验釆用的土壤不同,微生物含量等差异较大,实验的可重复性不高,尤其是对纺织品生物降解方面没有相关的标准。本文采用的是纤维,对于不同纺织品形态如衣服、纱线或纤维,纯纺、混纺、织机物、针织物、非织造等的不同对降解性能的影响还需要做进一步的研究。(2)强化综合评价体系生物降解对纤维是物理、化学、生物综合作用的一个过程,单一就某一个指标来评价纤维的降解性能不够全面,因为纤维降解的各项指标的变化并不是同步的。对于一种材料的生物降解性的评价,最好能针对其用途、用后废弃的场所,同时使用多种降解环境体系和测试方法,并加以比较。材料废弃于自然界中,环境在变化,微生物物种及其分布也在变,这些都给制定能够真实模拟其实际降解行为并维持测定条件恒定、重现性良好的方法标准带来了极大的困难。为克服此问题,一般用由各种方法获得的多项指标来综合权衡,因而多样化发展测试环境体系和方法仍是研究方法标准的长期目标。(3)加速降解,对降解全过程进行检测目前降解方法中,生物降解周期太长,许多方法的试验结果仅仅能说明材料在初期是否能被微生物降解,而并不能说明微生物降解的程度如何,是否能完全降解,降解对环境的影响等,因此实际中具有有很大的局限性。故后续工作中需要研究加速减速降解或等效降解的实验方案。6参考文献1那大海,宋春雷,莫志深.可生物降解聚合物的现状及生物降解性研究J.功能高分子学报.2003; 16(2):423-427.2房宽峻.纺织品生态加工技术M.北京,中国纺织山版社,2001.3Crepy L,Chaveriat L,Banoub J.Synthesis of cellulose fatty esters as plastics-influence of the degree of substitution and the fatty chain length on mechanical propertiesJ.Chem. Sus. Chem. 2009 (2):165-170.4张远,陶树明,邱小云,金可默,胡树文.生物降解塑料及其性能评价方法研究进展m.化工进展. 2010, 29 (9):1666-1674.5杨金水,黄建新,倪晋仁.动胶菌发酵生产可降解塑料PHASJ.化工进展,2005,24(9):1033-1036.6黄海尔,赵良启.新型生物可降解塑料-多聚羟基烷酸研究进展J.生物技术,2002,12(5):48-49.7Ray S,Bousmina M. Biodegradable polymers and their layered silicate nanocomposites J. Progressin Materials Science. 2005,50 (8) :962-1079.8Park B,Chen Y R,Hruschka W R. Near-infrared reflectance analysis for predicting beef longissimus tenderness J.Joumal of Animal Science, 1998,21:15-209William H, Stahl, Bernard McQue. Studies on the Microbiological Degradation of WoolJ. Textile Research Journal. 1950:570-579.10Brady D,Duncan JR. Scanning electron microscopy of wool fibre degradation by Streptomyces bacteriaJ. S.Afr.J.Anim,Sci. 1990; 20(3):136-140.11Suh H, Duckett K, Bhat G. Biodegradable and Tensile Properties of Cotton CelluloseJ.Textile Research Journal. 1996; 66:230.12潘忐娟,纤维素织物的生物降解性J.国外丝绸.2009; 2:18-21.13谭盈盈,郑平.角蛋白的微生物降解与利用J.中国沼气.2001;19:30-34.14R P, Doble M. Biodegradation of polymersJ