Characterization of foam properties for optimized surfactant performance in the flotation separation of polyester and cotton fibers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Master's thesis
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Language
en
Pages
83
Series
Abstract
Globally, the most manufactured fiber blend is so-called ‘polycotton’, a mixture of synthetic polyester fiber and natural cotton fiber. Unfortunately, recycling of fiber blends is particularly problematic, as the fibers must be separated from each other before recycling, which is challenging due to their inherently different properties. The methods used for separating these fibers are often expensive, consume a lot of harmful chemicals, and degrade the quality of the separated fibers. Flotation is a non-destructive, scalable separation method that has been established especially in the mining industry, recycled paper deinking, and wastewater treatment. The method is based on the surface chemical differences of the particles to be separated: hydrophobic particles can be separated from hydrophilic ones by enriching them into foam using air bubbles and surfactants. Since polyester fibers, which are mainly produced from polyethylene terephthalate (PET), are hydrophobic whereas cellulosic cotton fibers are hydrophilic, flotation could be considered an ideal approach for their separation. The aim of this research was to identify the main foaming and foam structure properties that enable efficient and precise separation of PET and cotton fibers using flotation. Three different surfactants were selected for the study, and their foamability, foam stability, and foam structure were investigated at varying concentrations and compositions in a two-phase system (gas-liquid). Based on the results, four systems with the most varied foaming properties possible were selected to perform flotation experiments for separating PET fibers from cotton fibers. The best PET recovery (~72%) and grade (~88%) were achieved with three out of the four selected surfactant systems. This indicates that the foam properties of the selected two-phase systems do not have a significant effect on the selectivity or efficiency of PET and cotton fiber flotation separation. However, the results suggest that when selecting surfactants, their surface activity should be considered in relation to the critical surface tension of the fibers to be separated. Overall, the results demonstrate that although further research is needed to optimize the process, flotation as a separation method is a promising and viable option for recycling polyester and cotton fiber blends.Globaalisti eniten valmistettava kuitusekoite on niin kutsuttu ’polycotton’, eli synteettisen polyesterikuidun ja luonnollisen puuvillakuidun sekoite. Valitettavasti kuitusekoitteiden kierrätys on erityisen ongelmallista, sillä ennen kierrätystä kuidut pitää erottaa toisistaan, mikä on hankalaa niiden erilaisten ominaisuuksien takia. Kuitujen erotukseen käytettävät menetelmät ovat usein kalliita, kuluttavat paljon kemikaaleja, sekä heikentävät erotettavien kuitujen laatua. Flotaatio, eli vaahdotus, on ei-tuhoava ja skaalattava erotusmenetelmä, joka on vakiintunut erityisesti kaivosteollisuuden, kierrätyspaperin musteenpoiston ja vedenpuhdistuksen parissa. Menetelmä perustuu erotettavien partikkeleiden pinta-kemiallisiin eroavaisuuksiin: sen avulla voidaan erottaa hydrofobiset partikkelit hydrofiilisistä rikastamalla ne vaahtoon ilmakuplia ja pinta-aktiivisia aineita käyttämällä. Koska polyesterikuidut, jotka valmistetaan pääosin polyetyleenitereftalaatista (PET), ovat kemiallisen rakenteensa vuoksi hydrofobisia ja selluloosapohjaiset puuvillakuidut hydrofiilisiä, teoreettisesti flotaatio sopii erinomaisesti niiden erotukseen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa tärkeimmät vaahtoamis- sekä vaahdon rakenteen ominaisuudet, jotka mahdollistavat PET- ja puuvillakuitujen tehokkaan ja tarkan erotuksen flotaation avulla. Tutkimukseen valittiin kolme eri pinta-aktiivista ainetta, joiden vaahdonmuodostusta, vaahdon stabiiliutta sekä vaahdon rakennetta tutkittiin eri konsentraatioilla sekä koostumuksilla kaksifaasisysteemin muodossa (kaasu-neste). Tulosten perusteella valittiin neljä vaahtoamisominaisuuksiltaan mahdollisimman erilaista systeemiä, joilla suoritettiin flotaatiokokeita PET-kuitujen erottamiseksi puuvillakuiduista. Paras PET-kuitujen talteenotto (~72 %), sekä selektiivisyys (~88 %) saavutettiin jopa kolmella neljästä valitusta pinta-aktiivisten aineiden systeemistä. Tämä osoittaa, että kaksifaasisysteemien vaahtoamisominaisuudet eivät merkittävästi vaikuta PET- ja puuvillakuitujen flotaatioerotuksen selektiivisyyteen tai tehokkuuteen. Tulokset havainnollistivat kuitenkin, että pinta-aktiivisten aineiden valinnassa on syytä kiinnittää huomiota erityisesti niiden kykyyn alentaa pintajännitystä suhteessa erotettavien kuitujen kriittiseen pintajännitykseen. Kaiken kaikkiaan tulokset osoittavat, että vaikka lisätutkimuksia prosessin optimoimiseksi tarvitaan, flotaatio erotusmenetelmänä on lupaava ja varteenotettava vaihtoehto polyesteri- ja puuvillakuitusekoitteiden kierrätyksessä.Description
Supervisor
Österberg, MonikaThesis advisor
Begum, SetaraQie, Runtian