Eco-design for end-of-life phase of flame retardant textiles - Université de Lille Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Eco-design for end-of-life phase of flame retardant textiles

Eco-conception pour la fin de vie de textiles ignifuges

Résumé

Production, consumption, and disposal of textile products have substantial adverse impacts on the environment, especially textiles with flame retardant (FR) finishes. Unfortunately, information on the exposure of FR from textile products to environmental pathways is scarce. Research works on FR textiles have been mostly focused on ways to provide environmentally friendly synthesis and production phases of FR textile products. However, the end-of-life phase of the FR textiles seems neglected and needs great attention when the product’s life cycle is concerned. The end-of-life phase of FR textile products is considered as a hurdle in current sustainable disposals (landfill and incineration), though today, technologies for solid waste management are ever-improving. Indeed, landfill and energy valorization through incineration are considered as suitable pathways for textile wastes, including technical textile wastes. However, the end-of-life of FR textile products creates issues, such as in landfilling, there is a huge chance of FR species or substance leaching to the environment. Similarly, FR species decrease energy yield in the incineration process due to incomplete combustion and emits toxic fumes. It is essential to find different ways to assess the most optimum methods or eco-designs for the disposal of textile products by energy valorization through gasification. Therefore an eco-design was proposed with optimized disposals for the FR textiles. Eco-design comprises the degradation and elimination of a permanent/durable FR substance from the textiles, especially cellulosic textiles prior to their disposals. Thermal valorization was achieved by gasification instead of incineration, to explore the ability of FRs to gasify after the degradation and elimination of the FR species. Durable FR species, for instance, n-methylol dimethyl phosphonopropionamide (MDPA) is one of the most effective organophosphorus FRs for cellulosic fabrics, used in combination with trimethylol melamine (TMM) to obtain durable and improved FR properties. The degradation and elimination of an organophosphorus FR (MDPA) on cellulosic fabric, was studied using an advanced oxidation process (AOP) based on Fenton’s reaction. The effect of varying concentrations of Fenton’s reagents (H2O2 and Fe2+ in aqueous medium) on the degradation of the MDPA was studied. The degradation of MDPA in aqueous media was monitored by measuring chemical oxygen demand (COD) of the reaction mixture over time. The mechanical properties of the cellulosic fabric after Fenton’s reaction were unaltered in both warp and weft directions. The flammability test and thermogravimetric results (TGA, DTG and PCFC) confirmed the degradation of MDPA FR from the fabric. FR species being degraded and eliminated from the cotton textiles, energy valorization by gasification was carried out for increased energetic yield due to better combustion and potential syngas composition outcomes during the gasification. The gasification results supported the eco-design by showing increased combustion properties of the FR textiles after the degradation and elimination of the FR species. For the sustainability validation of the proposed eco-design, a life cycle assessment (LCA) was performed to analyze the environmental impacts of eco-design for the end-of-life phase of FR textile products. LCA is one of the prominent assessment methods to perform the general assessment of products or services. The thermogravimetric and pyrolysis combustion results confirm that there is a higher heat release after Fenton’s reaction degradation. The heat release rate of the FR cotton textiles increased by 51% after the degradation of the FR species, and this makes the degraded FR cotton interesting for energy valorization. The energy valorization by gasification results supported the eco-design by showing increased combustion properties of the FR textiles after the degradation and elimination of the FR species. Lastly, the LCA results showed reduced impact values in most of the impact categories studied, especially in global warming potential (GWP), air acidification (AA) and in other prominent categories in favor of degradation and elimination of FR species from the textiles and being gasified.
Les différentes phases du cycle de vie d’un produit textile, la production, l’utilisation et la fin de vie, ont des impacts importants sur l'environnement, en particulier lorsque les textiles ont été ignifugés. Malheureusement, lesdonnées concernant les produits ignifuges et leur présence dans l’environnement ne sont pas facilement accessibles. Dans le domaine des produits ignifuges utilisés pour le textile, les nombreuses recherches menées ont été principalement axées sur des méthodes de synthèse et de production de ces molécules afin de les rendre plus respectueuses de l'environnement. Cependant la phase de fin de vie des textiles ignifugés a été longtemps négligée, et nécessite aujourd’hui une attention particulière lorsqu’on effectue une analyse de cycle de vie d’un produit textile. Bien qu’aujourd’hui, les technologies utilisées pour la gestion des déchets solides ne cessent de s'améliorer, la valorisation des déchets par incinération est une voie appropriée pour les textiles, y compris les textiles techniques. La fin de vie des produits textiles ignifuges pose des problèmes. Lors de la mise en décharge, il existe de nombreuses possibilités de lixiviation des substances ignifuges dans l'environnement. De même, les espèces ignifuges diminuent le rendement énergétique dans le processus d'incinération en raison d'une combustion incomplète et émettent des fumées toxiques. Il est essentiel de trouver des méthodes optimales écologiques pour la valorisation énergétique des déchets textiles par la gazéification. Nous proposons une méthode plus écologique de valorisation énergétique des déchets textiles ignifugés, par la dégradation et l'élimination préalable des substances ignifuges permanentes des textiles, en particulier des cellulosiques. Ensuite, la valorisation thermique est réalisée par gazéification au lieu de l'incinération. Au bilan, nous discutons la capacité des tissus ignifugés à gazéifier et produire de l’énergie selon les prétraitements effectués. Le n-méthylol diméthylphosphonopropionamide (MDPA) est un des retardateurs de flamme organophosphorés le plus efficace pour les tissus cellulosiques, utilisés en combinaison avec la mélamine triméthylolique (TMM) pour obtenir des propriétés ignifuges permanentes et améliorées. La dégradation et l'élimination du retardateur de flamme organophosphoré (MDPA) sur le tissu cellulosique ont été étudiées à l'aide d'un procédé d'oxydation avancé (AOP) basé sur la réaction de Fenton. La cinétique de dégradation de la MDPA dépend des concentrations en réactifs de Fenton (H2O2 et Fe2+ en milieu aqueux). Elle a été suivie en mesurant la demande chimique en oxygène (DCO) du mélange réactionnel. Dans les conditions optimales de dégradation, les propriétés mécaniques du tissu cellulosique après la réaction de Fenton restent inchangées dans le sens chaîne et de la trame du textile tissé. Le test d'inflammabilité et les résultats thermogravimétriques (TGA, DTG et PCFC) confirment la dégradation du retardateur de flamme MDPA du tissu. Les espèces ignifuges étant dégradées et éliminées des textiles de coton, la valorisation énergétique par gazéification peut être effectuée pour augmenter le rendement énergétique en raison d'une meilleure combustion, mais aussi à cause de la composition du gaz de synthèse pendant la gazéification. Les résultats de gazéification montrent des propriétés de combustion accrues des textiles ignifuges après la dégradation et l'élimination des espèces ignifuges, qui permettent donc d’éco-concevoir la valorisation énergétique de ces textiles. Pour confirmer et valider cette méthode écologique, une analyse de cycle de vie (ACV) a été réalisée pour analyser et évaluer les impacts environnementaux réels de cette nouvelle méthode de fin de vie des produits textiles ignifugés. L’ACV est l'une des principales méthodes d'évaluation pour effectuer l'évaluation environnementale des produits ou des services. Les résultats de la combustion thermogravimétrique et de la pyrolyse confirment qu'il y a une libération de chaleur plus élevée après la dégradation de la réaction de Fenton. La libération de chaleur des textiles ignifugés de coton est augmentée de 51% après la dégradation des espèces ignifuges, ce qui rend le coton ignifuge dégradé intéressant pour la valorisation énergétique. La valorisation de l'énergie par des résultats de gazéification confirme qu’il y a bien une éco-conception en montrant des propriétés de combustion accrues des textiles ignifuges après la dégradation et l'élimination des espèces ignifuges. Enfin, les résultats de l'ACV ont montré des valeurs d'impact réduites dans la plupart des catégories d'impact étudiées, en particulier dans le potentiel de réchauffement planétaire (GWP), l'acidification de l'air (AA) et dans d'autres catégories importantes en faveur de la dégradation et de l'élimination des espèces ignifuges des textiles assujettis à la gazéification.

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Identifiants

  • HAL Id : tel-02086728 , version 1

Citer

Sohail Yasin. Eco-design for end-of-life phase of flame retardant textiles. Materials. Université Lille 1 - Sciences et Technologies, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02086728v1⟩
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