Environmental impacts of recycling-based cellulose carbamate fiber
Hokkanen, Mitja (2020)
Diplomityö
Hokkanen, Mitja
2020
School of Energy Systems, Ympäristötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899908
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899908
Tiivistelmä
Over 100 million tons of textile fibers are consumed by the global textile industry every year. Most of these fibers are currently produced from virgin raw materials, and the environmental impacts of their production are an acute concern to sustainability. Thus, there is a huge demand of closed-loop recycling technologies for textile fibers. Infinited Fiber Company (IFC) runs a pilot factory developing cellulose carbamate (CCA) technology, utilizing cotton rich textile waste and other cellulose containing feedstocks for production of cellulose carbamate fibers. This recycling-based textile fiber has the potential to replace cotton, viscose and many other fibers in their current use. The aim of the company is to scale up the CCA fiber production into industrial capacities.
This Master’s thesis aims to assess the environmental performance of IFC’s fiber manufacture technology by using the life cycle assessment (LCA) method. The scope is cradle to gate, from textile waste collection to baled staple fibers. The studied system includes the CCA fiber process for cotton rich textile waste, and all the related up- and downstream operations. The inventory results are presented for direct and indirect energy demand, direct freshwater consumption and land use. Environmental impact assessment focuses on potential climate change impacts, calculated as carbon footprint (GWP 100a). Five hypothetical scenarios are formed of the industrial scale CCA fiber production, and their results are calculated per functional unit, which is one ton of staple fibers. In addition, a literature review is conducted to find comparable data on cotton and viscose production.
According to the calculated results, the carbon footprint of CCA fibers can range from 776 up to 6169 kg CO2 -eq per ton of fibers, depending on the scenario. The total inventory results per ton of fibers are approximately 8,8 MWh for direct energy consumption, 54 m3 for direct freshwater consumption, and 15 m2 for direct land use. The carbon footprint results are strongly affected by the emission factors of chemicals and energy production. Inventory results are calculated based on scaled-up simulations from the IFC pilot process, so there still are possible uncertainties in the assessed in- and outputs. Further studies should expand the scope of this Master’s thesis into other environmental impact categories, a broader textile ecosystem, and more precise primary and secondary data. Globaali tekstiiliteollisuus kuluttaa yli 100 miljoonaa tonnia tekstiilikuituja joka vuosi. Suurin osa näistä kuiduista tuotetaan edelleen neitseellisistä raaka-aineista, ja niiden tuotannon ympäristövaikutukset ovat vakava kestävyysuhka. Suljetun kierron tekstiilikuitukierrätykselle onkin valtava kysyntä. Infinited Fiber Company (IFC) kehittää pilottitehtaallaan selluloosakarbamaattiteknologiaa, käyttäen raaka-aineena kierrätettyä puuvillarikasta tekstiilijätettä ja muuta vaihtoehtoista selluloosapitoista raaka-ainetta. Näistä raaka-aineista regeneroidaan uutta selluloosakarbamaattimuuntokuitua (CCA). Tällä uudella selluloosamuuntokuidulla voidaan korvata puuvillaa, viskoosia ja muita perinteisiä tekstiilikuituja niiden nykyisissä käyttökohteissa. Yhtiön tavoitteena on kehittää ja skaalata selluloosakarbamaattikuidun tuotanto teolliseen mittakaavaan.
Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida IFC:n teollisen kuidunvalmistustekniikan ympäristövaikutuksia elinkaariarvioinnin (LCA) avulla. Tutkimus rajataan kehdosta portille, ts. tekstiilijätteen keräyksestä aina paalattuihin CCA-katkokuituihin asti. Tutkittu systeemi sisältää selluloosakarbamaattiprosessin sovellettuna puuvillapitoiselle tekstiilijätteelle, ja kaikki tähän liittyvät tukitoiminnot. Elinkaari-inventaarion tulokset esitetään suoralle ja epäsuoralle energiankulutukselle, sekä suoralle makean veden kulutukselle ja maankäytölle. Elinkaaren aikaisissa ympäristövaikutuksissa keskitytään mahdollisiin ilmastonmuutosvaikutuksiin arvioimalla hiilijalanjälki (GWP, 100a) tutkitulle systeemille. CCA-kuidun teollisesta tuotannosta muodostetaan viisi hypoteettista skenaariota, ja näiden tulokset lasketaan toiminnallista yksikköä kohti. Tässä työssä käytetty toiminnallinen yksikkö on tonni valmiita katkokuituja. Osana tutkimusta tehdään myös lyhyt kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena on löytää vertailukelpoista tietoa puuvillan ja viskoosin tuotannon ympäristövaikutuksista.
Elinkaariarvioinnissa laskettujen tulosten perusteella CCA-katkokuitujen hiilijalanjälki voi skenaarioista riippuen vaihdella 776 ja 6169 kg CO2 -eq välillä kuitutonnia kohti. Hiilijalanjälkeen eniten vaikuttavat kemikaalien- ja energiantuotannon päästökertoimet. Inventaariotuloksina kuitutonnia kohti lasketaan yhteensä noin 8,8 MWh suorana energiankulutuksena, 54 m3 suorana vedenkulutuksena ja 15 m2 suorana maankäyttönä. Inventaariossa käytetyt kulutusluvut on alustavasti arvioitu mallintamalla IFC:n pilottimittakaavassa demonstroitu prosessi pienen teollisen yksikön mittakaavaan (30 kt / a). Alustavista mallinnuksista johtuen, tuloksissa voi olla vielä mahdollisia epävarmuuksia. Jatkotutkimuksissa tämän diplomityön rajauksia voitaisiin laajentaa kokonaisvaltaisemmin tekstiilien kiertotalouteen, sekä useampiin ympäristöindikaattoreihin. Myös laskennassa käytettyä primaari- ja sekundaaridataa on syytä tarkentaa tulevaisuudessa.
This Master’s thesis aims to assess the environmental performance of IFC’s fiber manufacture technology by using the life cycle assessment (LCA) method. The scope is cradle to gate, from textile waste collection to baled staple fibers. The studied system includes the CCA fiber process for cotton rich textile waste, and all the related up- and downstream operations. The inventory results are presented for direct and indirect energy demand, direct freshwater consumption and land use. Environmental impact assessment focuses on potential climate change impacts, calculated as carbon footprint (GWP 100a). Five hypothetical scenarios are formed of the industrial scale CCA fiber production, and their results are calculated per functional unit, which is one ton of staple fibers. In addition, a literature review is conducted to find comparable data on cotton and viscose production.
According to the calculated results, the carbon footprint of CCA fibers can range from 776 up to 6169 kg CO2 -eq per ton of fibers, depending on the scenario. The total inventory results per ton of fibers are approximately 8,8 MWh for direct energy consumption, 54 m3 for direct freshwater consumption, and 15 m2 for direct land use. The carbon footprint results are strongly affected by the emission factors of chemicals and energy production. Inventory results are calculated based on scaled-up simulations from the IFC pilot process, so there still are possible uncertainties in the assessed in- and outputs. Further studies should expand the scope of this Master’s thesis into other environmental impact categories, a broader textile ecosystem, and more precise primary and secondary data.
Tämän diplomityön tavoitteena on arvioida IFC:n teollisen kuidunvalmistustekniikan ympäristövaikutuksia elinkaariarvioinnin (LCA) avulla. Tutkimus rajataan kehdosta portille, ts. tekstiilijätteen keräyksestä aina paalattuihin CCA-katkokuituihin asti. Tutkittu systeemi sisältää selluloosakarbamaattiprosessin sovellettuna puuvillapitoiselle tekstiilijätteelle, ja kaikki tähän liittyvät tukitoiminnot. Elinkaari-inventaarion tulokset esitetään suoralle ja epäsuoralle energiankulutukselle, sekä suoralle makean veden kulutukselle ja maankäytölle. Elinkaaren aikaisissa ympäristövaikutuksissa keskitytään mahdollisiin ilmastonmuutosvaikutuksiin arvioimalla hiilijalanjälki (GWP, 100a) tutkitulle systeemille. CCA-kuidun teollisesta tuotannosta muodostetaan viisi hypoteettista skenaariota, ja näiden tulokset lasketaan toiminnallista yksikköä kohti. Tässä työssä käytetty toiminnallinen yksikkö on tonni valmiita katkokuituja. Osana tutkimusta tehdään myös lyhyt kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena on löytää vertailukelpoista tietoa puuvillan ja viskoosin tuotannon ympäristövaikutuksista.
Elinkaariarvioinnissa laskettujen tulosten perusteella CCA-katkokuitujen hiilijalanjälki voi skenaarioista riippuen vaihdella 776 ja 6169 kg CO2 -eq välillä kuitutonnia kohti. Hiilijalanjälkeen eniten vaikuttavat kemikaalien- ja energiantuotannon päästökertoimet. Inventaariotuloksina kuitutonnia kohti lasketaan yhteensä noin 8,8 MWh suorana energiankulutuksena, 54 m3 suorana vedenkulutuksena ja 15 m2 suorana maankäyttönä. Inventaariossa käytetyt kulutusluvut on alustavasti arvioitu mallintamalla IFC:n pilottimittakaavassa demonstroitu prosessi pienen teollisen yksikön mittakaavaan (30 kt / a). Alustavista mallinnuksista johtuen, tuloksissa voi olla vielä mahdollisia epävarmuuksia. Jatkotutkimuksissa tämän diplomityön rajauksia voitaisiin laajentaa kokonaisvaltaisemmin tekstiilien kiertotalouteen, sekä useampiin ympäristöindikaattoreihin. Myös laskennassa käytettyä primaari- ja sekundaaridataa on syytä tarkentaa tulevaisuudessa.