有机垃圾产沼工艺的设计及色媒体改性棉织物及其染色性能的研究

固体废物处理工程设计设计题目：有机垃圾产沼工艺的设计姓名：学号：年级：系部：食品工程学院专业：环境工程指导教师：完成时间：目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 绪论研究背景活性染料是棉纤维染色时用的最多、最重要的一种染料。活性染料以其色谱齐全、色泽鲜艳、耐湿处理色牢度较高、价格相对低廉、应用工艺简便、大部分染料结构上不含有致癌芳香胺等优点深受印染界喜爱。但活性染料存在易水解、染料利用率低等缺点，使得活性染料染色时耗水量高，染色牢度受到影响。为了克服这些缺点，在棉织物的传统染色工艺中，使用活性染料染色时，往往采用加入大量的中性电解质的方法来促进染料的上染，这种方法极大地改善了活性染料的易水解和染料利用率低的问题，尤其在大浴比时传统染色工艺的作用更为明显。然而，传统染色工艺中所使用的电解质随染色废液排出,会导致废水中盐含量过高，严重影响水资源的生态环境，同时水中盐分过高还会带来土质盐碱化等生态问题，这是当前社会所不能接受的。研究进展及其现状目前，通过物理、化学及生物等方法还不能实现印染废水中无机盐的降解和回收，因此，近年来许多印染研究人员一直致力于探求对棉纤维改性处理，以提高染色性能[2]，实现绿色染色。纤维素纤维的改性方法有很多，如物理方法、化学处理方法等[3]。物理方法物理方法在基本不用或者很少用到化学助剂的情况下，改变纤维的表面结构及其性能，不仅改善了纤维的染色性能，还可以减少污染，有利于保护生态环境。一般物理改性方法有机械法、辐射法、等离子体技术、蒸汽闪爆技术等。机械方法该方法主要有研磨法和切碎法两种，通过降低纤维素的结晶度、改变纤维的形态和细微结构，或者增加纤维的表面来提高纤维在化学反应中的可及度[4]。辐射法该方法是采用电子射线等对纤维素纤维进行预处理，利用射线的辐射能使纤维素的结构发生变化，降低聚合度、增加活性，提高可及度。等离子体技术该方法是利用等离子体中大量的电子、离子、激发态原子、分子等活性粒子，通过轰击棉纤维表面将能量传递给棉纤维，使棉纤维表面的果胶等脱离，并留下深浅不一的凹坑，引起刻蚀现象，同时活性粒子还能是纤维表面发生氧化和接枝，从而增强了棉纤维的吸水性能。蒸汽闪爆技术该方法是1927年由一个美国学者提出的，它能使已经渗入纤维内部的水蒸气分子以气流方式，从相对封闭的空隙中高速瞬间释放，使棉纤维紧密堆砌缠绕的内部区域得到有效的疏松，同时纤维素分子内及分子间的氢键发生断裂，使棉纤维的结构造成破坏，赋予材料新的性能[5]。化学方法纤维素纤维的化学处理方法主要有三种[6]：对棉纤维进行表面处理利用化学药品(例如强碱、甘油、液氨、磷酸等)处理棉纤维，改变纤维的物理形态和微结构，使纤维的染色性能发生变化；对纤维内部进行改性利用化学助剂(例如聚酰胺环氧化合物)，按一定工艺处理棉纤维，使纤维发生化学改性，从而引起染色性能的变化[7]；对棉纤维表面改性的同时，对纤维内部也进行化学改性这种改性会引起纤维的染色性发生根本性的变化。一般对纤维进行化学改性的过程均伴随着纤维内部改性和外部改性的同时进行。许多研究已经证明，经过一定的化学改性后，可以显著提高纤维素纤维对阴离子染料的结合能力。胥正安等[8]研究了阳离子改性剂CHPTMAC对棉织物的接枝改性，在棉纤维纤维大分子上引入了阳离子基团，不但可以阻碍纤维素分子发生重结晶，还使纤维表面带上正电荷，纤维与染料之间的结合力不但有范德华力和氢键的作用力，而且还有分子间静电引力的作用，提高了染料的上染能力和利用率。但是这类改性剂分子小，存在用量大、处理时间长、直接性差的缺点，因此，近年来有很多研究者开始研究大分子改性剂，如纪俊玲等[9]研究了大分子聚合物改性剂聚环氧氯丙烷胺化物，并用该改性剂处理棉纤维，研究结果表明改性为棉纤维引入了阳离子基团，提高了活性染料的上染百分率，且染色废水回用效果比较好。张鹏等[10]利用端氨基超支化合物(HBP-NH2)作为阳离子改性剂，对竹浆纤维织物进行改性，在纤维表面引入了大量氨基、亚胺基，改变了纤维表面的电荷分布，降低了活性染料染色过程中无机盐的用量，使无盐染色成为可能。此外，崔淑玲[11]等用多官能团的交联胺化改性剂TETS改性了纤维素纤维，不但赋予了织物抗皱性能，还大大提高了活性染料的上染率和固色率，实现了活性染料在酸性(中性)浴中的无盐染色。本文研究目的、方法及内容由于传统染色工艺会带来水污染和土壤污染等生态问题，因而，我们迫切需要一种环保高效的方法来解决活性染料盐污染问题。本文主要针对这一问题进行讨论和实验研究，希望找到一种方法使棉纤维在活性染料染色过程中提高染料的上染百分率、固色率及染色深度，提高染料的利用率，同时减少盐用量，甚至实现完全不加盐染色，使无盐染色工艺达到常规有盐染色的效果甚至更好。解决活性染料盐污染问题，可从染料、纤维和染色工艺过程等方面着手。棉纤维的阳离子化改性是有效解决活性染料染色污染问题的途径之一，即棉织物经阳改性后，纤维表面带上正电荷，降低了棉纤维对阴离子染料的排斥作用，活性染料将快速上染纤维，因此减少、甚至不使用无机盐染色时也可提高染料上染百分率。广东德美精细化工股份有限公司推出的一种阳离子改性剂—色媒体，是一种反应型功能团阳离子预聚体，可用于棉织物活性染料低盐染色工艺。本文利用德美化工的阳离子改性剂(命名为色媒体)对棉织物进行改性，在棉纤维上引入了大量正电荷，使染液中纤维阴离子与染料阴离子之间的静电斥力变为纤维上正电荷与染料阴离子之间的静电引力，使染料的上染变得容易。理论依据纤维素纤维表面和活性染料离子都带有负电荷，两者之间存在静电斥力，当活性染料阴离子吸附到纤维表面后，纤维表面的负电荷还会增加，阻止活性染料阴离子上染的阻力更大。棉纤维的阳离子改性是使纤维呈阳离子性，改性后的染色机理发生了根本上的变化。改性后的棉纤维在染液中，其表面呈现正电性，这就使得染液中的钠离子无法在纤维表面形成一层正电层，而对染料阴离子的吸附能力则增强。色媒体（ColorMedia）是一种含反应型功能团的阳离子预聚体，能改变各种纤维材料对染料的吸附性及反应性的新型纺织助剂，经色媒体处理后的棉纤维与色媒体的反应性基团反应，使棉纤维由此引入阳离子染座，溶液中阴离子性的染料就会和阳离子染座因静电引力迅速吸附及固着，经过这种改性剂改性的纤维素纤维具有的阳离子性是永久性的，染色性能比较稳定。最终可以实现低盐染色，防止大量无机盐的排放对水体造成的污染。实验部分主要实验材料、化学品及仪器退煮漂棉织物，色媒体-阳离子改性剂1g/L，活性艳红KD-8B[12]，食盐，纯碱，烧杯，温度计，容量瓶（250ml、100ml、50ml、），移液管，吸耳球，玻璃棒，量筒，电子天平，恒温水浴锅，烘箱，722S可见分光光度计。棉织物改性工艺实验设计及其染色色媒体用量不同对棉织物改性及其染色色媒体用量不同对棉织物改性的影响棉织物改性实验工艺处方如表1所示：表1色媒体用量不同对棉织物改性实验工艺处方影响因素样品1234567色媒体用量(owf）0%0%2%4%6%8%10%时间(min)0303030303030温度（℃）60606060606060浴比30:1棉织物改性实验工艺曲线如图1所示：2525℃不同浓度色媒体1℃/min60℃30min50℃水洗图1改性后的棉织物染色工艺实验染料最大吸收波长与吸光度的测定分光光度计测吸光度原理：伯郎—比耳定律。当溶液中的物质在光的照射和激发下，强烈的、选择性的吸收可见光中某一波段的光波，不同的物质都有其各自的吸收光谱。所以根据定律当一束单色光通过一定浓度范围的稀有色溶液时，溶液对光的吸收程度（吸光度）A与溶液的浓度c（mol/L）成正比。定律表达式：A=εLcε：摩尔吸光系数（L/（mol·cm））A：吸光度L：比色皿的厚度（cm)c：溶液的浓度（mol/L）测吸光度步骤：1）检查仪器的连接及各调节旋钮的起始位置，确认无误后接通电源。2）开启电源，指示灯亮，选择开关置于"T"，波长调至测试用波长，并选择合适灵敏度（一般选第一档），仪器预热20min。3）打开试样室盖（光门自动关闭），调节"0"旋钮，使数字显示为"00.0"，盖上样品室盖。4）用蒸馏水清洗比色皿若干次后，在比色皿中装入蒸馏水，将参比溶液比色皿置于光路，调节透过率"100%"旋钮，使数字显示为"100.0"，重复几次调好为止。5）进行样品的测量，用样品溶液清洗比色皿数次，然后将被测溶液置于光路中，数字表上直接读出被测溶液的吸光度值。6）记录数据，根据公式计算出结果。7）测定完成后关上试样室盖，清洗比色皿，关闭开关和电源。按照上述测吸光度的步骤，测得染料不同波段的不同吸光度值如表2所示：表2染料最大吸收波长与吸收光度的值λ(nm)480500510518520522524530A0.4340.4790.5040.5130.5200.5330.5220.487从表中数据可以看出，染料的最大吸收波长和吸收光度值分别为：λmax=522nmAO=0.533改性后棉织物的染色改性后棉织物染色工艺处方如表3所示：表3改性后棉织物染色工艺处方样品1234567活性艳红KD-8B(owf)2222222食盐（g/L)0000000碳酸钠(g/L)10101010101010染色温度（℃）90909090909090染色时间（min)45454545454545浴比50:1染色工艺曲线如图2所示：50℃皂洗水洗6050℃皂洗水洗60℃入染15min90℃染料½Na2CO315min½Na2CO390℃½Na2CO3½Na2CO315min染料染料6060℃入染图2实验步骤按表3染色工艺，用蒸馏水配制一定的染料溶液，在干净的染杯中加入规定量的染液，加入所需的蒸馏水（加完后取一定量的染液，用100ml容量瓶定容，准备测定其吸光度A0），并将已润湿改性后的棉织物挤干后加入染杯中开始染色，盖上染杯盖，加热至90℃，分隔15分钟加入纯碱，保温45min。待染完色降温至50℃，水洗，烘干。收集染料残液，在干净的染杯中反复洗棉织物三次，把所有残液，加入100ml容量瓶用蒸馏水定容，定容完毕后，再取一定量之前定容的残液，再次定容，准备测定其吸光度A未。按上述方法分别测出1号，2号，3号，4号,5号，6号，7号样的吸光值。由上个实验得出染料的最大吸收波长和吸收光度值分别为λmax=522nm，AO=0.533。染液稀释倍数是25，残液稀释倍数是20。再采用残液法计算上染百分率：用722型光栅分光光度计在所对应染料的最大吸收波长（λmax）下，测的染色残液稀释n倍后的吸光度Ai,并测量原液稀释m倍后的吸光度Ao；按式1-1计算上染百分率[13]，用E表示。A0=εLc0A未=εLc未A未/A0=εLc未/εLc0=c未/c0E=（c0V0-c未V未）/c0V0×100%=1-c未V未/c0v0×100%=1-(A未V未/A0V0)×100%=1-(A未/A0)×100%注意：当0.2<A<0.8时，吸光度A与染液浓度c呈线性关系，故一般情况下需将染液稀释适当的倍数（n倍），使得吸光度在0.2到0.8的范围，这样测得的吸光度才有意义,故稀释不同倍数后的上染率：E=1-(n1A未/n0A0)×100%A0：起始染液的吸光度A未：未知染液的吸光度ε：摩尔吸光系数（L/（mol·cm））V0：起始染液的体积(L)V未：未知染液的体积(L)L：比色皿的厚度（cm)c0：起始染液的浓度（mol/L）c未：未知染液的浓度（mol/L）E：上染率n1:未知染液的稀释倍数n0：起始染液的稀释倍数E（%）=（1-nAi/mAo）×100测试结果如表4所示：表4色媒体不同用量改性棉织物的残液吸光度和上染百分率值样品1234567残液吸光度0.2800.2760.2480.2090.2170.2420.264上染百分率57.97%58.57%62.78%68.63%67.43%63.68%60.37%从表4可看出，色媒体助剂用量小于4%omf时，上染百分率随着助剂用量的增加而增加。这是因为随着助剂用量的增加，与纤维反应的助剂量相应增加，纤维上带的正电荷增加，从而上染到纤维上的染料量增多。当助剂用量到达5%(omf)和6%(omf)时，上染百分率略有下降，这是因为在一定浓度的碱液中，纤维素上的羟基发生离解生成一定量的Cell-O-，致使反应达到平衡时所消耗的改性剂量有一饱和值[14]。当改性剂用量过高，助剂分子大量堵塞在纤维素纤维表面，染料分子无法渗入纤维内部，或染色时附着在织物表面的过剩的色媒体助剂从织物上脱落下来，在染浴中与染料结合，不利于染料上染，使上染率下降。因此，助剂用量以4%(omf)为宜。处理时间不同对棉织物改性及其染色处理时间不同对棉织物改性的影响棉织物改性实验工艺处方如表5所示：表5处理时间不同对棉织物改性实验工艺处方影响因素样品1234567色媒体用量(owf）4%4%4%4%4%4%4%时间(min)10152025303540温度(℃)60606060606060浴比30:1棉织物改性实验工艺曲线如图3：6060℃不同处理时间25℃色媒体1℃/min50℃水洗图3改性后的棉织物染色工艺实验改性后棉织物染色工艺处方如表3所示：染色工艺曲线如图2所示：实验步骤按表3的染色工艺处方，用蒸馏水配制一定的染料溶液，在干净的染杯中加入规定量的染液，加入所需的蒸馏水，并将已润湿改性后的棉织物挤干后加入染杯中开始染色，盖上染杯盖，加热至90℃，分隔15分钟加入纯碱，保温45min，降温至50℃，水洗，烘干。收集染料残液，在干净的染杯中反复洗棉织物三次，把所有残液，加入100ml容量瓶用蒸馏水定容，定容完毕后，再取一定量之前定容的残液，再次定容，准备测定其吸光度Ax。染液稀释倍数是25，残液稀释倍数是20。采用残液法计算上染百分率如表6所示：表6不同改性时间棉织物的残液吸光度和上染百分率值样品1234567残液吸光度0.2630.22510.2460.2330.2280.2260.259上染百分率60.45%62.33%63.01%64.96%65.71%66.03%61.05%由表6看出，色媒体助剂处理25min，上染百分率达到64.96%，处理35min上染百分率就达到最大，可见色媒体助剂对棉织物有较大的亲和力。适当延长处理时间有利于助剂与纤维反应。但当时间大于35min后，上染百分率下降。这可能是助剂水解和染料解吸的缘故。从节能减排和节约成本的角度考虑，其工艺的处理时间定在35min较为合理，因此，改性处理时间为35min。处理温度不同对棉织物改性及其染色色媒体用量不同对棉织物改性的影响棉织物改性实验工艺处方如表7所示：表7处理温度不同对棉织物改性实验工艺处方影响因素样品1234色媒体用量(owf）4%4%4%4%时间(min)35353535温度(℃)20406080浴比30:1棉织物改性实验工艺曲线如图4：水洗不同处理温度35min1℃/min25℃色媒体图4改性后的棉织物染色工艺实验改性后棉织物染色工艺处方如表8所示：表8改性后棉织物染色工艺处方样品1234活性艳红KD-8B(owf)2222食盐（g/L)0000碳酸钠(g/L)10101010染色温度（℃）90909090染色时间（min)45454545浴比50:1染色工艺曲线如图2所示：实验步骤按表3的染色工艺处方，用蒸馏水配制一定的染料溶液，在干净的染杯中加入规定量的染液，加入所需的蒸馏水，并将已润湿改性后的棉织物挤干后加入染杯中开始染色，盖上染杯盖，加热至90℃，分隔15分钟加入纯碱，保温45min，降温至50℃，水洗，烘干。收集染料残液，在干净的染杯中反复洗棉织物三次，把所有残液，加入100ml容量瓶用蒸馏水定容，定容完毕后，再取一定量之前定容的残液，再次定容，准备测定其吸光度Ax。染液稀释倍数是25，残液稀释倍数是20。采用残液法计算上染百分率如表9所示：表9不同改性温度棉织物的残液吸光度和上染百分率值样品1234残液吸光度0.3590.2230.2080.351上染百分率46.12%66.52%68.78%47.32%由表9可看出，当改性温度低于60℃，随着改性温度的升高上染百分率增大；当改性温度高于60℃时，上染百分率随着改性温度的升高反而下降，这是因为温度太高，助剂水解速率提高，而且助剂与纤维之间的结合键的稳定性下降，改性效果降低。因此，确定改性温度为60℃，改性效果好，棉织物上染百分率大。综上实验结果，色媒体助剂改性棉织物的最佳工艺条件确定为:改性剂用量4%(omf)，60℃处理35min。NaCl用量对改性、未改性棉纤维的影响及其染色NaCl用量对改性、未改性棉纤维影响工艺将棉织物1—6号试样置于4%owf的色媒体溶液中（浴比30:1），于60℃浸渍处理35min，取出，水洗；对于棉织物7—12号未改性试样，同样温度，同样浴比下，用蒸馏水处理35min，取出。表10对棉纤维改性的工艺处方改性试样12345色媒体用量（owf）4%4%4%4%4%处理时间（min）3535353535温度（℃）6060606060浴比30:130:130:130:130:1表11对棉纤维未改性的工艺处方未改性试样678910色媒体用量（owf）处理时间（min）3535353535温度（℃）6060606060浴比30:130:130:130:130:1棉织物染色工艺表12对改性棉纤维盐用量的染色工艺处方样号12345NaCl用量（g/l）010203040活性艳红KD-8B（owf)2%2%2%2%2%温度（℃）9090909090Na2CO3(g/l)1010101010浴比50:150:150:150:150:1表13对未改性棉纤维盐用量的染色工艺处方样号678910NaCl用量（g/l）010203040活性艳红KD-8B（owf)2%2%2%2%2%温度（℃）9090909090Na2CO3(g/l)1010101010浴比50:150:150:150:150:1染色工艺曲线如图5所示：图5实验步骤按表12和表13的染色工艺，用蒸馏水配制一定的染料溶液，在干净的染杯中加入规定量的染液，加入所需的蒸馏水，并将改性和未改性的已润湿的棉织物挤干后加入染杯中60℃开始染色，15min后两组分别加入1/2NaCl盖上染杯盖，保温15min后再加入加入1/2NaCl，然后加热至90℃，保温45分钟,分隔15分钟加入纯碱，保温一定时间，降温至50℃，水洗，烘干。收集染料残液，在干净的染杯中反复洗棉织物三次，把所有残液，加入100ml容量瓶用蒸馏水定容，定容完毕后，再取一定量之前定容的残液，再次定容，准备测定其吸光度A未。染液稀释倍数是10，残液稀释倍数也是10。分别测出每个号样的吸光度，计算出上染百分率，如表14所示：表14改性试样的吸光度和上染百分率数值改性试样12345残液吸光度0.4750.3830.3240.2770.263上染百分率25.20%39.69%48.98%56.38%58.58%表15未改性试样的吸光度和上染百分率数值未改性试样678910残液吸光度0.4720.4100.3680.2970.284上染百分率25.67%35.43%42.05%53.23%55.28%图6改性与未改性织物上染百分率结合表15和图6可得，对于改性织物，盐的促染作用明显，织物的上染百分率高于未改性织物；而对于未改性织物，盐的促染作用相对于改性织物弱些，上染百分率低于改性织物。在盐加入量较低时，改性织物的上染百分率已经明显的高于未改性织物。因此，盐的作用促进改性织物的上染，对于改性织物，可有效降低盐的用量来达到期望的染色效果，一定程度上有利于降低盐的污染，实现低盐染色。结论1、活性艳红KD-8B的最大吸收波长和吸光度值分别为λmax=522nm,AO=0.533。2、在不同量的色媒体改性下，色媒体用量在4%（owf）时，上染百分率是最大；也就是说在一定范围的色媒体用量下，可以提高棉织物的上染百分率。3、在不同时间段色媒体处理的棉织物，上染百分率也就不同，随着改性时间的增长，棉织物的上染百分率呈递增趋势，并且在35min时候，上染百分率最大，但是在45min时，上染百分率值变小，所以，色媒体改性处理棉织物时长应该在35min左右最佳。4、改性温度过低或者过高都对棉织物上染不利，改性效果不好，当改性温度在60℃时，色媒体改性棉织物效果最佳，上染百分率最大，上染百分率值为68.78%。因此，棉织物改性温度，应该控制在60℃左右，改性效果好，棉织物上染百分率大。5、盐作用于改性和未改性织物，改性织物的上染百分率高于未改性的织物，在同样的条件下，改性织物相对染