CN105597826A - 一种低温过氧化氢催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温过氧化氢催化剂及其制备方法与应用，该催化剂具有以下结构：L1ML2 n其中：L1为分子量800-2000的水溶性壳聚糖；M为过渡金属；L2为辅助配体，选择含有可络合基团的化合物；n为0-3的整数；所述低温过氧化氢催化剂应用于棉织物前处理工艺中，处理后的产品具有较高的质量水平，且具有优异的环保性：可代替目前普遍采用的烧碱退浆、多种助剂大量添加的前处理方式，减少助剂用量和水洗次数，降低废水的COD值和排放量。

Description

一种低温过氧化氢催化剂及其制备方法与应用
技术领域：
本发明涉及一种低温过氧化氢催化剂及其制备方法与应用，属于印染行业的棉织物前处理工艺技术领域。
背景技术：
棉织物的前处理工艺，传统上一直采用高温浓碱的退浆、煮练、漂白三段工艺进行处理，这种工艺耗水量占印染加工总耗水量的75％，产生的COD和污染负荷占75％。不仅织物强力损失严重，工艺路线长，能源消耗大，生产成本高，而且环境污染严重。
为解决上述问题，降低织物前处理条件势在必行。在双氧水工作浴中加入活化剂或催化剂，促进双氧水有效分解，从而降低处理温度和提高处理效果，是双氧水低温处理的主要研究方向。近年来，双氧水低温漂白技术得到了国内外科研工作者广泛关注。尤其是美、德、日3国对此项的研究较多，几乎每年都有新的专利申报，形成了专利覆盖，而国内对此研究较少。
目前，研究开发的双氧水活化/催化体系主要有2大类，一类为可生成过氧酸或过氧化物的活化剂，如酰胺基类化合物(如TAED)、烷酰氧基类化合物(如NOBS)，以及相继开发的阳离子型N-酰基内酰胺类化合物(如TBCC、THCTS)和甜菜碱衍生物两性型化合物，它们均能与过氧化氢负离子(HOO-)作用生成漂白能力明显强于双氧水的过氧羧酸。已经商业化的产品主要是四乙酰乙二胺(TAED)和壬酰氧基苯磺酸钠(NOBS)，这2类化合物在欧美洗涤剂产品中得到了广泛的应用，在纺织品漂白工艺中的应用中不够成熟，还存在着较多的缺陷，如低温漂白时用量大、成本高、温度不够低，不易与其他助剂复配使用等。另一类是既具有生物酶的优异功能，又比生物酶简单、稳定的非蛋白质分子或分子集合体的仿酶催化剂，目前研究较多的仿酶体系主要有金属卟啉配合物和非卟啉金属配合物两大类。金属卟啉配合物由于其结构核心与细胞色素p-450相同，在相对温和的条件下具有较高的催化活性而受到瞩目。但由于金属卟啉配合物的成本较高，且难于制备手性配合物以及也能降解碳水化合物等，因而给实际应用带来一定困难。非卟啉金属配合物主要包括金属酞菁、希夫碱、大环多胺金属配合物。希夫碱配合物由于其良好的生理活性，已成为非卟啉型仿酶的研究热点之一，它是配体salen(由水杨醛和乙二胺缩合形成)与过渡金属铜、铁、锰、钴等的螯合物，salen配体的合成原料采用乙二胺和水杨醛，它们均为有毒物质，而且该仿酶体系需要加入价格较高且有毒性的吡啶。金属酞菁配合物存在着本身颜色较深和稳定性较差等问题。
本发明的目的在于合成一种绿色环保、成本低廉的低温过氧化氢催化剂，并将其应用于棉织物的前处理。
发明内容：
为解决上述问题，本发明的第一方面目的是提供一种低温过氧化氢催化剂，该催化剂具有以下结构：
L1ML2 n
其中：L1为分子量800-2000的水溶性壳聚糖；M为过渡金属；L2为辅助配体，选择含有可络合基团的化合物；n为0-3的整数。
所述的过渡金属盐是指从ⅢB族-ⅡB族(包括7个副族和1个Ⅷ族)过渡元素的盐，特别优选锰、铁、铜、锌的盐，比如硫酸锰、硫酸铁铵、硫酸亚铁、硫酸铜、乙酸锌、硫酸锌等。
所述的L2优选为含有羧基、氨基、羟基等可络合基团的化合物，特别优选为叔胺氧化物；
本发明的第二方面目的是提供一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取一定量的壳聚糖，加入适量去离子水搅拌，缓慢加入稀醋酸水溶液，待壳聚糖全部溶解后，将无水硫酸铜水溶液缓慢滴入上述溶液，壳聚糖：无水硫酸铜的摩尔比为4-20:1，此时溶液中醋酸的质量浓度为1-3％，壳聚糖与此时醋酸水溶液的比为1:60-300(m:V＝g：mL)，室温反应3-6小时，得到湖蓝色水溶液。
(2)在步骤(1)制得的溶液中加入30％H2O2，无水硫酸铜与H2O2摩尔比为1:1～20，在40-80℃反应4-6小时，得到深绿色水溶液，用纯碱饱和溶液调节其pH值至5-6，然后减压抽滤除去不溶物，将滤液通过阳离子树脂柱除去铜离子，得到黄色或棕色水溶性壳聚糖溶液。
(3)将水溶性壳聚糖和辅助配体以摩尔比1:0～3混合并溶解，调节适宜的pH值，加热至40-80℃，将与壳聚糖摩尔比为20-200:1的过渡金属盐水溶液缓慢滴入，并保温反应3-6小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
上述制备方法中：
所述的壳聚糖是指由地球上除纤维素以外数量最多的甲壳素脱乙酰化得到，脱乙酰度为70-95％的壳聚糖，因此壳聚糖生态环保、资源丰富，市场上均有售，可市购。
所述的辅助配体为常见的含有羧基、氨基、羟基等可络合基团的化合物，优选叔胺氧化物，比如十二烷基二甲基氧化胺、N-甲基氧化吗啉等。
所述的过渡金属盐是指从ⅢB族-ⅡB族(包括7个副族和1个Ⅷ族)过渡元素的盐，特别优选锰、铁、铜、锌的盐，比如硫酸锰、硫酸铁铵、硫酸亚铁、硫酸铜、乙酸锌、硫酸锌等。
本发明的第三方面目的是提供一种前述低温过氧化氢催化剂在棉织物前处理工艺中的应用，其应用配方如下：
如无特别说明，本发明所述的百分含量均是指质量百分含量，如30％H2O2、25％-28％氨水。
所述的精练渗透剂具有优异的渗透、乳化、净洗等性能，可市购，如北京中纺化工有限公司生产的精练渗透剂FK-1218。
为保持具有较好的前处理效果，前处理工作液应现用现配。在化料时先将渗透精练剂、低温过氧化氢催化剂加少量水搅拌均匀后，加入足量水，最后加入H2O2和氨水，搅拌均匀即可。
本发明的有益效果：
1、本发明的低温过氧化氢催化剂原料易得、绿色环保，而且合成过程操作简单。
2、本发明的低温过氧化氢催化剂与双氧水配合可通过氧化达到退浆、漂白、去棉籽壳等杂质的目的，代替普遍采用的烧碱退浆、多种助剂大量添加的前处理方式，减少助剂用量和水洗次数，降低废水的COD值和排放量。
3、采用氨水代替烧碱或纯碱调节工作液的pH值，喷淋水洗后即使有残留烘干即可去除，不需要酸中和，免去多道水洗，节水、节能、减排、缩短了工艺流程，降低了综合成本。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式：
制备实施例1：
(1)称取8.00g壳聚糖于1000mL三口烧瓶，加入480mL去离子水搅拌，缓慢加入160mL5％醋酸水溶液，待壳聚糖全部溶解后将0.80g无水硫酸铜的160mL水溶液滴入上述烧瓶中，室温反应4小时，得到浅湖蓝色水溶液。
(2)在上述湖蓝色水溶液中加入4mL30％H2O2，50℃反应4小时，得到深绿色水溶液，用纯碱饱和溶液调节其pH值至5-6，然后减压抽滤除去不溶物，将滤液通过阳离子树脂柱除去铜离子，得到黄色水溶性壳聚糖溶液。
(3)调整步骤(3)的工艺参数，得a～f。
a、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液加热至40℃，并将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
b、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和3.15g磺基水杨酸混合并溶解，加热至40℃，将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
c、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和2.91g50％N-甲基氧化吗啉混合并搅拌均匀，加热至40℃，将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
d、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液加热至40℃，并将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
e、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和3.15g磺基水杨酸混合并溶解，加热至40℃，将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
f、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和2.91g50％N-甲基氧化吗啉混合并搅拌均匀，加热至40℃，将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
制备实施例2：
(1)称取8.0g壳聚糖于1000mL三口烧瓶，加入320mL去离子水搅拌，缓慢加入320mL5％醋酸水溶液，待壳聚糖全部溶解后将1.2g无水硫酸铜的160mL水溶液滴入上述烧瓶中，室温反应6小时，得到湖蓝色水溶液。
(2)在上述湖蓝色水溶液中加入4mL30％H2O2，在40℃反应6小时，得到深绿色水溶液，用纯碱饱和溶液调节其pH值至5-6，然后减压抽滤除去不溶物，将滤液通过阳离子树脂柱除去铜离子，得到黄色水溶性壳聚糖溶液。
(3)调整步骤(3)的工艺参数，得a～f。
a、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液加热至60℃，并将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
b、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和3.15g磺基水杨酸混合并溶解，加热至60℃，将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
c、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和2.91g50％N-甲基氧化吗啉混合并搅拌均匀，加热至60℃，将0.05g无水硫酸铜的10mL水溶液缓慢滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
d、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液加热至60℃，并将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
e、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和3.15g磺基水杨酸混合并溶解，加热至60℃，将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
f、将100mL上述水溶性壳聚糖溶液和2.91g50％N-甲基氧化吗啉混合并搅拌均匀，加热至60℃，将0.12g六水合硫酸亚铁铵的10mL水溶液滴入，保温反应4小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
应用实施例：
将本发明实施例制备的低温过氧化氢催化剂，应用于棉织物的前处理工艺，工艺步骤如下：
棉织物规格30×30×68×68表示：纱支:30Nm×30Nm，经纬密:68(根/10cm)×68(根/10cm)。
工艺流程：浸轧前处理工作液(二浸二轧，轧液率为120％)→打卷密封堆置(室温转动12h)→喷淋水洗→烘干。
前处理工作液处方：
效果检测：
将上述实施例处理的织物与常规冷轧堆短蒸工艺(处理织物规格同应用实施例)进行对比测试分析，结果列于表1。
失重率：将处理前后织物烘干至恒重，并在干燥器内平衡后称重，计算失重率(％)。G0-处理前试样重量，G1-处理后试样重量。
失重率＝[(G0-G1)/G0]×100％
白度：采用Datacolor400型测色配色仪，根据GB/T8424.2-2001《纺织品色牢度实验相对白度的仪器评定方法》进行测试，试样折叠到不透光，测试4次，取平均值。
毛效：将棉织物剪成25cm×4cm(经×纬)的长条，固定于YG(L)871毛细管效应测试仪上，室温条件下观察30min液体沿经向上升的高度。
表1、本发明与常规冷堆冷堆短蒸工艺的处理结果对照
由表1可以看出：
1、关于处理效果：
采用本发明制备的低温过氧化氢催化剂应用于棉织物前处理，处理后的产品具有较高的质量水平，产品在退浆率、白度和毛效等方面和常规冷轧堆短蒸工艺指标接近。
2、环保性：
制备方面：本发明的低温过氧化氢催化剂原料易得、绿色环保，而且合成过程操作简单。
处理工艺：本发明的低温过氧化氢催化剂与双氧水配合可通过氧化达到退浆、漂白、去棉籽壳等杂质的目的，代替普遍采用的烧碱退浆、多种助剂大量添加的前处理方式，减少助剂用量和水洗次数，降低废水的COD值和排放量。
3、工艺流程及成本：
采用氨水代替烧碱或纯碱调节工作液的pH值，喷淋水洗后即使有残留烘干即可去除，不需要酸中和，免去多道水洗，节水、节能、减排、缩短了工艺流程，降低了综合成本。

Claims (10)

1.一种低温过氧化氢催化剂，其特征在于，该催化剂具有以下结构：
L1ML2 n
式中：L1为分子量800-2000的水溶性壳聚糖；M为过渡金属；L2为辅助配体，选择含有可络合基团的化合物；n为0-3的整数。
2.根据权利要求1所述的一种低温过氧化氢催化剂，其特征在于：所述的过渡金属是指从ⅢB族-ⅡB族的过渡元素。
3.根据权利要求1所述的一种低温过氧化氢催化剂，其特征在于：所述的L2为含有羧基、氨基、羟基的化合物。
4.一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称取一定量的壳聚糖，加入适量去离子水搅拌，缓慢加入稀醋酸水溶液，待壳聚糖全部溶解后，将无水硫酸铜水溶液缓慢滴入上述溶液，壳聚糖：无水硫酸铜的摩尔比为4-20:1，此时溶液中醋酸的质量浓度为1-3%，壳聚糖与此时醋酸水溶液的g：mL比为1:60-300，室温反应3-6小时，得到湖蓝色水溶液；
（2）在步骤（1）制得的溶液中加入30%H2O2，无水硫酸铜与H2O2摩尔比为1:1～20，在40-80℃反应4-6小时，得到深绿色水溶液，用纯碱饱和溶液调节其pH值至5-6，然后减压抽滤除去不溶物，将滤液通过阳离子树脂柱除去铜离子，得到黄色或棕色水溶性壳聚糖溶液；
（3）将水溶性壳聚糖和辅助配体以摩尔比1:0～3混合并溶解，加热至40-80℃，将与壳聚糖摩尔比为20-200:1的过渡金属盐水溶液缓慢滴入，并保温反应3-6小时，得到低温过氧化氢催化剂溶液。
5.根据权利要求4所述的一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述的壳聚糖是由甲壳素脱乙酰化得到，脱乙酰度为70-95%。
6.根据权利要求4所述的一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述的辅助配体为十二烷基二甲基氧化胺或N-甲基氧化吗啉。
7.根据权利要求4所述的一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述的过渡金属盐是指从ⅢB族-ⅡB族过渡元素的盐。
8.根据权利要求7所述的一种低温过氧化氢催化剂的制备方法，其特征在于：所述的过渡金属盐为锰、铁、铜、锌的盐。
9.一种如权利要求1-3之一所述的低温过氧化氢催化剂在棉织物前处理工艺中的应用，其应用配方如下：
30%H2O210-70mL/L
低温过氧化氢催化剂10-70mL/L
精练渗透剂1-15g/L
25%-28%氨水5-20mL/L。
10.根据权利要求9所述的低温过氧化氢催化剂在棉织物前处理工艺中的应用，其特征在于：所述的精练渗透剂为北京中纺化工有限公司生产的精练渗透剂FK-1218。
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