CN108642760A - 一种石墨烯电化学还原染色装置及方法 - Google Patents

一种石墨烯电化学还原染色装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对现有技术中的不足,提供了一种石墨烯电化学还原染色装置及方法,包括电解池,所述电解池底部水平横向固定设有阴极,所述阴极为石墨烯板,所述电解池中部水平横向设有阳极,所述电解池外设有用于驱动所述阳极上下往复运动的驱动装置。该装置加快了电化学还原速率,提高了电流效率,通过对电解液氧化还原电位监控,及充分的过滤搅匀,保证染色质量,实现直接在电解池中进行染色,减少药品消耗,提高空间利用率,大大的降低了生产成本,提高该类工艺工业化生产的生产效率。

Description

一种石墨烯电化学还原染色装置及方法
技术领域
本发明属于还原染色技术领域,具体涉及一种石墨烯电化学还原染色装置及方法。
背景技术
粉状硫化染料,染料结构通式:D-S-S-D,一般需用硫化钠沸煮,溶解后应用。硫化染料及活性染料生产工艺比较简单,在国内外应用较为广泛,价格和成本相对低廉的一种染料。硫化染料不溶于水,染色时需使用硫化钠或其他还原剂,将染料还原为可溶性隐色体。它对纤维具有亲和力而染上纤维,然后经氧化显色便恢复其不溶状态而固着在纤维上,硫化染料可用于棉、麻、粘胶等纤维的染色,其制造工艺较简单,成本低廉,能染单色,也可拼色,耐晒坚牢度较好,耐磨坚牢度较差,色谱中缺少红色、紫色,色泽较暗,适合染浓色。但是多硫化物或硫化钠作还原剂会产生有毒的气体硫化氢,危害工人健康,硫化染料含杂质硫太多,即便选用无害的还原剂也会因为染料本身含杂太多而反应产生硫化氢气体,会造成严重的环境污染。
因此,近年来国内外学者一直在致力于研究一种新方法来替代目前硫化钠还原方法。而高电位的硫化染料可用电化学方法直接在电极还原,不用像靛蓝染料一样需要中间体才能进行还原,所以电化学方法是用电子代替还原剂,因而不会产生有害的副产物,成为一种清洁环保的染色方法。这种还原染色方法可以通过测定染液中的氧化还原电位加以监控,从而有利于提高生产效率,降低生产成本。
发明内容
为解决现有的技术不足,本发明提供了一种石墨烯电化学还原染色装置,该装置加快了电化学还原速率,提高了电流效率,通过对电解液氧化还原电位监控,及充分的过滤搅匀,保证染色质量,实现直接在电解池中进行染色,减少药品消耗,提高空间利用率,大大的降低了生产成本,提高该类工艺工业化生产的生产效率。
为了实现上述目的,本发明所采取的技术方案是:一种石墨烯电化学还原染色装置,包括电解池,所述电解池底部水平横向固定设有阴极,所述阴极为石墨烯板,所述电解池中部水平横向设有阳极,所述电解池外设有用于驱动所述阳极上下往复运动的驱动装置。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以有如下进一步的具体选择或优化选择。
具体的,所述驱动装置为电机,所述电机的输出轴与轮缘处带有水平杆的传动盘固定连接,所述阳极与竖直杆的下端固定连接,所述竖直杆的上端与所述所述水平杆转动连接,所述电机带动所述传动盘转动时,所述竖直杆可带动阳极上下往复运动。
具体的,所述阳极为网孔尺寸为100-150目的不锈钢网、镍网、铜网、和石墨烯网中的任意一种。
具体的,所述电解池由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
具体的,所述电解池中还设有加热装置。进一步,所述加热装置可以为电加热管。
具体的,所述电解池中还设有电位装置。进一步,所述电位装置为电位滴定仪。
具体的,所述石墨烯板为电镀石墨烯的板,或者含石墨烯的板。
此外,本发明还提供了使用上述装置进行石墨烯电化学还原染色的方法,其包括如下步骤:
1)向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和活性染料,开启所述驱动装置使阳极上下往复运动进行搅拌制成电解液,在所述阳极和阴极之间通入直流电源;
2)待所述还原染料完全还原后,关闭直流电源和驱动装置,将棉纱线放入电解池中进行染色。
具体的,所述活性染料选自硫化染料、还原染料中的一种。
具体的,所述阳极和阴极上电流密度为0.25-3.5安培/平方分米。
具体的,所述电解池中还加入适量离子迁移助剂,所述离子迁移助剂可以是阳离子WLS助剂,它是一种含有多个环氧乙烷活性基的阳离子季铵盐类交联改性剂,WLS助剂能显著提高对阴离子活性染料的染色性能。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
阴极采用的石墨烯结构非常稳定并且石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electricchargecarrier),的性质和相对论性的中微子非常相似,导电及电能损耗很低是最佳材料。
当用电化学方法加速活性染料染色时,处于染浴中的正、负极使得染液中的活性染料阴离子发生向正极方向的定向移动,而待染棉织物于正极相连,使得织物附近的染料阴离子浓度增大,促进染料吸附,由于外加电场使染料在染液中的化学位提高,在纤维中的化学位降低,这就促使染料由液相向固相转移,提高了染色速率。
因此,在本发明提供的装置和方法中,阳极与阴极在同一电解池中进行电化学反应,阳极上下运动取代了搅拌器,取消对离子交换膜的使用,加快电化学还原速率,石墨烯为阴极,极大的提高电流效率,通过对染液氧化还原电位监控,保证染色质量;还原与染色一体的装置,提高了空间利用率,大大降低生产成本。传统电化学还原装置通过电化学来还原活性染料,电极电子传输效率低,电极腐蚀严重,还原效果较差。用石墨烯代替传统阴极主要是它导电效率好电子传输效率高还不易腐蚀,相较于传统电极寿命长还原效果更佳。
附图说明
图1是本发明提供的一种石墨烯电化学还原染色装置的结构示意图;
图2是本发明提供的一种石墨烯电化学还原染色装置的驱动装置结构示意图。
其中:1-直流电源,2-驱动装置,3-电位装置,4-电解池,5-阳极,6-阴极,7-加热装置,21-电机,22-传动盘,23-水平杆,24-竖直杆。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合附图及具体实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示,一种石墨烯电化学还原染色装置,包括电解池4,所述电解池4底部水平横向固定设有阴极6,所述阴极6为石墨烯板,所述电解池4中部水平横向设有阳极5,所述电解池4外设有用于驱动所述阳极5上下往复运动的驱动装置2。
优选的,所述驱动装置2为电机21,所述电机21的输出轴与轮缘处带有水平杆23的传动盘22固定连接,所述阳极5与竖直杆24的下端固定连接,所述竖直杆24的上端与所述所述水平杆23转动连接,所述电机21带动所述传动盘22转动时,所述竖直杆24可带动阳极5上下往复运动。
优选的,所述阳极5为网孔尺寸为100-150目的不锈钢网、镍网、铜网、和石墨烯网中的任意一种。
优选的,所述电解池4由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
优选的,所述电解池4中还设有加热装置7。进一步,所述加热装置7可以为电加热管。
优选的,所述电解池4中还设有电位装置3。进一步,所述电位装置3为电位滴定仪。
优选的,所述石墨烯板为电镀石墨烯的板,或者含石墨烯的板。
此外,本发明还提供了使用上述装置进行石墨烯电化学还原染色的方法,其包括如下步骤:
1)向所述电解池4中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和活性染料,开启所述驱动装置2使阳极5上下往复运动进行搅拌制成电解液,在所述阳极5和阴极6之间接通直流电源1;
2)待所述还原染料完全还原后,关闭直流电源1和驱动装置2,将棉纱线放入电解池4中进行染色。
优选的,所述活性染料选自硫化染料、还原染料中的一种。
优选的,所述阳极5和阴极6上电流密度为0.25-3.5安培/平方分米。
优选的,所述电解池4中还加入适量离子迁移助剂,所述离子迁移助剂可以是阳离子WLS助剂,它是一种含有多个环氧乙烷活性基的阳离子季铵盐类交联改性剂,WLS助剂能显著提高对阴离子活性染料的染色性能。
需要说明的是,所述电解池4中的电解液也充当染色的作用,因此也叫做染液。
实施例1:
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和硫化染料制备电解液,其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.15mol/L、三乙醇胺浓度为0.02mol/L、硫化染料浓度为0.01mol/L。开启驱动装置并通入直流电源,阳极网100目钢板对电解液进行搅拌并开始电化学还原反应,加入适量的离子迁移助剂,可加快硫化染料的还原效率,电解液温度为30℃,电解电流密度为0.5安培/平方分米,通电还原30分钟,测的电流效率为82.3%。
实施例2:
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和硫化染料制备电解液,其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.2mol/L、三乙醇胺浓度为0.15mol/L、硫化染料浓度为0.02mol/L。开启驱动装置并通入直流电源,阳极网150目钢板对电解液进行搅拌并开始电化学还原反应,加入适量的离子迁移助剂,可加快硫化染料的还原效率,电解液温度为30℃,电解电流密度为0.7安培/平方分米,通电还原30分钟,测的电流效率为83.4%。
实施例3:
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和硫化染料制备电解液,其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.1mol/L、三乙醇胺浓度为0.1mol/L、硫化染料浓度为0.15mol/L。开启驱动装置并通入直流电源,阳极网100目镍板对电解液进行搅拌并开始电化学还原反应,加入适量的离子迁移助剂,可加快硫化染料的还原效率,电解液温度为30℃,电解电流密度为0.5安培/平方分米,通电还原30分钟,测的电流效率为80.4%。
实施例4:
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和硫化染料制备电解液,其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.2mol/L、三乙醇胺浓度为0.1mol/L、硫化染料浓度为0.15mol/L。开启驱动装置并通入直流电源,阳极网90目钢板对电解液进行搅拌并开始电化学还原反应,加入适量的离子迁移助剂,可加快活性染料液中的活性阴离子向阳极迁移的过程,电解液温度为40℃,电解电流密度为0.6安培/平方分米,通电还原30分钟,测的电流效率为84.6%。
在现有技术中,电化学还原在染色工艺中应用时,电流效率一般只能达到30%-40%,本发明技术方案相对于现有技术在降低电解电流密度的同时,大大提高了电流效率,在保证染色质量的前提下,大大降低生产成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:包括电解池(4),所述电解池(4)底部水平横向固定设有阴极(6),所述阴极(6)为石墨烯板,所述电解池(4)中部水平横向设有阳极(5),所述电解池(4)外设有用于驱动所述阳极(5)上下往复运动的驱动装置(2)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:所述阳极(5)为网孔尺寸为100-150目的不锈钢网、镍网、铜网和石墨烯网中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:所述电解池(4)由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:所述电解池(4)中还设有加热装置。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:所述电解池(4)中还设有电位装置。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯电化学还原染色装置,其特征在于:所述驱动装置(2)为电机(21),所述电机(21)的输出轴与轮缘处带有水平杆(23)的传动盘(22)固定连接,所述阳极(5)与竖直杆(24)的下端固定连接,所述竖直杆(24)的上端与所述所述水平杆(23)转动连接,所述电机(21)带动所述传动盘(22)转动时,所述竖直杆(24)可带动阳极(5)上下往复运动。
7.一种如权利要求1至6任一项所述装置进行石墨烯电化学还原染色的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)向所述电解池(4)中依次加入氢氧化钠水溶液、三乙醇胺和活性染料,开启所述驱动装置(2)使阳极(5)上下往复运动进行搅拌制成电解液,在所述阳极(5)和阴极(6)之间接通直流电源(1);
2)待所述还原染料完全还原后,关闭直流电源(1)和驱动装置(2),将棉纱线放入电解池(4)中进行染色。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯电化学还原染色的方法,其特征在于:所述活性染料选自硫化染料、还原染料中的一种。
9.根据权利要求7所述的一种石墨烯电化学还原染色的方法,其特征在于:所述阳极(5)和阴极(6)之间的电流密度为0.25-3.5安培/平方分米。
10.根据权利要求7所述的一种石墨烯电化学还原染色的方法,其特征在于:所述电解池(4)中还加入离子迁移助剂。
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