CN108708100A - 一种电化学还原染色装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电化学还原染色装置，包括电解池和染槽，所述电解池内设置有阳极和阴极，所述电解池通过第一循环泵将其中的电解液导入所述染槽，染色操作后，所述染槽通过第二循环泵将所述电解液重新导入所述电解池。该装置加快了电化学还原速率，提高了电流效率，通过对染液氧化还原电位监控，以活性染料来控制反应速率，保证染色质量，实现染液循环利用，减少药品消耗，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。本发明还提供了使用上述装置进行电化学还原染色的方法。

Description

一种电化学还原染色装置及方法
技术领域
本发明属于硫化染料的还原染色技术领域，具体涉及一种电化学还原染色装置及方法。
背景技术
硫化染料的发现与应用已有一百三十多年的历史,它的生产工艺比较简单,一般是由芳胺类或酚类化合物与硫磺或多硫化钠混合加热制成的。成本低廉、使用方便、无致癌性,具有良好的水洗牢度和日晒牢度,是一类大众化的染料。但由于它是一类水不溶性的染料,染色时,它们在硫化碱溶液中被还原成可溶性的隐色体钠盐,染入纤维后,经过氧化成为不溶状态固着在纤维上,因此染色工艺复杂,而且在强碱性条件下不能用于羊毛、蚕丝等蛋白质纤维。所以硫化染料多用于纤维素纤维的染色,特别是棉纺织物深色产品的染色,其中以黑、蓝两种颜色的应用最广。硫化染料的生产工艺简短、价格低廉、坚牢度好，但是由于其在实际生产和应用中仍然有和很多缺点和问题，所以依旧不能广泛的在各种织物中得到应用。
传统的硫化染料是非水溶性染料,染色中大量硫化碱的使用使染色废水含硫量高,生物难降解,排放带来极大的环境污染,生成了使活性污泥法和凝聚沉淀法都不能充分处理好的废水,排放水质难达要求,造成了环境污染。为解决废水问题,工厂需要投入大量资金,不仅大大增加了生产成本,而且在染色过程中容易产生有毒的硫化氢气体,当在空气中达到一定含量时,能引起眩晕、心悸、恶心等,具有一定的危险性。这是硫化染料逐渐衰退的重要原因之一。并且这种通过染料的不溶性而染色的纤维不耐摩擦且不耐氯漂,上染温度高。而且用量最大的黑色硫化染料的染色物在贮存中有脆损现象,这是由于用于染色的硫化物大量地残留于被染物中,成品在保存中因空气的氧化产生硫酸根而使纤维脆化。硫化染料染色时需要先还原溶解才能上染纤维,后处理工艺步骤烦琐,整个染色过程工艺相对复杂。
活性染料作为现代染料工业的代表，50多年来得到了飞速的发展。活性染料之所以如此受到市场的青睐，有以下五个原因:(1)是取代纤维素纤维用禁用染料和其它类型染料，如硫化染料、还原染料、直接染料与冰染染料等的最佳选择之一。(2)是取代羊毛和聚酰胺纤维用禁用染料和含金属染料，如铬媒染料、金属络合酸性染料等的最佳选择之一。(3)能用经济的染色工艺和简单的染色操作获得高水平的各种色牢度，特别是湿牢度。(4)色谱齐全、色泽鲜艳、性能优异、适用性强，其色相和性能基本上与市场对纤维和衣料的要求相适应。(5)适于新纤维产品，如Lyocel l纤维、Modal纤维、竹纤维、超细尼龙纤维和新型混纺织物等印染的需要。
当然，活性染料的发展历史与其它染料相比毕竟不长，随着应用实践的深入发展，现有活性染料暴露出来的问题越来越多，特别是对环境污染、能源消耗和能否可持续发展等方面的问题越来越突出，大致有以下四个方面:(1)活性染料在水中会水解，利用率不高，一般在55％～80％(包括含1个和2个活性基的染料)。这些水解染料水溶性好，采用现有的废水处理技术与设备难于去除，会产生大量有色污水，其色度高的甚至超过几万倍，CODCr值一般在(0.8～3.0)×105mg/L，深浓废水的CODCr值要超过5.0×105mg/L。(2)在采用活性染料竭染和轧-蒸工艺中，为了抑制纤维表面的负电荷，需耗用大量电解质，不仅提高了劳动强度，而且造成废水中的阴离子(Cl－、SO42－)浓度高达10×105mg/L，大大增加了治理活性染料染色废水的难度。(3)纤维用活性染料染色后，为了去除纤维上的水解染料和未固着染料，水洗加工反复冗长，水洗效率低、水耗能耗大。(4)活性染料的生物降解性较差，卤代杂环类活性基的染料还提高了印染废水的AOX含量(可吸附有机卤化物量)。
为了解决上述问题，近年来国内外学者做了大量的工作。这些工作主要分为两类：一类是采用对环境无污染(无硫或低硫)的还原剂来取代硫化钠；另一类则是利用电化学还原的技术,彻底取消化学还原剂的使用。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。因此，今年来不少学者对此进行研究。例如专利CN 132020 C，专利CN 102174731 A和专利CN 103255642 A使用多阴极式还原装置，离心式还原装置和连续式还原染色装置，其都需使用离子交换膜将电解池分为阳极区和阴极区，而离子交换膜使用寿命短，价格高昂，故不利于实际生产。
发明内容
为解决现有的技术不足，本发明提供了一种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，通过对染液氧化还原电位监控，以活性染料来控制反应速率，保证染色质量，实现染液循环利用，减少药品消耗，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：一种电化学还原染色装置，包括电解池和染槽，所述电解池内设置有阳极和阴极，所述电解池通过第一循环泵将其中的电解液导入所述染槽，染色操作后，所述染槽通过第二循环泵将所述电解液重新导入所述电解池。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，所述阳极为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
具体的，所述阴极为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
具体的，所述电解池由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
具体的，所述染槽由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
具体的，所述电解池中还设有搅拌装置和加热装置。进一步，所述搅拌装置为磁力搅拌器或浆式搅拌器；加热装置为电加热管。
具体的，所述染槽中还设有电位装置。进一步，所述电位装置为电位滴定仪。
此外，本发明还提供了使用上述装置进行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、硫酸铁、三乙醇胺、硫化染料和活性染料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)待所述电解液完全还原后通过第一循环泵将其导入所述染槽中进行染色；
3)将所述染槽中进行染色后的电解液通过第二循环泵重新导入所述电解池；
4)重复进行步骤2)和步骤3)。
具体的，在所述电解液中，所述氢氧化钠的浓度为0.1-0.2mol/L；所述硫酸铁浓度为0.001-0.01mol/L；所述三乙醇胺浓度为0.001-0.01mol/L；所述粉状硫化染料浓度为0.001-0.01mol/L；所述粉状硫化染料与所述活性染料的浓度比为100-1:1。
具体的，所述硫化染料选自粉状硫化染料、水溶性硫化染料、液体硫化染料、环保型硫化染料、硫化还原染料和分散硫化染料中的一种。所述活性染料选自卤代均三嗪型(二氯、一氯、一氟)活性染料、乙烯砜型(KN型)活性染料、卤代嘧啶(F型)、叠氮基型活性染料、膦酸基型活性染料、X型活性染料和M型活性染料中的一种。
本发明工艺原理为：阳极和阴极放置于一个装有加热装置和搅拌装置的电解池中并进行间接电化学还原，在活性染料的促进下，硫化染料完全还原成隐色体的还原液后，通过第一循环泵将还原液导入至染槽内进行棉纱线的染色，最后利用第二循环泵将染液残液抽回至电解池内进行循环电化学还原。
与现有技术相比，本发明的提供的一种电化学还原染色装置和方法具有以下有益效果：1.阳极与阴极在同一电解池中进行电化学反应，取消对离子交换膜的使用，加快电化学还原速率，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；2.实现染液的循环利用，减少药品消耗，大大降低生产成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种电化学还原染色装置结构示意图。
其中：1-电解池，2-加热装置，3-阳极，4-搅拌装置，5-直流电源，6-第二循环泵，7-第一循环泵，8-阴极，9-染槽，10-电位装置。
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。
本发明提供了一种电化学还原染色装置，包括电解池1和染槽9，所述电解池1内设置有阳极3和阴极8，所述电解池1通过第一循环泵7将其中的电解液导入所述染槽9，染色操作后，所述染槽9通过第二循环泵6将所述电解液重新导入所述电解池1。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。
优选的，所述阳极3为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
优选的，所述阴极8为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
优选的，所述电解池1由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
优选的，所述染槽9由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
优选的，所述电解池1中还设有搅拌装置4和加热装置2。进一步，所述搅拌装置为磁力搅拌器或浆式搅拌器；加热装置为电加热管。
优选的，所述染槽9中还设有电位装置10。进一步，所述电位装置为电位滴定仪。
此外，本发明还提供了使用上述装置进行电化学还原染色的方法，其包括如下步骤：
1)向所述电解池1中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、硫化染料和活性染料进行搅拌制成电解液，在所述阳极3和阴极8之间通入直流电源；
2)待所述电解液完全还原后通过第一循环泵7将其导入所述染槽9中进行染色；
3)将所述染槽9中进行染色后的电解液通过第二循环泵6重新导入所述电解池1；
4)重复进行步骤2)和步骤3)。
优选的，在所述电解液中，所述氢氧化钠的浓度为0.1-0.2mol/L；所述硫酸铁浓度为0.001-0.01mol/L；所述三乙醇胺浓度为0.01-0.1mol/L；所述粉状硫化染料浓度为0.001-0.01mol/L；所述粉状硫化染料与所述活性染料的浓度比为100-1:1。
优选的，所述硫化染料选自粉状硫化染料、水溶性硫化染料、液体硫化染料、环保型硫化染料、硫化还原染料和分散硫化染料中的一种。所述活性染料选自卤代均三嗪型(二氯、一氯、一氟)活性染料、乙烯砜型(KN型)活性染料、卤代嘧啶(F型)、叠氮基型活性染料、膦酸基型活性染料、X型活性染料和M型活性染料中的一种。
实施例1
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、粉状硫化染料和K型活性染料制备电解液，其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.1mol/L、硫酸铁浓度为0.001mol/L、三乙醇胺浓度为0.02mol/L、粉状硫化染料浓度为0.01mol/L以及少量K型活性染料，进行充分搅拌得到电解液，所述电解池中阴极为20目铜网，阳极为20目不锈钢网，使用所述加热装置进行加热使得电解还原温度为50℃，通入直流电源，电解电流密度为0.14安倍/平方分米，等电解液完全还原成还原液，通过第一循环泵将还原液导入染槽进行纱线染色，染色过程中，染液通过第二循环泵将一部分染液抽回至电解池中，将部分被氧化的还原液进行电化学还原，实现还原和染色间染液的循环，通电还原0.5小时，测得电流效率为76.1％。
实施例2
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、水溶性硫化染料和X型活性染料制备电解液，其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.2mol/L、硫酸铁浓度为0.003mol/L、三乙醇胺浓度为0.06mol/L、水溶性硫化染料的浓度为0.03mol/L和少量X型活性染料，进行充分搅拌得到电解液，所述电解池中阴极为80目不锈钢网，阳极为80目镍网，使用所述加热装置进行加热使得电解还原温度为50℃，通入直流电源，电解电流密度为0.5安倍/平方分米，等电解液完全还原成还原液，通过第一循环泵将还原液导入染槽进行纱线染色，染色过程中，染液通过第二循环泵将一部分染液抽回至电解池中，将部分被氧化的还原液进行电化学还原，实现还原和染色间染液的循环，通电还原0.5小时，测得电流效率为81.5％。
实施例3
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、液体硫化染料和KN型活性染料制备电解液，其中在所述电解液中，氢氧化钠浓度为0.1mol/L、硫酸铁浓度为0.006mol/L、三乙醇胺浓度为0.01mol/L、液体硫化染料浓度为0.06mol/L和少量KN型活性染料，进行充分搅拌得到电解液，所述电解池中阴极为不锈钢片，阳极为铜片，电解还原温度为50℃，通入直流电源，电解电流密度为0.3安倍/平方分米，等电解液完全还原成还原液，通过第一循环泵将还原液导入染槽进行纱线染色，染色过程中，染液通过第二循环泵将一部分染液抽回至电解池中，将部分被氧化的还原液进行电化学还原，实现还原和染色间染液的循环，通电还原0.5小时，测得电流效率为68.2％。
实施例4
向所述电解池中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、环保型硫化染料和F型活性染料制备电解液，其中在所述电解液中氢氧化钠浓度为0.1mol/L、硫酸铁浓度为0.006mol/L、三乙醇胺浓度为0.1mol/L、环保型硫化染料浓度为0.06mol/L和F型活性染料进行充分搅拌得到电解液，所述电解池中阴极为环形镍网，阳极为环形铜网，电解还原温度为50℃，通入直流电源，电解电流密度为0.3安倍/平方分米，等电解液完全还原成还原液，通过第一循环泵将还原液导入染槽进行纱线染色，染色过程中，染液通过第二循环泵将一部分染液抽回至电解池中，将部分被氧化的还原液进行电化学还原，实现还原和染色间染液的循环，通电还原0.5小时，测得电流效率为84.7％。
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)

1.一种电化学还原染色装置，其特征在于，包括电解池(1)和染槽(9)，所述电解池(1)内设置有阳极(3)和阴极(8)，所述电解池(1)通过第一循环泵(7)将其中的电解液导入所述染槽(9)，染色操作后，所述染槽(9)通过第二循环泵(6)将所述电解液重新导入所述电解池(1)。
2.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述阳极(3)为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述阴极(8)为20-200目不锈钢网、不锈钢片、20-200目镍网、镍片、20-200目铜网或铜片中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述电解池(1)由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
5.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述染槽(9)由玻璃、聚四氟乙烯或金属制成。
6.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述电解池(1)中还设有搅拌装置(4)和加热装置(2)。
7.根据权利要求1所述的一种电化学还原染色装置，其特征在于：所述染槽(9)中还设有电位装置(10)。
8.一种使用权利要求1至7任一项所述装置进行电化学还原染色的方法，其包括如下步骤：
1)向所述电解池1中依次加入氢氧化钠水溶液、硫酸铁、三乙醇胺、硫化染料和活性染料进行搅拌制成电解液，在所述阳极(3)和阴极(8)之间通入直流电源；
2)待所述电解液完全还原后通过第一循环泵(7)将其导入所述染槽(9)中进行染色；
3)将所述染槽(9)中进行染色后的电解液通过第二循环泵(6)重新导入所述电解池(1)；
4)重复进行步骤2)和步骤3)。
9.根据权利要求8所述的一种电化学还原染色的方法，其特征在于：在所述电解液中，所述氢氧化钠的浓度为0.1-0.2mol/L；所述硫酸铁浓度为0.001-0.01mol/L；所述三乙醇胺浓度为0.01-0.1mol/L；所述粉状硫化染料浓度为0.001-0.01mol/L；所述粉状硫化染料与所述活性染料的浓度比为100-1:1。
10.根据权利要求8所述的一种电化学还原染色的方法，其特征在于：所述硫化染料选自粉状硫化染料、水溶性硫化染料、液体硫化染料、环保型硫化染料、硫化还原染料和分散硫化染料中的一种；所述活性染料选自卤代均三嗪型活性染料、乙烯砜型活性染料、F型活性染料、叠氮基型活性染料、膦酸基型活性染料、X型活性染料和M型活性染料中的一种。
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