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生物酶和化學助劑相結合的酶氧前處理新工藝
生物酶和化學助劑相結合，具有很強的適應性和靈活性的新工藝，下面是小編搜集整理的一篇探究生物酶和化學助劑相結合效果的論文范文，歡迎閱讀查看。
棉及棉型(棉與其他天然或合成纖維混紡或交織織物)織物印染前處理的重污染工序主要包括3道化學濕處理工藝:退漿、精練和漂白。其主要任務是除去坯布上的漿料和棉纖維中的天然雜質(zhì)，以保證后續(xù)染整加工的順利進行。目前常用的前處理工藝適合大多數(shù)純棉織物的退漿精練和漂白長車法工藝，適用于彈力織物的冷軋堆和漂白二步法以及適合薄型織物退煮漂一浴法等。在傳統(tǒng)前處理工藝中，燒堿作為皂化劑將果膠、油蠟、蛋白質(zhì)后水解，再用表面活性劑將分解物乳化和分散后從棉纖維上去除。但堿對大多數(shù)漿料來說沒有化學降解作用，漿料溶脹，溶落的漿料直接進入水洗槽。隨著退漿和水洗過程的進行，水洗槽中的漿料濃度越來越高，洗液黏度越大，漿料容易重新沾污到織物上，因此，煮練后必須用大量的清水洗滌，增加了污水排放量，污水COD值高，且不易降解。
近年來新興的一些退漿技術，例如超聲波退漿、等離子體退漿、超臨界二氧化碳退漿、Fenton試劑退漿和尿素/H2O2體系退漿等，雖然退漿效果好，但是昂貴的費用使其仍處于起步階段，尚未實現(xiàn)工業(yè)化。尿素/H2O2體系退漿，雖然提出了將COD消減在工藝過程中的理念，但是會在廢水中引入氨氮這種比COD更難以去除的物質(zhì)，且處于實驗室研究階段;Fenton試劑則會使織物出現(xiàn)顏色，并且容易致使布面出現(xiàn)破洞，其應用受到了限制。酶退漿作用條件溫和，對纖維基本上沒有損傷，處理后手感豐滿，柔軟有光澤，且染色、印花后色光純正，是一種理想的退漿方式。但淀粉酶退漿，對含PVA漿料的坯布退漿效果不理想，而目前為止采用PVA降解酶進行棉織物的退漿還僅僅停留在實驗室階段。同時單獨酶法退漿由于加入了有機物，會使廢水中COD增高，該工藝節(jié)能效果好，廢水減排并不理想。
本文采用生物酶和化學助劑相結合，具有很強的適應性和靈活性的新工藝。新工藝利用生物復合酶的優(yōu)點，在中性和較溫和的溫度條件下去除棉織物上的部分雜質(zhì)，破壞雜質(zhì)在棉織物上的完整結構，將分子中的鍵打開，有助于化學助劑發(fā)揮作用。隨后過氧化氫原位可使淀粉、PVA氧化分解或降解成小分子物質(zhì)，黏度降低，再經(jīng)水洗，很容易被洗脫。酶法新工藝流程短，減少前處理過程的能源消耗，降低廢水的COD值，產(chǎn)生的污水BOD/COD值增大，污水的可生化性提高，污水易處理。
本文將此酶氧前處理新工藝與傳統(tǒng)堿氧前處理工藝在水、電、汽消耗及廢水的可生化性方面進行對比，并對新工藝處理棉織物各項指標(白度、毛效、棉籽殼去除率、退漿率和強力等)進行測試。同時采用模擬的手段，分別對過氧化氫和氫氧化鈉對聚乙烯醇在溶液均相體系中的作用進行分析，以期對新工藝的原理有更深入的理解。
1、實驗部分
1.1實驗材料
全棉府綢(坯布)經(jīng)緯紗絨密度為9.72tex，經(jīng)緯密均為551根/10cm，面密度為120g/m2，浙江稽山印染有限公司提供。
1.2實驗藥品
NaOH、H2O2(30%)、PVA1799均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司;氧漂穩(wěn)定劑、高效精練劑、耐堿滲透劑、螯合分散劑、JFC等，以上藥品等級均為工業(yè)級;生物酶復合制劑HD-100、生物酶增效劑HD-101、H2O2受控分解劑HD-181均為工業(yè)級，上海漢達染整有限公司提供。
1.3實驗設備
燒毛機、退煮漂聯(lián)合機為生產(chǎn)型設備;SNB-2型數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(上海地學儀器研究所);切割相對分子質(zhì)量為100000、50000、10000、3000和1000的超濾膜(上海艾研生物科技有限公司);Millipore/8400型超濾杯(美國Millipore公司);H10K-S型雙臂萬能材料試驗機(美國TiniusOlsen公司);Elmendorf撕裂試驗機(美國Thwing-Albert公司);ZBW04019型毛細測試儀(上海羅眾科技研究所);Datacolor650型測色配色儀(美國Datacolor公司)。
1.4前處理工藝
以下均為工業(yè)化的工藝流程和處方，所有處理均在工廠采用工業(yè)化設備進行。選用目前工業(yè)界常用的燒堿退漿煮練和氧化漂白長車法工藝。
1.4.1退漿及煮練工藝工藝處方:采用質(zhì)量濃度分別為40g/LNaOH，8g/L高效精練劑，8g/L耐堿滲透劑，4g/L螯合分散劑。工藝流程為:進布→平洗1(70～75℃)→平洗2(90～95℃)→浸軋工作液(帶液率100%)→浸軋工作液(帶液率100%)→汽蒸箱保溫堆置(100℃，90min)→平洗3(90～95℃)→平洗4(80～85℃)→平洗5(80～85℃)→平洗6(65～70℃)→平洗7(常溫)。車速為50m/min。
1.4.2氧漂工藝工藝處方:采用質(zhì)量濃度分別為4g/LH2O2，6g/L氧漂穩(wěn)定劑，4g/L高效精練劑，6g/L耐堿滲透劑，4g/L螯合分散劑，pH=10.5～11。工藝流程為:進布→平洗1(常溫)→浸軋氧漂工作液(帶液率100%)→浸軋氧漂工作液(帶液率100%)→汽蒸(100℃，45min)→平洗2(90～95℃)→平洗3(80～85℃)→平洗4(80～85℃)→平洗5(常溫)→烘干→落布。車速為50m/min。
1.5酶氧前處理新工藝
以下均為工業(yè)化的工藝流程和處方，所有處理均在工廠采用工業(yè)化設備進行。
1.5.1生物催化工藝處方:采用質(zhì)量濃度分別為5g/L生物酶復合制劑HD-100;2g/L生物酶增效劑HD-101;2g/LJFC。工藝流程為:進布(燒毛后坯布)→浸軋生物催化工作液(帶液率為100%)→汽蒸箱保溫堆置(60℃，60min)→出布。
1.5.2受控氧化工藝處方:采用質(zhì)量濃度分別為10g/LH2O2，10g/LH2O2受控分解劑HD-181，2g/LJFC，pH=10.5～11。工藝流程為:進布(退漿后)→平洗1(常溫)→浸軋氧漂工作液(帶液率為100%)→浸軋氧漂工作液(帶液率為100%)→汽蒸(100℃，70min)→平洗2(90～95℃)→平洗3(80～85℃)→平洗4(80～85℃)→平洗5(常溫)→烘干→落布。車速為50m/min。
1.6測試與分析
1.6.1測試指標與分析方法
為了研究前處理的能耗與排污量，按照相應的國標方法，對廢水流量、pH值、COD值、BOD5值和水溫(溫度計法)進行監(jiān)測，并根據(jù)印染企業(yè)綜合能耗計算導則、清潔生產(chǎn)標準(棉印染)、國家發(fā)展和改革委員會(印染行業(yè)準入條件)、以及企業(yè)水平衡測試通則，測算全流程的水、電、汽消耗以及COD排放情況。
1.6.2能源消耗的定量表征
由于各種能源所含熱值不同，采用的實物計量單位也不一樣。因此，為了便于對各種能源進行匯總計算和對比分析，應將各種能源的實物單位折算成統(tǒng)一的標準單位，即能源度量單位。我國目前采用標準煤為能源的度量單位。參考標準FZ/T01002—1991《印染企業(yè)綜合能耗計算導則》，能源折標準煤系數(shù)見表1。
1.6.3測試不同處理條件下PVA溶液的黏度
為了測試不同處理條件對PVA溶液的影響，采用模擬實驗方法，分別測定了過氧化氫和氫氧化鈉對PVA均相溶液反應的黏度，并對顏色拍照進行對比。H2O2處理:采用質(zhì)量濃度分別為10g/LH2O2、10g/LH2O2受控分解劑HD-181、20g/LPVA，在pH=11，溫度100℃的條件下，處理60min。NaOH處理:采用質(zhì)量濃度為40g/LNaOH和20g/L的PVA溶液在溫度100℃的條件下處理60min。
1.6.4不同處理條件下PVA溶液相對分子質(zhì)量為驗證H2O2對溶液中PVA的降解作用，選用原料PVA(PVA1799)溶液、H2O2作用后的PVA溶液和堿煮后的PVA溶液分別用切割相對分子質(zhì)量為100000、50000、10000、3000和1000的超濾膜過濾，測定過濾前原液和濾液的COD濃度，分析不同處理條件下PVA的降解分子質(zhì)量及其分布，3種PVA溶液的處理條件分別如下。
H2O2處理:采用質(zhì)量濃度分別為10g/LH2O2、10g/LH2O2受控分解劑HD-181、5g/LPVA，在pH=11，溫度100℃的條件下，處理3h(因H2O2在1h后還有少量殘余，影響COD測定準確性，所以延長處理時間為3h，此時無殘余H2O2)。NaOH處理:采用質(zhì)量濃度為20g/LNaOH和5g/LPVA溶液在100℃處理3h(處理時間同H2O2處理)。原料采用質(zhì)量濃度為5g/LPVA溶液。
1.6.5織物性能測試
織物的斷裂強力參照GB/T3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》進行測試�？椢锏乃浩茝娏Π凑誈B/T3917.1—1997《紡織品織物撕破性能第1部分撕破強力的測定》進行測試�？椢锏耐藵{率使用高氯酸-分光光度計法測試。棉籽殼去除率:記錄布樣上10cm×10cm的方格內(nèi)處理前后棉籽殼數(shù)變化�？椢锇锥仁褂肈atacolor650測色配色儀(美國Datacolor公司)進行測試。毛細效應按照FZ/T01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》進行測試。
2、結果與討論
2.1新工藝與傳統(tǒng)工藝能耗比較
按照1.6的測算方法，對傳統(tǒng)工藝和新工藝的全過程進行了節(jié)能減排監(jiān)控，測算了全流程的水、電、汽消耗以及COD排放情況。測算結果如表2所示。從表得知，與傳統(tǒng)工藝相比，新工藝的水、電、汽用量下降很多，新工藝節(jié)電9.82%，節(jié)水25.63%，節(jié)汽33.77%，折合標煤節(jié)標煤32.70%。
由此說明，酶氧前處理新工藝具有顯著的節(jié)能減排效果。
2.2新工藝與傳統(tǒng)工藝廢水生化性比較
按照1.6所述方法，測試新工藝與傳統(tǒng)工藝的廢水各項生化性指標，對比結果如表3和圖1所示。
從表3得知，新工藝廢水COD的產(chǎn)生量較傳統(tǒng)工藝有大幅減少，新工藝廢水的BOD值增大，可生化性(B/C)值由0.24提高到0.41，使廢水的可生化性大大提高，使難處理的退漿精練廢水易于生化處理，廢水的黏度為4.00mPa·s，比傳統(tǒng)工藝廢水的黏度30.4mPa·s降低了86.8%，不易返沾織物。圖1所示傳統(tǒng)堿退漿的廢水顏色為棕褐色，新工藝的退漿廢水為乳白色。在傳統(tǒng)濃堿高溫條件下，漿料溶脹進入工作液中，工作液很快就會變得黏稠，廢水色度加深，難生物降解，廢水的末端處理難度大，從而會增加單位產(chǎn)品廢水的處理費用。而復合酶前處理新工藝，復合酶保溫處理1h，作用后的坯布用少量的水洗后進入蒸箱蒸煮，漿料和布中的雜質(zhì)在蒸箱中，經(jīng)雙氧水和高溫汽蒸作用下發(fā)生分解。在雙氧水汽蒸工序中，既實現(xiàn)了進一步的退漿和精練漂白，也使COD污染物原位降解，即在水洗前，布上的雜質(zhì)就發(fā)生了分解，水洗時雜質(zhì)已經(jīng)變?yōu)樾》肿�，使廢水易于生化處理。這符合將污染物消除在工藝過程的清潔生產(chǎn)原則。
2.3H2O2對PVA溶液的氧化降解作用
為了進一步研究H2O2對PVA溶液的降解作用，采用模擬實驗方法，分別測定了H2O2和NaOH對PVA均相溶液反應的黏度，并對溶液顏色進行對比，此外，還將不同條件處理后的PVA溶液在60℃下烘干24h，觀察其成膜情況。實驗結果如表4所示。
從表4可知，僅用NaOH處理后PVA溶液顏色變?yōu)榧t棕色，黏度略有降低。而在H2O2分解的情況下，由于降解作用使PVA溶液變?yōu)槿榘咨�，其黏度明顯降低。由此說明，H2O2在分解去除棉織物上雜質(zhì)的同時，能夠?qū)VA漿料進行明顯的氧化降解。從表4還可以看出，未經(jīng)任何處理和堿煮處理的PVA水溶液，在烘干后，都呈現(xiàn)成膜狀態(tài)，且堿煮處理的PVA水溶液，烘干后為紅棕色薄膜，純PVA水溶液烘干后為透明狀薄膜。而經(jīng)雙氧水處理后PVA水溶液烘干后，為白色的顆粒狀固體，在烘干過程中不能成膜。
為驗證H2O2對溶液中PVA的降解作用，采用模擬實驗，分別測試H2O2和NaOH與PVA均相溶液反應后的相對分子質(zhì)量，采用切割相對分子質(zhì)量為100000、50000、10000、3000和1000的超濾膜過濾反應液，測定過濾前原液和濾液的COD濃度，分析在不同處理條件下PVA的降解相對分子質(zhì)量及其分布，結果如表5所示。
從表中可見，NaOH處理后的PVA溶液在過濾時，有97.7%的PVA分子可以通過切割相對分子質(zhì)量為100000的超濾膜，說明97.7%的PVA相對分子質(zhì)量小于100000，5.6%的PVA可以通過切割相對分子質(zhì)量為50000的超濾膜，說明94.4%的有機物被超濾膜截留，證明堿煮后94.4%的相對分子質(zhì)量大于50000，10000以下的超濾膜PVA沒有被檢出，說明PVA相對分子質(zhì)量均大于10000，這說明堿煮對PVA漿料大分子基本沒有降解作用，在熱堿作用下，絕大多數(shù)的PVA發(fā)生溶脹以溶膠狀態(tài)留在溶液中。從表5還可看出，雙氧水處理后的PVA溶液經(jīng)過過濾時，全部可以通過切割相對分子質(zhì)量為100000、50000、10000的超濾膜，說明原來平均相對分子質(zhì)量是77000的PVA，均降解為相對分子質(zhì)量10000以下的小分子有機物，其中相對質(zhì)量在1000以下的小分子有機物含量占到55.6%。所以H2O2來的漿料容易水洗，同時易于后續(xù)的廢水處理。
因此，H2O2處理和NaOH處理相比，PVA相對分子質(zhì)量、黏度顯著降低，廢水顏色變淺，PVA在雙氧水處理中得到了降解，提高了廢水可生化性，使難處理的退漿精練廢水易于經(jīng)濟的生化處理。
2.4生產(chǎn)布樣的性能指標
在樣本生產(chǎn)時進行了取樣，對制備半制品的性能指標進行了測試，結果如表6所示。從表中可以看出，新工藝全棉府綢半制品的各項指標均與傳統(tǒng)工藝半制品指標相當，棉籽殼完全去除，克服了酶處理棉籽殼處理不凈的問題，完全滿足后續(xù)的染色印花需求。
3、結論
1)棉織物在酶氧前處理新工藝中的退漿率較高(≥90%)，色度低，COD值比傳統(tǒng)堿退煮前處理工藝降低34.09%，節(jié)水25.63%，節(jié)約蒸汽33.77%，節(jié)電9.82%，綜合節(jié)能32.70%。
2)棉織物酶氧前處理新工藝與傳統(tǒng)工藝的廢水相比，PVA相對分子質(zhì)量、黏度顯著降低，廢水顏色變淺，同時廢水可生化性提高，使難處理的退漿精練廢水易于經(jīng)濟的生化處理。
3)經(jīng)棉織物酶氧前處理新工藝處理后的棉織物各項指標:白度、毛效、棉籽殼去除率、退漿率和強力等均達到半制品質(zhì)量要求。
參考文獻:
[1]閻克路.染整工藝與原理:上冊[M].北京:中國紡織出版社，2009:54-62.
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