棉織物堿前處理工藝廢水污染性評價及工藝優(yōu)化

吳 丹，韓 靜，權 衡

（武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073）

我國的工業(yè)污染在環(huán)境污染中約占70%，而印染廢水又是工業(yè)廢水中的大戶之一。然而，目前國內(nèi)印染廢水處理工藝技術中普遍存在生化處理中可生化效率不高，活性污泥產(chǎn)生量較大，高濃度堿減量、退漿廢水未進行局部預處理，影響后期處理效果，色度處理不達標等問題[1]。另一方面，隨著印染工藝和產(chǎn)品結構的改變，印染水質(zhì)也發(fā)生了變化，處理難度也隨之加大[2]。染整廢水主要是有機廢水，其污染物主要來自纖維材料染整過程中使用的染料、化學藥劑等?；瘜W需氧量越大，說明水體受有機物的污染越嚴重[3-6]。國務院發(fā)布《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中明確指出紡織印染行業(yè)化學需氧量排放量在2015年要比2010年降低10%。本文以浙江紹興某印染公司現(xiàn)用的棉織物兩步法前處理工藝為研究對象，結合廢水污染性（包括廢水濁度和 COD值）以及前處理效果（包括白度、失重率和毛效）的變化規(guī)律，分析造成這種變化趨勢的原因，并確定最佳的前處理工藝，以達到節(jié)能減排的最終目的。

1 實驗

1.1 織物規(guī)格及主要藥品、儀器

（1）織物規(guī)格：經(jīng)緯密度 380根/10cm×230根/10cm，272g/m2。

（2）主要藥品和儀器：30%雙氧水，氫氧化鈉（AR），精煉劑FK-ST10b（含固量38±2%）（紹興中紡化工），硅酸鈉（AR）；SHY-2恒溫震蕩水浴鍋（金昌實驗儀器廠），AZ8690 PH計（上海大普儀器有限公司），5B-3F型COD快速測定儀（連華科技股份有限公司），DATACOLOR電腦測色系統(tǒng)（廣州金揚化工科技有限公司），721型可見分光光度計（上海欣茂儀器有限公司）等。

1.2 工藝流程及工藝處方

退煮一浴工作液處方：氫氧化鈉20g/L，精煉劑FK-ST10b 0.1-1.5g/L；

漂白工作液處方：100%雙氧水1.0-5.0g/L，硅酸鈉1g/L，調(diào)節(jié)pH值至10.5～11.0。

1.3 廢水液收集方式以及定容

退煮一浴水洗方式——熱水洗100ml×2，溫水洗150ml×1，室溫水洗150ml；漂白水洗方式——室溫水洗100ml×3；兩道處理液以及水洗混合溶液定容至1000mL。

1.4 測定標準

參照國標ISO 7027-1984《水質(zhì)-濁度的測定》、FZ/T 01071-2008《紡織品.毛細效應試驗方法》、GB/T 17644-2008《紡織纖維白度色度試驗方法》、JJG 975-2002《化學需氧量(COD)測定儀檢定規(guī)程》。

2 實驗方案與結果討論

2.1 工藝強度：工藝時間、溫度對織物處理效果以及廢水污染性的影響

選取實驗處理時間分別為40-70min，以1.2中所述工藝流程及工藝條件進行棉織物兩步法前處理。90℃溫度條件處理織物的實驗結果見表1，95℃溫度條件處理織物實驗結果見表2：

表1 90℃前處理后試樣及殘液的質(zhì)量指標

表2 95℃前處理后試樣及殘液的質(zhì)量指標

由表1、表2可見，在90℃以及95℃條件下，50min以后織物的白度、退漿率和毛效基本趨近于穩(wěn)定，延長處理時間對織物的處理效果的提升并不顯著?？梢哉J為棉纖維中的大部分雜質(zhì)在處理時間達到 50min時就能去除或足以破壞雜質(zhì)的連續(xù)分部狀態(tài)，延長處理時間并沒有明顯的去雜作用。

比較表1與表2，可以發(fā)現(xiàn)在95℃溫度下，織物失重率提升。由此可知，在90℃條件下織物上的雜質(zhì)并沒有完全去除，在高溫95℃條件下進行兩步法前處理更加有益于除去織物上的雜質(zhì)。由毛效處理效果來看，溫度的提升對蠟質(zhì)的去除有利，這直觀的體現(xiàn)在毛效的提升上。同時，由表1、表2可知，織物的白度隨著溫度的提升隨之升高，可以認為在95℃時雙氧水分解率隨著溫度的升高而增加，在有穩(wěn)定劑存在的條件下，溫度升高加速了雙氧水的有效分解和最終分解率。

同時，從表1、表2可以看出，在同一溫度條件下，隨著處理時間的增加濁度、COD增加較小，廢水污染性基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明時間的延長對織物上雜質(zhì)的去除沒有明顯作用，這也可以解釋織物失重率的變化趨勢趨于平穩(wěn)的原因。然而，在不同溫度條件下，比較表1、表2可得，95℃溫度下比90℃溫度下的廢水中的濁度吸光度較大，既處理廢水中的懸浮物含量較大。同時，隨著處理溫度的提高，廢水中的COD值有一定程度的升高。

廢水中的雜質(zhì)主要成分為淀粉、纖維素、果膠、含氮物質(zhì)、蠟狀物質(zhì)、灰分、色素、棉籽殼等。在不同溫度條件下，堿液對漿料的溶脹效果隨著溫度的升高而增加，同時，織物上的其它雜質(zhì)也隨著溫度的升高與燒堿、精煉劑等發(fā)生化學反應，變?yōu)榭扇苄裕ɑ蚩煞€(wěn)定乳化、分散）的物質(zhì)，從而在熱水和機械作用下被除去。燒堿在適當?shù)臏囟认履苁构z中的酯鍵水解，成為可溶性的羧酸鈉鹽而被除去，另外，還可能發(fā)生果膠大分子鏈的斷裂，在水中的溶解度提高，以致能獲得比較徹底的去除。蛋白質(zhì)分子中的酰胺鍵會發(fā)生水解斷裂，最終形成氨基酸鈉鹽而被洗去。另外，蠟狀物質(zhì)中的脂肪酸類物質(zhì)在熱稀燒堿溶液中能發(fā)生皂化而溶解，再經(jīng)水洗便可去除。這些可溶性物質(zhì)導致廢水液中有機物含量增高，表現(xiàn)在濁度以及COD值的提升上。雜質(zhì)的組成及其相對含量隨處理溫度的不同有可能差異較大，造成COD變化較大。

比較表1、表2，因50min以后織物處理效果趨于穩(wěn)定，確定工藝時間為50min。同時，比較兩表可知，在90℃溫度下，織物的處理效果已達到織物前處理要求，同時考慮到一定蠟狀物質(zhì)的存在能使織物具有柔軟的手感，結合考慮廢水污染性，確定工藝溫度為90℃。

2.2 工藝處方

2.2.1 精煉劑FK-ST10b 用量對織物處理效果以及廢水污染性的影響

選取精煉劑FK-ST10b 用量為0.1-1.5g/L。以1.2中所述工藝流程及工藝條件進行棉織物兩步法前處理。精煉劑FK-ST10b 用量對織物處理效果以及廢水污染性的影響見表3。

表3 精煉劑FK-ST10b 前處理后試樣及殘液的質(zhì)量指標

由表3可知，隨著精煉劑用量的增加，布樣處理效果白度變化趨勢比較穩(wěn)定。由此可知，煮煉后織物得到充分水洗，廢水中雜質(zhì)（漿料、滲透劑等）并未重新粘附到纖維上，使得漂白環(huán)境基本相同，白度值變化并不顯著。隨著精煉劑用量的增加，織物失重率增大，說明精煉劑對織物的去雜效果明顯，織物上雜質(zhì)與燒堿、精煉劑發(fā)生化學反應，變?yōu)榭扇苄援a(chǎn)物而被除去?？椢锝?jīng)過兩步法前處理的毛效變化趨勢如圖1所示，精煉劑FK-ST10b 濃度低于0.5g/L時，織物毛效提升趨勢顯著，與之相比較，當精煉劑FK-ST10b 濃度高于0.5g/L時，織物毛效提升幅度減緩。因為棉纖維的表面被蠟狀物質(zhì)覆蓋而有拒水性，一旦破壞了這種連續(xù)覆蓋的狀態(tài)，無論蠟狀物質(zhì)去除與否，纖維的吸水性都會得到改善?？梢哉J為在精煉劑FK-ST10b 濃度在0.5g/L左右時達到其臨界膠束濃度，原先的低分子狀態(tài)立刻形成很大的集團而成為一個整體，其水溶液的表面張力或界面張力以及許多其他物理性質(zhì)都產(chǎn)生了很大的差異，使得滲透劑FK-ST10b的作用產(chǎn)生顯著效果[8-9]，織物上蠟狀物質(zhì)中的脂肪酸類物質(zhì)在熱稀燒堿溶液中能發(fā)生皂化而溶解，生成的脂肪酸皂和精煉劑將有助于高級醇（如棉醇）和碳氫化合物的乳化去除。導致棉纖維表面覆蓋的蠟狀物質(zhì)的連續(xù)覆蓋狀態(tài)被破壞，纖維的吸水性明顯提高。

隨著精煉劑用量的增加，廢水污染性指數(shù)也隨之增加，表明廢水中的雜質(zhì)隨著精煉劑的增加也隨之增加。精煉劑用量的增加，造成織物上更多的雜質(zhì)發(fā)生化學反應變?yōu)榭扇苄援a(chǎn)物，果膠中的酯鍵水解，果膠大分子鏈的斷裂，蛋白質(zhì)分子中的酰胺鍵會發(fā)生水解斷裂，蠟狀物質(zhì)中的脂肪酸類物質(zhì)在熱稀燒堿溶液中能發(fā)生皂化，這些物質(zhì)變?yōu)榭扇苄缘奈镔|(zhì)并在熱水和機械作用下被除去，而廢水中的有機污染物增加，直接導致廢水的化學需氧量隨之增加。

由織物處理效果來看，精煉劑臨界膠束濃度在處理液條件下為 0.5g/L，在此條件下，精煉劑利用率達到最大，此時織物的處理效果達到織物前處理要求，考慮到織物的柔軟性以及廢水污染性，確定精煉劑的用量為0.5g/L。

2.2.2 雙氧水用量對織物處理效果以及廢水污染性的影響

選取100%雙氧水用量為1.0-5.0g/L。以1.2中所述工藝流程及工藝條件進行棉織物兩步法前處理。雙氧水用量對織物處理效果以及廢水污染性的影響見表4。

由表4可以得知，在雙氧水濃度低于3.0g/L時，白度增加明顯，在高于3.0g/L以后，織物白度變化趨于穩(wěn)定，結合失重率、毛效三者變化趨勢進行分析，可以認為在雙氧水濃度低于3.0g/L時，雙氧水的貢獻主要體現(xiàn)在織物白度的增加，在高于3.0g/L以后，雙氧水的貢獻則主要表現(xiàn)在去雜能力上，這同時表現(xiàn)在處理廢水的污染性上，由表中可知，廢水的污染性在雙氧水濃度低于3.0g/L時變化趨勢并不明顯，在高于3.0g/L后，隨著雙氧水的貢獻由提高織物白度轉(zhuǎn)變?yōu)槿コ椢镫s質(zhì)方向，則廢水中的污染性也隨之有一定范圍的提升。

圖1 不同濃度滲透劑FK-ST10b 濃度處理織物

表4 雙氧水前處理后試樣及殘液的質(zhì)量指標

由表4中可見，雙氧水濃度在3.0g/L時，白度以及毛效都達到基本的狀態(tài)，織物的處理效果達到前處理要求，考慮到雙氧水對織物纖維本身損傷作用，應在盡量保持纖維最低損傷的情況下，使織物達到最佳的處理效果，結合廢水污染性方面的考慮，確定雙氧水濃度為3.0g/L。

3 結論

（1）棉纖維中的大部分雜質(zhì)在處理時間達到 50min時就能去除，延長處理時間并沒有明顯的去雜作用50min以后織物處理效果趨于穩(wěn)定，在90℃溫度下，織物的處理效果已達到織物前處理要求。

（2）由織物處理效果來看，精煉劑臨界膠束濃度 0.5g/L左右，精煉劑利用率達到最大，此時織物的處理效果達到織物前處理要求。

（3）可以認為在雙氧水濃度低于3.0g/L時，雙氧水的貢獻主要體現(xiàn)在織物白度的增加，在高于3.0g/L以后，雙氧水的貢獻則主要表現(xiàn)在去雜能力上。

（4）確定棉織物前處理最佳工藝條件：處理溫度90℃×50min，氫氧化鈉20g/L，精煉劑FK-ST10b 濃度0.5g/L，100%雙氧水3.0g/L，硅酸鈉1.0g/L。廢水污染性顯著降低，COD值可降低23.6%，且織物白度和毛效能夠達到織物前處理要求。

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