连续式靛蓝电化学还原染色工艺

摘要

本发明公开了一种连续式靛蓝电化学还原染色工艺，该工艺按照如下步骤依次连续进行：A、在低浓度媒介条件下，高浓度靛蓝在第一电化学反应器中进行电解还原，到80～98%的靛蓝被还原成隐色体后将电解液输入隐色体稀释槽中，同时添加靛蓝和染液以维持第一电化学反应器中的靛蓝浓度；B、在隐色体稀释槽中用染液把电解液中的隐色体稀释至染色要求浓度；C、把步骤B稀释后的电解液输入染色机中，用第二电化学反应器控制染色机中的染液电势使靛蓝完全转化为隐色体；D、等染色机中的染液电势稳定后开启染色机进行棉纱的隐色体上染；E、对步骤D中使用过的染液进行过滤处理，回收使用。本发明能减少媒介的损失，提高染色的工作效率而且保证染色的质量。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种靛蓝的还原染色工艺，更具体地说，涉及一种连续式靛蓝电化学还原染色工艺。 

技术背景：

靛蓝是一种具有三千多年历史的靛蓝，然而其在当前的染色行业仍然具有十分重要的地位。靛蓝主要用于牛仔裤的染色，目前该类牛仔裤的年均市场需求量约为10亿条左右，以每条牛仔裤需要使用10克靛蓝计算，每年消耗的靛蓝为1万吨。靛蓝的染色原理如式1所示：在碱性水溶液中靛蓝还原后生成可溶性的隐色体，该隐色体在纤维织物上有很好的附着力，隐色体均匀附着到纤维织物后再用空气氧化使其变成不溶性的靛蓝。 

式1靛蓝的染色原理 

目前工业上用于靛蓝还原的主要还原剂为保险粉(连二亚硫酸钠)，在靛蓝还原的同时保险粉会发生氧化反应, 主要的氧化产物有硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和高毒性的硫化物。由于这些含硫物质的积累，染液往往不能重复利用，进而会产生大量的染色废水。为了保证染色质量，染色废水中必然会含有大量的过剩保险粉，因此该类废水很难用常规的生物氧化法进行处理。国内外学者一直在致力于研究一种新方法来替代目前靛蓝的保险粉还原法, 以克服上述问题, 从而增加靛蓝染色的吸引力。电化学还原法便是这样一种取代法，这种方法 的原理是用电子代替还原剂，使染料还原不产生有害的副产物，理论上是一种可实现零排放的还原方法。电化学还原法还可以非常准确的控制染液的氧化还原电势, 这能有效提高染色质量和降低生产成本。 

根据靛蓝的性质（极难溶解于水溶液但热力学上比较容易还原），人们提出了三种靛蓝电化学还原方法：（1）电催化加氢还原法；（2）利用靛蓝阴离子自由基的直接电还原法；（3）利用媒介的间接电化学还原法。 

电催化加氢还原法必须使用价格非常昂贵的钯或铂且还原效率并不高，因此目前还很难实现工业应用。靛蓝分子得到一个电子后称为靛蓝阴离子自由基，该自由基进一步还原则可变成隐色体，而隐色体又能和靛蓝发生反歧化反应生成两分子的阴离子自由基，因为靛蓝阴离子自由基在碱性水溶液中有较好的溶解性，所以其能直接在阴极得到电子实现还原（如式2）。根据这个原理，Dossenbach课题组提出了靛蓝直接电化学还原的思路，但因为靛蓝阴离子自由基不是很稳定，在碱性水溶液中存在的浓度往往较低，所以靛蓝直接电化学还原的电流密度一般都很低。为此，Dossenbach课题组设计了填充石墨颗粒的固定床和流动床电化学反应器，该反应器能有效解决靛蓝还原电流密度低的缺点，但该类电化学反应器有能耗较高、性能不稳定的问题。 

式2靛蓝直接电化学还原的原理 

目前，Fe(II/III)-三乙醇胺络合物（Fe(II/III)-TEA）是靛蓝间接电还原最有效 的媒介。因为Fe(II/III)-TEA能溶解在碱性水溶液中与电极表面和靛蓝颗粒充分接触，而且Fe(II/III)-TEA的电位（约为-1050 mV vs. Ag/AgCl/3 M KCl）刚好处于碱性水溶液析氢电位和靛蓝还原电位之间，所以在较高的Fe(II/III)-TEA浓度下靛蓝可以实现较大的还原电流密度。该方法的不足之处是Fe(II/III)-TEA比较昂贵，使用浓度较高时其会被棉纱带走不仅造成大量流失而且影响染色质量。为此，Bechtold课题组设计了多阴极电化学反应器，该反应器能显著减小靛蓝还原过程中Fe(II/III)-TEA的使用浓度，但该反应器有结构复杂、制作成本过高的缺点。另外，专利CN1320202C还设计了填料式多阴极电化学反应器；CN102174731A和CN102154793A则分别设计了离心内吸式阴极反应器和往返振荡式阴极电化学反应器。遗憾的是，这些反应器结构上仍然过于复杂、制作成本过高，并且适用的电流密度过低。 

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于提供一种不仅可降低化学药品的用量，而且可极大减少废水排放的靛蓝还原染色方法，更具体的讲是提供一种使用最简单的板框式电解槽和低浓度的媒介却能高效还原靛蓝的方法及其与染色连续工作的一种新工艺。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种连续式靛蓝电化学还原染色工艺，由步骤A到步骤E依次连续进行： 

A、在低浓度媒介条件下，高浓度靛蓝在第一电化学反应器中进行电解还原，到80～98%的靛蓝被还原成隐色体后将电解液输入隐色体稀释槽中，同时往第一电化学反应器中添加靛蓝和染液以维持靛蓝浓度；所述的染液除了不含靛蓝外，其他组分都同初始电解液组成；所述的媒介为铁-三乙醇胺或是以铁-三乙醇胺为基础的混合媒介，电解液中Fe(II/III)的浓度为0.001~0.02 mol/L，三乙醇胺 与Fe(II/III)的摩尔浓度比为3~20：1；所述靛蓝的初始浓度为0.02~2.0 mol/L； 

B、在隐色体稀释槽中用染液把电解液中的隐色体稀释至染色所要求的浓度；所述的染液除了不含靛蓝外，其他组分都同第一电化学反应器中的初始电解液组成； 

C、把步骤B稀释后的电解液输入染色机中，用第二电化学反应器控制染色机中的染液电势使靛蓝完全转化为隐色体；  

D、等染色机中的染液电势稳定后开启染色机进行棉纱的隐色体上染，隐色体上染后的棉纱经过常规处理步骤后完成染色； 

E、对步骤D中使用过的染液进行过滤处理，处理后的大部分(例如5/6～199/200)染液输回隐色体稀释槽中对其中含隐色体的电解液进行稀释，剩余小部分染液则补充到第一电化学反应器中。 

本发明所述步骤A所述的电解还原的媒介为铁-三乙醇胺或是以铁-三乙醇胺为基础的混合媒介，所述的以铁-三乙醇胺为基础的混合媒介为铁-三乙醇胺和烟华石的混合媒介，控制电解液中烟华石的浓度为0.005~0.02 mol/L。所述的初始电解液中除了靛蓝和媒介，还含有支持电解质，支持电解质的浓度为0.01~2.0mol/L，优选为0.1~0.5mol/L。所述的支持电解质选自下列一种或任意几种的混合：NaOH、Na₂CO₃、KOH、K₂CO₃。 

作为优选，所述步骤A的电解液中Fe(II/III)的浓度为0.001~0.02 mol/L mol/L，所述三乙醇胺与Fe(II/III)的摩尔浓度比为6~12：1。 

作为优选，所述步骤A的初始电解液中靛蓝浓度为0.05~1.0 mol/L。 

本发明的电解还原工艺采用的装置包括加料槽、第一电化学反应器、隐色体稀释槽、染色机和第二电化学反应器，其中电解液经由加料槽通入第一电化学反应器。所述的第一电化学反应器和第二电化学反应器可以是能够实现靛蓝的电解还原的任何形式的电化学反应器，例如可为任何形式的隔膜反应器，如 板框式、箱式等。隔膜可以为机械隔膜如多孔陶瓷、石棉隔膜等，也可以为各类阳离子膜和阴离子膜，优选杜邦Nafion阳离子膜，例如Nafion324、Nafion117等阳离子膜；阴极可以是板状、网状、粉末状等任何形式的导电材料，可以是所有在碱性体系中稳定的金属如镍、不锈钢等，也可以是石墨、玻碳等非金属，优选网状不锈钢；阴极的布置方式也可以是多种多样的，可以是单阴极的、也可以是多阴极的、或者是填充式的，优选多阴极形式。阳极的类型和布置方式不是主要因素，本专业人员可以根据专业知识进行常规的设计安装。使用隔膜反应器时，上述含有靛蓝或靛蓝和隐色体的电解液作为阴极电解液，阳极电解液也不是主要因素，可采用硫酸溶液，也可采用氢氧化钠水溶液，具体可根据本专业知识进行常规的设计。 

所述步骤C中，使用第二电化学反应器通过如下两种方式控制染色机中的染液电势使靛蓝完全转化为隐色体：（1）随着电解的进行，染液电势会逐渐变负，变负过程中会出现两个电势平台（根据溶液配方的不同，两个电势平台的电势值也会不同，第一电势平台电势值一般位于-600~800 mV vs. Ag/AgCl/3 M KCl，第二电势平台电势值一般位于-900~1100 mV），当染液电势负于第一个电势平台值时靛蓝就会完全转化为隐色体。（2）观察染色的透明度：当靛蓝完全转化为隐色体时，染液会从不透明溶液变成透明溶液。 

作为优选，第一电化学反应器工作时每片电极上电流密度为0.2~5.0 A/dm²；第二电化学反应器工作时每片电极上电流密度为0.02~0.5 A/dm²。 

作为进一步的优选，第一电化学反应器工作时每片电极上电流密度为0.5~2.0 A/dm²；第二电化学反应器工作时的每片电极上电流密度为0.05~0.2 A/dm²。 

作为优选，步骤A和步骤C的电解温度控制在20~80℃，优选30~50℃。 

本发明步骤D对面纱的染色采用常规工艺，此处不再赘述。 

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.媒介的浓度很低，减少了染色过程中棉纱带走的媒介量，这不仅减少了媒介的损失而且保证了染色的质量；2.靛蓝浓度很高，这促使靛蓝阴离子自由基的较多生成，既保证了较高的电流效率又实现了较高的反应效率；3染色和电解连续进行，这不仅提高了电化学染色的工作效率而且保证了染色的质量。 

附图说明：

图1是本发明电化学还原染色工艺采用的装置的示意图，其中1－加料槽，2－阴极液循环泵，3－电化学反应器，4－阳极，5－电源，6－阳离子膜，7－热电偶、电势测量探头，8－多孔阴极，9－计量阀，10－搅拌泵，11－隐色体稀释槽，12－计量泵，13－卷染机，14－计量泵，15－电势测量探头，16－排液口，17－计量泵，18－多孔阴极，19－热电偶、电势测量探头，20－电源，21－阳极，22－电化学反应器，23－阳离子膜。 

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此： 

本发明实施例使用的电解还原装置如图1所示，其中第一和第二电化学反应器的装置相同。 

实施例1 

在0.2 mol/L NaOH水溶液中，加入靛蓝（0.02 mol/L）、Fe₂(SO₄)₃ (0.0005 mol/L)、TEA（0.012 mol/L）等物质配置成初始阴极电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为40℃，单片不锈钢阴极网的电流密度为0.2 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为1片不锈钢网， Nafion324阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极（购自杭州赛龙化工有限公司），阳极液为1 mol/L H₂SO₄。等80%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.004 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/6量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，5/6量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在69%左右。实施例2 

在0.2 mol/L NaOH水溶液中，加入靛蓝（2.0 mol/L）、Fe₂(SO₄) ₃ (0.01 mol/L)、TEA（0.15 mol/L）等物质配置成初始阴极电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为60℃，单片不锈钢阴极网的电流密度为5 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为5片互相分离的不锈钢网，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为0.5 mol/L H₂SO₄。等98%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.04 mol/L左右、隐色体浓度维持在1.96 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/200量流回加 料槽（1）或电化学反应器（3）中，199/200量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在85%左右。 

实施例3 

在1.0 mol/L Na₂CO₃水溶液中，加入靛蓝（1.0 mol/L）、Fe₂(SO ₄)₃ (0.02 mol/L)、TEA（0.3 mol/L）等物质配置成电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为20℃，单片不锈钢阴极网的电流密度为2 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为10片互相分离的不锈钢网，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为0.5 mol/L H₂SO₄。等95%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.05 mol/L左右、隐色体浓度维持在0.95 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/100量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，99/100量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在74%左右。 

实施例4 

在0.1 mol/L KOH水溶液中，加入靛蓝（1.0 mol/L）、Fe₂(SO₄)₃ (0.02 mol/L)、TEA（0.3 mol/L）、烟华石（0.005 mol/L）等物质配置成电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为60℃，单片不锈 钢阴极网的电流密度为5 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为3片互相分离的不锈钢网，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为1.5 mol/L H₂SO₄。等95%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.05 mol/L左右、隐色体浓度维持在0.95 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/100量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，99/100量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在71%左右。 

实施例5 

在2.0 mol/L K₂CO₃水溶液中，加入靛蓝（1.0 mol/L）、Fe₂(SO₄)₃ (0.02 mol/L)、TEA（0.3 mol/L）、烟华石（0.02 mol/L）等物质配置成电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为60℃，单片泡沫铜的电流密度为5 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为1片泡沫铜，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为1.5 mol/L H₂SO₄。等95%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝（（其中含有2 wt%的渗透剂））使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.05 mol/L左右、隐色体浓度维持在0.95 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制 染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/100量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，99/100量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在73%左右。 

实施例6 

在0.5 mol/L KOH水溶液中，加入靛蓝（1.0 mol/L）、Fe₂(SO₄)₃ (0.01 mol/L)、TEA（0.15 mol/L）、烟华石（0.005 mol/L）等物质配置成电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为45℃，单片不锈钢阴极网的电流密度为5 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为5片互相分离的不锈钢网，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为1.5 mol/L H₂SO ₄。等95%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝（（其中含有2 wt%的渗透剂））使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.05 mol/L左右、隐色体浓度维持在0.95 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/100量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，99/100量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在75%左右。 

实施例7 

在0.5 mol/L KOH水溶液中，加入靛蓝（2.0 mol/L）、Fe₂(SO₄)₃ (0.0005 mol/L)、TEA（0.007 mol/L）等物质配置成电解液，把该电解液通入电化学反应器（3）进行电解还原。所进行的电解反应温度为45℃，单片碳毡的电流密度为5 A/dm²；电化学反应器（3）中阴极为一片碳毡，Nafion117阳离子膜为隔膜，阳极为钌铱电极，阳极液为1.5 mol/L H₂SO₄。等95%靛蓝还原成隐色体后，开始连续输出电解液至隐色体稀释槽（11）中进行稀释，同时等流速从加料槽（1）或电化学反应器（3）连续输入染色后经过过滤处理的染液，并且以一定的速度加入靛蓝（（其中含有2 wt%的渗透剂））使电化学反应器（3）中靛蓝浓度维持0.05 mol/L左右。把稀释后的电解液（染液）输入染色机（13）中，用电化学反应器（22）控制染液电势使全部靛蓝还原成隐色体；开启染色机（13）进行棉纱的隐色体上染步骤，隐色体上染后的棉纱经过氧化、皂洗等步骤后完成整个染色过程。使用完的染液过滤后1/200量流回加料槽（1）或电化学反应器（3）中，199/200量流入隐色体稀释槽（11）中进行循环使用。 

电化学反应器（3）中进行的电解反应产生的隐色体浓度和Fe²⁺浓度用氧化还原滴定法来分析，电化学反应器（3）中电解反应的瞬时电流效率在75%左右。