棉织物高效节能环保前处理工艺研究与开发yd12004
房宽峻 青岛大学纤维新材料与现代纺织国家重点实验室培育基地
原载：第八届全国染整前处理学术研讨会论文集（2009）；25-29
【摘要】棉织物的前处理是整个印染加工过程中能耗、污染负荷和水耗最大的环节，是印染工业节能减捧的重点。棉织物上存在的天然伴生杂质、棉籽壳和浆料等决定着前处理工艺的研究与开发方向。采用生物技术与化学技术相结合，是开发高效节能环保型棉织物前处理工艺的最佳途径之一。本文介绍了基于这一思路所开发的高效节能环保型前处理工艺的基本应用工艺和特点。根椐生产实际应用效果，评价了其高效节能和环保效果。
【关键词】棉织物；前处理：高效；节能：环保
一、引言
天然纤维素纤维如棉麻及其混纺织物的前处理仍然是印染加工过程中水、能消耗和高污染废水产生量比较大的工序。据有关资料介绍，在整个印染湿加工过程中，漂白和洗涤耗水量占总耗水量的75％，但COD只有5％，污染负荷为8％：退浆和精练耗水量为5％，产生的COD值和污染负荷为75％：染色耗水量为20％，产生的污染负荷为27％。以棉织物的染整加工为例，在退浆过程中要去除经纱上的浆料和织造时上的蜡等润滑剂，需要使用大量的烧碱和一定数量的表面活性剂，因此废水的pH值很高。从织物上脱落下来的浆料溶入废水，大大增加了废水的BOD和COD值。此外，退浆过程中水的消耗量也比较大。虽然煮练过程的水消耗量比较小，但是由于大量烧碱和表面活性剂的使用，以及棉纤维上的油蜡、果胶质、棉籽壳等杂质从纤维上脱落下来后进入废水，所以这一工序废水的碱性强，pH值高，颜色深(呈深褐色)，BOD和COD值特别高。漂白过程水的消耗量虽然比较大，但是废水的BOD和COD值比较低。当使用次氯酸钠、亚氯酸钠做为漂白剂时，生产过程的环境污染和劳动保护是非常重要的，同时，含氯漂白剂的使用还会增加目前大家关注的可吸附卤代有机物(AOX)问题。丝光过程主要使用浓烧碱，并且大部分都回收利用，因此废水量和BOD、COD值都很低。染色加工过程中，由于染料上染率、助剂等的使用，虽然废水的BOD值相对较低，但是COD值却很高，并且水的消耗量比较大。在印花加工过程中，由于使用了糊料等助剂，废水的BOD和COD值都比较高，废水量也比较大。水洗过程中水的消耗量仅次于漂白过程，但是BOD和COD值比较低。整理过程的耗水量很低，但是BOD和COD值很高。棉布染整加工所产生的废水情况见表1。
表1 棉布染整加工所产生的废水情况
|
污染物来源 |
主要污染物 |
耗水量L/kg |
BOD |
COD |
|
退浆 |
酸、碱、酶等退浆剂和淀粉、PVA和聚丙烯酸等浆料 |
20 |
高 |
高 |
|
煮练 |
碱、精练剂、棉腊、果胶物质、棉籽壳等 |
4 |
很高 |
很高 |
|
漂白 |
双氧水、次氯酸钠、亚氯酸等漂白剂和稳定剂等 |
180 |
较低 |
较低 |
|
丝光 |
碱 |
7 |
低 |
低 |
|
染色 |
各种棉用染料、染色助剂等 |
30 |
较低 |
很高 |
|
印花 |
各种棉用染料、印花糊料、印花助剂等 |
25 |
较高 |
较高 |
|
水洗 |
各种棉用染料、助剂等 |
110 |
较低 |
较低 |
|
整理 |
各种树脂、甲醛、功能整理剂等 |
5 |
高 |
高 |
从中可以看出，染整加工中BOD和COD从低到高的顺序依次是：煮练、退浆、整理、染色和印花工序，废水量由大到小的顺序依次是：漂白、水洗、染色、印花、退浆工序。减少废水的毒性应当重点研究煮练、退浆、整理、染色和印花工艺，减少废水排放量应当在漂白、水洗、染色、印花和退浆工艺方面提高水的利用率。传统的天然纤维素纤维前处理都采用以烧碱为主体的高温加工工艺，不仅造成了前处理废水的有害物质含量比较高，而且还导致了传统工艺的高能耗和高生产成本。因此，前处理是棉麻印染工厂节能减捧的重点环节之一。
为了解决棉织物印染前处理的高能耗、高水耗和高污染等问题，人们利用各种新技术不断地进行研究与开发．高效节能环保的前处理工艺不断问世，并得到应用，在不同程度上解决了棉织物前处理存在的环保问题。然而．这是一个永恒的话题。近年来，随着世界经济格局的不断变化，中国已经成为世界上最大的纺织品生产和出口国。不仅如此，随着国内人民生活水平的不断提高，国内消费者对纺织品的需求也日益增加。有资料显示，近年来棉纤维占全球所有纤维消费量的39％左右，是人们消费量最大的纤维品种之一。因此，棉织物高效节能环保工艺的研究与开发仍然是非常重要的课题。
本文将从棉织物上的杂质出发，探讨棉织物高效节能环保工艺研究与开发的理论依据，并与大家分享棉织物高效节能环保工艺的最新研究成果。
二、棉织物上的杂质
棉织物前处理的主要目的是去除棉织物上的杂质，赋予其良好的外观和染色印花性能。也就是说，棉织物上杂质的种类、含量和性质决定着棉织物前处理应当采用的工艺。因此，开发高效节能环保的棉织物前处理工艺，需要清楚认识棉织物上存在哪些杂质。棉织物上存在的杂质可以分为以下三类：
l、 棉纤维生长中伴生的杂质
棉纤维是由表皮层、初生胞壁、次生胞壁和胞腔组成的。其中次生胞壁的成分是纤维素，它是构成棉纤维的主体。表皮层是棉纤维的最外层，主要由果胶质、油蜡和蛋白质等组成。初生胞壁紧连表皮层，处于次生胞壁和表皮层之间，主要是纤维素的网状组织，也含有一定数量的油蜡和果胶质等杂质。胞腔位于棉纤维中心，含有蛋白质、矿物盐及一些色素等。显然，棉纤维中的天然杂质主要集中在初生胞壁和表皮层中。棉纤维生长过程中伴生的杂质成分及含量如表2所示。
表2棉纤维及其伴生杂质的化学成分和含量
|
成分 |
成熟棉纤维 |
未成熟棉纤维 |
|
纤维素 |
90-95% |
减少 |
|
果胶质 |
0.7-1.2% |
增加 |
|
蛋白质 |
1.1-1.9% |
增加 |
|
蜡、脂肪 |
0.4-1.0% |
增加 |
|
有机酸 |
0.5-1.0% |
增加 |
|
总糖分 |
～0.3% |
- |
|
灰分 |
0.7-1.6% |
增加 |
2、棉花收获过程中产生的杂质
棉花在采摘和收获加工过程中也会产生一些杂质如棉籽壳、塑料绳、铁丝等，但是经过纺纱加工后，残留在织物上的杂质主要是棉籽壳。棉籽壳主要由木质素、单宁、纤维素、半纤维素以及其它的多糖类物质组成，此外还含有少量的色素、油蜡、蛋白质和矿物质。其中木质素是最主要的成分。棉织物上棉籽壳的多少与配棉等级与棉纱质量关系很大。
3、纺织过程中人工添加的杂质
为了提高织造效率和坯布质量．棉织物在织造过程中需要对经纱进行上浆。棉织物浆纱采用的浆料主要包括淀粉、聚乙烯醇(PVA)、蜡类润滑剂、防腐剂等．一般织物的上浆率在4-8％左右．
棉织物上的天然杂质和棉籽壳在高温(
三、棉织物高效节能环保前处理工艺的开发途径
以烧碱为主体的棉织物前处理存在的主要问题是：能耗高、处理时间长、废水中有害物质含量高。随着科学技术的不断发展，生物技术在印染工业中的应用越来越普遍，同时化学工业的发展为我们提供了许多更好的化学物质，为我们实现棉织物前处理工艺的高效、节能和环保奠定了基础。
1、认识生物助剂
酶是一种生物催化剂，具有高效、专一、处理条件温和等特点。近年来，纺织印染工业用酶制剂层出不穷，解决了许多以前解决不了的问题。但是，酶专一性的特点也造成了其仅对特定的杂质具有催化分解作用，对其它的杂质没有去除作用。例如，淀粉酶仅对淀粉具有催化分解作用，对聚乙烯醇浆料则没有作用；果胶酶仅对棉纤维表面的果胶质有作用，对油蜡、木质素等则没有催化分解作用。因此，仅靠生物助剂目前还不能有效去除棉织物上的各种杂质。
2、化学助剂的优缺点
化学物质的作用往往是多方面的，如烧碱不仅可以使淀粉、聚乙烯醇等浆料溶胀，而且可以使油蜡、果胶质、木质素等得到乳化、溶胀，从而被溶解、分散在水中，把这些杂质从织物上彻底地去除下来。烧碱在去除杂质的同时，还会使棉纤维得到溶胀，使其结构在前处理过程中发生变化。表面活性剂等化学物质对烧碱的作用具有很好的促进作用，因此在前处理助剂中被大量使用。化学助剂的缺点是条件比较剧烈，往往需要比较高的处理温度和比较长的处理时间，造成以烧碱为主体的棉织物前处理工艺能耗比较高。同时，由于杂质没有被分解，前处理废水的COD很高，处理难度很大。
3、生物与化学助剂结合是实现高效节能环保的主要途径
利用生物助剂的优点，在较温和的条件下去除棉织物上的部分杂质，破坏杂质在棉织物上的完整结构。为化学助剂的作用打下基础。然后，用化学助剂在相对温和的条件下去除剩余的杂质，减少前处理过程的能源消耗，降低废水的COD，是实现棉织物生态前处理的最佳途径之一。根椐这个设想，我们开发了高效节能系列棉织物高效节能环保前处理助剂。
在这个系列的前处理助剂中，我们主要考察了如下生物酶制剂对棉织物杂质的作用：
(1)果胶酶
果胶酶是用黑曲霉菌．经液体深层发酵精制而成的固体粉末或液体制剂。果胶酶是一种混合酶，其主要成分是果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶、果胶酯酶和少量的纤维素酶。棉纤维上的果胶质是高度酯化的聚半乳糖醛酸。果胶酶作用于果胶质时，果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶直接作用于果胶聚合物分子链内部的配糖键上，而果胶酯酶则使聚半乳糖醛酸酯水解，为聚半乳糖醛酸酶和果胶酸盐裂解酶创造更多的位置，最终将果胶大分子降解成半乳糖醛酸和寡聚半乳糖醛酸等，使其从纤维表面溶解到水中。常用的果胶酶有碱性果胶酶和酸性果胶酶，在棉精练中以碱性果胶酶为主。
(2)纤维素酶
纤维素酶是一个多组分酶体系，纺织工业中应用的纤维素酶大多数是由木酶属真菌制造的。纤维素酶中的纤维素二糖水解酶又称为外切纤维素酶，由CBH I和CBH
Ⅱ两种酶组成，而内切葡聚糖酶，又称为内切纤维素酶，至少由五种纤维素酶(EG I、EGⅡ、F．GIn、EGIV、EGV)组成。此外，还有β-葡萄糖苷酶。这些纤维素酶在纤维素的水解中具有协同作用。内切酶主要将晶区中纤维素大分子链之间的内键切断，为外切酶提供更多的机会。外切纤维素酶能够从纤维素分子链的非还原性末端将纤维素二糖切下，β-葡萄糖苷酶则将纤维素二糖分解为两个葡萄糖分子以避免纤维素二糖对外切酶的非竞争性抑制作用。在棉织物精练过程中加入适量的纤维素酶有助于去除棉纤维初生胞壁中的纤维素。
(3)蛋白酶
根据作用键的种类。蛋白酶可分成两类，即作用于蛋白质和肽内部的肽键上的内肽酶。作用于相邻游离氨基酸或羧酸肽键上的外肽酶。蛋白质是棉纤维中含量最多的非纤维素杂质之一，主要集中在纤维的初生胞壁中。也存在于纤维的胞腔内。蛋白酶将棉纤维中的蛋白质分解成肽。再经肽酶水解成氨基酸，然后被去除。
应用于棉织物精练加工的酶制剂主要是果胶酶、蛋白酶和纤维素酶等。但是，从棉纤维的结构模型中，我们可以看出．任何一种酶单独使用，都不能达到去除棉纤维天然伴生杂质的目的，这是由于酶的作用是专一的。
(4)淀粉酶
棉织物退浆常用的淀粉酶是母淀粉酶．它能将淀粉中的α-l,4葡萄糖苷键，任意切断成长短不一的短链糊精和少量的低聚糖．提高其水溶性。常用的退浆酶主要有两种：高温退浆酶和中温退浆酶。
高温淀粉酶是采用地衣芽孢杆菌经发酵提炼而成的耐热α-淀粉酶，其作用温度为80
从以上叙述可以看出，利用不同的酶制剂进行组合，可以有效去除棉纤维表皮层和初生胞壁中的果胶质、蛋白质、纤维素和半纤维素，还可以去除织物上的淀粉浆料。但是，对于色素、蜡、棉籽壳等目前还无法用生物助剂彻底清除。这些杂质的去除，还需要使用化学助剂。从环保和去除效率两方面考虑，通过对发表的国内外文献进行分析，我们认为用双氧水进行练漂处理，是去除色素、蜡和棉籽壳的最有效方法。
用双氧水对棉织物进行前处理已经有很多年的应用历史，俗称“碱氧工艺”．一般使用浓度较高的烧碱和双氧水，并添加双氧水稳定剂和精练剂，以获得较好的除杂效果。碱氧工艺在实际应用中存在的主要问题是：1)由于烧碱用量大，废水的碱度高，有害物质含量多，废水处理难度大。2)高温处理时间长，能量消耗大。一般情况下，需要在
与氯漂相比，用双氧水进行练漂加工更加环保。因此，近年来，国内外学者和纺织助剂供应商都致力于开发生物助剂和化学助剂相结合的多功能前处理助剂。用这些助剂和双氧水配合。可以在相对温和的条件下，实现棉织物上色素、蜡和棉籽壳的有效去除，达到高效节能和环保的目的。
四、高效节能环保型前处理工艺的应用实践
如上所述，生物助剂与化学助剂相结合具有很强的适应性和灵活性，在实际应用中也是这样。这类产品让用户具有更大的应用空间，可以根据设备和产品要求，采用不同的前处理工艺，达到高效节能和环保的目的。综合起来，这些产品可以采用连续汽蒸工艺、冷堆短蒸工艺和浸渍法处理工艺，能够缩短前处理时间，减少能源消耗，由于配套了生物助剂，省去了烧碱，所以废水的COD大大降低，具有很好的环保效果．以下我们介绍一些高效节能环保型前处理工艺，供大家参考。
l、平幅连续汽蒸工艺
平幅连续汽蒸工艺适合所有的棉及其混纺织物的前处理，适合各种平幅汽蒸设备，下面我们以一种比较难处理的高密度40×40棉坯布为例，介绍高效节能环保型平幅连续汽蒸工艺。
工艺流程：棉坯布→烧毛→灭火→浸轧退煮酶(带液率100％) →汽蒸(
当退煮酶用量为
上述工艺的优点不仅在于其生产流程短，能量消耗低，而且由于不使用烧碱，前处理废水的COD大大降低，毛效、白度及退浆率等质量指标高，前处理质量稳定。
在退浆率要求不高的情况下，还可以采用退煮漂一步法连续汽蒸工艺，可参考如下工艺流程：
棉坯布→烧毛→热水洗→浸轧练漂液(带液率100％) →汽蒸50-70分钟→热水洗→冷水洗→烘干。
当双氧水的用量为
3、冷堆短蒸工艺
冷堆短蒸工艺由于高温处理时间缩短，能源消耗大大减少，具有显著的节能效果。该工艺适合所有的棉织物品种，一般情况下可以采用如下工艺流程：
坯布→烧毛→灭火→浸轧练漂工作液(带液率100％) →冷堆8-24小时→汽蒸15.30min→热水洗→冷水洗。
织物浸轧lOg／L双氧水和
4、浸渍法
纱线、针织物和毛巾等产品可以采用浸渍法进行前处理。由于前处理过程中不用烧碱，废水和织物上的碱度低，织物失重减少，毛效和白度高，手感好。
工艺流程：坯布或纱线→浸渍练漂工作液→升温至90
工作液处方：
多功能氧漂助剂 2
除蜡去油剂0
双氧水(27.5％) 3
如果织物上含有针织油或拟处理的织物毛效要求比较高，可以在上述工作液处方中添加适量的除蜡去油剂，以提高除油去蜡效果，增加织物的吸水性。
5、生产应用中的高效节能和环保效果
下面我们以J型箱连续汽蒸前处理生产工艺为例介绍高效节能环保型前处理工艺的应用效果。我们知道J型箱绳状连续前处理一般采用高温烧碱退浆煮练，然后用次氯酸钠漂白，不仅处理时间长，而且温度高、能耗大，织物强度损失比较严重，产品质量稳定性较差。
在实．际生产试验中，我们采用规格为24x24／72x60、幅宽为
坯布烧毛→灭火→浸轧退煮酶工作液．(带液率100％) →J型箱汽蒸30min→热水洗2道→浸轧练漂工作液(常温，带液率100％) →J型箱汽蒸60min→热水洗2道→冷水洗→烘干。
生产中采用的车速为
传统的J型箱绳状连续前处理工艺使用较高浓度的烧碱，工艺流程如下：
坯布烧毛→灭火→浸轧碱退浆工作液(带液率100％)→J型箱汽蒸120min→
工作液处方：
1)100％烧碱 20
渗透剂 5
2)100％烧碱 15
精练剂 5
为了解两种不同工艺处理后，织物的处理效果，按照有关国家标准对处理后的织物进行了测试分析，高效节能工艺与碱煮练工艺处理后织物的质量指标如表3所示。从中可以看出，高效节能工艺处理后织物的质量与烧碱处理工艺相近，完全可以满足生产需要。
表3 高效节能工艺和烧碱前处理工艺的质量指标比较
|
工艺 |
毛效/30min |
白度 |
退浆率/级 |
强力 |
|
|
经 |
纬 |
||||
|
高效节能 |
13.5 |
81.5 |
8 |
579 |
389 |
|
烧碱煮练 |
13.2 |
81.1 |
8 |
566 |
383 |
高效节能工艺和烧碱前处理工艺成本比较4，从中可以看出，高效节能工艺比烧碱前处理工艺成本降低1．08元，百米。由于工艺流程缩短，初开机时间可以减少4.5小时，此外还可以大大减少水、电、汽消耗，提高生产效率。
表4 高效节能工艺和烧碱前处理工艺成本比较
|
工艺 |
处理时间/小时 |
百米蒸汽/吨 |
百米助剂/元 |
蒸汽成本/元 |
合计 |
成本节约元/百米 |
|
高效节能 |
1.5 |
0.005 |
3.75 |
1.04 |
4.79 |
1.08 |
|
烧碱工艺 |
6 |
0.021 |
1.70 |
4.17 |
5.87 |
经过测试，两种工艺的环保指标如表5所示。从中可以看出，高效节能工艺前处理废水的COD 比碱煮练工艺减少54．8％，悬浮物减少34．3％，pH值下降3．4．废水的颜色明显变浅。
表5 高效节能工艺和烧碱前处理环保指标比较
|
工艺 |
悬浮物 |
废水颜色 |
pH |
COD |
效果 |
|
高效节能 |
405 |
浅黄 |
9.1 |
2846 |
COD减少54.8%,悬浮物减少34.3% |
|
碱工艺 |
616 |
褐 |
12.5 |
6291 |
此外，由于高效节能工艺省去了氯漂工序，不仅生产效率提高，而且大大减少了废水中的AOX，因此产生的环保效益也将是非常显著的。
六、结语
棉织物上存在的天然伴生杂质、棉籽壳和浆料等决定着前处理工艺的研究与开发方向。用生物助剂与化学助剂相结合，替代传统的烧碱处理工艺，生产实践经验表明，不仅可以实现前处理工艺的高效短流程，而且具有显著的节能环保效果。