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棉織物無燒堿前處理工藝——實現(xiàn)高效節(jié)能環(huán)保的有效途徑
房寬峻
青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院
纖維新材料與現(xiàn)代紡織國家重點實驗室培育基地
摘要：棉織物的前處理是這類產(chǎn)品印染加工過程中能耗、污染負(fù)荷和水耗最大的環(huán)節(jié)，其主要原因是在前處理過程中大量使用燒堿。本文在分析棉織物上存在的各種雜質(zhì)和燒堿及酶制劑對這些雜質(zhì)作用的基礎(chǔ)上，采用生物技術(shù)與化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出無燒堿前處理工藝。生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果表明，無燒堿棉織物前處理工藝，流程短，能耗、水耗和廢水的COD值大大降低，生產(chǎn)效率高，是實現(xiàn)高效節(jié)能和環(huán)保的有效途徑。
關(guān)鍵詞：棉織物；無燒堿；前處理；高效；節(jié)能；環(huán)保
一、引言
天然纖維素纖維如棉麻及其混紡織物的前處理是印染加工過程中水、能消耗和高污染廢水產(chǎn)生量比較大的工序。據(jù)有關(guān)資料介紹[1]，棉織物漂白和洗滌耗水量占總耗水量的75%，但COD只有5%，污染負(fù)荷為8%；退漿和精練工藝中，產(chǎn)生的COD值和污染負(fù)荷占75%，但耗水量僅為5%；染色工藝產(chǎn)生的廢水份額為10-20%，產(chǎn)生的污染負(fù)荷為17%，如圖1所示。
圖1棉印染加工中的耗水量和污染負(fù)荷
棉織物印染加工存在的“三高”（耗水量高、能耗高和廢水COD值高）問題，與目前普遍使用的燒堿前處理工藝有關(guān)。
燒堿是傳統(tǒng)棉前處理工藝大量使用的化學(xué)品。長期以來，不論是在國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻中，還是在設(shè)備、染化料助劑廠家提供的推薦工藝中，都把棉前處理工藝的基礎(chǔ)建立在燒堿對棉織物上雜質(zhì)的作用方面。這是因為，
開發(fā)節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的棉織物前處理工藝，需要對棉織物上存在的雜質(zhì)進行重新認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上分析燒堿對雜質(zhì)的作用機理，探討不用燒堿去除棉織物雜質(zhì)的方法，實現(xiàn)棉織物前處理工藝的高效、節(jié)能和環(huán)保。
二、棉織物上的雜質(zhì)
棉織物前處理的主要目的是去除棉織物上的雜質(zhì)，賦予其良好的外觀和染色印花性能。也就是說，棉織物上雜質(zhì)的種類、含量和性質(zhì)決定著棉織物前處理應(yīng)當(dāng)采用的工藝。棉織物上存在的雜質(zhì)可以分為以下三類：
伴生雜質(zhì)
棉纖維生長過程中伴生的雜質(zhì)成分及含量如表2所示。從截面結(jié)構(gòu)來看（見圖2），棉纖維由表皮層、初生胞壁、次生胞壁和胞腔組成。其中，次生胞壁的成分是纖維素，它是構(gòu)成棉纖維的主體。表皮層是棉纖維的最外層，主要由果膠
圖2棉纖維的截面結(jié)構(gòu)及模型[2-5]
質(zhì)、油蠟和蛋白質(zhì)等組成。初生胞壁緊連表皮層，處于次生胞壁和表皮層之間，主要是纖維素的網(wǎng)狀組織，也含有一定數(shù)量的油蠟和果膠質(zhì)等雜質(zhì)。胞腔位于棉纖維中心，含有蛋白質(zhì)、礦物鹽及一些色素等。顯然，棉纖維中的天然雜質(zhì)主要集中于初生胞壁和表皮層中。
表1棉纖維及其伴生雜質(zhì)的化學(xué)成分和含量[4]
成分 | 成熟棉纖維 | 未成熟棉纖維 |
纖維素 | 90-95% | 減少 |
果膠質(zhì) | 0.7-1.2% | 增加 |
蛋白質(zhì) | 1.1-1.9% | 增加 |
蠟、脂肪 | 0.4-1.0% | 增加 |
有機酸 | 0.5-1.0% | 增加 |
總糖分 | ～0.3% | - |
灰分 | 0.7-1.6% | 增加 |
棉籽殼
棉花在采摘和收獲加工過程中也會產(chǎn)生一些雜質(zhì)如棉籽殼、塑料繩、鐵絲等，但是經(jīng)過紡紗加工后，殘留在織物上的雜質(zhì)主要是棉籽殼。棉籽殼主要由木質(zhì)素、單寧、纖維素、半纖維素以及其它的多糖類物質(zhì)組成，此外還含有少量的色素、油蠟、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)，其中木質(zhì)素是最主要的成分。棉籽殼是棉織物上最難去除的雜質(zhì)之一，棉籽殼的多少與配棉等級與棉紗質(zhì)量關(guān)系很大。
人工添加的雜質(zhì)
為了提高織造效率
三、燒堿對棉織物上雜質(zhì)的作用
以繩狀棉織物前處理為例，使用燒堿的前處理工藝流程如下：
坯布燒毛→滅火→浸軋堿退漿工作液（帶液率100%）→J型箱汽蒸120min→90℃熱水洗2道→浸軋堿精練工作液（帶液率100%）→J型箱汽蒸120min→90℃熱水洗→冷水洗→氧漂或（氯漂→酸洗→脫氯）→水洗→烘干。
工作液處方如下：
退漿
100%燒堿20-30g/L
滲透劑5-8g/L
（2）精練
100%燒堿15-20g/L
精練劑5-8g/L
棉織物上的天然雜質(zhì)和棉籽殼在高溫（90℃以上）條件下會被燒堿溶脹、皂化和溶解，從棉織物上脫落下來，達到去除的目的。在燒堿的作用下，棉織物上的淀粉漿料在一定溫度（50℃以上）下會被燒堿溶脹，然后經(jīng)過水洗會從棉織物上脫落下來。這是長期以來我們用燒堿對棉織物進行前處理的主要依據(jù)。燒堿對棉織物上雜質(zhì)的作用，見圖3。
圖3燒堿對棉織物上雜質(zhì)的作用
從圖3可以看出，燒堿對棉織物雜質(zhì)的作用主要是溶脹、皂化和溶解作用，雜質(zhì)在燒堿的作用下并沒有分解，因此當(dāng)這些雜質(zhì)進入廢水后，導(dǎo)致廢水的COD增加。以燒堿為主體的棉織物前處理工藝，盡管體系中還含有一些滲透劑和精練劑等表面活性劑，然而這些物質(zhì)也不可能將這些雜質(zhì)分解，因此廢水的COD值不會降低。此外，從上述工藝還可以看出，以燒堿為基礎(chǔ)的棉織物前處理還存在工藝流程長，生產(chǎn)效率低，能耗和水耗高等問題。
四、生物與化學(xué)助劑結(jié)合是實現(xiàn)高效節(jié)能環(huán)保的有效途徑
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物技術(shù)在印染工業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，同時化學(xué)工業(yè)的發(fā)展為我們提供了許多更好的化學(xué)物質(zhì)，為我們實現(xiàn)棉織物前處理工藝的高效、節(jié)能和環(huán)保奠定了基礎(chǔ)。
酶是
與酶制劑相比，化學(xué)物質(zhì)的作用往往是多方面的，例如雙氧水不僅可以提高織物白度，還可以使棉籽殼等雜質(zhì)分解。化學(xué)助劑的缺點是條件比較劇烈，往往需要比較高的處理溫度和比較長的處理時間。
利用生物助劑的優(yōu)點，在較溫和的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(jié)構(gòu)，為化學(xué)助劑的作用打下基礎(chǔ)。然后，用化學(xué)助劑在相對溫和的條件下去除剩余的雜質(zhì)，減少前處理過程的能源消耗，降低廢水的COD，是實現(xiàn)棉織物生態(tài)前處理的最佳途徑之一。根椐這個設(shè)想，我們主要考察了果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶等生物酶制劑對棉織物雜質(zhì)的作用，見圖4。
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圖4酶對棉織物雜質(zhì)的作用
由圖4可以看出，利用果膠酶、纖維素酶和淀粉酶等不同的酶制劑進行組合，可以有效去除棉纖維表皮層和初生胞壁中的果膠質(zhì)、蛋白質(zhì)、纖維素和半纖維素，還可以去除織物上的淀粉漿料。但是，對于色素、蠟、棉籽殼等目前還無法用生物助劑徹底清除。這些雜質(zhì)的去除，還需要使用化學(xué)助劑。
用雙氧水對棉織物進行前處理已經(jīng)有很多年的應(yīng)用歷史，俗稱“堿氧工藝”，一般使用濃度較高的燒堿和雙氧水，并添加雙氧水穩(wěn)定劑和精練劑，以獲得較好的除雜效果。堿氧工藝在實際應(yīng)用中存在的主要問題是：1）由于燒堿用量大，廢水的堿度高，有害物質(zhì)含量多，廢水處理難度大。2）高溫處理時間長，能量消耗大。一般情況下，需要在90℃以上的高溫條件下處理60分鐘以上的時間，才能得到比較好的處理效果。3）織物強度損
近年來，國內(nèi)外學(xué)者和紡織助劑供應(yīng)商都致力于開發(fā)生物助劑和化學(xué)助劑相結(jié)合的多功能前處理助劑。用這些助劑和雙氧水配合，可以在相對溫和的條件下，實現(xiàn)棉織物上色素、蠟和棉籽殼的有效去除，達到高效節(jié)能和環(huán)保的目的。這類助劑的選擇和使用，應(yīng)當(dāng)參考如下原則：
（1）堿性低，緩沖能力強。
（2）對雙氧水具有良好的控制作用，無效分解少，雜質(zhì)分解程度高。白度、毛效和退漿率高，無棉籽殼殘留，無氧化破洞產(chǎn)生。
冷堆和汽蒸時間短。
對坯布和水質(zhì)適應(yīng)性強。
長期使用不會出現(xiàn)垢斑。
五、高效節(jié)能環(huán)保型前處理工藝的應(yīng)用實踐
如上所述，生物助劑與化學(xué)助劑相結(jié)合具有很強的適應(yīng)性和靈活性。這些產(chǎn)品可以采用連續(xù)汽蒸工藝、冷堆短蒸工藝和浸漬法處理工藝，能夠縮短前處理時間，減少能源消耗，由于配套了生物助劑，省去了燒堿，所以廢水的COD大大降低，具有很好的環(huán)保效果。以下我們介紹一些高效節(jié)能環(huán)保型前處理工藝，供大家參考。
1、平幅連續(xù)汽蒸工藝
平幅連續(xù)汽蒸工藝適合所有的棉及其混紡織物的前處理，適合各種平幅汽蒸設(shè)備，下面我們以一種比較難處理的高密度40×40棉坯布為例，介紹高效節(jié)能環(huán)保型平幅連續(xù)汽蒸工藝。
工藝流程：棉坯布→燒毛→滅火→浸軋退煮酶（帶液率100%）→汽蒸（102℃，30min）→熱水洗→浸軋練漂液（帶液率100%）→汽蒸（102℃，25min）→熱水洗→冷水洗→烘干。
當(dāng)退煮酶海麗潔EZ-FH2100用量為10g/L，練漂液中多功能氧漂助劑海麗潔PA-LP8100的用量為50g/L，雙氧水的用量為8g/L，處理后的棉織物的毛效達到7.3 cm/30min，亨特白度為91.2，退漿率為8級。該工藝的優(yōu)點不僅在于其生產(chǎn)流程短，能量消耗低，而且由于不使用燒堿，前處理廢水的COD大大降低。
在退漿率要求不高的情況下，還可以采用退煮漂一步法連續(xù)汽蒸工藝，可
棉坯布→燒毛→熱水洗→浸軋練漂液（帶液率100%）→汽蒸50-70分鐘→熱水洗→冷水洗→烘干。
當(dāng)雙氧水的用量為8g/L，海麗潔PA-LP8100的用量為30g/L時，經(jīng)過前處理后織物的白度為91.2，毛效為12.5 cm/30min，可以滿足生產(chǎn)要求。
3、冷堆短蒸工藝
冷堆短蒸工藝由于高溫處理時間縮短，能源消耗大大減少，具有顯著的節(jié)能效果。該工藝適合所有的棉織物品種，一般情況下可以采用如下工藝流程：
坯布→燒毛→滅火→浸軋練漂工作液（帶液率100%）→冷堆8-24小時→汽蒸15-30min→熱水洗→冷水洗。
織物浸軋10g/L雙氧水和40g/L PA-LP8100組成的練漂液后，冷堆8小時，再汽蒸15min，織物的亨特白度為90.2，毛效為12.9cm/30min。
4、浸漬法
紗線、針織物和毛巾等產(chǎn)品可以采用浸漬法進行前處理。由于前處理過程中不用燒堿，廢水和織物上的堿度低，織物失重減少，毛效和白度高，手感好。
工藝流程：坯布或紗線→浸漬練漂工作液→升溫至90-95oC處理30-40min→排水→熱水洗→冷水洗。
工作液處方：
海麗潔PA-LP8100 2-5g/L
海麗潔PA-QY9850 0-3g/L
雙氧水（27.5%）3-5g/L
如果織物上含有針織油或擬處理的織物毛效要求比較高，可以在上述工作液處方中添加適量的除蠟去油劑PA-QY9850，以提高除油去蠟效果，增加織物的吸水性。
5、生產(chǎn)應(yīng)用中的高效節(jié)能和環(huán)保效果
下面我們以J型箱連續(xù)汽蒸前處理生產(chǎn)工藝為例介紹高效節(jié)能環(huán)保型前處理工藝的應(yīng)用效果。我們知道J型箱繩狀連續(xù)前處理一般采用高溫?zé)龎A退漿煮練，然后用次氯酸鈉漂白。不僅處理時間長，而且溫度高、能耗大，織物強度損失比較嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差。
在實際生產(chǎn)試驗中，我們采用規(guī)格為24×24/72×60、幅寬為51英寸的純棉坯布，使用J型箱繩狀連續(xù)前處理生產(chǎn)線，生產(chǎn)工藝流程如下
坯布燒毛→滅火→浸軋退煮酶工作液（帶液率100%）→J型箱汽蒸30min→熱水洗2道→浸軋練漂工作液（常溫，帶液率100%）→J型箱汽蒸60min→熱水洗2道→冷水洗→烘干。
生產(chǎn)中采用的車速為80m/min，退煮酶EZ-FH2100用量為15g/L，續(xù)加液為75g/L。練漂液中PA-LP8100的用量為25g/L，雙氧水（100%）的用量為4.5g/L，續(xù)加液前者為125g/L，雙氧水為22.5g/L。
傳統(tǒng)的J型箱繩狀連續(xù)前處理工藝請參考第三部分，在此不再贅述。
高效節(jié)能工藝與堿煮練工藝處理后織物的質(zhì)量指標(biāo)如表2所示。從中可以看出，高效節(jié)能工藝處理后織物的質(zhì)量與燒堿處理工藝相近，完全可以滿足生產(chǎn)需要。
表2高效節(jié)能工藝和燒堿前處理工藝的質(zhì)量指標(biāo)比較
工藝 | 毛效/30min | 白度 | 退漿率/級 | 強力/N | |
經(jīng) | 緯 | ||||
高效節(jié)能 | 13.5 | 81.5 | 8 | 579 | 389 |
燒堿煮練 | 13.2 | 81.1 | 8 | 566 | 383 |
高效節(jié)能工藝與燒堿煮練工藝的成本對比見表3，從中可以看出，高效節(jié)能工藝比燒堿前處理工藝成本降低1.08元/百米。由于工藝流程縮短，初開機時間可以減少4.5小時，此外還可以大大減少水、電、汽消耗，提高生產(chǎn)效率。
表3高效節(jié)能工藝與燒堿煮練工藝成本比較
工藝 | 處理時間 /小時 | 百米蒸汽 /噸 | 百米助劑 /元 | 蒸汽成本 /元 | 合計 | 成本節(jié)約 元/百米 |
高效節(jié)能 | 1.5 | 0．005 | 3．75 | 1．04 | 4．79 | 1.08 |
燒堿工藝 | 6 | 0．021 | 1．70 | 4．17 | 5．87 |
經(jīng)過測試，兩種工藝的環(huán)保指標(biāo)如表4所示。從中可以看出，高效節(jié)能工藝前處理廢水的COD比堿煮練工藝減少54.8%，懸浮物減少34.3%，pH值下降3.4，廢水的顏色明顯變淺。
表4高效節(jié)能工藝與堿煮練工藝環(huán)保指標(biāo)比較
工藝 | 懸浮物 | 廢水顏色 | pH | COD | 效果 |
高效節(jié)能 | 405 | 淺黃 | 9.1 | 2846 | COD減少54.8%，懸浮物減少34.3%。 |
堿工藝 | 616 | 褐色 | 12.5 | 6291 |
此外，由于高效節(jié)能工藝省去了氯漂工序，不僅生產(chǎn)效率提
六、結(jié)語
棉織物上存在的天然伴生雜質(zhì)、棉籽殼和漿料等決定著前處理工藝的研究與開發(fā)方向。用生物助劑與化學(xué)助劑相結(jié)合，替代傳統(tǒng)的燒堿處理工藝，生產(chǎn)實踐表明，不僅可以實現(xiàn)前處理工藝的高效短流程，而且具有顯著的節(jié)能環(huán)保效益。
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