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棉織物無燒堿前處理工藝——實現高效節(jié)能環(huán)保的有效途徑
房寬峻
青島大學化學化工與環(huán)境學院
纖維新材料與現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品印染加工過程中能耗、污染負荷和水耗最大的環(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和燒堿及酶制劑對這些雜質作用的基礎上，采用生物技術與化學技術相結合，開發(fā)出無燒堿前處理工藝。生產應用結果表明，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，生產效率高，是實現高效節(jié)能和環(huán)保的有效途徑。
關鍵詞：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生量比較大的工序。據有關資料介紹[1]，棉織物漂白和洗滌耗水量占總耗水量的75%，但COD只有5%，污染負荷為8%；退漿和精練工藝中，產生的COD值和污染負荷占75%，但耗水量僅為5%；染色工藝產生的廢水份額為10-20%，產生的污染負荷為17%，如圖1所示。
圖1棉印染加工中的耗水量和污染負荷
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。
燒堿是傳統(tǒng)棉前處理工藝大量使用的化學品。長期以來，不論是在國內外公開發(fā)表的文獻中，還是在設備、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建立在燒堿對棉織物上雜質的作用方面。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進行重新認識，在此基礎上分析燒堿對雜質的作用機理，探討不用燒堿去除棉織物雜質的方法，實現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
棉織物前處理的主要目的是去除棉織物上的雜質，賦予其良好的外觀和染色印花性能。也就是說，棉織物上雜質的種類、含量和性質決定著棉織物前處理應當采用的工藝。棉織物上存在的雜質可以分為以下三類：
伴生雜質
棉纖維生長過程中伴生的雜質成分及含量如表2所示。從截面結構來看（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棉纖維的截面結構及模型[2-5]
質、油蠟和蛋白質等組成。初生胞壁緊連表皮層，處于次生胞壁和表皮層之間，主要是纖維素的網狀組織，也含有一定數量的油蠟和果膠質等雜質。胞腔位于棉纖維中心，含有蛋白質、礦物鹽及一些色素等。顯然，棉纖維中的天然雜質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的化學成分和含量[4]
成分 | 成熟棉纖維 | 未成熟棉纖維 |
纖維素 | 90-95% | 減少 |
果膠質 | 0.7-1.2% | 增加 |
蛋白質 | 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生一些雜質如棉籽殼、塑料繩、鐵絲等，但是經過紡紗加工后，殘留在織物上的雜質主要是棉籽殼。棉籽殼主要由木質素、單寧、纖維素、半纖維素以及其它的多糖類物質組成，此外還含有少量的色素、油蠟、蛋白質和礦物質，其中木質素是最主要的成分。棉籽殼是棉織物上最難去除的雜質之一，棉籽殼的多少與配棉等級與棉紗質量關系很大。
人工添加的雜質
為了提高織造效率
三、燒堿對棉織物上雜質的作用
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。燒堿對棉織物上雜質的作用，見圖3。
圖3燒堿對棉織物上雜質的作用
從圖3可以看出，燒堿對棉織物雜質的作用主要是溶脹、皂化和溶解作用，雜質在燒堿的作用下并沒有分解，因此當這些雜質進入廢水后，導致廢水的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，然而這些物質也不可能將這些雜質分解，因此廢水的COD值不會降低。此外，從上述工藝還可以看出，以燒堿為基礎的棉織物前處理還存在工藝流程長，生產效率低，能耗和水耗高等問題。
四、生物與化學助劑結合是實現高效節(jié)能環(huán)保的有效途徑
隨著科學技術的不斷發(fā)展，生物技術在印染工業(yè)中的應用越來越普遍，同時化學工業(yè)的發(fā)展為我們提供了許多更好的化學物質，為我們實現棉織物前處理工藝的高效、節(jié)能和環(huán)保奠定了基礎。
酶是
與酶制劑相比，化學物質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分解?；瘜W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，破壞雜質在棉織物上的完整結構，為化學助劑的作用打下基礎。然后，用化學助劑在相對溫和的條件下去除剩余的雜質，減少前處理過程的能源消耗，降低廢水的COD，是實現棉織物生態(tài)前處理的最佳途徑之一。根椐這個設想，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的作用，見圖4。
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圖4酶對棉織物雜質的作用
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、蛋白質、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。這些雜質的去除，還需要使用化學助劑。
用雙氧水對棉織物進行前處理已經有很多年的應用歷史，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，國內外學者和紡織助劑供應商都致力于開發(fā)生物助劑和化學助劑相結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，應當參考如下原則：
（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，無氧化破洞產生。
冷堆和汽蒸時間短。
對坯布和水質適應性強。
長期使用不會出現垢斑。
五、高效節(jié)能環(huán)保型前處理工藝的應用實踐
如上所述，生物助劑與化學助劑相結合具有很強的適應性和靈活性。這些產品可以采用連續(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。
當雙氧水的用量為8g/L，海麗潔PA-LP8100的用量為30g/L時，經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、生產應用中的高效節(jié)能和環(huán)保效果
下面我們以J型箱連續(xù)汽蒸前處理生產工藝為例介紹高效節(jié)能環(huán)保型前處理工藝的應用效果。我們知道J型箱繩狀連續(xù)前處理一般采用高溫燒堿退漿煮練，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重，產品質量穩(wěn)定性較差。
在實際生產試驗中，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)前處理生產線，生產工藝流程如下
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量指標如表2所示。從中可以看出，高效節(jié)能工藝處理后織物的質量與燒堿處理工藝相近，完全可以滿足生產需要。
表2高效節(jié)能工藝和燒堿前處理工藝的質量指標比較
工藝 | 毛效/30min | 白度 | 退漿率/級 | 強力/N | |
經 | 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 |
經過測試，兩種工藝的環(huán)保指標如表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，不僅生產效率提
六、結語
棉織物上存在的天然伴生雜質、棉籽殼和漿料等決定著前處理工藝的研究與開發(fā)方向。用生物助劑與化學助劑相結合，替代傳統(tǒng)的燒堿處理工藝，生產實踐表明，不僅可以實現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。
