Lyocell纖維紡絲凝固浴離子交換樹脂脫色研究

黃錦鋒

（福建宏遠(yuǎn)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000）

Lyocell纖維紡絲凝固浴離子交換樹脂脫色研究

黃錦鋒

（福建宏遠(yuǎn)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000）

文章研究了陰離子交換樹脂對(duì)Lyocell纖維生產(chǎn)凝固浴色度的去除率，探討了陰離子交換樹脂用量和時(shí)間對(duì)Lyocell纖維生產(chǎn)凝固浴脫色率的影響，并從動(dòng)力學(xué)角度探討了吸附機(jī)理。研究表明陰離子交換樹脂對(duì)Lyocell纖維生產(chǎn)凝固浴的吸附過(guò)程符合擬二級(jí)吸附速率方程，以物理吸附為主，擬合的模型為了解其吸附途徑和吸附機(jī)理提供了依據(jù)。

離子交換樹脂；凝固??；吸附；動(dòng)力學(xué)

1 引言

纖維素纖維作為一種豐富的天然高分子材料，具有量大價(jià)廉、可再生、再生周期短、可生物降解、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。然而，纖維素結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有較高的結(jié)晶度、纖維素內(nèi)部存在大量的結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及分子間與分子內(nèi)氫鍵作用很強(qiáng)，破壞其氫鍵所需要的能量高于分子鏈斷裂的能量，在熔融之前就會(huì)發(fā)生分解，因而無(wú)法通過(guò)熔融紡絲進(jìn)行加工[4]。Lyocell纖維是20世紀(jì)80年代開發(fā)的一種新型纖維素纖維,其紡絲用纖維素漿粕的平均聚合度一般在600左右。由于Lyocell生產(chǎn)工藝克服了傳統(tǒng)纖維素纖維生產(chǎn)工藝中存在的環(huán)境和能耗問(wèn)題,因此，該工藝一經(jīng)問(wèn)世就得到了迅速發(fā)展。

Lyocell纖維是通過(guò)把纖維素漿粕直接溶解在N一甲基嗎琳一N氧化物(NMMO)和水的混和溶劑中，不經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行干噴、濕紡而制得的一種新型纖維素纖維。該纖維集合成纖維與天然纖維的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有天然纖維優(yōu)良舒適的服用性能，又具有合成纖維高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)[5]。

由于NMMO溶液價(jià)格昂貴，其回收率的高低直接決定著Lyocen纖維工業(yè)化的成敗。本文在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了陰離子交換對(duì)Lyocell纖維紡絲凝固浴脫色動(dòng)力學(xué)，有助于離子樹脂脫色工藝的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

BM-2WAJ型阿貝折射儀；721E型分光光度計(jì)；HY-4調(diào)速多用振蕩器；陰離子交換樹脂X。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 陰離子交換樹脂倍率

分別按陰離子樹脂倍率為3、6、9、18、24、30、50、70加入到 Lyocell纖維生產(chǎn)凝固浴溶液，在室溫下振蕩120min后，取上清測(cè)定NMMO溶液的脫色率。

2.2.2 吸附時(shí)間

按樹脂倍率為9倍的處理量加入到Lyocell纖維生產(chǎn)凝固浴溶液，在室溫下分別震蕩0、30、60、90、120、150、180、210min后，取上清測(cè)定NMMO溶液的脫色率。

2.3.1、NMMO脫色率的測(cè)定

分別取脫色前NMMO溶液和脫色后NMMO溶液，用721E型分光光度計(jì)測(cè)定其在450nm波長(zhǎng)下的吸光度。按照式（1）計(jì)算脫色率

3 結(jié)果與討論

3.1 凝固浴回收液處理量的影響

表3-1 陰離子交換樹脂對(duì)凝固浴溶液的脫色效果

樹脂處理倍率對(duì)NMMO溶液液脫色率的影響如表3-1所示。當(dāng)樹脂處理倍率較低時(shí)，脫色率較大，可達(dá)94%，隨著處理倍率的增加，脫色效果逐漸減弱，因此陰離子樹脂X具有像活性炭那樣的表面吸附性能。從表3-1也可知陰離子樹脂X具有很強(qiáng)的脫色作用，能作為回收液優(yōu)良的脫色劑。

從表3-1中還可以看出：當(dāng)凝固浴回收液的處理倍率較少時(shí)，樹脂的交換值還沒(méi)達(dá)到飽和，脫色率很好；當(dāng)處理倍率為樹脂體積的70倍左右時(shí)，其脫色率只有35.89%，樹脂的脫色能力已經(jīng)大大降低，此時(shí)的樹脂已達(dá)到交換飽和，不通滿足回收要求，須再生回用。

3.2 脫色動(dòng)力學(xué)

3.2.1 脫色動(dòng)力學(xué)曲線

圖3-1 脫色時(shí)間對(duì)脫色率的影響

吸附動(dòng)力學(xué)曲線是反映脫色率與吸附作用時(shí)間關(guān)系的曲線。當(dāng)脫色率不再增加(在本實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為吸光值A(chǔ)不再減少)時(shí)，認(rèn)為吸附反應(yīng)達(dá)到表觀吸附平衡。樹脂X的吸附動(dòng)力學(xué)曲線見圖3-1。

可以看出，脫色反應(yīng)開始后，在初始的90min之內(nèi)，隨著脫色時(shí)間的增加，在開始階段Lyocell紡絲凝固浴脫色率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，且增速較快，但90min后，脫色率增加緩慢，150min后，脫色率基本不再增加。鑒于此，可將Lyocell紡絲凝固浴中色素在陰離子交換樹脂上的脫色過(guò)程分為快速脫色階段、慢速脫色階段和脫色平衡階段。脫色反應(yīng)開始的最初90min為快速脫色階段，脫色率達(dá)到了表觀平衡脫色率(180min時(shí)的脫色率)的93.3%，此階段反應(yīng)的推動(dòng)力可能是固液兩相中吸附質(zhì)的濃度差以及吸附劑表面大量空余的吸附位點(diǎn)；90min至150min為慢速脫色階段，脫色率占表觀平衡脫色率的4.8%，此階段固液兩相中吸附質(zhì)的濃度差逐漸縮小，吸附劑表面的吸附位點(diǎn)趨于飽和；150min至210min為脫色平衡階段，瞬時(shí)脫色速率逐漸減小到零。

3.2.2 吸附動(dòng)力學(xué)模型與吸附機(jī)理

采用Pseudo一級(jí)速率方程[6]、Pseudo二級(jí)速率方程[7]、Elovich動(dòng)力學(xué)模型[8]、Weber&Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型對(duì)298K下Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過(guò)程進(jìn)行描述。

3.2.2.1 吸附反應(yīng)模型

Pseudo一級(jí)速率方程、Pseudo二級(jí)速率方程和Elovich動(dòng)力學(xué)模型非線性擬合的各參數(shù)見表3-2。從表中各參數(shù)可以看出，Pseudo二級(jí)速率方程動(dòng)力學(xué)模型和Elovich動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于描述lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過(guò)程有較好的適用性，而Pseudo一級(jí)速率方程不適用于Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過(guò)程。從決定系數(shù)R2來(lái)看，相較于Pseudo一級(jí)速率方程和Elovich動(dòng)力學(xué)模型，Pseudo二級(jí)速率方程的擬合度最佳(R2在0.99以上)；從誤差分析角度，Pseudo二級(jí)速率方程的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD小于Pseudo一級(jí)速率方程和Elovich動(dòng)力學(xué)模型。所以，Pseudo二級(jí)速率方程能夠更準(zhǔn)確地描述Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過(guò)程。

3.2.2.2 吸附機(jī)理

吸附反應(yīng)的速率是由吸附機(jī)理和反應(yīng)限速步驟決定的。普遍認(rèn)為樹脂對(duì)于底物的吸附過(guò)程主要包括以下3步：

①吸附質(zhì)穿過(guò)緊貼在樹脂表面的邊界層到達(dá)樹脂表面，即液膜擴(kuò)散；

②吸附質(zhì)通過(guò)樹脂外表面的微孔向其顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，到達(dá)樹脂內(nèi)表面，即顆粒內(nèi)擴(kuò)散；

③吸附質(zhì)在樹脂內(nèi)表面上的吸附位點(diǎn)被吸附，即發(fā)生吸附反應(yīng)。一般情況下，第3步反應(yīng)的速度非常快，所以液膜擴(kuò)散或(和)顆粒內(nèi)擴(kuò)散是整個(gè)吸附反應(yīng)的控制步驟[9]。

Weber&Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型是最常報(bào)道的用于揭示吸附反應(yīng)機(jī)理的模型，其表達(dá)式如下：

圖3-2 Weber&Morris顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型圖

4 結(jié)論

4.1 陰離子交換樹脂X能去除凝固浴的部分懸浮物，并能對(duì)其脫色，脫色效果非常好，并能多次使用。

4.2 在處理倍率為9倍的條件下，陰離子交換樹脂X對(duì)Lyocell紡絲凝固浴吸附脫色過(guò)程能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡(150min)；并且Pseudo二級(jí)速率方程對(duì)該吸附過(guò)程的擬合度較高(R2在0.99上)。

表3-2 同動(dòng)力學(xué)模型的非線性擬合參數(shù)和誤差分析

4.3 Lyocell紡絲凝固浴中著色物質(zhì)在陰離子交換樹脂X上的吸附并非理想的均勻表面吸附，這可能跟陰離子交換樹脂X的表面特性、Lyocell紡絲凝固浴中著色物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及溶劑體系中或許存在的多組分競(jìng)爭(zhēng)吸附有關(guān)。

[1]岳文濤.Lyocell纖維生產(chǎn)用溶劑N-甲基嗎琳-N-氧化物(NMMO)回收工藝和機(jī)理的研究[D].上?！脰|華大學(xué),2006.

[2]楊革生.Lyocell竹纖維素纖維的制備及結(jié)構(gòu)與性能的研究[D].上海∶東華大學(xué).2009.

[3]張磊.竹纖維針織物性能的研究∶2013年長(zhǎng)三角生態(tài)紡織研究生學(xué)術(shù)論壇論文集[C].無(wú)錫∶長(zhǎng)三角研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃協(xié)作委員會(huì),2013∶775-780.

[4]裴繼誠(chéng).植物纖維化學(xué)[M].北京∶中國(guó)輕工業(yè)出版社.2012.

[5]韓增強(qiáng),武志云,汪少朋,等.Lyocell纖維紡絲溶劑NMMO及回收工藝的研究[J].山東紡織科技,2007(3)∶7-9.

[6]TSENGRu-ling,WUFeng-chin,JUANG Ruey-shin.Charac-teristics and applications of the Lagergren’S fimt-order equation for adsorption kinetics[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers,2010,41(6)∶661-669.

[7]KUMAR D B,SMAIL K,MOSTEFA K,et a1.Adsorption kinetics of some textile dyes onto granular activated carbon[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2013(3)∶496-503.

[8]WU Feng-chin,TSENG Ru-ling,JUANG Ruey-shin.Characteristics of Elovich equation used for the analysis of adsorption kineticsin dye-ehitosan systems[J].Chemical Engineering Journal.2009,158∶366-373.

[9]GAO Zhen-peng,YU Zhi-fang,YUE Tian-li,et a1.Adsorption isotherm,thermodynamics and kinetics studiesof polyphenols separation from kiwifrnit juice using adsorbent resin[J].Journal of Food Engineering.2013,116(1)∶195-201.

[10]MAHMOOD T,DIN SU,NAEEM A,et a1.Kinetics,equilibriumand thermodynamics studies of arsenate adsorption from aqueous solutions onto iron hydroxide[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2014,20(5)∶3234-3242.

[11]王軍良,姜濤,張安平.竹炭對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯的吸附動(dòng)力學(xué)研究∶持久性有機(jī)污染物論壇2011暨第六屆持久性有機(jī)污染物全國(guó)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].哈爾濱∶中國(guó)化學(xué)會(huì),2011∶190-191.

10.3969/j.issn.1007-550X.2017.09.005

TQ340.9

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1007-550X（2017）09-0051-04

2017-04-26

黃錦鋒（1985-），男，福建泉州人，碩士，主要從事主要從事紡織新材料的研究與開發(fā)；Email：jinfeng329@163.com