以坡缕石土作吸附剂回收染色残液中的芳纶载体

曹 雨，蒋 学，李大卫，周 伟，田 科，王树根

(江南大学 纺织服装学院 生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

0 引言

芳纶纤维是一种高强度、高模量、低密度和耐磨性好的有机合成的高性能纤维，具有优良的力学性能，机械性能和稳定的化学性能[1]。 常见的商品化芳纶纤维有对位芳纶和间位芳纶，其中对位芳纶具有优良的可纺性，耐热性和阻燃性，可以直接织成具有良好耐热性和阻燃性的各种机织物、针织物和非织造布[2]。 为了扩大芳纶纤维的服用范围，这就对纤维的颜色和可染性提出较高的要求[3]。 适用于芳纶染色的染料有分散染料和阳离子染料，其中分散染料得湿牢度不佳，色彩鲜艳度差，所以芳纶纤维首选阳离子染料染色[4]。 由于芳纶纤维具有较高的玻璃化转变温度，所以一般在采用高温高压染色法的同时要在染色配方中加入载体导染。载体是小分子有机物，通过载体增塑的作用，可以使得纤维玻璃化转变温度降低，在同样染色温度下可以使染料更容易上染纤维[5]。

芳纶染色载体价格较高，用量较大，染色后大量的载体留在染色残液中，如果将残液直接排入污水系统处理，这不仅造成资源的浪费，还加大了污水处理的难度。 目前常见的处理染料污水的方法有化学氧化法，微生物法，物理吸附法等[6]，化学氧化法成本高，产物不易回收，微生物法对污水条件要求较高，而物理吸附法应用范围较广，处理效果也较好，能够达到回收载体的目的。 坡缕石土是一种常见的矿物吸附剂，可以用于废水中染料的脱色，有人[7]利用坡缕石土对亚甲基蓝进行吸附得到了较满意的吸附效果，进一步探究[8]发现坡缕石土对阳离子染料有明显的吸附作用，吸附机理一方面是内部孔道模型作用，另一方面由于坡缕石土的特殊结构——在晶体结构中存在集中负电荷，坡缕石土对阳离子染料分子的吸附就是以颗粒的外表面吸附为主，作用力是正负电荷之间的静电引力。

本文利用坡缕石土吸附芳纶染色残液中的阳离子染料，对残液脱色，探究残液的脱色工艺，目的是实现芳纶载体的回收与重复利用。

1 实验部分

1.1 试验材料

LEVEGAL®C 55(工业用，拓纳贸易(上海)有限公司)，阳离子红X-GRL ，阳离子兰X-GRL 阳离子黄X-8GL(工业用，浙江龙盛染料化工有限公司)，氯化钠，冰醋酸，正己烷，丙酮(均分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，坡缕石土200 目(山东优索化工科技有限公司)，间位芳纶短纤维(长51mm)。

1.2 试验仪器和设备

UV-260 型紫外可见分光光度仪，AHIBAIR 型高温高压染色机，Datacolor 650 型测色配色仪(均来自美国Datacolor 公司)，NICOLET.is10NICOLETis10型傅里叶红外光谱仪(赛默飞世尔科技有限公司)，101A-1B 电热鼓风干燥箱(上海安亭科学仪器有限公司)，SHB-ШS 循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)

1.3 染色工艺处方及工艺曲线

表1 染化料用量与条件

图1 染色工艺曲线

1.4 试验方法

1.4.1 分离粗制载体

含阳离子染料兰X-GRL 的废水1L，静置一段时间后至液相稳定，观察两相的分层现象，记录完全分层时间并分离载体有机相，得到粗制载体。

1.4.2 精制回收载体

(1)吸附饱和值与吸附率实验

以1.00g 坡缕石土为吸附剂基准，(坡缕石土放在60℃的烘箱中烘72h 左右)分别用三色染料(阳离子红X-GRL、阳离子黄X-GRL、阳离子兰X-8GL，配制染料浓度梯度，分别取染料0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0、45、0.50、0.55(单位g)，加入去离子水制成500mL 染液。 加入1.00g的坡缕石土，室温下充分搅拌2h，过滤。 配制标准液阳离子红X-GRL0.0560g/L；阳离子黄X -8GL0.032g/L；阳离子兰X-GRL0.660g/L 以标准液为基准，分别测试吸光度，得到吸附饱和值，并测量对应的染料吸附率。

(2)水对吸附效果影响实验

取50mL 分离后载体两份，一份加入200mL 体积水，另一份不加，各加入坡缕石土0.2g，充分搅拌后过滤，比较两种方式下坡缕石土对染料吸附率。

(3)吸附剂加入方式实验

配制染液和载体的混合液，将吸附饱和值与吸附率实验中的三种标准液稀释至1/5 浓度作为加入的染液，选择合适的比例，实验按照50mL 载体和200mL 的染液进行混合充分搅拌2h，至颜色深度不再变化。 用阳离子红X-GRL 脱色实验比较吸附剂加入方式对回收效果的影响，用0.20g 吸附剂， A 组为一次全部加入，搅拌1h 后过滤除去一半质量吸附剂后继续吸附，再经过1h 后过滤得到载体与水混合物；B 组先加0.10g 吸附剂搅拌1h，过滤除去吸附剂，再投0.1g 吸附剂搅拌1h 再过滤。 根据剩余的染料浓度，比较两种加入方式对染料的脱除效果的影响。

(4)载体脱色精制实验

分两次坡缕石土，用阳离子红X-GRL、阳离子黄X-8GL、阳离子兰X-GRL 标准液和载体等模拟废液进行脱色实验，都按照50mL 无色回收载体和200mL 染液进行脱色测试，充分搅拌2h，计算染料的吸附率。

1.5 测试方法

1.5.1 吸附率测试

利用紫外分光光度计测试染液的吸光度，并根据朗伯比尔定律计算染液在脱色前后染料浓度的变化，计算对染料的吸附率。

1.5.2 载体含水率测试

将载体LEVEGAL®C55 和去离子水分别按体积比1 ∶9，2 ∶8，3 ∶7，4 ∶6，5 ∶5的比例进行混合，1 ∶9时纯载体体积为10.0mL，序号为1～5，在模拟高温染色条件下处理，冷却后静置24h，用量筒记录载体体积的变化，计算粗制回收载体的回收率。 制备足够的无色含水载体备用。

1.5.3 结构测试

将脱色回收的载体回收后，取少量用红外光谱仪测试回收载体的光谱，测试范围4000cm-1～500cm-1分别测纯载体、三种染料脱色后回收载体，比较它们的结构变化。

1.5.4 上染率测试

以回收的载体，阳离子兰X-GRL 为测试对象，做染色实验，以2.0g 间位芳纶为上染纤维，浴比为1：50，分别测试纯载体、含水的无色载体、精制回收载体、不加载体的染色性能。 按处方对芳纶进行染色，分别测试染色后上染率，比较染色纤维的色差，评定效果。

2 结果与讨论

2.1 分离粗制载体

将废水静置，等待水相和载体相完全分层，观察记录分层情况。

表2 废液随时间分层情况

由表2 可知，大约24h 后水相可以完全清澈下来，载体相与水相基本完成分层。 根据载体LEVEGAL®C55 使用说明书可知载体溶解度为2.4975g/L，密度为1.06g/cm3，载体相在下层，水相在上层。 将下层载体相分离出来，最终1L 废水得到粗制载体39mL。 而根据染色配方，载体40g，对应体积为37.7mL，所以回收得到粗制载体体积比初始体积有所增大。

2.2 精制回收载体

2.2.1 吸附饱和值与吸附率

经测定阳离子红X-GRL、阳离子黄X-8GL、阳离子兰X -GRL 最大吸收波长(nm) 分别是531.50、411.50、608.00。 而坡缕石土吸附对投入染料的吸附量如下图2 所示，该坡缕石土对三种染料的吸附能力图2(图中阳红、阳黄、阳兰分别对应阳离子红X-GRL、阳离子黄X-8GL、阳离子兰XGRL)：

图2 坡缕石土对不同染料的吸附量

由图2 可知，随着投入染料量的增加，坡缕石土吸附量也不断增加，但增量逐渐变小，最后趋于平稳，说明加入的坡缕石土已经达到吸附饱和值。图中部分不符合曲线趋势的点，这可能是加入的染料量较多，在稀释测量浓度时出现误差。 而对于不同的染料，坡缕石的吸附能力也并不相同，对阳离子红X-GRL 和阳离子兰X-GRL 的单位吸附量明显大于阳离子黄X-8GL 的单位吸附量，这可能是阳离子黄X-8GL 的染料结构与坡缕石土吸附剂结构不匹配，也可能是染料的正电荷性较弱，导致吸附效果较差。

从图中发现坡缕石土在吸附染料的过程中存在一个明显的吸附饱和值，坡缕石土对阳离子红X-GRL、阳离子黄X-8GL、阳离子兰X-GRL 的吸附饱和值约0.320、0.175、0.305(g 染料/g 坡缕石土)。

图3 坡缕石土对不同投入量染料的吸附率

由图3 可知，当染料与坡缕石土质量比控制在0.15 以内时，坡缕石土对染料的吸附率均可以达到95%以上；质量比控制在0.1 以内时，对染料的吸附率能达到99%，能够除去绝大多数染料。 坡缕石土对三种染料都有较好的吸附效果。

2.2.2 水对吸附效果影响

经测试，在加入坡缕石土对阳离子染料进行吸附时，如果没有水存在，坡缕石土对阳离子染料几乎没有吸附能力，染料吸附率很低；有水存在下，才能有效地将染料吸附，吸附率也比较高。 这也说明坡缕石土对阳离子染料的吸附主要是在染料溶于水后才起作用，吸附作用很大程度上靠的是坡缕石与阳离子染料之间电荷作用而非孔道作用。

2.2.3 吸附剂加入方式影响

A、B 组都是无色载体50mL，染液0.0112g/L阳离子红X-GRL200mL，染料量各2.24×10-3g，其中A 组吸附剂0.20g 一次加入；B 组平均两次(即0.1g＋0.1g)加入，滤纸抽滤。

表3 吸附剂加入方式的吸附效果

由表3 可以知，分两次加入吸附剂效果好于一次全部投入进行吸附。 由于坡缕石土会与载体形成一种粘稠的糊状物，载体包裹在坡缕石土表面，阻碍阳离子染料和坡缕石土间的静电作用，影响吸附效果。

2.2.4 载体脱色精制

表4 含不同染料的载体回收情况

由表4 可知，坡缕石土对废液中阳离子染料确实有非常明显的吸附效果，对于阳离子红X-GRL和阳离子兰X-GRL 的吸附率均可以达到98%以上，比理论吸附率要低一些，这可能是因为废液中载体会和坡缕石土形成粘稠的糊状物，影响对阳离子染料的吸附。

以40g/L 的载体配方为例，考虑载体溶解损耗和吸附处理过程中的损耗， 回收载体产率为88.8%。

2.3 回收载体性能测试

2.3.1 回收载体的含水率

废水中载体经过静止24h 左右后，基本完成分层过程，经过分液后将载体相分离出来，对得到载体相体积进行测量，可以得到如下数据，见表5。

表5 载体与水混合加热后体积变化

20℃下，10mL、20mL、30mL、40mL 纯载体与水充分混合后，体积增大约5%， 即1L 纯载体加入染色后体积会变为1.05L。 经推算，含水载体中含纯载体质量百分比为89.9%，含水率10.1%。 即1kg含水载体相当于0.899kg 纯载体，根据混合物密度公式求得20℃时含水载体密度由1.06g/cm3变为1.053 g/cm3。

2.3.2 结构性能

载体LEVEGAL®C 55 成分为芳基醚，经过红外光谱测试，吸附脱色后回收载体的结构如下图4所示。

图4 吸附脱色载体红外光谱图

从图4 中可知，含纯载体，含阳红，含阳黄，含阳兰分别表示含纯载体，含阳离子红X-GRL 的、阳离子黄X-8GL、阳离子兰X-GRL 的吸附脱色的回收载体，回收载体的染料残留量很少，不影响载体结构吸收峰的对比。 与纯载体相比，在回收载体中纯载体结构中的吸收峰均保留下来，回收载体完整地保持了原有的结构，说明经过坡缕石土吸附后并没改变其化学结构，说明坡缕石土堆染料的吸附确实是物理作用而非化学作用。

2.3.3 上染性能

20℃下含水载体密度为1.053g/cm3，含水载体中含纯载体质量比为89.9%，纯载体质量为4g，同样载体含量的含水载体质量为4.45g，按染料1% owf 投入量对间位芳纶染色，染色结果见表6。

表6 阳离子兰X-GRL(1%owf)上染效果

从表6 可知，回收后的载体含有一定量的水，再次投入染色时需要按纯载体质量进行换算，才能保证染色效果的稳定。 样3 作为空白对照组，不加载体染料上染率低，色差大，证明载体在芳纶染色中起到了明显的促进作用。 样1，样2 表明保证载体用量相同的情况下，阳离子兰X-GRL 的染色效果很好，上染率能够达到98%，且能够将色差控制在1 以内，符合染色要求。 染色结果表明经坡缕石土吸附脱色后的载体可以再次染色具有与原纯载体接近的促进染色的效果。

3 结 论

(1)坡缕石土可以对阳离子染料有显著的吸附效果，坡缕石土对阳离子红X-GRL、阳离子黄X-8GL、阳离子兰X-GRL 的吸附饱和值约为0.320、0.175、0.305(g 染料/g 坡缕石土)。 而将染料和坡缕石土质量比控制在0.1 以内时，对染料的吸附率能够达到99%，能够吸附除去绝大多数染料。

(2) 回收载体纯载体含量89.9%，含水率10.1%，载体的回收率约为88.8%。

(3)回收载体原有结构得到保持，再次进行染色也能保持良好的染色效果，上染率与纯载体接近，色差CMCΔE 能控制在1 以内。