黃錦鋒

（福建宏遠集團有限公司，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

（福建宏遠集團有限公司，福建 泉州 362000）

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

離子交換樹脂；凝固?。晃?；動力學

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[1-3]。然而，纖維素結構復雜、具有較高的結晶度、纖維素內部存在大量的結晶結構以及分子間與分子內氫鍵作用很強，破壞其氫鍵所需要的能量高于分子鏈斷裂的能量，在熔融之前就會發(fā)生分解，因而無法通過熔融紡絲進行加工[4]。Lyocell纖維是20世紀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生產工藝克服了傳統(tǒng)纖維素纖維生產工藝中存在的環(huán)境和能耗問題,因此，該工藝一經(jīng)問世就得到了迅速發(fā)展。

Lyocell纖維是通過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)過化學反應，進行干噴、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度的優(yōu)點[5]。

由于NMMO溶液價格昂貴，其回收率的高低直接決定著Lyocen纖維工業(yè)化的成敗。本文在大量實驗的基礎上，研究了陰離子交換對Lyocell纖維紡絲凝固浴脫色動力學，有助于離子樹脂脫色工藝的設計。

2 實驗

2.1 實驗儀器及藥品

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

2.2 實驗方法

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纖維生產凝固浴溶液，在室溫下振蕩120min后，取上清測定NMMO溶液的脫色率。

2.2.2 吸附時間

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

2.3.1、NMMO脫色率的測定

分別取脫色前NMMO溶液和脫色后NMMO溶液，用721E型分光光度計測定其在450nm波長下的吸光度。按照式（1）計算脫色率

3 結果與討論

3.1 凝固浴回收液處理量的影響

表3-1 陰離子交換樹脂對凝固浴溶液的脫色效果

樹脂處理倍率對NMMO溶液液脫色率的影響如表3-1所示。當樹脂處理倍率較低時，脫色率較大，可達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：當凝固浴回收液的處理倍率較少時，樹脂的交換值還沒達到飽和，脫色率很好；當處理倍率為樹脂體積的70倍左右時，其脫色率只有35.89%，樹脂的脫色能力已經(jīng)大大降低，此時的樹脂已達到交換飽和，不通滿足回收要求，須再生回用。

3.2 脫色動力學

3.2.1 脫色動力學曲線

圖3-1 脫色時間對脫色率的影響

吸附動力學曲線是反映脫色率與吸附作用時間關系的曲線。當脫色率不再增加(在本實驗中表現(xiàn)為吸光值A不再減少)時，認為吸附反應達到表觀吸附平衡。樹脂X的吸附動力學曲線見圖3-1。

可以看出，脫色反應開始后，在初始的90min之內，隨著脫色時間的增加，在開始階段Lyocell紡絲凝固浴脫色率隨時間的延長而增加，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。脫色反應開始的最初90min為快速脫色階段，脫色率達到了表觀平衡脫色率(180min時的脫色率)的93.3%，此階段反應的推動力可能是固液兩相中吸附質的濃度差以及吸附劑表面大量空余的吸附位點；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的濃度差逐漸縮小，吸附劑表面的吸附位點趨于飽和；150min至210min為脫色平衡階段，瞬時脫色速率逐漸減小到零。

3.2.2 吸附動力學模型與吸附機理

采用Pseudo一級速率方程[6]、Pseudo二級速率方程[7]、Elovich動力學模型[8]、Weber&Morris顆粒內擴散模型對298K下Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過程進行描述。

3.2.2.1 吸附反應模型

Pseudo一級速率方程、Pseudo二級速率方程和Elovich動力學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二級速率方程動力學模型和Elovich動力學模型對于描述lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過程有較好的適用性，而Pseudo一級速率方程不適用于Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過程。從決定系數(shù)R2來看，相較于Pseudo一級速率方程和Elovich動力學模型，Pseudo二級速率方程的擬合度最佳(R2在0.99以上)；從誤差分析角度，Pseudo二級速率方程的標準偏差SD小于Pseudo一級速率方程和Elovich動力學模型。所以，Pseudo二級速率方程能夠更準確地描述Lyocell紡絲凝固浴在陰離子交換樹脂X上的脫色過程。

3.2.2.2 吸附機理

吸附反應的速率是由吸附機理和反應限速步驟決定的。普遍認為樹脂對于底物的吸附過程主要包括以下3步：

①吸附質穿過緊貼在樹脂表面的邊界層到達樹脂表面，即液膜擴散；

②吸附質通過樹脂外表面的微孔向其顆粒內部擴散，到達樹脂內表面，即顆粒內擴散；

③吸附質在樹脂內表面上的吸附位點被吸附，即發(fā)生吸附反應。一般情況下，第3步反應的速度非?？?，所以液膜擴散或(和)顆粒內擴散是整個吸附反應的控制步驟[9]。

Weber&Morris顆粒內擴散模型是最常報道的用于揭示吸附反應機理的模型，其表達式如下：

圖3-2 Weber&Morris顆粒內擴散模型圖

4 結論

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Lyocell紡絲凝固浴吸附脫色過程能夠在較短的時間內達到平衡(150min)；并且Pseudo二級速率方程對該吸附過程的擬合度較高(R2在0.99上)。

表3-2 同動力學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結構的復雜性以及溶劑體系中或許存在的多組分競爭吸附有關。

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

TQ340.9

A < class="emphasis_bold">文章編號：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