黄锦锋

（福建宏远集团有限公司，福建 泉州 362000）

Lyocell纤维纺丝凝固浴离子交换树脂脱色研究

黄锦锋

（福建宏远集团有限公司，福建 泉州 362000）

文章研究了阴离子交换树脂对Lyocell纤维生产凝固浴色度的去除率，探讨了阴离子交换树脂用量和时间对Lyocell纤维生产凝固浴脱色率的影响，并从动力学角度探讨了吸附机理。研究表明阴离子交换树脂对Lyocell纤维生产凝固浴的吸附过程符合拟二级吸附速率方程，以物理吸附为主，拟合的模型为了解其吸附途径和吸附机理提供了依据。

离子交换树脂；凝固浴；吸附；动力学

1 引言

纤维素纤维作为一种丰富的天然高分子材料，具有量大价廉、可再生、再生周期短、可生物降解、环境友好等诸多优点[1-3]。然而，纤维素结构复杂、具有较高的结晶度、纤维素内部存在大量的结晶结构以及分子间与分子内氢键作用很强，破坏其氢键所需要的能量高于分子链断裂的能量，在熔融之前就会发生分解，因而无法通过熔融纺丝进行加工[4]。Lyocell纤维是20世纪80年代开发的一种新型纤维素纤维,其纺丝用纤维素浆粕的平均聚合度一般在600左右。由于Lyocell生产工艺克服了传统纤维素纤维生产工艺中存在的环境和能耗问题,因此，该工艺一经问世就得到了迅速发展。

Lyocell纤维是通过把纤维素浆粕直接溶解在N一甲基吗琳一N氧化物(NMMO)和水的混和溶剂中，不经过化学反应，进行干喷、湿纺而制得的一种新型纤维素纤维。该纤维集合成纤维与天然纤维的优点于一身，既具有天然纤维优良舒适的服用性能，又具有合成纤维高强度的优点[5]。

由于NMMO溶液价格昂贵，其回收率的高低直接决定着Lyocen纤维工业化的成败。本文在大量实验的基础上，研究了阴离子交换对Lyocell纤维纺丝凝固浴脱色动力学，有助于离子树脂脱色工艺的设计。

2 实验

2.1 实验仪器及药品

BM-2WAJ型阿贝折射仪；721E型分光光度计；HY-4调速多用振荡器；阴离子交换树脂X。

2.2 实验方法

2.2.1 阴离子交换树脂倍率

分别按阴离子树脂倍率为3、6、9、18、24、30、50、70加入到 Lyocell纤维生产凝固浴溶液，在室温下振荡120min后，取上清测定NMMO溶液的脱色率。

2.2.2 吸附时间

按树脂倍率为9倍的处理量加入到Lyocell纤维生产凝固浴溶液，在室温下分别震荡0、30、60、90、120、150、180、210min后，取上清测定NMMO溶液的脱色率。

2.3.1、NMMO脱色率的测定

分别取脱色前NMMO溶液和脱色后NMMO溶液，用721E型分光光度计测定其在450nm波长下的吸光度。按照式（1）计算脱色率

3 结果与讨论

3.1 凝固浴回收液处理量的影响

表3-1 阴离子交换树脂对凝固浴溶液的脱色效果

树脂处理倍率对NMMO溶液液脱色率的影响如表3-1所示。当树脂处理倍率较低时，脱色率较大，可达94%，随着处理倍率的增加，脱色效果逐渐减弱，因此阴离子树脂X具有像活性炭那样的表面吸附性能。从表3-1也可知阴离子树脂X具有很强的脱色作用，能作为回收液优良的脱色剂。

从表3-1中还可以看出：当凝固浴回收液的处理倍率较少时，树脂的交换值还没达到饱和，脱色率很好；当处理倍率为树脂体积的70倍左右时，其脱色率只有35.89%，树脂的脱色能力已经大大降低，此时的树脂已达到交换饱和，不通满足回收要求，须再生回用。

3.2 脱色动力学

3.2.1 脱色动力学曲线

图3-1 脱色时间对脱色率的影响

吸附动力学曲线是反映脱色率与吸附作用时间关系的曲线。当脱色率不再增加(在本实验中表现为吸光值A不再减少)时，认为吸附反应达到表观吸附平衡。树脂X的吸附动力学曲线见图3-1。

可以看出，脱色反应开始后，在初始的90min之内，随着脱色时间的增加，在开始阶段Lyocell纺丝凝固浴脱色率随时间的延长而增加，且增速较快，但90min后，脱色率增加缓慢，150min后，脱色率基本不再增加。鉴于此，可将Lyocell纺丝凝固浴中色素在阴离子交换树脂上的脱色过程分为快速脱色阶段、慢速脱色阶段和脱色平衡阶段。脱色反应开始的最初90min为快速脱色阶段，脱色率达到了表观平衡脱色率(180min时的脱色率)的93.3%，此阶段反应的推动力可能是固液两相中吸附质的浓度差以及吸附剂表面大量空余的吸附位点；90min至150min为慢速脱色阶段，脱色率占表观平衡脱色率的4.8%，此阶段固液两相中吸附质的浓度差逐渐缩小，吸附剂表面的吸附位点趋于饱和；150min至210min为脱色平衡阶段，瞬时脱色速率逐渐减小到零。

3.2.2 吸附动力学模型与吸附机理

采用Pseudo一级速率方程[6]、Pseudo二级速率方程[7]、Elovich动力学模型[8]、Weber&Morris颗粒内扩散模型对298K下Lyocell纺丝凝固浴在阴离子交换树脂X上的脱色过程进行描述。

3.2.2.1 吸附反应模型

Pseudo一级速率方程、Pseudo二级速率方程和Elovich动力学模型非线性拟合的各参数见表3-2。从表中各参数可以看出，Pseudo二级速率方程动力学模型和Elovich动力学模型对于描述lyocell纺丝凝固浴在阴离子交换树脂X上的脱色过程有较好的适用性，而Pseudo一级速率方程不适用于Lyocell纺丝凝固浴在阴离子交换树脂X上的脱色过程。从决定系数R2来看，相较于Pseudo一级速率方程和Elovich动力学模型，Pseudo二级速率方程的拟合度最佳(R2在0.99以上)；从误差分析角度，Pseudo二级速率方程的标准偏差SD小于Pseudo一级速率方程和Elovich动力学模型。所以，Pseudo二级速率方程能够更准确地描述Lyocell纺丝凝固浴在阴离子交换树脂X上的脱色过程。

3.2.2.2 吸附机理

吸附反应的速率是由吸附机理和反应限速步骤决定的。普遍认为树脂对于底物的吸附过程主要包括以下3步：

①吸附质穿过紧贴在树脂表面的边界层到达树脂表面，即液膜扩散；

②吸附质通过树脂外表面的微孔向其颗粒内部扩散，到达树脂内表面，即颗粒内扩散；

③吸附质在树脂内表面上的吸附位点被吸附，即发生吸附反应。一般情况下，第3步反应的速度非常快，所以液膜扩散或(和)颗粒内扩散是整个吸附反应的控制步骤[9]。

Weber&Morris颗粒内扩散模型是最常报道的用于揭示吸附反应机理的模型，其表达式如下：

图3-2 Weber&Morris颗粒内扩散模型图

4 结论

4.1 阴离子交换树脂X能去除凝固浴的部分悬浮物，并能对其脱色，脱色效果非常好，并能多次使用。

4.2 在处理倍率为9倍的条件下，阴离子交换树脂X对Lyocell纺丝凝固浴吸附脱色过程能够在较短的时间内达到平衡(150min)；并且Pseudo二级速率方程对该吸附过程的拟合度较高(R2在0.99上)。

表3-2 同动力学模型的非线性拟合参数和误差分析

4.3 Lyocell纺丝凝固浴中着色物质在阴离子交换树脂X上的吸附并非理想的均匀表面吸附，这可能跟阴离子交换树脂X的表面特性、Lyocell纺丝凝固浴中着色物质结构的复杂性以及溶剂体系中或许存在的多组分竞争吸附有关。

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

TQ340.9

A < class="emphasis_bold">文章编号：1

1007-550X（2017）09-0051-04

2017-04-26

黄锦锋（1985-），男，福建泉州人，硕士，主要从事主要从事纺织新材料的研究与开发；Email：jinfeng329@163.com