謝長軍 于 海 孫雙躍 陳 雨 穆 瑩 李 博 侯永江

1. 河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,河北 石家莊 050018;2. 河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院,河北 石家莊 050037

印染行業(yè)的發(fā)展與我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展息息相關(guān),是我國重要的民生產(chǎn)業(yè)。文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),印染行業(yè)的加工對象主要還是棉織物。但是,傳統(tǒng)的印染方式會消耗大量的原材料和電能,排放大量的污染物和廢水,同時(shí)工藝技術(shù)相對落后,效益增收不明顯。單一的末端治理技術(shù)已經(jīng)無法滿足印染行業(yè)在經(jīng)濟(jì)效益和能源利用率上的要求,在印染行業(yè)實(shí)施全過程的清潔生產(chǎn)非常重要。世界對印染行業(yè)節(jié)能、降耗、減排、綠色、安全的要求越來越高,綠色印染已成為未來全球印染行業(yè)的主流[1]。因此,印染企業(yè)必須改進(jìn)工藝,降低成本壓力。根據(jù)清潔生產(chǎn)思想,本文從棉印染企業(yè)的生產(chǎn)流程角度考慮,對每個(gè)工序的耗水、耗能進(jìn)行分析,并針對每個(gè)工序的耗水、耗能特點(diǎn),提出合理化的清潔生產(chǎn)技術(shù),包括清潔的原材料和節(jié)水、節(jié)能、降耗技術(shù)。

1 棉織物生產(chǎn)工藝介紹

棉纖維被廣泛用作服裝和家用紡織品等產(chǎn)品的原材料。通常情況下,在棉織物的加工過程中必須在前處理階段去除天然雜質(zhì),在退漿階段去除漿料,如此后期的印染加工質(zhì)量才能更好[2]。棉織物生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 棉織物生產(chǎn)工藝流程Fig. 1 Cotton fabric production process

棉織物生產(chǎn)中的主要環(huán)節(jié)有原布準(zhǔn)備、燒毛、退漿、煮練、漂白、絲光、染色、印花和后整理。其中,染色和印花過程最為重要。染色就是在一定的溫度、時(shí)間和染色助劑條件下,通過染料與纖維的物理化學(xué)反應(yīng),使纖維獲得顏色的工藝。為了使產(chǎn)品更為新穎和美觀,可根據(jù)需要進(jìn)行印花處理。

2 棉織物印染清潔生產(chǎn)技術(shù)

棉織物的印染清潔生產(chǎn)過程可根據(jù)棉織物的生產(chǎn)步驟進(jìn)行調(diào)整,每個(gè)步驟可分別從原料、漿料或助劑的環(huán)保性,以及節(jié)水、節(jié)能、降耗工藝等方面考慮實(shí)施清潔生產(chǎn)。

2.1 前處理過程中的清潔生產(chǎn)技術(shù)

前處理過程是指染色、印花前的處理工藝,一般包括原布準(zhǔn)備、燒毛、退漿、煮練、漂白、絲光等環(huán)節(jié)。其中主要的耗水工藝為退漿、煮練、漂白和絲光。退漿過程耗水量較小(約為15%),但污染物排放量巨大,約占總污染物排放量的50%,廢水中的化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)都很高;煮練過程產(chǎn)生大量廢水,pH大于12,COD和BOD含量高,污染程度較輕,主要含有纖維素、活性劑和油脂等雜質(zhì);漂白過程也會產(chǎn)生大量廢水,污染程度較輕,pH在11～12,污染物主要為漂白劑、草酸和醋酸等;絲光過程產(chǎn)生的廢水量較小,COD、BOD和懸浮物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%,中國目前多數(shù)印染廠通過蒸發(fā)濃縮來回收NaOH[3-4]。

整個(gè)前處理工藝在練漂車間完成,其耗水量約占總耗水量的40%,能耗為45%～50%,熱能消耗為30%～45%[5]。廢氣主要由燒毛機(jī)排放的燃油廢氣組成,污染濃度較低,可直接排放。整體而言,前處理過程主要從環(huán)保原材料、節(jié)水節(jié)能技術(shù)等方面考慮清潔生產(chǎn)技術(shù)。

2.1.1 前處理過程中環(huán)保染料的推廣及改性技術(shù)

目前,聚乙烯醇(PVA)漿料的危害性日益顯現(xiàn)。東華大學(xué)、江南大學(xué)及西安工程大學(xué)等紡織院校聯(lián)合研究了在生產(chǎn)過程中使用不含聚乙烯醇(PVA)的漿料的可能性[6]。羅建紅等[7]以玉米、小麥、馬鈴薯和木薯等淀粉為原料制備了接枝淀粉,其可取代60%～80%的PVA漿料,是開發(fā)變性淀粉類漿料的重點(diǎn)研究方向。范雪榮等[8]詳細(xì)研究了PVA降解酶的作用機(jī)制,為我國紡織行業(yè)的清潔生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

與合成著色劑相比,天然染料被認(rèn)為對環(huán)境更為安全,并且染色過程中產(chǎn)生的有害廢水更少。但是天然染料對紡織纖維的親和力較低。為提高天然染料對紡織纖維的染色性能,研究者們開發(fā)了幾種表面改性和本體改性技術(shù)。等離子體處理是表面改性技術(shù)中的一種新興工藝。Kan等[9]研究發(fā)現(xiàn),有一種等離子體處理技術(shù)能夠高效去除棉織物表面的漿料和蠟,提高織物的潤濕性。這不僅有助于跳過練漂和漂白工序,還能提高后續(xù)染色工藝的效果。

2.1.2 前處理過程中的節(jié)水節(jié)能技術(shù)

陳立秋[10]研究發(fā)現(xiàn),使用冷軋堆傳統(tǒng)一步法技術(shù)可以省去退、煮、漂三步法中的部分工序,縮短工藝流程,能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)省約51.28%的用水、約38.46%的用汽、約55.56%的用電,該一步法技術(shù)是早期較為流行的清潔生產(chǎn)技術(shù)。張文義等[11]研究發(fā)現(xiàn),某棉布印染公司將傳統(tǒng)的前處理技術(shù)改用成冷軋堆前處理技術(shù)后,每噸布料可節(jié)省約75%的用水、約80%的用汽、約80%的用電,染色效率可提高30%,年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)26.8萬元。在針對精練、漂白、染色過程中的清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究中,周律等[12]開發(fā)設(shè)計(jì)了節(jié)能型平幅連續(xù)式棉針織生態(tài)染整前處理生產(chǎn)線,可代替間歇式生產(chǎn)工藝;統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,此生產(chǎn)工藝可節(jié)水50%～70%、減排50%以上,此外,可節(jié)省10%～20%的染料、15%～20%的能耗、50%～70%的助劑。

2.1.3 前處理過程節(jié)能設(shè)備

在前處理過程中,為實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn),可以考慮使用清潔環(huán)保的原材料,也可對原有的原材料進(jìn)行改性。當(dāng)然,設(shè)備的使用也是至關(guān)重要的,特別是燒毛機(jī)設(shè)備的使用。較為新穎的清潔生產(chǎn)設(shè)備可節(jié)省大量的能耗,例如,王守國[13]發(fā)明了一種等離子體燒毛機(jī),用等離子體束代替燒毛時(shí)的火焰對原材料進(jìn)行處理,既節(jié)能又環(huán)保。

2.2 染色過程中的清潔生產(chǎn)技術(shù)

染色過程是前處理后的第一道工序,包括軋染、固色、水洗和烘燥等工序。染色過程中耗水量非常大,約占耗水總量的60%,并且廢水的水質(zhì)會隨所使用的染料的變化而變化,總體來說,染色過程中產(chǎn)生的廢水pH值低,COD和BOD含量高,重金屬離子濃度高,且含有大量的染料分子和微纖維[14]。

2.2.1 染色過程中環(huán)保染料的使用

在染色過程中,為提高織物的色牢度,一般會使用含重金屬離子的染色劑。這使得染色廢水中的重金屬離子濃度高,因此亟需尋求一種高效、無污染的綠色環(huán)保染劑,以降低印染廢水中的重金屬離子濃度。Zhang等[15]使用羥丙甲纖維素(HPMC)開發(fā)了一種不含有機(jī)溶劑的染料墨水,并將HPMC/染料墨水的可印刷性與二甘醇(DEG)/染料墨水和商業(yè)墨水進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的HPMC即可形成均一穩(wěn)定的染料液滴,同等情況下,DEG則需要添加50%;由于HPMC/染料墨水向織物背面擴(kuò)散的較少,HPMC/染料墨水打印的圖案呈現(xiàn)出比DEG/染料墨水和商業(yè)墨水更深的顏色。夏建明[16]利用天然植物——龍膠、蘆薈等制備了一種ZF固色劑(無醛固色劑),該固色劑不僅通過了有害物質(zhì)指標(biāo)的檢測,而且能將皂洗牢度提高1～2級。Rosyida等[17]以含10%檸檬酸、乙醇和芒果皮的廢料為原料制備了一種新型媒染劑,研究結(jié)果顯示,其染色效果絕佳,不會對人體健康或環(huán)境造成任何不良影響。陳榮圻[18]對目前行業(yè)使用的清潔染料進(jìn)行了總結(jié)概括,涉及α-烯基磺酸鈉鹽(AOS)、烷基二苯醚和二磺酸鹽(ADPEDS)、脂肪酸甲酯α-磺酸鈉(MES)、脂肪醇聚氧乙烯羧酸鹽(AEC)、Gemini表面活性劑的開發(fā)與應(yīng)用,并且詳細(xì)分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。Qin等[19]使用2種具有不同結(jié)構(gòu)的紅色活性染料(活性紅218,活性紅24:1)制備活性染料溶液,并對其表面張力、流變性質(zhì)、可見吸收光譜等進(jìn)行研究,結(jié)果顯示,染料具有較強(qiáng)的疏水性,需要的有機(jī)溶劑較少,并且在織物上的液滴分布面積較小,表明具有較高的印刷分辨率。

2.2.2 染色過程中節(jié)水節(jié)能技術(shù)

推動環(huán)保助劑的使用只是實(shí)現(xiàn)染色過程清潔生產(chǎn)的一小部分,最主要的還是采用新技術(shù)節(jié)水節(jié)能。蕭振林等[20]介紹了一種高溫高壓紗線染色機(jī)超低浴比技術(shù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,單位質(zhì)量的紗線染色時(shí)可節(jié)省約42.49%的電,節(jié)省約70.66%的汽,年產(chǎn)量增加6萬～9萬t,成本下降11.64億元。某紡織企業(yè)引進(jìn)了15臺小浴比染色機(jī),可節(jié)水2.5萬t/a,節(jié)汽1 890 t/a,節(jié)約助劑約1.8 t/a,節(jié)省資金約60萬元/a[21]。除清潔生產(chǎn)技術(shù)需要推廣之外,機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)也至關(guān)重要。黃貴新[22]綜述了YHT高溫氣流染色機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn),并將其與傳統(tǒng)的溢流染色機(jī)進(jìn)行對比,結(jié)果顯示,印染工廠使用此技術(shù)后可節(jié)水約50%,節(jié)汽約40%,甚至還可節(jié)省30%左右的生產(chǎn)時(shí)間,能夠達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)效益。Emrah等[23]采用逆流清洗技術(shù)和自動截止閥等簡單措施,使紡織工業(yè)連續(xù)染色工藝節(jié)水20%～50%;此外,通過更好的工藝控制,可進(jìn)一步降低20%的用水量。Abdul等[24]使用了加壓空氣與少量水的混合物將染料和化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到衣服表面,與傳統(tǒng)的不加壓空氣與少量水混合物相比,可節(jié)約能量47%?？傮w而言,國內(nèi)在染色過程中涉及的清潔生產(chǎn)技術(shù)方面還是比較先進(jìn)的。投資成本低、收益明顯是其最基本的特點(diǎn),符合國內(nèi)的投資標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 印花過程中的清潔生產(chǎn)技術(shù)

棉紡織印染工藝包括印花、烘干和焙固等工序。印花過程中產(chǎn)生的廢水主要是含有染料的水洗廢水,約占整個(gè)工序耗水量的12%,耗能的47%。使用清潔的紡織顏料是一種環(huán)保、可持續(xù)的清潔生產(chǎn)技術(shù),具有節(jié)水、節(jié)能、減少污染等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.1 印花過程中染料的使用

基于傳統(tǒng)顏料制得的印花織物存在手感僵硬、濕摩擦牢度差等缺點(diǎn),傳統(tǒng)顏料在工業(yè)上的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。為提高顏料的印刷性能,Wang等[25]探索了一種通過有機(jī)硅和丙烯酸單體的一步微乳液共聚制備含有有機(jī)硅的雜化顏料膠乳的新方法,與對照印刷體系(不含硅膠)相比,該含硅印刷體系不僅表現(xiàn)出優(yōu)秀的色強(qiáng)度,而且色牢度和手感都有所提高。Zhang等[26]用聚乙二醇400代替尿素作為添加劑,用于棉織物的無尿素印花,所得印花織物具有較高的固色率以及良好的牢度性能;聚乙二醇400由于具有低成本和環(huán)保等特征優(yōu)勢,在活性染料的棉織物印花過程中可替代尿素。然而,國內(nèi)尚未對印花過程的添加劑進(jìn)行分類總結(jié),學(xué)者對其研究則更少。

2.3.2 印花過程中節(jié)水節(jié)能技術(shù)

國內(nèi)學(xué)者對印花過程中的數(shù)碼印花清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究頗為深入。田志榮[27]開發(fā)了一種無水涂料噴墨數(shù)碼印花技術(shù),該技術(shù)與傳統(tǒng)印花技術(shù)相比可節(jié)約60%左右的染料,廢水回收率高達(dá)96%,節(jié)約能耗約75%。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比,數(shù)碼噴印節(jié)水技術(shù)可節(jié)約40%～50%的用水[28]。Wang等[29]開發(fā)了一種噴墨印花棉織物清潔生產(chǎn)工藝,這項(xiàng)新的印花方法可使印花棉織物的K/S值、固色率、油墨透性和色牢度分別提高2.44%、15.79%、493.47%和25.00%。該工藝可以避免噴墨印花過程中對尿素的使用,具有環(huán)保清潔的特點(diǎn);此外,預(yù)處理后不需要二次干燥,蒸后不需要二次清洗,生產(chǎn)效率高,能耗低。

目前,數(shù)碼印花技術(shù)在節(jié)能和環(huán)保方面已得到明顯改善,但是該技術(shù)耗材成本較高,工藝技術(shù)仍需改進(jìn)。馮麗麗等[30]研究發(fā)現(xiàn),采用RCT數(shù)碼涂料印花工藝對棉織物進(jìn)行印花處理時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)數(shù)碼涂料印花工藝。此外,電子照相印花工藝和涂料印花工藝等其他綠色印花工藝也在高速發(fā)展中。

印花過程中的清潔生產(chǎn)關(guān)鍵在于工藝技術(shù)的開發(fā),染料和染料廢水的重復(fù)使用是未來需要著重考慮的研究方向之一。

2.4 后整理過程清潔生產(chǎn)

后整理過程是整個(gè)棉紡織印染工序的最后一道工序,包括拉幅、定型和預(yù)縮過程。整理廢水水量較少,水質(zhì)較為簡單,可直接排放到污水處理站。在整個(gè)后處理過程中,耗水量約為12%,耗能約為36%[31]。后整理過程清潔生產(chǎn)的重點(diǎn)在于使用高效的整理劑和物理機(jī)械整理工藝[32]。隨著印染行業(yè)的不斷發(fā)展,近年來后整理清潔生產(chǎn)工藝技術(shù)和設(shè)備的研究已展現(xiàn)在大眾面前。賀婕等[33]介紹了一種ReactEVO?后處理工藝,改進(jìn)此工藝后發(fā)現(xiàn),其可節(jié)省約50%的用水、約40%的能耗、約30%的用電,生產(chǎn)出的紡織品可通過質(zhì)量檢測,且符合一等品的質(zhì)量要求。該技術(shù)符合如今提倡的低碳環(huán)保理念,但是該技術(shù)的應(yīng)用范圍較小,運(yùn)行成本比較高,不太適合小型紡織印染企業(yè)。為使后整理清潔生產(chǎn)技術(shù)得到有效推廣,陳楠[34]根據(jù)工信部制定發(fā)布的《印染行業(yè)綠色發(fā)展技術(shù)指南(2019版)》,對后整理過程清潔生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)概括,其中無氟防水整理、水基(性)聚氨酯涂層整理、機(jī)械柔軟整理、泡沫整理、中壓蒸汽定型等技術(shù)使用最為廣泛,泡沫整理技術(shù)相比浸軋工藝可節(jié)省約50%的用水、約40%的能耗、約30%的染料和助劑。

縱觀國內(nèi)外后整理清潔生產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)歷程,至今無人將后整理清潔生產(chǎn)技術(shù)與智能化聯(lián)系在一起。智能化后整理設(shè)備的研發(fā)將會成為未來幾年甚至幾十年的研究重點(diǎn)。當(dāng)然前人所研究的清潔整理劑與簡單的機(jī)械整理工藝也需要深入研究改進(jìn)。

2.5 通用清潔生產(chǎn)技術(shù)

2.5.1 余熱利用清潔生產(chǎn)技術(shù)

在棉織物的印染加工過程中,煮練、漂白、染色和皂洗工序在高溫條件下進(jìn)行,產(chǎn)生的廢水溫度較高,可將其經(jīng)過熱交換器后達(dá)到熱量回收的目的。張文義等[11]介紹了一種安裝了熱交換器的高溫高壓染布機(jī),從而達(dá)到了余熱回收的目的,并將此儀器應(yīng)用于某裝飾布染色公司,結(jié)果顯示,每年可回收水70 000 t,節(jié)約39.6萬元水費(fèi),節(jié)約20.3萬m3天然氣,節(jié)約費(fèi)用約67萬元。

2.5.2 設(shè)備清潔生產(chǎn)技術(shù)

2010年,江蘇常州市君虹染整有限公司和東華大學(xué)共同研發(fā)了首臺冷軋堆染紗設(shè)備,與現(xiàn)有設(shè)備相比,該設(shè)備可節(jié)省90%的用水[35]。李閩等[36]在吳江地區(qū)印染企業(yè)的烘干機(jī)、水泵、磨毛機(jī)和定型機(jī)等設(shè)備上安裝了變頻裝置,統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示可節(jié)省10%的熱量和25%的電能,節(jié)能效果比較明顯;此外,在鍋爐上加裝了鍋爐分層燃燒裝置,結(jié)果顯示該做法可提高燃燒效率,且耗煤量可減少20～80 t/a。針對安裝保溫裝置的節(jié)能效果和氣體余熱回收利用的研究也在不斷更新中。

2.5.3 廢水綜合利用清潔生產(chǎn)技術(shù)

葉運(yùn)弟[37]采用超濾+反滲透(UF+RO)工藝對印染廢水進(jìn)行處理,此工藝主要采用二級生化處理技術(shù)、臭氧氧化技術(shù)和膜組合技術(shù)來達(dá)到中水回收利用的目的,并將其運(yùn)用到廣東省某工業(yè)園區(qū);結(jié)果顯示,中水回用率高達(dá)80%以上,并且中水回用水質(zhì)滿足SL 368—2006《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,表明該技術(shù)是一種值得大力推廣的廢水綜合利用清潔生產(chǎn)技術(shù)。劉曉蕓等[38]介紹了一種印染廢水再生循環(huán)系統(tǒng),并分析了污水站2019年4月1日—30日再生水處理產(chǎn)水量的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)年節(jié)約35%～55%的用水,能耗費(fèi)用節(jié)約達(dá)100萬元。Ozturk[39]將廢水綜合利用技術(shù)運(yùn)用到某紡織企業(yè)中,研究結(jié)果顯示,通過回用燒毛機(jī)冷卻水、后中和洗滌廢水、精練洗滌廢水、絲光洗滌廢水和堿回收裝置蒸汽冷凝液,總用水量減少13.8%～25.6%,廢水量減少18.2%～32.9%,復(fù)合廢水的COD負(fù)荷減少15.9%～35.7%。該研究對其他紡織企業(yè)提高用水效率具有啟發(fā)意義。

3 結(jié)語

印染行業(yè)以前的發(fā)展模式是實(shí)行末端治理手段,這雖然可以使污染物的排放達(dá)標(biāo),但是企業(yè)的環(huán)保成本巨大,資源化利用效率低,并且生產(chǎn)成本也非常高,經(jīng)濟(jì)收益不明顯,始終不是長久發(fā)展之計(jì)。棉織物印染行業(yè)采用清潔生產(chǎn)技術(shù)是一個(gè)重要發(fā)展方向,而計(jì)算機(jī)與紡織印染行業(yè)的結(jié)合將是未來學(xué)者研究的重點(diǎn)。

本文主要從棉印染行業(yè)工藝生產(chǎn)流程考慮,根據(jù)各階段的廢水、廢氣、能耗、水耗等特點(diǎn)合理提供節(jié)水、節(jié)能清潔生產(chǎn)技術(shù)。前處理階段應(yīng)從環(huán)保原材料和燒毛設(shè)備及生產(chǎn)工藝技術(shù)角度考慮如何實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn);染色階段實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)染色劑和染色工藝的改進(jìn)至關(guān)重要;印花階段清潔生產(chǎn)的研究主要體現(xiàn)在噴墨技術(shù)的研發(fā)利用上;后整理階段的清潔生產(chǎn)定型設(shè)備和后整理技術(shù)是關(guān)鍵。

當(dāng)然還有一些通用技術(shù)也比較適合印染過程的清潔生產(chǎn),例如:對于煮練、漂白、染色等溫度較高的廢水,可以采用余熱利用清潔生產(chǎn)技術(shù);對印染過程產(chǎn)生的廢水,可以采用新型的工藝達(dá)到廢水循環(huán)使用的目的;對設(shè)備進(jìn)行變頻控制也能達(dá)到清潔生產(chǎn)的效果。

棉織物印染過程清潔生產(chǎn)需要進(jìn)一步研究減少能耗、水耗及污染物排放的技術(shù),污染物的無害化處理以及廢棄物資源化的綜合利用將是研究者未來的重點(diǎn)研究方向。與此同時(shí),對于印染過程新設(shè)備和新工藝的研發(fā)也不能停下腳步。