电化学还原染料方法 【技术领域】
本发明涉及一种染料的还原方法，更具体地说，涉及一种采用一个过滤网及多阴极模式设计的电解池进行还原染料的方法。
背景技术
在漂染工业中，通过对染料进行还原来提高染料的使用率是较为普遍的成熟技术，例如：靛蓝染料，因其具有独特的色泽及耐光性，而被广泛用于牛仔布的染色。但是又因其本身不溶于水，因此需事先进行还原，然后再进行染色过程，即通过还原剂将靛蓝还原成水溶性状态，然后再经过多次漂染并通过空气氧化定色的步骤才能完成。在传统工艺中，靛蓝染料的还原大多使用大量的化学还原剂，例如：保险粉(亚硫酸氢钠)等。然而使用化学还原剂不仅存在生产成本高，而且对废水处理的费用也极高等问题。
为此目前出现了电解还原靛蓝染料的方法，即通过电能代替还原剂把染料还原成水溶态，然后按照传统的步骤进行染色，如此可大大减少还原剂的用量及废水的排放，使总体生产成本降低。
但是目前利用的电解还原染料方法大多仅适用于实验室，其中包括有美国专利第US 3,953,307号中公开的直接加电保护减少还原剂受氧的消耗过程；Electrochimica Acta 47(2002)1989中公开的直接电化学还原过程；及在美国专利第US 5,244,549号中公开的通过中间体作为电子传递的过程。其中直接加电保护方法未能彻底解决代替添加地还原剂过程，而直接电化学还原过程，由于受到不溶还原染料对电极的接触效率影响，还原效率不够理想，不能真正应用于生产中。而利用中间体，例如：Fe(II)/(III)的络合物或一些氧化还原有机物，例如烟华石(蒽醌-1，5-二磺酸)作为电子传递的介质，可大大提高还原效率。中间体的选用一般要求是一种在碱性介质的可逆氧化还原的水溶性物质，并且还原电位在-500mV以上。该过程是中间体在还原态时，可把染料还原而本身变为氧化态的中间体再通过电解池的阴极再生回还原态，进行下一个循环。利用中间体虽然能够有效地把染料还原，并且尽管该过程有较高的效率，可以应用于生产中，但是在实际生产中要求有巨大的电解面积，对于一条生产线大约5000L到10000L的染缸需要高达200到500平方米的电解面积，且一般常规的两电极电解池需要用巨大的空间去安装。这样大面积的电解池，也容易带来死体积问题，在制造过程中会有一定难度。
为此，本发明是针对生产的需要而设计出一种具有占地空间小、电极面积大、死体积小的过滤式和多层过滤阴极流动电解池，利用该电解池的还原方法不仅可达到降低化学药品的用量，而且可使洗出液回用，达到基本无污染的还原染料染色过程。
【发明内容】
本发明主要目的在于提供一种不仅可达到降低化学药品的用量；而且可使洗出液回用的电化学还原方法。
本发明的次要目的在于提供一种基本无废水排放的还原染料染色方法。
为了实现上述目的，本发明中的电化学还原染料方法是使可还原物质流过过滤网式或多阴极模式设计的电解池，并在碱性条件下借助于中间体的电子传递来完成电化学还原。
所述电解池包括有多个阴极和一个阳极，在所述阴极与阳极之间由一离子交换膜隔离，在所述离子交换膜与阴极、阳极之间分别形成阴极区和阳极区，并在阴极区填充有可使作为可逆氧化还原的水溶性物质还原的过滤导电材料，同时阴极区设置有供还原染料流入与流出的入口与出口。
所述阴极与阳极呈平行直立设置，且所述阴极位于所述阳极的外侧。
所述阴极与阳极呈上下放置，在每两相邻阴极之间设置有分隔阴极用的多孔胶板。
所述过滤导电材料为金属丝、金属网、金属球或可导电的碳纤维。
所述阳极与离子交换膜之间填充有催化性导电材料，可对废水进行处理，使废水中的COD(化学耗氧量)含量降低。
本发明中的电化学还原方法是利用电解法且在碱性条件下还原还原染料，例如：靛蓝、硫化染料等，并在还原过程中采用一个过滤网和多阴极模式设计的电解池，使在有限的空间厂房下能安装一个高效率的电解池，同时利用阴极的导电材料产生的中间体(可逆氧化还原的水溶性物质)的帮助，即在电极上进行还原反应，从而能够有效地把还原染料还原成水溶态，而中间体又可在电极上还原，回复到原来的还原态，再进行下一次的还原过程，如此重复循环，可以进行基本无污染的染色与氧化处理过程。
附图简要说明
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
图1是本发明中一个直立式过滤流动电解池的结构示意图；
图2是本发明中一个圆桶式多层过滤电极流动电解池的结构示意图；
图3是本发明中一个带有废水处理的直立式过滤流动电解池结构示意图；
图4是本发明中一个整个生产无废水排放的还原染料染色过程示意图。
【具体实施方式】
本发明中的电化学还原染料方法是使可还原染料(如靛蓝染料)流过过滤网式和多阴极模式设计的电解池，并在碱性条件下利用中间体来完成电化学还原。下面将利用过滤网和多阴极模式设计的电解池来还原染料并利用该染料进行染色的多个实施例进行说明。
实施例一
在一染缸中连接一电解池，如图1所示，该电解池呈直立状态，包括过滤网式阴极，设置在电解池的两边，形成两个并联独立的区域1和一个固定设置的阳极2，该两阴极1与阳极2分别与电源的负极与正极连接，并在阴极1和阳极2之间设有一离子交换膜3，利用该离子交换膜3对两个阴极1及阳极2进行分离，并分别形成两个阴极区4及一阳极区5，在两阴极区4内填充有可产生作为可逆氧化还原的水溶性物质的过滤导电材料6，例如：金属丝、金属网、金属球或可导电的碳物质，在两阴极区4上、下两端分别设置有入口8与出口7，通过设在染缸内的泵(图中未示)推动被溶液由入口8流入电解池的阴极区4，并由出口7流出，使被还原溶液在流经封闭式的阴极区4时，利用阴极区4中导电材料6产生的中间体，而对染料进行还原，即还原成可溶态染料，并流入染缸中，该染缸中液体的基本组成是：靛蓝染料2-5克/升、氢氧化钠2-10克/升、TEA(三乙醇胺)2-4毫升/升、亚硫酸铁0.2-2克/升，温度为20℃-50℃，其中电解过程中电解的电流密度为0.02-0.5安培/平方分米，被还原的染料浓度可通过一紫外光光谱仪进行测定。
此时将棉布放入染缸中漂染15秒至1分钟后，再在空气中氧化30秒到1.5分钟，并通过压干机压干，该棉布通过漂染氧化的过程可反复进行3-7次，最后通过水洗烘干。该经漂染后的布料的色度可通过一色度分析仪测定。阴极产生的中间体为一种可逆的氧化还原物质；即在还原电位500mV-800mV之间可还原成还原态，重复进行下一次的染料还原过程。
在该实施例中，可在阳极区5内设置电解液，并且电解液可设计成固定式或流动式，由于固定式或流动式电解液的设置对本技术领域的普通技术人员来说是可以实现的，故在此不再详细说明。
实施例二
该实施例中与实施例中相同的部件由相同的图号示出，并对具有相同图号示出的部件的结构、功能原理不再另行详细说明。
在一染缸中连接一个电解池；如图2所示，该电解池呈圆桶状，上层设置有一固定式阳极2，下层为多层平行设置的阴极1，在上层阳极2与下层的阴极1之间由一离子交换膜3分隔，上层阳极2与每一电源的正极连接，每一阴极1分别与每一电源的负极连接，即每一阴极对应有一电源，实现独立供电，防止下层阴极因远离电源而受电阻差的影响。在每两相邻阴极之间设置有多孔的胶板9，以分隔成多个上下层叠且平行的阴极区4，在每一阴极区4内填充有可产生作为可逆氧化还原的水溶性物质的过滤导电材料6，例如：金属丝、金属网、金属球或可导电的碳物质等。
在阴极区4上、下分别设置有入口8与出口7，利用设置染缸中的泵推动需被还原溶液从电解池的入口8流入阴极区4，并由出口7流出，使被还原溶液流经封闭式的阴极区4时，利用阴极区4中的导电材料6产生的中间体，而对被还原溶液进行还原，即还原成可再次进行染色的水溶液，并流入染缸中，回流到染缸中的溶液的基本组成是：靛蓝染料2-5克/升、氢氧化钠2-10克/升、烟华石0.2-2克/升，温度为20℃-50℃，电解电流密度0.02-0.5安培/平方分米，被还原的染料浓度通过一紫外光光谱仪进行测定。
此时将棉布放入染缸中漂染15秒至1分钟后，再在空气中氧化30秒到1.5分钟，并通过压干机压干，该棉布通过漂染氧化的过程可反复进行3-7次，最后通过水洗烘干。该经漂染后的布料的色度可通过一色度分析仪测定。
此时将棉布放入染缸中漂染15秒至1分钟后，再在空气中氧化30秒到1.5分钟，并通过压干机压干，该棉布通过漂染氧化的过程可反复进行3-7次，最后通过水洗烘干。该经漂染后的布料的色度可通过一色度分析仪测定。
在该实施例中，也可在阳极区5内设置电解液，并且电解液可设计成固定式或流动式，至于固定式或流动式电解液的设置对本技术领域的普通技术人员来说是可以实现的，故在此不再详细说明。
实施例三
该实施例中与实施例中相同的部件由相同的图号示出，并对具有相同图号示出的部件的结构、功能原理不再另行详细说明。
在一染缸中连接一电解池，如图3所示，该电解池呈直立状态，其中电解池被分割成一个流动的阳极区5和一个流动的阴极区4，在阴极区4和阳极区5间有一离子交换膜3进行分隔，设在阳极区5与阴极区4内部的阳极2与阴极1分别与电源的正负极连接，在阴极区4内填充有可产生作为可逆氧化还原的水溶性物质的过滤导电材料，例如：金属丝、金属内、金属球或可导电的碳物质等，在阳极区内填充有催化过滤导电材料，例如：NiCO2O4-Ni金属网。在阴极区4的上下端设有一出口7和一入口8，染缸中被还原染料溶液的在一泵的推动下由入口8流入阴极区4，并由出口7流出，使被还原溶液流经封闭式的阴极区4时，利用阴极区4中的导电材料产生的中间体，而对被还原溶液进行还原，即还原成可再次进行染色的水溶液。染缸中流出的废水由入口9流入，经出口10流出，对废水进行处理，使废水中的COD含量降低。从入口8流入出口7流出的染缸溶液的基本组成是：靛蓝染料50-450克/升、氢氧化钠10-50克/升、TEA 5-50毫升/升、亚硫酸铁2-20克/升，温度为20℃-50℃，电解电流密度为0.05-1.5安培/平方分米，被还原的染料浓度通过紫外光光谱仪进行测定。
当溶液在氮气保护下经稀释100倍后，进行漂染，即将棉布放入染缸中漂染15秒-1分钟；并在空气中氧化30秒到1.5分钟，再通过压干机压干，每次染色可通过漂染氧化过程反复3-7次，最后通过水洗烘干，该漂染后的布料的色度可通过色度分析仪测定。
实施例四
在一染缸中连接一电解池，如图1所示，该电解池采用实施例一的电解池，由该电解池电解后回流到染缸中溶液的基本组成是：靛蓝染料50-450克/升、氢氧化钠10-50克/升、烟华石5-15克/升，温度为20℃-50℃，电解电流密度为0.05-1.5安培/平方分米，被还原的染料浓度通过一可见光光谱仪进行测定。
该溶液在氮气保护下经稀释100倍后进行漂染，即将棉布通过在染缸中漂染15秒-1分钟，并在空气中氧化30秒到1.5分钟，再通过压干机压干，每次染布通过漂染氧化过程反复3-7次，最后通过水洗烘干，该漂染后的布料的色度通过一色度分析仪测定。
实施例五
在一染缸中连接一电解池，如图2所示，该电解池采用实施例二的电解池，由该电解池电解后回流到染缸中溶液的基本组成是：硫化黑染料5-100克/升、氢氧化钠10-50克/升、TEA 5-50毫升/升、亚硫酸铁2-15克/升，温度为20℃-90℃，电解电流密度为0.02-0.5安培/平方分米，该被还原后染料浓度通过一可见光光谱仪进行测定。
接着将棉布置入染缸中漂染15秒-1分钟，并在空气中氧化30秒到1.5分钟，再通过压干机压干，每次染布通过漂染氧化过程反复3-7次，最后通过水洗烘干，该漂染的布料的色度通过一色度分析仪测定。
实施例六
在一染缸中连接一电解池，如图3所示，该电解池采用实施例三中的电解池，由该电解池电解后回流到染缸中溶液的基本组成是：硫化黑染料5-100克/升、氢氧化钠10-50克/升、烟华石0.5-5克/升，温度为20℃-90℃，电解电流密度为0.02-0.5安培/平方分米，该被还原的染料浓度通过一紫外光光谱仪进行测定。
此时将棉布置入染缸中漂染15秒-1分钟，并在空气中氧化30秒到1.5分钟，再通过压干机压干，每次染布通过漂染、氧化过程反复3-7次，最后通过水洗、烘干。该漂染的布料的色度通过一色度分析仪测定。
实施例七
在一染缸中连接一电解池，如图2所示，该电解池采用实施例二中的电解池，由该电解池电解后回流到染缸中溶液的基本组成是：靛蓝染料2-5克/升、氢氧化钠2-10克/升、TEA 2-4毫升/升、亚硫酸铁0.2-2克/升，温度为20℃-50℃，电解电流密度为0.02-0.5安培/平方分米，该被还原的染料浓度通过一紫外光光谱仪进行测定。
此时将棉布置入染缸中漂染15秒-1分钟并在空气中氧化30秒到1.5分钟，再通过压干机压干，每次染布通过漂染、氧化过程反复3-7次，最后通过水洗、烘干。漂染的布料色度可通过一色度分析仪测定。
本实施例中的电解池也可采用图3中所示的电解池，使废水流入阳极区，同时进行电解处理，使废水中的COD含量降低10到100倍。
如图4所示，是一个整个生产基本无废水排放的还原染料染色过程，在该生产过程中使多个并列设置的染缸11中染布后的液体、经水洗缸12水洗后的液体再经过滤器13过滤后一并回流至一电解池14中，通过电解池处理再将液体输回染缸中，实现回收利用并降低生产成本的目的，同时经电解后只有很少部分废水排出，从而达到基本无污染排放的目的。