棉纤维是纺织材料最重要的纤维之一,约占全球纤维产量的30%。常规的棉活性染色会产生大量带颜色的污水。活性染料在水中上染棉纤维素的机理决定了染色废水中一定会有高浓度的盐和水解染料。为了满足越来越严格的废水排放标准,棉的染色技术必须更加清洁。然而,近几十年提出的活性染料染色技术的改善方案,有的只可以很小范围地降低带颜色废水的产生,有的会排放有毒试剂,难以同时满足环保、经济和安全等要求。本课题提出了以废食用油和水组成的稳定性可调控的两相溶剂染色体系,包括针对高温型活性染料的废食用油-水两相溶剂悬浮体体系和针对中温型活性染料的废食用油-水两相溶剂乳液体系。研究了活性染料在两相溶剂体系中对棉纤维的上染和反应过程,从而比较了活性染料在水相体系和废食用油-水两相溶剂体系中染色机理的异同。通过从分子层面的探究,探讨了水分子、油分子与纤维素三者之间的亲和力在不同条件下的变化规律,建立了将油分子与纤维素分离的关键技术,实现了废食用油从染色棉织物上的低成本去除,解决了废食用油染色方法最受质疑的残留油如何从织物中彻底去除的关键问题。此外,为了有效降低废食用油-水体系的染色成本,通过明晰油在染色过程中的降解反应过程,实现了体系中油降解副产物在染色后的低成本高效分离,从而确立了废食用油-水两相溶剂体系的循环利用方法。由于目前棉织物染色普遍使用多种染料复配的工艺,本课题还使用了三原色染料进行活性染色,发现三原色染料在两相溶剂体系中的配伍性与其在传统水系染色体系中的配伍性相当,同时还检验了相关染色废水的生物降解性能。主要研究内容和结论如下:(1)开发了一种具有高化学势的废食用油-水两相溶剂悬浮体染色体系。通过球磨的方式把高温型活性染料分散在废食用油中制成悬浮体体系(染色外相),将预先在碳酸钠溶液(染色内相)中充分溶胀的棉织物转移到悬浮体体系。分散在废食用油中的染料因具有较高的化学势,会自发地从外相进入内相中,完成对棉纤维的吸附、扩散和固色等过程。研究活性染料在废食用油-水两相悬浮体体系和传统水相体系中对棉织物的固色量热力学和动力学,固色量热力学属于朗格缪尔曲线类型,固色量动力学属于二级曲线类型。虽然废食用油-水两相悬浮体体系的固色速率要略小于传统水相体系,但通过提高固色温度,可以缩小两者之间的差异。使用高效液相色谱研究了从棉织物上去除废食用油的效率,发现染色前棉织物带液率越高,染色后废食用油去除越容易。通过真空抽吸、挤压和浸轧等方式进行复合处理,可以回收体系中超过99%的废食用油,使用传统工艺进行水洗后,织物上残留的废食用油已经低于HPLC的最低检测限。废食用油在染色过程中降解,导致染色后的油脂再回用于废食用油-水两相染色时,染色质量持续下降。将染色后的油脂经过碱炼处理后再用于废食用油-水两相体系染色,染色质量可以恢复到初始水平。废食用油-水两相悬浮体体系染色产生的染色废水含有废食用油及其降解产物,使用常规废水厂中的活性淤泥进行降解后,COD值可以达到直接排放的标准。在喷射染色机中,使用废食用油-水两相溶剂悬浮体染色体系对棉织物进行染色中试试验,染色效果与传统水相染色体系相当,而物料成本显著降低,废水处理成本也显著降低,表明了悬浮体染色体系具有良好的工业化前景。(2)开发了一种稳定性可调控的废食用油-水两相溶剂乳液染色体系。将中温型活性染料溶解在水中后,将染料溶液与废食用油按照一定比例高速搅拌,制备成废食用油-水两相乳液染色体系。将预先在碳酸钠溶液中充分溶胀的棉织物经过干燥和回潮后加入染色体系,分散在废食用油中的染料液滴会迅速从废食用油中移动到织物表面,完成对织物的上染。研究活性染料在废食用油-水两相乳液体系和传统水相体系中对棉织物的固色热力学和动力学,固色量热力学都属于朗格缪尔曲线类型,固色量动力学属于二级曲线类型,染料在废食用油-水两相乳液体系中的固色速率要小于传统水相体系,较小的固色速率有助于染料在染色内相中的扩散和迁移。废食用油-水两相乳液体系的总含水率越高,从棉织物上去除废食用油越容易,真空抽吸、挤压和浸轧等常规后处理可以将染色后的织物上残留的废食用油降低到高效液相色谱的最低检测限。废食用油在染色过程中降解,导致回用于废食用油-水两相体系染色时,染色质量不断下降。通过将废食用油的降解产物高效碱炼去除,可以将废食用油-水两相体系染色质量恢复到初始水平。废食用油-水两相乳液体系染色产生的废水中,主要含有废食用油及其降解产物,经活性淤泥降解后,可达到直接排放的标准。此外,使用喷射染色机进行了乳液染色体系的中试试验,并与传统水相染色体系进行了物料成本的对比,结果表明废食用油-水两相乳液染色体系对比水相染色体系,在经济上和技术上均存在较大地优势,具有工业化的良好潜能。(3)废食用油的水解成分对染色质量的影响机理探讨,明晰废食用油在废食用油-水两相染色体系中的降解机制,确保废食用油可以进行质量稳定的循环染色。废食用油在染色过程中的水解速率随着染色次数的增加呈现线性关系(R~2为0.9843),每次染色后约有1%的废食用油发生水解,转变为甘油和脂肪酸钠,造成废食用油-水两相体系染色质量下降。但是,两种产物对染色质量的影响方式不同,甘油对棉纤维素的溶胀能力较差;甘油进入到废食用油-水两相体系染色内相后可以增加内相的体积,降低固色碱的浓度;甘油还会在废食用油-水两相体系内相中与染料发生反应,与水分子以及纤维素上的羟基产生竞争作用,减少染料对棉织物的上染。脂肪酸钠的浓度在500 g/L以下时,对废食用油-水两相体系染色内相的p H值基本上没有影响,但当浓度达到500 g/L时,会使染料形成较多的聚集体,导致固色率下降10%左右。在废食用油-水体系中染色后,棉织物的拉伸强力约下降10%,这一下降幅度与传统水相体系中染色的棉织物基本相当。通过结晶度检测发现,废食用油-水两相体系染色前和染色后的棉纤维的结晶度分别为78.5%和77.3%,说明废食用油-水染色体系基本不会破坏棉纤维的结晶结构。(4)研究了活性染料在废食用油-水两相溶剂染色体系中的配色拼色可行性。相异双反应基三原色染料在传统水相染色体系和在废食用油-水染色体系中的固色速率差异在5%以内。染料在废食用油-水体系中的固色速率与三原色染料的用量可以保持良好的线性关系(R~2大于0.98),三原色染料固色总量相当的情况下,废食用油-水体系染色的棉织物与传统水相体系染色的棉织物的色差在0.6以内,然而废食用油-水两相体系染料用量节约了20-30%。将染色后收集的废食用油重新碱炼并回用于三原色染料,废食用油-水两相体系染色拼色质量十分稳定。对三原色拼色染色的棉织物进行染色色牢度(日晒、摩擦和水洗)检测,发现废食用油-水两相溶剂体系染得的拼色织物和染自传统水相体系染色织物色牢度相当。本研究提出了以废食用油和水组成的稳定性可调控的两相溶剂悬浮体和乳液染色体系,无盐染色和低排放,染色中试的成功也初步证明了废食用油-水两相体系具有良好的工业化前景,为降低传统活性染色技术对环境产生的负面影响废食用油-水两相体系为其提供了理论和技术支持。