ХЕРСОНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

РОМАНЕНКО НАТАЛІЯ ГРИГОРІВНА

УДК 677.014:677.047

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРОАКТИВОВАНИХ ВОДНИХ СИСТЕМ

В ТЕХНОЛОГІЯХ ОПОРЯДЖЕННЯ

ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ

Спеціальність 05.19.03 – технологія текстильних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Херсон 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант – доктор технічних наук, професор, лауреат державної премії в галузі науки і техніки Сарібеков Георгій Савич, Херсонський державний технічний університет, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри хімічної технології і дизайну волокнистих матеріалів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Якимчук Радій Палладійович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедри механічної технології волокнистих матеріалів;

доктор технічних наук, професор Семак Богдан Дмитрович, Львівська комерційна академія, професор кафедри товарознавства непродовольчих товарів;

доктор технічних наук, професор Луцик Ростислав Володимирович, Київський національний університет технологій та дизайну, завідувач кафедри теплотехніки, охорони праці та навколишнього середовища.

Провідна установа: Технологічний університет Поділля, кафедра хімії.

Міністерство освіти і науки України, м. Хмельницький.

Захист відбудеться “ 19 ” лютого 2003 р. о 10 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 при Херсонському державному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий: “ 9 ” січня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої Сумська О.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Раціональне використання природно-енергетичних ресурсів, сировини і матеріалів у період становлення ринкових відносин в Україні стає проблемою народногосподарського значення в будь-якій сфері діяльності.

Абсолютна більшість хіміко-технологічних процесів опорядження текстильних матеріалів здійснюється у водних середовищах, але наукова концепція ефективності використання природних водних ресурсів відсутня. Значні обсяги води витрачаються на усереднення промислових стоків, насичених хімічними реагентами. Ефективність використання води фарбувально-опоряджувальними виробництвами становить 15-20% і свідчить про нераціональне споживання природних водних ресурсів, сприяє збільшенню собівартості текстильних матеріалів.

Удосконалення технологій обробки текстильних матеріалів визначає еволюційний характер розвитку фарбувально-опоряджувальних виробництв шляхом інтенсифікації хіміко-технологічних процесів, що здійснюється різними способами: хімічними, фізичними і механічними. Постійно зростаючі екологічні вимоги до функціонування опоряджувальних виробництв обмежують застосування різних допоміжних речовин і “неводних розчинів”. Усе більшого поширення набувають способи, що поєднують хімічну активацію з нетрадиційним фізичним впливом електромагнітних полів на стан текстильних субстратів, барвників і текстильних допоміжних речовин (ТДР). Одним із ефективних способів такого впливу є використання електроактивованих водних середовищ, застосування яких не тільки інтенсифікує сорбційно-дифузійні процеси опорядження текстильних матеріалів, але і надає можливість досягти стабільних результатів при більш низьких концентраціях реагентів. Відсутність теоретично обґрунтованих закономірностей впливу електроактивованої води на стан твердо- і рідкофазних компонентів фарбувально-опоряджувальних систем не дає можливості широко використовувати цей спосіб інтенсифікації у виробництвах, що зумовлює необхідність розробки фізико-хімічних основ застосування електроактивованих водних середовищ у технологіях обробки текстильних матеріалів.

Таким чином, наукове обґрунтування ефективності використання природних водних ресурсів у процесах опорядження текстильних матеріалів, вивчення властивостей електроактивованих водних систем і фізико-хімічного стану в них волокноутворюючих полімерів, барвників і ТДР, реалізація виявлених закономірностей у нових технологіях своєчасні й актуальні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Черкаському державному технологічному університеті відповідно до пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки Міністерства освіти і науки України за №42: “Теоретичні і практичні основи створення ресурсо- і енергозберігаючих, екологічно чистих технологій виготовлення товарів широкого вжитку на основі використання сировинних ресурсів України” (Додаток №2 до листа Міністерства освіти і науки України від 03.12.96, №6/10-149).

Розроблені технології реалізовані при виконанні договірної тематики з АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат”: № 44-89 “Використання активованої води в процесах опорядження штучних шовкових тканин на Черкаському шовковому комбінаті”, № 1-ЧК/91 “Розробка рекомендацій зменшення концентрації барвників при фарбуванні штучних шовкових тканин на прохідних апаратах”, № 6-92 “Оптимізація процесів фарбування тканин на устаткуванні періодичної дії”, № 92-92 “Розробка технологій локальної очистки стічних вод в процесах опорядження шовкових тканин”, №7-96 “Коректування тому ГДВ Черкаського шовкового комбінату”, двох держбюджетних тем: №137-92 “Комплексна переробка відходів промисловості Черкаського регіону” і №132-00 “Теоретичні основи електрохімічних, гетерофазних хімічних процесів у газових та рідинних середовищах, моделювання технологій ресурсо- та енергозбереження. Текстильна галузь”.

Роль автора полягає в обґрунтуванні фізико-хімічних основ застосування активованих водних систем в процесах опорядження текстильних матеріалів і розробці ресурсозберігаючих технологій.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у розвитку фізико-хімічних основ інтенсифікації процесів опорядження текстильних матеріалів шляхом цілеспрямованої зміни стану волокноутворюючих полімерів, барвників і загусників у електроактивованих водних середовищах, науковому обґрунтуванні водоспоживання фарбувально-опоряджувальних виробництв, створенні ресурсозберігаючих технологій.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі вперше сформульовані і вирішені такі проблеми і завдання:

·

·

·

·

·

·

·

Об'єктом досліджень у роботі є технологічні процеси опорядження текстильних матеріалів.

Предметом досліджень є розчини текстильних допоміжних речовин і барвників, структура волокноутворюючих полімерів в активованих водних середовищах.

Методи досліджень базуються на використанні: стандартного і модифікованого оздоблювального устаткування, спеціально створених лабораторних установок електроактивації води, дослідно-виробничого і діючого виробничого устаткування електролізного розподілу води. При проведенні досліджень застосовувалися сучасні фізико-хімічні методи: діафрагмовий електроліз водних систем, спектрофотометричний, ІЧ-спектроскопії, колориметричний, дифузійний, хроматографічний, окисно-відновного титрування, ряд розроблених методик з розрахунку технологічно обґрунтованих норм витрат води, стандартні методики якісного і кількісного аналізу води. Теоретичні узагальнення електронної будови молекул барвників здійснювалися методом МО ZINDO/S з урахуванням конфігураційної взаємодії одно-часткового порушення. Оптимізація геометрії молекул досліджуваних барвників проведена напівемпіричним методом молекулярних орбіталей самоузгоджуваного поля Хартрі-Фока в наближенні РМ - 3. Розрахунки виконано з використанням комплексу комп’ютерних програм Hyper Chem 5.1 Pro.

Наукова новизна роботи полягає в розробці теоретичних основ інтенсифікації хіміко-технологічних процесів опоряджувального виробництва при використанні електроактивованих водних систем. При цьому вперше:

1. Отримали розвиток наукові положення з теорії розшліхтовування і фарбування текстильних матеріалів, зокрема, теоретичні уявлення про процеси, які мають місце на стадії десорбції шліхти та сорбції дисперсних, кубових і прямих барвників волокноутворюючими полімерами при використанні електроактивованих водних середовищ.

2. Теоретично й експериментально обґрунтовано функціональну залежність зміни фізичних властивостей приелектродних систем: католіту і аноліту від умов проведення процесу електролізного розподілу води. Необхідна величина водневого показника католіту (рН=100,5) досягається при подачі 300-600 Кл/л, аноліту (рН=30,5) – при подачі 1800-2000 Кл/л.

3. Теоретично обґрунтовано й експериментально доведено метастабільність стану електроактивованих водних систем. За наявністю іонно-радикальних, іонних і радикальних елементів ступінь активності католіту й аноліту на 15,1-15,8% вище, ніж ступінь активності вихідної води.

4. Дано кількісну оцінку впливу електроактивованих водних систем на структурні зміни целюлозних, гідратцелюлозних, діацетилцелюлозних і поліефірних волокноутворюючих полімерів – структура діацетилцелюлози зазнає конформаційних змін в аморфних зонах при використанні католіту, що збільшує доступ барвника до активних центрів волокна. Макроструктура тканин із целюлозних волокон зазнає змін в аноліті – об’єм мікропор волокна збільшується на 23,0 29,0%.

5. Визначено вплив активних іонно-радикальних елементів електроактивованих водних систем на стан і властивості органічних барвників і встановлено зміни електронної будови молекул досліджуваних дисперсних барвників; обґрунтовано збільшення розчинності досліджуваних прямих барвників і зниження асоціативної здатності молекул лейкорозчинів кубових барвників.

6. Установлено прямий зв'язок між величиною спорідненості прямих барвників до віскозного волокна й інтенсивністю поглинання світлових променів фарбувальними розчинами, для приготування яких використовувалися різні водні системи. Спорідненість прямих барвників при використанні католіту збільшується на 15-22%.

7. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень визначено зміни реологічних властивостей загусток на основі альгінату натрію, для приготування яких використовувався католіт. Установлено, що характер кривих течії досліджуваних загусток наближається до ньютонівських рідин, а коефіцієнт кінетичної стійкості – до одиниці.

8. Розроблено теоретичні основи інтенсифікації процесів друкування тканин із ацетатних і змішаних волокон дисперсними барвниками з використанням електроактивованих водних систем.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі результатів досліджень розроблено й апробовано ефективні технології розшліхтовування, фарбування і друкування тканин з натуральних, штучних, синтетичних і змішаних волокон прямими, дисперсними і кубовими барвниками при використанні електроактивованої води у якості середовища проведення процесів. За результатами встановленого ініціюючого впливу католіту на структуру ацетилцелюлози і стан альгінатних загусток, аноліту на стан дисперсних барвників впроваджені технології друкування текстильних матеріалів, реалізація яких дала змогу використовувати продукти електролізного поділу води в повному обсязі, знизити концентрацію дисперсних барвників і альгінатних загусників, скоротити витрати води на усереднення промислових стоків. Систематизовано закономірності водоспоживання основних технологічних процесів обробки тканин і створено інформаційні модулі у вигляді пакета прикладних програм. Результати підтверджені актами випробувань і впровадження.

Розроблено технічну документацію, виготовлено і змонтовано установку електроактивації води у виробничих умовах (акт приймання технологічного комплексу електроактивації води на АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” від 28.10.1988 р.).

Розроблено і впроваджено технології друкування тканин із ацетатних і змішаних волокон дисперсними барвниками, друкарські фарби з яких готувалися в електроактивованій воді, що дозволило знизити витрати дисперсних барвників на 17,2%, загусників – на 16,7%, знизити температуру розварювання альгінатних загусників на основі манутекса RS, ламіпринта SСТ-90, ламальгіна G-5 за “гарячим” способом з 600С до 40-450С (акт впровадження інтенсивних технологій на АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” від 09.12.1988 р.). Робота позитивно відзначена Всесоюзною художньою Радою з розвитку асортименту шовкових тканин, що відбулася 10-13 жовтня 1989 р. у м. Черкаси.

Розроблено і впроваджено технологію повторного використання стоків з прохідних фарбувальних апаратів у процесах фарбування тканин із целюлозних та змішаних волокон прямими барвниками. Витрати прямих барвників зменшилися на 5-15% (акт впровадження на АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” від 10.12.1996 р.).

Розроблено схему повторного використання стоків водопідготовки котелень у процесах фарбування тканин із целюлозних та змішаних волокон прямими барвниками і проведені промислові випробування (акт виробничих випробувань з використання стоків водопідготовки котелень у процесах фарбування тканин на АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” від 23.05.1999 р.).

Розроблено й апробовано у виробничих умовах технології:

·

·

Розроблено технології інтенсифікації процесів фарбування бавовняних і змішаних тканин кубовими барвниками при використанні електроактивованої води (акт випробувань на ВАТ “Херсонський бавовняний комбінат” від 26.03.2002 р.).

Сумарний економічний ефект, отриманий від впровадження інтенсивних технологій друкування при використанні електроактивованих водних систем з урахуванням відвернутого екологічного збитку за дев’ять років роботи на АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” становить 6870,7 тис. гривень.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, виконаних автором, під його керівництвом чи за його визначальною участю. Автором особисто сформульовано основні задачі досліджень і висновки, розроблено методологію інтенсифікування процесів розшліхтовування, фарбування і друкування текстильних матеріалів при використанні електроактивованої води, розроблено математичні моделі підрахунку оптимальних витрат води в процесах опорядження текстильних матеріалів, визначено метрологічне забезпечення досліджень і розроблено основні методики.

У роботах зі співавторами йому належить основний внесок у постановці задач і підготовці об'єктів дослідження, проведенні експериментів, виконанні вимірів, розрахунків й інтерпретації отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на чотирнадцяти міжнародних, міжрегіональних і обласних науково-технічних конференціях, радах і нарадах:

Всесоюзній міжгалузевій конференції молодих вчених і працівників, що спеціалізуються в області переробки хімічних волокон, м. Москва, 1981 р.;

Всесоюзній художньо-технічній Раді розвитку асортименту шовкових тканин, м. Черкаси, 1989 р.;

обласній науково-технічній конференції “Соціально-економічні і науково-технічні проблеми в умовах переходу на новий господарський механізм”, м.Черкаси, 1989 р.;

обласній науково-технічній конференції “Соціально-економічні і науково-технічні проблеми розвитку народного господарства”, м. Черкаси, 1990 р.;

Міжнародній науково-технічній конференції “Розвиток технічної хімії в Україні”, м. Харків, 1995 р.;

1-й Українській науково-методичній конференції “Екологічна освіта фахівців технічного профілю”, м. Дніпропетровськ, 1995 р.;

Всеукраїнській науково-практичній конференції “Науково-технічний прогрес у перехідний період розвитку України”, м. Херсон, 1995 р.;

Всеукраїнській науково-технічній конференції “Новітні технології в легкій промисловості та сервісі”, м. Хмельницький, 1999 р.;

Міжрегіональній конференції “Проблеми легкої та текстильної промисловості на порозі нового сторіччя”, м. Херсон, 2000 р.;

Міжрегіональній науково-практичній конференції “Комп'ютерні технології для оптимізації хіміко-технологічних процесів обробки текстильних матеріалів”, м. Черкаси, 2000 р.;

обласній науково-практичній конференції: “Актуальні проблеми винахідницької та раціоналізаторської роботи в Україні”, м. Черкаси, 2000 р;

-й Міжнародній науковій конференції “Раціональне використання природних ресурсів. Проблеми екології, енергозбереження, економіки та інформації в умовах ринкових відносин” (РВПРІ-2001), м. Черкаси, 2001 р.;

міжрегіональній конференції “Проблеми легкої і текстильної промисловості”, м. Херсон, 2001р.;

міжкафедральному науковому семінарі Херсонського державного технічного університету: “Фізико-хімічні основи застосування електроактивованих водних систем в технологіях опорядження текстильних матеріалів” м. Херсон, 2002 р.

Публікації. Основна частина результатів досліджень за темою дисертації подана в 34 публікаціях, у тому числі: 22 статті у наукових фахових журналах та збірниках наукових праць, три патенти України, дев’ять тез конференцій.

Обсяг та структура дисертаційної роботи. Структура дисертації містить вступ, 5 розділів, загальні висновки, список використаної літератури із 310 джерел, 57 рисунків, 84 таблиці і 16 додатків. Дисертацію викладено на 285 сторінках машинописного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі охарактеризовано сучасний стан досліджуваної проблеми, обґрунтовано актуальність обраної теми, мету і задачі дослідження, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено конкретні наукові результати і положення, що виносяться на захист, а також дані з впровадження, апробації і публікації основних результатів.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану техніки і технології текстильної промисловості і визначено, що удосконалення основних технологічних процесів обробки текстильних матеріалів здійснюється шляхом інтенсифікації різними способами.

Розглянуто приклади інтенсифікації процесів промивання, фарбування і заключної обробки нетрадиційними методами: магнітною обробкою, ультразвуком, електричним струмом і встановлено, що відтворюваність результатів не завжди задовільна. Більш стабільні умови інтенсифікації процесів обробки текстильних матеріалів і одержання відтворюваних результатів можуть бути досягнуті при використанні продуктів електролізного поділу води: католіту й аноліту з лужними і кислотними властивостями.

Вивчення ефектів електроактивації водних систем та їх застосування в різних галузях промисловості, фундаментальні дослідження з вивчення впливу електромагнітних полів на стан і властивості барвників, волокноутворюючих полімерів і ТДР визначають унікальні можливості використання електроактивованої води для цілеспрямованої зміни стану барвників, волокноутворюючих полімерів і ТДР у фарбувально-опоряджувальних системах з метою розробки ресурсозберігаючих технологій опорядження текстильних матеріалів.

В другому розділі наведено загальну характеристику використаних матеріалів, методів аналізу і досліджень.

Для проведення досліджень з вивчення можливостей використання електроактивованої води і дренажних стоків водопідготовки котелень (ДСВК) в процесах опорядження текстильних матеріалів створено лабораторне устаткування та розроблено методики:

·

·

У роботі використовувалися текстильні субстрати з бавовняних, ацетатних, віскозних і змішаних волокон, технічні й очищені форми дисперсних, кубових і прямих барвників, альгінатні загусники, допоміжні речовини і технічні миючі засоби.

Для фарбування зразків тканин у лабораторних умовах використовувалася фарбувальна система AHIBA NUANCE. Якісні і кількісні колірні відмінності зразків тканини визначалися на спектрофотометричному комп’ютерному комплексі “Color Magic”. Для одержання адекватної математичної залежності параметрів досліджуваних процесів використовувалися методи кореляційного і регресійного аналізу, теорії імовірності і математичної статистики. Розрахунки здійснювалися на сучасній комп'ютерній техніці за допомогою стандартних програм. Чистота експерименту підтверджувалася одержанням результатів, що узгоджуються за незалежними методиками досліджень, а також перевіркою отриманих результатів шляхом впровадження їх у виробництво.

У третьому розділі викладено результати експериментальних досліджень та їх теоретичне обґрунтування.

3.1. Водоспоживання в процесах опорядження текстильних матеріалів. На підставі проведених аналітичних досліджень якісного і кількісного складу вод підземних джерел установлено, що використання інфільтраційних вод зони аерації в основних технологічних операціях опорядження текстильних матеріалів без попередньої водопідготовки неприйнятно. Вони можуть бути використані при промиванні текстильних матеріалів після друкування тканин дисперсними барвниками, при підготовці устаткування і для промивання шаблонів. Для теоретичного узагальнення водоспоживання у фарбувально-опоряджувальних виробництвах проведено математичні обґрунтування витрат води на технологічні потреби.

На підставі проведених досліджень і аналізу статистичних матеріалів багаторічної роботи фарбувально-опоряджувальних виробництв створено базу даних і визначено параметри оптимізації витрати води та фактори, які впливають на них. Для устаткування періодичної дії :

, (1)

де W – обсяг витраченої води;

N – кількість ванн;

f1(Q) – функція залежності витрат води від об’єму ванн;

f2(А) функція залежності витрат води від маси оброблених текстильних матеріалів.

Складні процеси обробки, для реалізації яких потрібне устаткування безперервної дії, а також процеси друкування з повним циклом підготовчих операцій розглядалися в алгоритмах розрахунку як сума простих залежностей (1) з використанням методу декомпозиції. Відповідно до розробленого алгоритму розрахунку витрат води за основними і допоміжними операціями опоряджувальних виробництв встановлено, що теоретично обґрунтований мінімум води на технологічні потреби складає 15-20% від фактичного. Значні обсяги води витрачаються на розбавлення промислових стоків у процесі їхнього усереднення. Аналіз промислових стоків фарбувально-опоряджувального виробництва на прикладі АТЗТ “Черкаський шовковий комбінат” свідчить про відхилення основних показників від вимог до водних систем, що підлягають скиданню у міську каналізацію. Особливо істотні перевищення концентрації хлоридів і барвників, кількість яких може бути зменшена шляхом розробки і впровадження інтенсифікованих технологій опорядження при використанні електроактивованих водних систем та повторного використання технологічних розчинів.

3.2. Електроактивація водних систем. Напрямок, що розвивається в роботі, представляє нетрадиційний підхід до інтенсифікації процесів опорядження текстильних матеріалів шляхом використання продуктів електролізного розподілу води (рис. 1), що мають лужні (католіт) і кислотні (аноліт) властивості і здатні збільшувати дифузійну рухливість часток.

Для визначення оптимальних умов проведення процесу електролізного розподілу води аналізувалася кінетика розкладання молекул води (рис. 2). Установлено, що біля катоду процес протікає ефективніше, ніж біля аноду. Для досягнення необхідних величин рН=100,5 католіту досить 10 хвилин, аноліту з рН=30,5 20 хвилин.

При дослідженні водних систем з різним вмістом солей і визначенні оптимальної витрати енергії були встановлені закономірності такого роду:

·

y = а + bх + cх2,

де y – концентрація іонів водню, рН;

х – витрати струму, Кл/ л;

а, b, c – коефіцієнти, які обумовлюють фізико-хімічні властивості вихідної водної системи;

·

3.3. Індикація активованого стану водних систем. Відповідно до клатратної теорії кожна молекула води, виступаючи в ролі донора й акцептора електронної густини, здатна до полімеризації й утворення клатратних структур, стабільність стану яких підтримується рівною кількістю зруйнованих і знову створених зв’язків.

При подачі напруги електродний блок насичується електронами, що сприяють рекомбінації рівноважних клатратних утворень і після досягнення потенціалу, достатнього для утворення вільних радикалів, механізм процесу стає ланцюгово-радикальним, а водні системи насичуються іонними, радикальними й іонно-радикальними елементами:

.

Процес виділення водню й утворення оксидної суміші біля катоду забезпечується реакціями: Фольмера, Тафеля, Гейровського. Процес виділення кисню і насичення прианодної водної системи водневими структурними утвореннями каталізує генерація короткоживучих супероксидних аніон-радикалів , що утворюються при захопленні молекулярним киснем гідратованого електрона, :

;

;

.

Після припинення подачі напруги обидві системи насичені вільними радикалами, наявність яких і обумовлює в релаксаційний період окисні і відновні властивості католіту й аноліту.

Для обґрунтування закономірностей зміни стану електроактивованих водних систем проводився спектрофотометричний аналіз вихідної води, католіту й аноліту.

Істотні спектральні зміни спостерігаються в ближній ультрафіолетовій області спектра. Площа, обмежена кривою залежності молярного коефіцієнту екстинкції від довжини хвилі світла, що поглинається, у водній системі аноліту і католіту на 15,1-15,8% менша за площу, обмежену кривою в спектрах поглинання вихідної води, що свідчить про вищу енергетичну активність електроактивованих водних систем. У католіті акцепторні властивості двох протонів водню нейтралізуються гідроксид-іонами, і молекула води, втрачаючи свою дипольність, виступає в ролі донора електронної густини. В аноліті донорні властивості неподіленої пари електронів атома кисню нейтралізуються іонами водню. Молекула води стає акцептором електронної густини, виступаючи в ролі окисника, здатного приймати електрони.

Індикація ефекту електроактивації водних систем здійснювалася також методом нейтралізації при потенціометричному титруванні їх сильними електролітами. Титрування проводили розчинами соляної кислоти і їдкого калію, виходячи з того, що катіон калію й аніон хлору відносяться до групи іонів, які підсилюють трансляційний рух молекул води і мають негативну гідратацію. Представлені криві потенціометричного титрування (рис. 3) свідчать про домінуючий вплив структури розчинника, який насичений іонно-радикальними елементами, і визначається це зміною характеру кривих в області малих концентрацій титрантів.

Точка еквівалентності суміші католіту з рН=100,5 і аноліту з рН=30,5 спостерігається при їхньому змішуванні у співвідношенні 1:5.

Для оцінки стану іонів у розчині і їхнього впливу на структуру водних систем визначалася іонна сила розчинів і активність іонів. Збільшення чисельної величини коефіцієнта активності свідчить про посилення міжіонної взаємодії. У неактивованій воді міжіонна взаємодія збільшується на 2-3%, в активованій на 6-7%, що підтверджує вищу активність католіту й аноліту.

Індикація кислотно-основних властивостей досліджуваних водних систем здійснювалася шляхом порівняння рН католіту й аноліту з рН свіжоприготованих розчинів соляної кислоти та їдкого калію. За вмістом іонів Н+ і ОН- електроактивовані водні системи можна порівняти: католіт із рН=100,5 до розчину їдкого калію з концентрацією 0,0025 моль/дм3, аноліт із рН=30,5 до розчину соляної кислоти з концентрацією 0,0005 моль/дм3.

3.4. Дослідження структурних змін волокноутворючих полімерів у електроактивованій воді. Ефективність проведення процесів обробки текстильних матеріалів залежить від властивостей розчинника, що зумовлюють набрякання волокноутворюючих полімерів, їхню пластифікацію, тепло- і масоперенесення в системі. Досліджено зміни мікро- і макроструктури текстильних матеріалів при використанні у якості розчинника електроактивованих водних систем.

Установлено, що площа поперечного перерізу гідратцелюлозних волокон збільшилася в аноліті на 23,3%, ацетилцелюлозних у католіті – на 26 %. Площа поперечного перерізу поліефірних волокон не змінюється. Отримані дані підтверджені результатами спектрофотометрії целюлозних, ацетилцелюлозних і поліефірних плівок, які було оброблено протягом 30 хвилин у різних водних системах: воді дистильованій, католіті й аноліті. При обробці ДАЦ плівок у католіті має місце збільшення інтенсивності смуги поглинання 905 см-1 (рис. ).

Пік смуги поглинання зсувається на 2 см-1 у короткохвильову область (масштаб реєстрації 10 мм / 10см-1) і свідчить про наявність структурних змін в аморфній зоні полімера, яка доступна для іонно-радикальних елементів католіту. В області 1630 см-1, яка відповідає деформаційним коливанням молекул води, спостерігається збільшення інтенсивності смуги поглинання, – що підтверджує збільшення ступеня насичення полімеру структурними елементами води. Істотних структурних змін у целюлозних і поліефірних волокноутворюючих полімерах не спостерігається.

3.5. Використання електроактивованих водних систем для розшліхтовування тканин. При вивченні розчинності шліхтуючих препаратів, основними складовими яких є акрилати і крохмаль (бевалоїд 400, шліхта Т-8, шліхта СМ), в електроактивованій воді, установлено її істотний вплив на їх розчинність (табл. 1). Швидкість розчинення всіх досліджуваних марок шліхтуючих препаратів в активованій воді значно зростає і залежить від хімічної будови полімеру.

Таблиця 1

Аналіз розчинності препаратів для шліхтування в електроактивованій воді

Водні системи | Тривалість розчинення шліхти, хв.

желатин

технічний | бевалоїд 400 | шліхта

Т - 8 | шліхта СМ | поліакриламід

вода технічна | 62 | 45 | 33 | 35 | 50

католіт | 36 | 31 | 24 | 20 | 35

аноліт | 50 | 51 | 10 | 15 | 30

Аналізуючи процес розшліхтовування тканин арт. 35068, 32433, основи яких (ацетилцелюлоза 16,6 текс) оброблялися шліхтою СМ, приготованою із застосуванням католіту, встановлено, що ступінь видалення шліхти зростає у 2 рази при використанні католіту в якості середовища проведення процесу. Ступінь розшліхтовування тканин арт. 32555, 421070, основи яких (віскоза ПНШ 13,3 текс) оброблялися сумішшю желатину технічного і шліхти СМ, приготованою з використанням католіту, збільшується на 8-10% у випадку використання аноліту.

Досліджувалися можливості використання католіту й аноліту в процесах біорозшліхтовування, для чого проводився санітарно-мікробіологічний аналіз згідно з ГОСТ 18963-73 вихідної води і продуктів електродних реакцій через 24 години після активації. Отримані результати свідчать про ефективний розвиток мікроорганізмів в аноліті.

Оптимальні умови проведення процесу біорозшліхтовування бавовняних тканин у електроактивованій воді визначені експериментально-теоретично шляхом апроксимування процесу лінійним поліномом:

,

де Уі – параметр оптимізації (ступінь біорозшліхтовування); а0 - вільний член; ai – коефіцієнти при факторах (рН середовища, температура протікання процесу).

Експериментальна перевірка результатів, отриманих розрахунковим шляхом, свідчить про збільшення на 26% ступеню розшліхтовування тканин в аноліті при температурі 40-500С порівняно із розшліхтовуванням, проведеним у відповідності до типових технологічних режимів.

3.6. Визначення структурних змін барвників у електроактивованій воді. Стан дисперсних барвників: синього Ч, рожевого Ж і жовтого З вивчався шляхом спектроскопічного аналізу їхніх розчинів концентрації 0,05 мг/дм3, приготованих у католіті з рН=100,5, аноліті з рН=30,5, воді дистильованій.

На прикладі барвника дисперсного синього Ч установлено, що дисперсні антрахінонові барвники, які мають електронодонорні замісники в положенні 1,4, підлягають значним структурним змінам в аноліті (рис. ).

Домінуюча деформація електронних спектрів поглинання дисперсного синього Ч спостерігається в кислому середовищі аноліту: батохромний зсув довгохвильової смуги поглинання на 27 нм і значне зростання її інтенсивності.

Надлишок іонів водню в аноліті сприяє переходу мономолекулярної фракції барвника в протоновану форму:

.

Теоретично розрахований перехід на довжині хвилі 651 нм добре узгоджується з експериментальними даними.

Вивчено стан лейкосполук кубових барвників в електроактивованій воді. Аналізуючи криві залежності інтенсивності поглинання лейкосполук кубових барвників, суспензії яких приготовані у водних системах різного ступеня окислювання, установлено, що молярний коефіцієнт екстинкції барвників, які аналізувалися, в активованій воді вищий, ніж при використанні води технічної (рис. ).

З аналізу структурного стану електроактивованих водних систем відомо, що найбільш активними елементами католіту є гідратований електрон і вільні радикали: ОН,Н, які є продуктами дисоціації гідроксид-іону і мають істотно впливати на процес переміщення електронної густини в гетероциклі кубового барвника.

В основному стані молекула лейкосполуки кубового барвника має негативний заряд на атомі кисню обох енольних груп, що компенсується позитивним зарядом катіону натрію:

.

Перенос заряду в молекулі здійснюється з енольної орбіталі донорного атома кисню однієї з енольних груп на атом вуглецю протилежної енольної групи. При поглинанні кванта світла перенос електронів через систему ароматичного фрагмента здійснюється на рорбіталь акцепторного атома вуглецю однієї з енольних груп (*перехід) за схемою:

(2)

Іонно-радикальні елементи католіту, які мають підвищену електронегативність, нейтралізують іон натрію, не дозволяючи йому утворити контактну іонну пару з негативно зарядженим атомом кисню енольної групи:

ОН

.

Неподілені електрони атома кисню перерозподіляються на атом вуглецю енольної групи. При цьому відбувається вирівнювання електронної хмари між атомами кисню і вуглецю енольної групи. Процес супроводжується перебудовою електронної оболонки атома кисню з sp3 у sp2гібридизований стан. З огляду на те, що перехід неподілених електронів атома кисню з незв’язуючої nорбіталі на розпушуючу потребує менших енергетичних затрат, а також враховуючи невелику чисельність -електронів ароматичного фрагмента, слід зробити висновок, що здатність молекул кубових барвників до асоціації в католіті трохи знижується, а інтенсивність поглинання світлових променів зростає. Іонно-радикальні елементи аноліту протонують атоми кисню енольної групи, делокалізуючи * перехід електронів за схемою (2). Вірогідність притягання молекул своїми протилежно зарядженими кінцями знижується. Інтенсивність поглинання світлових променів лейкорозчинами збільшується.

Таким чином, католіт і аноліт, насичені іонно-радикальними елементами з високою реакційною здатністю, інтенсифікують процес переміщення електронної густини в гетероциклі кубового барвника, переводячи його лейкосполуку в енергетично вигідніший стан, внаслідок чого зменшується асоціативна здатність.

Досліджено фізико-хімічний стан прямих барвників у католіті з рН=100,5, в аноліті з рН=30,5, воді підземного джерела з глибиною залягання 6 м (далі вода технічна), середовище якого нейтральне, і у воді дистильованій. Очищені форми прямих барвників: синього світлостійкого (с/с) ЧУ, коричневого с/с 2ЧХ, чорного З розчинялися у розглянутих водних системах і знімалися спектри їхнього поглинання. На рис. 7 показано вплив електроактивованої води на оптичну щільність розчинів прямого коричневого с/с 2ЧХ.

На підставі одержаних результатів встановлено, що стан прямих барвників у електроактивованих середовищах: католіті і аноліті істотно відрізняється від їхнього стану у воді технічній, а інтенсивність поглинання світових променів розчинами прямого коричневого с/с 2КХ, які приготовлені з використанням католіту на 10% вище, ніж у воді дистильованій.

Для підтвердження отриманих результатів визначалася розчинність прямих барвників (табл. 2). Наведені дані свідчать про те, що розчинність прямого коричневого с/с 2ЧХ і прямого чорного З в електроактивованій воді значно вища, ніж у воді технічній. Розчинність прямого синього с/с збільшується не значно.

Таблиця 2

Дослідження розчинності прямих барвників

Прямі

барвники | Коефіцієнт екстинкції

розчинів барвників | Розчинність, г/дм3

вода технічна | католіт | аноліт | вода технічна | католіт | аноліт

Синій с/с | 0,0081 | 0,090 | 0,128 | 23,2 | 24,0 | 27,2

Коричневий с/с 2ЧХ | 0,087 | 0,151 | 0,111 | 24,8 | 44,0 | 32,0

Чорний З | 0,015 | 0,140 | 0,130 | 13,6 | 88,0 | 81,6

Таким чином, результати спектрофотометричного аналізу і висновки з визначення розчинності прямих барвників свідчать, що імовірність переходу молекул барвників у збуджений стан в електроактивованій воді збільшується.

3.7. Визначення реологічних властивостей загусників при застосуванні електроактивованої води. Досліджено реологічні властивості загусників на основі манутекса RS, ламальгіна G-5, ламіпринта SCT-90, які було приготовлено в католіті з рН=100,5. Концентрація загусників становила 2,5 %. (рис. 8).

У лужному середовищі католіту з альгінатними загусниками відбуваються істотні структурні зміни. На ступінь набрякання загусника в католіті позитивно впливають іони кальцію, наявність яких відповідає 1,8-2,0 мг/дм3. Установлено, що стійкість досліджуваних загусників, приготовлених в католіті з рН=100,5, значно вища стійкості загусників, приготовлених у дистильованій воді. Коефіцієнт кінетичної стійкості фарб для друку, які в циліндричних шаблонах при друкуванні піддаються напрузі зрушення = 100120 Н/м2 і приготовлені з використанням католіту, наближається до одиниці, тобто загусник стає досить стабільним.

Заміна води технічної, пом'якшеної гексаметафосфатом натрію, на католіт дає змогу інтенсифікувати процес приготування загусників на основі солей альгінової кислоти і поліпшити якість друкування текстильних матеріалів.

У четвертому розділі викладено методологію створення інтенсифікованих технологій фарбування і друкування текстильних матеріалів при використанні активованих водних середовищ.

4.1. Фарбування текстильних матеріалів із целюлозних волокон прямими барвниками. Визначено закономірності інтенсифікації процесів фарбування тканин із віскозних волокон (віскоза ПНШ 11,1 текс) прямими барвниками: синім с/с ЧУ, коричневим с/с 2ЧХ, чорним З при використанні різних водних систем: води пом’якшеної з рН=70,5, католіту з рН=100,5, аноліту з рН=30,5. Вплив електроактивованої води на величину термодинамічної спорідненості прямих барвників до віскозного волокна визначався за формулою:

,

де зміна вільної енергії системи при переході барвника із фарбувального розчину у фазу волокна, кДж/моль;

концентрація іонів натрію та аніонів барвника у розчині, моль/дм3;

концентрація іонів натрію та аніонів барвника на волокні, моль/кг;

zi – заряд аніона барвника;

V – ефективний об’єм волокна, дм3/кг;

R – універсальна газова стала ( R=8,314 Дж / 0Кмоль);

Т – абсолютна температура, 0К.

Результати визначення спорідненості прямих барвників до віскозного волокна подано в табл. 3, які свідчать про те, що спорідненість на 15-22% вища при використанні католіту.

Враховуючи результати спектрофотометричного аналізу, які свідчать про збудження стану прямих барвників в електроактивованих водних середовищах, зріст спорідненості прямих барвників до віскозного волокна при використанні католіту і аноліту, слід вважати, що має місце прямий зв’язок між спорідненістю прямих барвників до віскозного волокна та інтенсивністю поглинання світових променів фарбувальними розчинами. Встановлена закономірність дає можливість прогнозувати умови для інтенсифікації процесів фарбування текстильних матеріалів із гідратцелюлозних волокон прямими барвниками при використанні електроактивованих водних систем. Застосування католіту з рН=100,5 дозволяє відмовитися від добавок хімічних реагентів, які використовуються для створення лужних умов фарбування.

Таблиця 3

Спорідненість прямих барвників до віскозного волокна

при використанні різних водних систем

Прямі барвники | Крр 103,

моль/дм3 | Величина спорідненості до волокна, кДж/моль

вода пом’якшена | католіт | аноліт

синій с/с ЧУ | 3,2 | 15,4 | 18,6 | 17,7

коричневий с/с 2 ЧХ | 6,5 | 16,5 | 20,1 | 18,0

чорний З | 6,5 | 17,1 | 20,6 | 18,9

Примітка: Крр – концентрація барвника у ванні, моль/дм3.

У роботі розроблялися ресурсозберігаючі технології фарбування текстильних матеріалів прямими барвниками при використанні сольових дренажних стоків водопідготовки котелень (ДСВК).

ДСВК являють собою розчини з вмістом хлориду натрію 10 г/дм3, загальна твердість яких становить 110 мг-екв/дм3.. Висока концентрація солей твердості ускладнює задачу їхнього використання при фарбуванні. Процес осадження солей твердості здійснювався вапняно-содовим методом і оптимізувався шляхом ущільнення осаду при різних температурах, а також підбором гідроциклонів.

Отримані технологічні розчини, вміст хлористого натрію в яких становив 10 г/дм3, рН=101,5, загальна твердість не перевищувала 1-1,5 мг–екв/дм3, були апробовані в процесах фарбування бавовняних тканин арт. 5065 прямими барвниками.

Дифузія барвника в пори набряклого волокна здійснюється в лужному середовищі ДСВК і цілеспрямована зміна стану прямих барвників у середині волокна обґрунтовується зміною температурного режиму. На відміну від типових технологічних режимів, дотримання яких потребує підтримки температури фарбування текстильних матеріалів із целюлозних і гідратцелюлозних волокон прямими барвниками на рівні 950С, необхідна інтенсивність забарвлення текстильних матеріалів у розроблених технологіях з використанням ДСВК досягалася при температурі 800С. Після досягнення стану рівноваги в системі фарбувальний розчин – субстрат і повного фарбування елементарних волокон барвник фіксувався усередині волокна шляхом збільшення температури на нетривалий період відповідно до залежності:

,

де 0 – теплота сорбції, кДж/моль;

0 – ентропія сорбції, кДж/моль,

оскільки відомо, що в міру насичення активних центрів волокна аніонами барвника й утворення полімерних шарів теплота сорбції знижується.

З цією метою процес фарбування було розбито на два етапи, які проводилися за такими температурними режимами: 1=800С, 1=45 хв., 2=950С, 2=15 хв. Модуль ванни 50.

Заміна води пом'якшеної на підготовлені технологічні розчини ДСВК дала змогу зменшити температуру фарбування, скоротити вихідну концентрацію барвника у ванні й одержати зразки пофарбованої тканини, відповідні еталону. За одержаними результатами досліджень відпрацьовано принципову схему використання дренажних стоків водопідготовки котелень для фарбування тканин із целюлозних волокон прямими барвниками.

4.2. Фарбування текстильних матеріалів із целюлозних волокон кубовими барвниками. Встановлене раніше зменшення асоціативної здатності молекул кубових барвників в електроактивованій воді дозволяє інтенсифікувати процеси фарбування бавовняних тканин цими барвниками. Ефективність використання електроактивованих водних середовищ при фарбуванні бавовняних тканин кубовими барвниками визначалася шляхом вимірювання коефіцієнтів відбиття зразків пофарбованих тканин (табл. 4).

Таблиця 4

Зміна інтенсивності забарвлення зразків тканини кубовими барвниками

Кубові барвники | , нм | Коефіцієнт відбиття забарвлених зразків, %

вода пом'якшена | католіт | аноліт

жовтогарячий КХД | 520 | 18,01 | 12,67 | 14,21

яскраво-фіолетовий КД | 560 | 10,06 | 7,42 | 7,97

золотисто-жовтий КХД | 600 | 6,09 | 5,81 | 6,28

яскраво-зелений СД | 680 | 9,35 | 7,17 | 7,41

синій ОД | 640 | 8,29 | 6,04 | 6,04

Установлено, що, за винятком кубового золотисто-жовтого КХД, при використанні електроактивованих водних систем коефіцієнт відбиття забарвлених зразків тканини зменшується, тобто інтенсивність забарвлення збільшується.

4.3. Дослідження впливу електроактивованої води на процес фіксації активних і дисперсних барвників при друкуванні тканин. Використання католіту для приготування загусників на основі альгинату натрію та друкарських фарб із активних барвників (на прикладі активного зеленого 2ЖТ)