专利名称：Lyocell纤维的溶剂回收方法
技术领域：
本发明涉及一种用于纤维制程的溶剂的回收方法，特别是涉及一种Lyocell纤维的溶剂回收方法。
背景技术：
Lyocell纤维由天然纤维素制成，因此，其废弃物可自然降解而不会造成环保问题，此外，Lyocell纤维还具有接近合成纤维的物理机械强度，并有悬垂性佳、手感厚实、触感舒适、吸湿性好、容易染色，容易与其它材质的天然纤维或合成纤维混纺等特性，且质感与加工性俱佳，为一种具有高性能与高附加价值的纤维制品。参阅图1，现有的Lyocell纤维制程主要分为调浆、溶解、纺丝及水洗等步骤，其中，调浆是在木浆中加入正-氧化甲基吗琳(N-Methyl Morpholine N-Oxide，简称为NMM0) 溶剂以进行纤维素的溶解，经过纺丝即可再生得到Lyocell原丝，再经水洗作业洗除残留在原丝内的NMMO溶剂，就能制得Lyocell长纤丝成品。由于NMMO溶剂具有无毒、无臭、高沸点等特性，使得以NMMO为溶剂的Lyocell纤维制程相较于一般合成纤维的制程，更符合安全环保的需求。然而，NMMO溶剂价格昂贵， 考虑到工业化生产的经济效益，通常会将NMMO回收循环再使用，且其回收率可达99. 5%以上，借此，能有效避免向外排放废水所造成的污染问题，使Lyocell纤维成为名符其实的绿色环保纤维。虽然目前已有在Lyocell制程中回收NMMO溶剂的技术，但为了再进一步降低制造成本进而增加Lyocell纤维的价格竞争力，仍有持续开发使用更精简的设备与程序，且能达到较佳效率的回收方法的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够自纤维制程的水洗液中回收溶剂供重复使用，并能够以较精简的设备与程序改善回收效率的Lyocell纤维的溶剂回收方法。本发明的Lyocell纤维的溶剂回收方法，包含下列步骤一、脱色，将所收集的Lyocell纤维制程的水洗液引导至一脱色槽，并在该水洗液中添加具有吸附性与悬浮性的活性碳粉末，再以鼓风混合吸附与静置悬浮吸附交替地进行的方式使水洗液与活性碳充分混合，以增进活性碳粉末的吸附效率；二、过滤，依序以粗滤及超过滤(Ultrafiltration，简称为UF)的二阶段过滤方式滤除脱色完成的水洗液中的活性碳与杂质成分，分别以粗滤滤除脱色处理时所添加的活性碳粉末及大粒径的杂质及以超过滤滤除小粒径的杂质；三、浓缩，采用机械式蒸汽再压缩浓缩法与三效蒸汽浓缩法的其中一种方式移除该水洗液中的水分，以分别获得不含溶剂的冷凝水液及含有正-氧化甲基吗琳溶剂的浓缩液。较佳地，该回收方法还包含一步骤四，步骤四是精制，为在经浓缩处理所获得的浓缩液中添加一氧化剂，以使该浓缩液中微量的甲基吗琳(N-MethylMorpholine，简称为 NMM)被氧化为正-氧化甲基吗琳，并于氧化反应完成时，添加一还原剂中和未反应而残留在该浓缩液中的氧化剂的氧化性，就能获得具有高纯度的正-氧化甲基吗琳溶剂的回收液。较佳地，在步骤一中，每次进行鼓风混合吸附与静置悬浮吸附的时间比例为 1 3 1 6，且进行脱色处理的总时间小于等于8小时。较佳地，在步骤一中，所添加的活性碳粉末的剂量为该水洗液总量的0. 05wt% 0. IOwt %。较佳地，在步骤二中，用滤芯式过滤器进行粗滤，且在该滤芯表面还预先涂布有助滤剂，并在脱色完成的未滤液中也添加预定量的助滤剂，该助滤剂包括依预定比例相混合的硅藻土与纤维素。较佳地，在步骤二中，添加在该未滤液中的助滤剂含量为0.03wt% 0.05wt%， 且该助滤剂中的硅藻土与纤维素的混合比例为4 1。较佳地，在步骤二中，粗滤后的滤渣残液经离心脱水后，能够再回收使用。较佳地，在步骤二中，粗滤所用滤材的滤孔孔径为1 μ m 100 μ m，超过滤所用滤材的滤孔孔径为0. 01 μ m 1 μ m。较佳地，在步骤三中，该浓缩液中的正-氧化甲基吗琳溶剂的浓度为50wt % 55wt%。较佳地，在步骤四进行精制处理时所用的氧化剂为H2O2，所用的还原剂为
N2H4 · H2O。较佳地，在步骤四中，该浓缩液中的甲基吗琳在温度80°C 士2°C的环境下与氧化剂反应，进而被氧化为正-氧化甲基吗琳。本发明的有益效果在于能够先利用脱色与过滤去除水洗液中的杂质，再通过浓缩处理移除水洗液中的水分以使水洗液中的溶剂浓度达到预定的浓度标准，就能获得符合使用需求的回收液，前述回收处理的程序相当精简有效，配合使用的设备也不复杂而容易取得，加上该回收方法还适用于大产量纤维制程的水洗液回收，使本发明的设备成本、回收效率与回收液品质皆具有竞争力，而极具实用价值并能符合环保需求。
图1是现有Lyocell纤维制程的流程图；图2是本发明Lyocell纤维的溶剂回收方法的一个较佳实施例与Lyocell纤维制程相配合的一流程图；图3是一示意图，说明在该较佳实施例的一个脱色步骤中，在一个脱色槽中添加活性碳粉末并对应设置一部鼓风机。图中101.脱色；102.过滤；103.浓缩；104.精制；21.脱色槽；22.鼓风机； 23.定时开关；3.水洗液；4.活性碳粉末。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图2，本发明Lyocell纤维的溶剂回收方法的一个较佳实施例，用于回收 Lyocell纤维制程所产生的大量且含有低浓度NMMO溶剂的水洗液，Lyocell纤维制程主要包含调浆、溶解、纺丝及水洗四个处理步骤，该纤维制程产生的水洗液中除了含有用于溶解纤维素原料的NMMO溶剂外，还有微量的NMM，NMM是NMMO在溶解纤维素的过程中，因加热造成NMMO裂解所形成的。该回收方法的较佳实施例包含下列步骤。步骤101是脱色，由于Lyocell纤维制程的溶解步骤伴随加热以增进溶解效率，但加热溶解会产生着色现象使该水洗液中出现色素杂质，因此需对回收的水洗液进行脱色。 配合参阅图3，将所收集的Lyocell纤维制程的水洗液3弓丨导至一个脱色槽21内，并在该水洗液3中添加具有吸附性与悬浮性的活性碳粉末4，再以鼓风混合吸附与静置悬浮吸附交替地进行的方式使水洗液3与活性碳粉末4充分混合，以增进活性碳粉末4的吸附效率。鼓风混合吸附是利用一部鼓风机22的叶片转动，将空气加压打入该脱色槽21中， 以搅动水洗液3使其与活性碳粉末4充分混合，并通过一个定时开关23控制鼓风机22的启动与暂停，并通过重复地启动与暂停，达到交替地进行鼓风混合吸附与静置悬浮吸附的目的，每次进行鼓风混合吸附与静置悬浮吸附的时间比例为1 3 1 6，且进行脱色处理的总时间小于等于8小时，在本实施例中，脱色处理的时间设定在8小时。利用交替地开启与关闭该鼓风机22，一方面可通过鼓风机22的运转使活性碳粉末4与水洗液3充分混合而加速吸附脱色速度，另一方面通过静置悬浮吸附则可节省能源，且仍然能通过充分分散的活性碳粉末4达到吸附脱色效果。其中，较佳地，所添加的活性碳粉末4的剂量为该水洗液 3 总量的 0. 05wt%~ 0. IOwt % ο步骤102是过滤，依序以粗滤及超过滤(Ultrafiltration，简称为UF)的二阶段过滤方式滤除脱色完成的水洗液中的活性碳与杂质成分，粗滤所用滤材的滤孔孔径为 1 μ m 100 μ m，主要用于滤除在脱色处理时所添加的活性碳粉末及大粒径的杂质，超过滤所用滤材的滤孔孔径为0.01 μπι Ιμπι，主要则是用于滤除小粒径的杂质。经超过滤后的滤液的清净度可达到新鲜溶剂的水准。其中，用滤芯式过滤器进行粗滤，较佳地，为了改善及增进过滤速度，在该滤芯过滤器的滤芯表面预先涂布有助滤剂，并在脱色完成的未滤液中也添加0. 03wt% 0. 05wt%的助滤剂，该助滤剂包括依预定比例相混合的硅藻土与纤维素，且该助滤剂中的硅藻土与纤维素的混合比例较佳为4 1。借涂布及添加助滤剂有助于增加过滤面积，并能有效避免活性碳粉末累积在滤芯最外层而阻塞滤芯或减缓过滤速度。值得说明的是，粗滤完成后，被滤除的滤渣残液可再经离心、脱水处理，脱水后的滤渣中的助滤剂仍有助滤效果，且可再回收使用一次。其中，脱水后的滤渣中除了含有助滤剂外，也有活性碳粉末，因此，使用时须先将外表活性碳粉末较多的部分刮除，再将剩下的滤渣回收使用。步骤103是浓缩，在本实施例中，将该水洗液中的NMMO溶剂浓度由6. 5wt % 8. Owt^浓缩到50wt% 55wt%，由于每生产1吨的纤维产品所形成的水洗液需浓缩除水 90吨才能使浓缩液中的溶剂浓度符合预定的使用需求，因此，相较于其它处理步骤，浓缩的负荷极大。浓缩处理时，可依纤维产量的多少选用机械式蒸汽再压缩(mechanical vapor recompression，简称为MVR)浓缩法与三效蒸汽浓缩法的其中一种方式移除该水洗液中的水分，并分别获得不含有NMMO溶剂的冷凝水液，及含有NMMO溶剂的浓缩液。该浓缩液的浓度与市售的该类NMMO溶剂浓度相同，因此，经后续步骤处理后能够直接用于Lyocell纤维制程的调浆步骤，并继续供溶解纤维素原料使用，该冷凝水液同样可回收并再用于Lyocell 纤维制程的水洗步骤以洗除附着在原丝内的溶剂与杂质。借此，使该纤维制程产生的水洗液可被全部回收，而相当环保。其中，三效蒸汽浓缩法是将三个蒸发器串联运行的蒸发操作程序，用于使蒸汽热得到多次利用，从而提高热能的利用率，多用于水溶液的处理。在三效蒸汽浓缩法的操作流程中，第一个蒸发器(称为第一效)是以生蒸汽作为加热蒸汽，其余两个(分别称为第二效、第三效)均以其前一效的二次蒸汽作为加热蒸汽，借此，可大幅度减少生蒸汽的用量。 由于每一效的二次蒸汽温度总是低于其加热蒸汽，因此，采用三效或多效蒸汽浓缩法时，蒸发时各效的操作压力及溶液沸腾温度会沿蒸汽流动方向依次降低。根据实际操作结果，三效蒸汽浓缩法每除水1吨约需蒸汽用量0. 5吨，蒸汽消耗高，但电力消耗小，适合纤维产量较小的制程的水洗液的回收使用。MVR浓缩法是指利用涡轮发动机的增压原理、经特殊流体设计而组成的蒸汽机械增压式蒸馏浓缩系统的简称。这种流程系统，将使密闭容器内经初期电加热生成的废水蒸汽，在通过涡轮发动机时被再压缩增压而形成107°C的高压气体。这种增压气体，可作为再生热源而循环应用于水洗液的继续连续蒸发，且在循环传热过程中也能使增压气体本身得以迅速被冷却和冷凝、直至成为洁净的冷凝水液，还可以在这种洁净的冷凝水液排出过程中利用其残热对流入的水洗液再进行热交换。MVR浓缩法的流程系统，只需在蒸馏初期对该水洗液电加热使其升温至蒸汽温度以上，后续蒸馏浓缩所需要的能源，主要可通过该系统独有的增压蒸汽及其特殊流体设计而获得，并使该水洗液最终得以高倍数蒸馏而达到浓缩减量目的。MVR浓缩法每除水1吨所需蒸汽用量仅约0. 003吨 0. 03吨，蒸汽消耗低，但电力消耗稍大，较适合纤维产量大的制程水洗液的回收使用。虽然三效蒸汽浓缩法或MVR浓缩法若持续运作，能使水洗液浓缩到70wt% 80wt%的高浓度，但NMMO溶剂浓度只需50wt% 55wt%就能符合纤维制程的使用规格，为了节省能源，不需再提高该水洗液的浓缩浓度。步骤104是精制，在经浓缩处理所获得的浓缩液中添加一氧化剂，以使该浓缩液中微量的甲基吗琳(NMM)被氧化为正-氧化甲基吗琳(NMMO)，并于氧化反应完成时，借由添加一还原剂中和未反应而残留在该浓缩液中的氧化剂的氧化性，就能获得具有高纯度的 NMMO的回收液。其中，自该浓缩液中取样并用电位滴定法测定氧化还原的结果，进而决定氧化齐IJ、还原剂的添加量终点。虽然原来新鲜的NMMO溶剂中就含有浓度小于0. 06wt%的NMM，但在Lyocell纤维制程中仍有一小部分的NMMO会因加热裂解成NMM，若该浓缩液未经过精制处理而存有较多的NMM，当再回收使用时对纤维素原料的溶解性较差，容易在该纤维制程的纺丝步骤中造成塞网及断丝等阻碍纺丝效率的情形，且制出的纤维产品的物性，例如强度也会降低，因此， 为避免回收使用影响到纤维产品的品质，除了需浓缩达到预定的浓度外，还要再通过精制步骤，让NMM氧化成ΝΜΜ0，以提高NMMO的纯度并减少损耗。在本实施例中，经浓缩处理后未精制前的浓缩液中的NMM含量范围为0. Iwt % 0. 3wt%。在本实施例中，进行精制处理时所用的氧化剂为H2O2，所用的还原剂则是 N2H4^H2O (hydrazine hydrate)，且NMM在温度80°C 士2°C的环境下与氧化剂反应，进而被氧化为ΝΜΜ0。将反应温度设定在此条件的主要考虑是假如温度太高，则该浓缩液中的NMM及 H2O2容易裂解或挥发，且容易造成氧化还原反应太激烈及浪费能源，若温度太低则氧化还原反应效果差导致精制效率降低。氧化剂氧化NMM的化学反应方程式如下
80oC
C5H11NO + H2O2 ~2hi~~、C5H11NO2 + H2O (NMM)(NMMO)而还原剂和未反应的氧化剂反应的化学反应方程式则如下N2H4 · H20+2H202 — 5H20+N2通过前述方程式，可先检测该浓缩液中的NMM含量，再依NMM/H2A的反应摩尔比粗略估计H2A的添加量，为了确保几乎所有的NMM都能被氧化，H2O2的添加量会比实际与NMM 反应的量多，氧化反应完成后，再以还原剂N2H4 · H2O还原消耗掉过量的H2O2，由前述两个化学方程式可看出，虽然在该浓缩液中分别添加氧化剂与还原剂，但反应完成后的产物除了 NMMO外，还有水与氮气，氮气可直接逸散到大气中，水则成为精制后的回收液的一部分，在该回收液中不会因为添加其它化学反应产物造成回收液出现其它杂质，使浓缩液经精制处理后确实能成为具有高纯度NMMO的回收液，且不会在回收使用时对纤维产品的品质造成不良影响。值得说明的是，在制造过程中的实际应用的验证结果，显示经本发明回收方法而获得的回收液中，NMMO的回收损耗率仅在0. 5%以下，回收效果较现有回收方法中NMMO的回收率丝毫不逊色，极具实用价值。归纳上述，本发明Lyocell纤维的溶剂回收方法，可具备下述的功效及优点，故能达到本发明的目的一、本发明利用脱色与过滤去除水洗液中的杂质，并通过浓缩处理移除水洗液中的水分以使水洗液中的溶剂浓度达到预定的浓度标准，最后，再通过精制程序提高该浓缩液中的NMMO纯度，就能获得符合使用需求的回收液，循序进行前述程序，就能将水洗液再回收为纤维制程的原料，且过程中被移除的大量水分也可回收至纤维制程水洗步骤中重复使用，因此，通过本发明的回收方法能使纤维制程排出的大量水洗液完全回收，大量减少排放到环境中的废弃物，也能借由回收水洗液中的NMMO溶剂大幅降低产品的原物料成本，使本发明具有能节省成本且符合环保需求的特性。二、本发明回收方法的程序较精简且能有效地一一移除水洗液中的杂质与多余的水分，配合使用的设备也具有容易取得与方便安装使用的特性，并适用于大产量纤维制程的水洗液的处理，因而能达到有效率回收水洗液的结果，再借由精制处理以回收高纯度的溶剂，能有效避免回收再使用时对纤维产品的品质造成不良影响，也使纤维产品更具有市场竞争性，因此，本发明能以精简有效的程序与设备，提供高品质的回收液，且回收成本低、 回收效率佳，而极具实用价值及经济效益。
权利要求
1.一种Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于该回收方法包含下列步骤一、脱色，将所收集的Lyocell纤维制程的水洗液引导至一个脱色槽，并在该水洗液中添加具有吸附性与悬浮性的活性碳粉末，再以鼓风混合吸附与静置悬浮吸附交替地进行的方式使水洗液与活性碳粉末充分混合，以增进活性碳的吸附效率；二、过滤，依序以粗滤及超过滤的二阶段过滤方式滤除脱色完成的水洗液中的活性碳与杂质成分，分别以粗滤滤除脱色处理时所添加的活性碳粉末及大粒径的杂质，及以超过滤滤除小粒径的杂质；三、浓缩，采用机械式蒸汽再压缩浓缩法与三效蒸汽浓缩法的其中一种方式移除该水洗液中的水分，以分别获得不含溶剂的冷凝水液及含有正-氧化甲基吗琳溶剂的浓缩液。
2.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于该回收方法还包含一步骤四，步骤四是精制，为在经浓缩处理所获得的浓缩液中添加一氧化剂，以使该浓缩液中微量的甲基吗琳被氧化为正-氧化甲基吗琳，并于氧化反应完成时，添加一还原剂中和未反应而残留在该浓缩液中的氧化剂的氧化性，就能获得具有高纯度的正-氧化甲基吗琳溶剂的回收液。
3.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤一中，每次进行鼓风混合吸附与静置悬浮吸附的时间比例为1 3 1 6，且进行脱色处理的总时间小于等于8小时。
4.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤一中，所添加的活性碳粉末的剂量为该水洗液总量的0. 05wt% 0. 10wt%。
5.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤二中，用滤芯式过滤器进行粗滤，且在该滤芯表面还预先涂布有助滤剂，并在脱色完成的未滤液中也添加预定量的助滤剂，该助滤剂包括依预定比例相混合的硅藻土与纤维素。
6.根据权利要求5所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤二中，添加在该未滤液中的助滤剂含量为0. 03wt % 0. 05wt %，且该助滤剂中的硅藻土与纤维素的混合比例为4 1。
7.根据权利要求6所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤二中，粗滤后的滤渣残液经离心脱水后，能够再回收使用。
8.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤二中，粗滤所用滤材的滤孔孔径为1 μ m 100 μ m，超过滤所用滤材的滤孔孔径为0. 01 μ m 1 μ m。
9.根据权利要求1所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤三中，该浓缩液中的正-氧化甲基吗琳溶剂的浓度为50wt% 55wt%。
10.根据权利要求2所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤四进行精制处理时所用的氧化剂为H2O2，所用的还原剂为N2H4 · H2O0
11.根据权利要求10所述的Lyocell纤维的溶剂回收方法，其特征在于在步骤四中， 该浓缩液中的甲基吗琳在温度80°C 士2°C的环境下与氧化剂反应，进而被氧化为正-氧化甲基吗琳。
全文摘要
一种Lyocell纤维的溶剂回收方法，是先将所收集的Lyocell纤维制程水洗液引导至一个脱色槽，并使用活性碳粉末悬浮脱色后，以粗滤及超过滤的二阶段过滤方式滤除经脱色的水洗液中的活性碳与杂质，接着，以机械式蒸汽再压缩浓缩法与三效蒸汽浓缩法的其中一种方式移除该水洗液中的水分，以获得具有符合纤维制程用的溶剂浓度的回收液。由于回收程序精简，配合使用的设备不复杂并容易取得，且适用于大量低浓度水洗液的回收，使本发明在回收成本、回收效率与回收液品质上都有竞争性，具有实用与环保的特性。
文档编号D01F13/02GK102234852SQ20101015144
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者周文东, 赖明毅, 黄坤山 申请人:聚隆纤维股份有限公司