利用超临界二氧化碳（ScCO?）技术对废弃纺织品进行脱色：设计与优化

本研究提出了一种干式、化学-free的ScCO?技术用于废纺织品脱色，利用未染色的PET织物作为染料吸收剂。通过分析时间、温度、压力和负载比的影响，最佳条件为负载比10:90、120°C、25MPa、60分钟，脱色效率达79-85%，K/S值显著降低，验证了ScCO?的高效性和环保性。

　　
本文聚焦于开发一种基于超临界二氧化碳（ScCO?）的环保型废纺织品脱色技术，重点研究未染色的PET织物作为染料吸收剂对脱色效率的影响机制。研究通过调控时间（10-90分钟）、温度（80-140°C）、压力（17-29MPa）和负载比（10:90-90:10）等关键参数，结合热力学模型验证，系统揭示了ScCO?在废纺织品脱色中的动态行为规律。

### 一、技术背景与问题分析
传统纺织品脱色方法存在化学污染、水资源消耗和纤维损伤等痛点。本文创新性地引入ScCO?技术，其核心优势在于：
1. **环保特性**：无水溶剂系统，无化学添加剂残留，符合循环经济理念；
2. **高效解吸**：CO?超临界状态下具有高扩散性（达液态水10倍）和零表面张力，可突破纤维结晶屏障；
3. **纤维保护**：低温（120°C）操作避免高温降解，纤维机械强度保留率达92%以上。

研究突破点在于开发"双织物协同系统"：将待脱色织物（供体）与未染色同质PET（受体）共同置于ScCO?环境中，通过浓度梯度驱动染料从供体向受体迁移。这种设计实现了：
- 脱色效率与再生纤维颜色可控性同步提升
- 单次处理完成脱色与染色双重功能
- 能耗较传统水洗法降低60%

### 二、实验设计与参数优化
采用实验室级ScCO?系统（25MPa/120°C），设置多因素正交实验方案：
1. **时间梯度**：10-90分钟，发现60分钟达到最佳平衡点，此时供体K/S值降至8.42±0.15，受体达8.11±0.23；
2. **温度响应**：120°C时纤维结晶度降低35%，CO?密度达0.46g/cm3，实现最大染料迁移速率（0.38mg/cm2/min）；
3. **压力调控**：25MPa时CO?密度与染料亲和力最佳匹配，形成0.019的平衡常数，较17MPa时提升47%；
4. **负载比优化**：10:90（供体:受体）时受体K/S值达15.20±0.32，脱色效率达79-85%，较传统方法提升28%。

### 三、关键机制解析
1. **纤维 swelling效应**：
- ScCO?渗透导致PET纤维在120°C时发生玻璃态转变（Tg下降12℃），体积膨胀率达18%；
- 纤维微孔结构暴露，使染料分子扩散距离缩短40%。

2. **相平衡动力学**：
- 染料在ScCO?相与纤维相间达到动态平衡，其平衡常数Keq与CO?密度呈正相关（r=0.82）；
- 发现临界负载比（10:90）时，受体纤维表面吸附位点密度达1.2×101?/cm2，形成最佳扩散场。

3. **分子相互作用**：
- 染料-纤维作用能通过ScCO?密度调节，当CO?密度>0.4g/cm3时，作用能降低32-45%；
- 研究揭示黄光染料（如Golden Yellow 2803）因分子量较小（408g/mol）和极性较低，迁移速率达0.55cm/s，较蓝光染料快2.3倍。

### 四、工业化应用潜力
1. **经济效益**：
- 单吨废纺织品处理成本降低至$120，较传统臭氧法（$250）和化学法（$180）更具竞争力；
- 再生纤维强度（MD=580MPa）达到原生PET标准（MD=590MPa）。

2. **技术扩展性**：
- 开发模块化ScCO?反应器（处理量500kg/h），投资回报周期缩短至2.5年；
- 可集成染料回收系统，实现98%染料回收率（Terasil Royal Blue SC）。

3. **环保效益**：
- 单批次处理减少CO?排放量15.2kg，相当于种植2.3棵冷杉；
- 染料回收率提升至82%，减少年化染料消耗量（全球纺织业）达2.7万吨。

### 五、模型验证与改进方向
1. **Peng-Robinson模型**：
- 预测Keq时AARD达27-32%，误差主要来自未考虑：
- 染料分子在纤维表面的吸附-解吸滞后效应
- ScCO?相中染料分子簇形成（临界浓度>0.5% o.w.f.）

2. **模型优化建议**：
- 引入温度修正项（ΔT=±5°C补偿热膨胀误差）
- 增加二元相互作用参数（kij=0.012-0.018）
- 开发动态压力补偿算法（±2MPa波动范围）

### 六、技术局限性
1. **设备要求**：
- 需定制耐高压（32MPa）的不锈钢反应器（厚度≥6mm）
- 温度控制精度需达±0.5°C

2. **材料限制**：
- 对含金属配合物的染料（如 Rexan Black 5000）处理效率降低40%
- 涤纶混纺（>20%尼龙含量）时脱色率下降至65%

### 七、产业应用路径
1. **预处理阶段**：
- 开发pH响应性预处理剂（降低纤维表面能15%）
- 实施纤维表面微孔化处理（孔径2-5μm）

2. **核心处理单元**：
- 多级逆流接触系统（级数≥3）
- 动态压力补偿装置（压力波动±1.5MPa）

3. **后处理优化**：
- 采用微波辅助解吸（功率300W，处理时间2min）
- 纳米涂层技术（纤维表面疏水化，接触角>110°）

### 八、延伸研究建议
1. **多组分系统**：
- 研究多染料共存在ScCO?中的分配行为
- 开发智能响应型吸附剂（如pH/温度 dual-responsive）

2. **生命周期评估**：
- 建立全流程碳足迹模型（覆盖纤维预处理至再生）
- 评估再生纤维在汽车内饰等高端应用场景的力学性能衰减

3. **过程强化**：
- 研发微波辅助ScCO?（MA-ScCO?）技术
- 探索微通道反应器（尺寸50μm）的传质强化效应

本研究为建立"脱色-染色-再生"闭环系统提供了关键技术支撑，其核心创新在于通过ScCO?介导的纤维间染料迁移，突破传统脱色必须高温高压的局限。经中试放大（10→100吨/日）验证，处理成本可控制在$180/吨，设备投资回收期缩短至4年，为纺织行业循环经济转型提供了切实可行的技术路线。