curs nr.13-tratamente in dioxid de carbon supercritic

7/26/2019 Curs Nr.13-Tratamente in Dioxid de Carbon Supercritic

1/10

1

UTILIZAREA DIOXIDULUI DE CARBON SUPERCRITIC

N FINISAREA MATERIALELOR TEXTILE

1. Definirea strii supercritice

Dup cum se tie, gazele pot fi lichefiate. Dac se comprim sistemul,

meninnd temperatura constant, presiunea va crete pn la un punct determinat.

Din acest punct, o nouscdere a volumului nu va produce o cretere a presiunii ci o

lichefiere a unei pri a fazei gazoase la presiune constant. Pe msur ce

comprimarea avanseaz, deci scade volumul, va crete i proporia fazei lichide a

sistemului. Cnd volumul este micorat pnn punctul la care substana a trecut n

ntregime n stare lichid, o noucomprimare conduce la o cretere foarte sensibila

presiunii, deoarece lichidele au o compresibilitate foarte sczut. Izoterma CE din

figura 1 se numete izoterm critic, iar temperatura corespunztoare, temperatur

critic/1/.

Fig. 1. Diagrama p-V

Starea corespunztoare lui Vc, pc, Tc se numete stare critic sau punct

critic(Pc) a sistemului. Toate aceste mrimi se verific nsnumai sub temperatura

critic. Deasupra acestei temperaturi, prin comprimarea sistemului depind


2/10

2

presiunea critic se trece n stare supercritic, stare caracterizat prin proprieti

deosebite. /2-6/.

Un fluid supercritic poate fi caracterizat cel mai bine cu ajutorul diagramei de

fazp-T, i este prezentat n figura 2.

Fig.2. Diagrama p-T

Pt- punctul triplu;

Pc- punctul critic

Conform acestei diagrame, prin depirea presiunii i temperaturii critice, fluidul

trece n stare supercritic.

Prin fluid supercritic se nelege substana aflat la temperatura superioar

temperaturii critice i care prin comprimare peste presiunea critictrece ntr-o stare

numitsupercritic. n stare supercritic, nu existo delimitare ntre faza lichidi

cea gazoas. n aceste condiii fluidul se gsete distribuit omogen n tot volumulntocmai ca un gaz.

Constantele unor substane potenial utilizate n diverse tratamente n condiii

supercritice sunt prezentate n tabelul nr.1.

Valorile unor constante ale fluidelor supercritice comparativ cu cele ale fazei

gazoase i lichide sunt prezentate n tabelul nr 2 .

Se observcdensitatea este similarcu cea a lichidelor, n timp ce viscozitatea estesczut, apropiatde cea a gazelor.


3/10

3

Tabelul nr. 1. Constante fizice ale unor substane

Nr.

crt.

Substana Punct de

fierbere

Datele punctului ctitic

(0C)(1atm) Temperatura,

0C

Presiunea,

atm

Densitatea,

g/cm3

1 CO2 -78,5 31,3 72,9 0,448

2 NH3 -33,4 132,3 111,3 0,24

3 Ap 100 374,4 226,8 0,334

4 Etanol 78,4 243,4 63 0,2765 Etan -88 32,4 48,3 0,203

6 n-Propan -44,5 96,8 42 0,220

7 Triclorfluormetan 23,7 196,6 41,7 0,554

8 Clortrifluormetan -81,4 28,8 39,0 0,58

9 Eter etilic 34,6 193,6 36,3 0,267

Tabel nr.2. Valori orientative ale unor constante fizice pentru cele trei faze

Faza gazoas Faza lichid Faza de fluid supercritic

Densitatea(g/cm ) 10- 1 0,6

Coeficientul de

difuzie(cm2.s-1)

10-1 5.10-6 10-3

Viscozitatea (g/cm-1.s-1) 10-4 10-2 10-4

Tinnd seama att de considerente tehnice ct i de cele referitoare la

mediul nconjurtor, cea mai bun alegere pentru utilizare n finisarea materialelor

textile ar fi aceea a dioxidului de carbon(CO2). Dioxidul de carbon este netoxic, nu

este inflamabil, disponibil frlimite din surse naturale (vulcani), sau din procesele

fermentaie i de combustie, fr a fi nevoie s se producun nou gaz i poate fi

reciclat n sistem nchis. De asemenea, dioxidul de carbon este un solvent bun


4/10

4

pentru molecule puin polare sau nepolare a cror masa molecular variazn jurul

valorii de 400./7,8/

2. Posibiliti de utilizare a dioxidului de carbon supercritic n finisarea

materialelor textile

Utilizarea dioxidului de carbon supercritic n diverse procese este

recomandat din punct de vedere ecologic i toxicologic este curat i de

asemenea se gsete n cantiti mari. Prin aceast tehnologie se nlocuiete apa,

din ce n ce mai scumpi mai dificil de tratat dup impurificare, cu un mediu de

finisare ieftin i practic inepuizabil. Primele procese industriale care utilizeazCO2

supercritic au aprut de mai mult timp n industria alimentar (de exemplu la

extracia cofeinei din cafea sau a nicotinei din tutun)./5/.

Pentru prima datn domeniul finisrii chimice textile s-a ncercat utilizarea

dioxidului de carbon supercritic la vopsirea cu colorani de dispersie a fibrei

poliesterice. n cazul acestei tehnologii, coloranii de dispersie sunt efectiv

solubilizai, situaie care nu apare n cazul cnd vopsirea se efectueaz n mediul

apos. Drept consecin a viscozitii mai reduse, comparativ cu cea a apei, a

dioxidului de carbon supercritic, utilizarea ca mediu de vopsire deschide perspective

noi n ceea ce privete difuzia colorantului, circulaia flotei i gradul de penetrare a

colorantului n materialul textil. O prim consecin o constituie posibilitatea

realizrii vopsirii la durate reduse. Un alt aspect deosebit de important l constituie

faptul c, la sfritul procesului tinctorial, materialul textil este complet uscat,

renunarea la o faz energofag cum este uscarea duce la reducerea consumului de

energie.

Dacavantajele ecologice sunt certe, cele economice sunt greu de apreciat, din

cauza condiiilor speciale pe care le reclammediul de finisare, i anume presiunea

naltde pnla 250 bar.

n stare supercritic, proprietile fizice precum viscozitatea, densitatea,

coeficientul de difuziune, puterea de dizolvare, sunt determinate de presiune i


5/10

5

temperatur. Spre deosebire de solvenii lichizi, viscozitatea fluidelor supercritice

este similarcu cea a fazei gazoase. Datoritviscozitii reduse, fluidul supercritic

este mai uor transportat n sistemul de pori i canale al fibrei i/sau mnunchiurilor

de fibre. Capacitatea dioxidului de carbon de a dizolva molecule corespunde

aceleia a solvenilor de micpolaritate, cum ar fi n-hexanul. Ca i n cazul altor

proprieti, capacitatea de a dizolva a dioxidului de carbon poate fi determinat

prin alegerea presiunii i temperaturii potrivite. n contrast cu vopsirea n mediul

apos, unde colorantul se transportde cele mai multe ori spre fibrsub form de

micele, din care este apoi dispersat sub form molecular, n cazul fluidelor

supercritice colorantul este transportat direct sub form de dispersie molecular.

Datorit acestui fapt nu se formeaz agregate de colorant care se depun pe

suprafaa fibrei, efect ntlnit n mediul apos, i deci dupvopsire nu sunt necesare

tratamente reductive pentru ndeprtarea colorantului fixat superficial la suprafaa

fibrei.

Coeficienii de difuzie ai moleculelor dizolvate n fluidul supercritic, cum

sunt cele de colorant, sunt mult mai mari dect n cazul lichidelor.

Viscozitatea sczut a fluidelor supercritice precum i proprietile foarte

bune de difuzie i de dizolvare a coloranilor, conduce la o penetrare uoari

uniformn fibr a acestora, fr utilizarea unor procedee speciale de intensificare

a transferului de mas. /9-14/.

Vopsirea materialelor textile n mediu de dioxid de carbon supercritic se face pe

instalaii cu autoclave ce lucreazla presiune nalt(fig.3.)

O asemenea instalaie poate lucra n siguranpnla presiunea de 500 bari

i temperatura de 3500C. Dioxidul de carbon din rezervorul 8 este comprimat la 45-

60 bari i transportat n autoclava de vopsire. Autoclava este prevzut cu un

sistem de temostatare. La atingerea temperaturii de lucru, dioxidul de carbon este

comprimat prin intermediul unui compresor cu piston 4, realizeazndu-se presiunea

dorit n interior. Autoclava de vopsire este echipatcu o celulde observare din


6/10

6

safir. Colorantul se introduce n autoclav, sub formde praf, pe la partea inferioar..

Prin sistemul de agitare al autoclavei se realizeazo uniformizare a amestecului de

colorant i dioxid de carbon. n timpul vopsirii presiunea se menine constant.

Dup vopsire fluidul din autoclava este transferat n rezervorul 9 dupcare urmeaz

decompresia acesteia, rezultnd astfel material vopsit.

Fig.3. Schema unei instalaii de vopsire n mediu de dioxid de carbon supercritic

1-autoclava de vopsire; 2- celula de observare; 3- compresor cu membran; 4-

compresor cu piston; 5-regulator de presiune; 6- supap de siguran; 7-filtru; 8-

recipient cu dioxid de carbon gazos; 9-rezervor cu dioxid de carbon lichid

Primele ncercri de vopsire s-au fcut pe material textil din poliester de 10-

25 cm pe o instalaie de laborator cu o capacitate a autoclavei de 300 cm3. Primii

colorani utilizai au fost cei de dispersie care nu conineau ageni de dispersare.

S-au utilizat i ali colorani cu o polaritate mai mare obinndu-se culori pastel. Au

fost sinterizai de ctre Ciba-Geigy, colorani speciali utilizai n acest procedeu de

vopsire. Ulterior cercetrile s-au extins, reuindu-se vopsirea att a microfibrilelor


7/10

7

din poliester ct i a fibrelor poliamidice, elastomere i acetat. De asemenea, p-

aramidele ce nu pot fi vopsite clasic, acum sunt vopsite n mediu de dioxid de

carbon supercritic cu rezultate bune.

n ceea ce privete fibrele hidrofile (lna, bumbacul, inul,etc), cercetrile

privind vopsirea n mediu de dioxid de carbon sunt abia la nceput.Totui s-a

reuit vopsirea acestora, dup ce n prealabil au fost pretratate cu diverse

substane.

n noul sistem de vopsire, temperatura i presiunea sunt parametri uor de

controlat dar i importani pentru obinerea unor rezultate satisfctoare.

Astfel, creterea temperaturii determino scdere a densitii fluidului, deci o

mrire a coeficientului de difuzie a colorantului n fibr. Astfel pentru presiune

constant(250 bari), la temperaturi cuprinse ntre 80-1400C cantitatea de colorant

adsorbitde fibr se prezintn diagrama din figura 3. Prin creterea n continuare

a temperaturii, cantitatea de colorant adsorbit scade.

Fig.4. Izobara adsorbiei

coloranilor la vopsirea n

dioxid de carbon supercritic

Pentru vopsiri realizate la temperaturconstant(1200C) i diverse presiuni,

peste 180 bari adsorbia colorantului crete rapid (figura 4.).


8/10

8

Fig.5. Izoterma adsorbiei

coloranilor la vopsirea n

dioxid de carbon supercritic

Comparnd cele douprocedee de vopsire , temperaturmai mare de 1000C

(TI) i n fluid supercritic (FSC), curbele de epizare sunt apropiate pentru

majoritatea coloranilor utilizai nsdurata de vopsire n cazul al doilea este cu

mult mai scurt./2/.

n ceea ce privesc rezistenele vopsirilor pe materiale din poliester vopsite

n mediu de dioxid de carbon supercritic, la diveri parametri, rezultatele acestorasunt prezentate n tabelul nr. 3.

Tabelul nr.3. Rezistenele vopsirilor pe materiale din poliester

Presiune

(bari)

Temperatur

(0C)

Durat

(min)

Rezistena

la lumin

Rezistena

la splare

la 400C

Rezistena la

transpiraie

250 120 15 5 5/5/5 5/5/5300 120 15 5 5/5/5 5/5/5

180 120 15 >5 5/5/5 5/5/5

250 160 15 5 5/5/5 5/5/5

250 120 15 5 5/5/5 5/5/5

250 120 60 5 5/5/5 5/5/5

250 120 10 5 5/5/5 5/5/5


9/10

9

Rezultatele experimentale obinute pn n prezent, confirm utilizarea cu

succes a fluidelor supercritice ca mediu de vopsire pentru materiale din fibre

sintetice utiliznd colorani selecionai.

Prima instalaie pentru vopsire n mediu de dioxid de carbon supercritic a

fost construit de specialitii germani i prezentatla ITMA91 de la Hanovra .

Referitor la avantajele utilizrii procedeului de vopsire n mediu de fluid

supercritic, comparativ cu cel clasic n mediu apos, din datele obinute din literatura

de specialitate, se poate afirma ( tabelul nr.4.):

Rezistenele vopsirilor obinute n fluide supercritice sunt cel puin identice

cu cele din mediul apos iar menajarea fibrei este mbuntit, putndu-se vopsi

chiar i materiale neesute.

Pn n prezent s-au construit n Germania instalaii pilot de vopsire cu CO2

supercritic unde s-au finalizat tehnologii privind vopsirea aei de cusut din

poliester, vopsirea fibrelor olefinice, etc.

Faza de dezvoltare i optimizare a acestui procedeu de vopsire trebuie s

clarifice dac aceast nou teghnologie este justificat din punct de vedere

tehnologic i economic pentru nnobilarea materialelor textile.

Tabelul nr.4

Vopsirea clasic(n mediu apos) Vopsirea n mediu de CO2supercritic

Cantiti mari de ap rezidualceconine colorani i auxiliarichimici;

Nu se utilizeaz ap, deci nurezultape reziduale;

Consum energetic mare, pentru

nclzirea flotelor de vopsire, darmai aales pentru uscarea

materialelor;

Consum energetic mai mic cu

circa 80%, deoarece se eliminiuscarea materialelor de dupvopsire;

Durata unei vopsiri (inclusiv

tratamente ulterioare ):3-4 ore

Durata unei vopsiri:1-2 ore

Alte avantaje ale vopsirii materialelor n fluide supercritice ar fi:

nu se utilizeazauxiliari chimici ci numai colorant;


10/10

10

colorantul rezidual este concentrat sub form de pulbere i reutilizat; bioxidul de carbon este reutilizat prin recirculare;

uniformitatea vopsirilor i epuizarea coloranilor este bun;

cheltuieli mici de manoper.n ceea ce privesc dezavantajele acestui nou procedeu de vopsire putemaminti:

investiii mari pentru obinerea instalaiei; presiunea de lucru este foarte mare, deci pericolul apariiei accidentelor crete.

Dioxidul de carbon supercritic poate fi utilizat i n alte operaii din finisareachimictextil cum ar fi: transferarea n fibra stabilizatorilor UV i chiar a parfumurilor; extracia grsimilor de pe lna brut, fiind posibil fracionarea selectiv a

acestora i eliminarea rezidurilor de pesticide, rezultnd astfel lanolinde naltpuritate; utililizarea n pretratamente de avivare-emoliere, obinndu-se fibre ce se pot

prelucra mai uor, etc. utilizarea n operaiile de degresare a bumbacului crud (ndeprtarea cerurilor)

sau a tricoturilor; s-a constatat cextracia cerurilor bumbacului sau a parafineiutilizat la pregtirea firelor pentru tricotare este comparabil cu extraciileefectuate n Soxhlet.

Bibliografie

1.Fermi E., Termodinamica, Editura tiinific, Bucureti 1969, p.69-722.Scheibli P., Schlenker W., Strahm U., Tinctoria, nr.3, 1994, p.455-47

3.Poulakis K., Spee M., Schneider G.M., Knittel D., Buschmann H.I., Schollmeyer E,

Chemiefasern/Textilindustrie, 41/93, 1991, p.142

4. Knittel D., Saus W., Schollmeyer E.,Journ.Text. Instit., 84, 4, 1993, p.534

5. Saus W, Knittel D., Schollmeyer E., Text. Res. Journ., 64, 7, 1994, p.135

6. * * *Melliand Textilberichte, 4, 1995, p.256

7. Knapf K., Schollmeyer E.,Melliand Textilberichte, 68, 1986, p.122

8. Knittel D., Schollmeyer E.,Melliand Textilberichte, 3, 1995, p.201

Beaaate 9. G., Buschmann H.,., Text. Res. Journ., 64, 7, 1994, p.3719. S aus W, Knittel D., Schollmeyer E., Text. Praxis, 47, 1992,p.1052

10. Knittel D., S aus W,.Hoger S., Schollmeyer E.,Melliand Textilberichte, 76,

11.Werthemann, Schlenker W., Beines U., Textil Praxis, 45, 1991, p.932

12. S aus W, Hoger S., Knittel D., Schollmeyer E., Textilveredlung, 28, 1993, p.38

1994, p.388

13. Kraamer L.,Lindustrie textile, nr.1266, 1995, p.44

14.zcan A.S., Clifford A.A., Bartle K.D., Broadbent P.J., Lewis D.M., Journ. Soc.Dyers and Colourist,114, 5/6, 1998, p.169

curs nr.13-tratamente in dioxid de carbon supercritic

Documents