Aplicación de métodos de electro-generación de cloro activo y H2O2 al blanqueo de tejidos de algodón

Abstract

Previamente al ennoblecimiento textil, los tejidos de algodón son sometidos a procesos de preparación (desencolado, descrudado y blanqueo) que consiguen la eliminación de impurezas presentes en la superficie de la fibra. El presente trabajo aborda el estudio del proceso de blanqueo de tejidos de algodón crudo y descrudado, por medio de técnicas electroquímicas. Para ello se han empleado metodologías basadas en la electro-oxidación indirecta, concretamente la electro-generación de cloro activo (o electrocloración) o de H2O2 (a veces denominados electro-peroxidación) en ausencia o presencia de catalizadores de hierro (proceso electro-Fenton). En estos métodos, el agente blanqueante se forma por electrolisis de precursores inocuos (cloruro en el caso de la electro-cloración y oxígeno disuelto en el caso del H2O2), evitando el transporte, almacenaje y manipulación de sustancias peligrosas e inestables, lo que contribuye a mejorar el control, reproducibilidad y seguridad del proceso.

El objetivo principal de esta Tesis Doctoral es el estudio de la influencia de diferentes variables de electrolisis en la evolución del grado de blanco, con el fin de determinar el conjunto de condiciones operacionales más adecuado para obtener un grado de blanco aceptable, considerando además las modificaciones de la estructura y composición química superficial, de la resistencia mecánica de los tejidos y el daño químico de las fibras. Estas propiedades se han analizado mediante espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS), espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier con accesorio de reflectancia total atenuada (FTIR-ATR), microscopio electrónico de barrido (SEM), ensayos de tracción y medida del grado de polimerización.

De la morfología de los tejidos, la microscopía SEM no revela alteraciones significativas tras los tratamientos de blanqueo mediante electro-generación de cloro activo. Los ensayos de XPS revelan que la relación O/C va aumentando con la duración de la electrólisis. Esto es debido a la oxidación/eliminación de impurezas no celulósicas y fenómenos de oxidación superficial, que implican un aumento de la concentración relativa de grupos funcionales de tipo C-O y C-OH. En el tratamiento 'ex situ', el índice O/C aumenta linealmente con el tiempo de proceso. En el tratamiento 'in situ' se observa un aumento brusco de la relación O/C en las fases tempranas de electrolisis y una evolución lineal posterior similar al tratamiento 'ex situ'. El índice O/C es semejante al medido en tejido blanqueados químicos con lejía y sensiblemente inferior al alcanzado en los procesos de descrudado alcalino o blanqueo químico con peróxido.

El FTIR ATR confirma que el tratamiento de electro-cloración implica la eliminación de constituyentes de ceras y grasas de la superficie de las fibras de algodón, material protéico y posiblemente parte de sustancias pécticas y hemicelulosas. El cociente entre la intensidad de la banda de OH asociada al sistema de puente de hidrógeno y la intensidad de la banda de tensión C-H experimenta un aumento similar a la relación O/C determinada por XPS. No se ha logrado identificar ningún pico de fotoemisión o banda vibracional que sirva como diagnóstico del contenido de materia coloreada, ni se ha logrado establecer una correlación clara entre el aumento del grado de blanco del tejido y el cambio de los parámetros cuantitativos relativos a la composición superficial de los tejidos de algodón.

Previ al ennobliment tèxtil, els teixits de cotó són sotmesos a processos de preparació (desencolat, descruat i blanqueig) que aconsegueixen l'eliminació de les impureses presents a la superfície de la fibra. Aquest treball aborda l'estudi del procés de blanqueig de teixits de cotó cru y descruat, mitjançant tècniques electroquímiques. Per a açò s'han emprat metodologies basades en la electro-oxidació indirecta, concretament la electro-generació de clor actiu (O electrocloració) o de H2O2 (de vegades anomenada electro-peroxidació) en absència o presència de catalitzadors de ferro (procés electro-Fenton). En aquests mètodes, l'agent blanquejant es forma per l'electròlisi de precursors innocus (clorur en el cas de l'electro-cloració i oxigen dissolt en el cas del H2O2), evitant el transport, emmagatzematge i manipulació de substàncies perilloses i inestables, el que contribueix a millorar el control, reproduïbilitat i seguretat del procés.

L'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral és l'estudi de la influència de diferents variables d'electròlisi en l'evolució del grau de blanc, amb el fi de determinar el conjunt de condicions operacionals més adequat per a obtenir un grau de blanc acceptable, considerant-se amés les modificacions de l'estructura i composició química superficial, de la resistència mecànica dels teixits, i del dany químic de les fibres. Aquestes propietats s'han analitzat mitjançant espectroscòpia de fotoelectrons emesos per rajos X (XPS), espectroscòpia infraroja b transformada de Fourier amb accessori de reflectància total atenuada (FTIR-ATR), microscopi electrònic d'escombrat (SEM), assajos de tracció i mesura del grau de polimerització.

De la morfologia dels teixits, la microscòpia SEM no revela alteracions significatives després dels tractaments de blanqueig mitjançant electró-generació de clor actiu. Els assajos de XPS revelen que la relació O/C va augmentant amb la durada de l'electròlisi. Aquest fet es deu a la oxidació/eliminació de impureses no cel·lulòsiques i fenòmens d'oxidació superficial, que impliquen un augment de la concentració relativa de grups funcionals del tipus C-O i C-OH. Al tractament 'ex situ', 'l'índex O/C augmenta linealment amb el temps de procés. Al tractament 'in situ' s'observa un augment brusc de la relació O/C a les fases primerenques de l'electròlisi i una evolució lineal posterior similar al tractament 'ex situ'. L'índex O/C es semblant al mesurat a teixits blanquejats químicament amb lleixiu i sensiblement inferior a l'assolit als processos de descruat alcalí o blanqueig químic amb peròxid.

El FTIR ATR confirma que el tractament d'electro-cloració implica l'eliminació de constituents de ceres i greixos de la superfície de les fibres de cotó, material proteic i possiblement part de substàncies pèctiques i hemicel·luloses. El quocient entre la intensitat de la banda OH associada al sistema pont d'hidrogen i la intensitat de la banda de tensió C-H experimenta un augment similar a la relació O/C determinada per XPS. No s'ha aconseguit identificar cap pic de fotoemissió o banda vibracional que serveixi com a diagnòstic del contingut de matèria acolorida, ni s'ha aconseguit establir una correlació clara entre l'augment del grau de blanc del teixit i el canvi dels paràmetres quantitatius relatius a la composició superficial dels teixits de cotó.

Prior to the textile finishing, cotton fabrics are subjected to preparation processes (desizing, scouring and bleaching) in order to remove noncellulosic impurities present on the fiber surface. The present work deals with the study of the bleaching process of raw and scoured cotton fabrics by means of electrochemical techniques. To this end, methodologies based on indirect electro-oxidation have been used, namely the electro-generation of active chlorine (or electro-chlorination) or H2O2 (sometimes called electro-peroxidation) in the absence or presence of iron catalysts (electro-Fenton process). In these methods, the bleaching agent is formed by electrolysis of harmless precursors (chloride in the case of electro-chlorination and dissolved oxygen in the case of H2O2), thus avoiding the transport, storage and handling of hazardous and unstable substances, which contributes to improve the control, reproducibility and safety of the process.

The main objective of this Doctoral Thesis is the study of the influence of different electrolysis variables on the evolution of the whiteness index, in order to determine the most suitable set of operational conditions to obtain an acceptable whiteness index, considering also the modifications of the structure and chemical composition of the surface, of the mechanical resistance of the cotton fabrics and the chemical damage of the fibers. These properties have been analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance accessory (ATR-FTIR), scanning electron microscope (SEM), tensile tests and degree of polymerization.

As to the morphology of the textile cotton fabric, SEM microscopy reveals no significant modifiations after the bleaching treatments by electro-generation of active chlorine. The XPS tests reveal that the O/C ratio increases with the duration of electrolysis. This is attributed to the oxidation/elimination of non-cellulosic impurities and superficial oxidation phenomena, which involve an increase in the relative concentration C-O and C-OH functional groups. In the 'ex situ' treatment, the O/C index increases linearly with the process time. In the 'in situ' treatment an abrupt increase in the O/C ratio in the early stages of electrolysis and a subsequent linear evolution similar to the 'ex situ' treatment are observed. The O/C index is similar to that measured in cotton fabrics treated with bleach, but it is significantly lower than those achieved in alkaline scouring or peroxide chemical bleaching processes.

The ATR-FTIR confirms that the electro-chlorination treatment involves the elimination of constituents of waxes and fats from the surface of cotton fibers, together with proteins and possibly part of pectic and hemicellulosic substances. The ratio of the OH stretching intensity associated with the cellulose hydrogen-bonding system to the C-H stretching intensity undergoes an increase similar to the O/C ratio as determined by XPS. We could not find any any photoemission peak or vibrational band as a diagnostic signal of the content of colored matter; nor has it been possible to establish a clear correlation between the increase in the whiteness index of the bleached cotton fabrics and the change in the quantitative parameters relative to their surface composition.