[发明专利]一种不外加媒介和化学还原剂的高浓度靛蓝电化学还原方法

说明书

本发明公开了一种不外加媒介和化学还原剂的高浓度靛蓝电化学还原方法，采用隔膜电解池为反应器，以含靛蓝和靛白的碱性水溶液为阴极液，以碱性水溶液为阳极液，以三维多孔碳基导电材料为阴极，以镍、不锈钢或含镍合金为阳极，将直流或者脉冲电流从阳极到阴极依次经过阳极液、隔膜和阴极液，将阴极液中靛蓝电化学还原成靛白；本发明不使用外加媒介的前提下实现高浓度(≥0.6mol/L)靛蓝高效率(电流密度≥6A/dm²，高电流效率≥71％，转化率≥94％)电化学还原成靛白；还原反应在常压下进行并且不使用氢气；大幅度减小保险粉的用量。

(一)技术领域

本发明涉及一种高浓度靛蓝电化学还原方法，特别涉及一种不外加媒介和化学还原剂的高浓度靛蓝电化学还原方法。

(二)背景技术

靛蓝(I)是一种蓝色粉末，主要用于制作牛仔布的棉纱的染色。由于靛蓝染色的牛仔裤市场的长盛不衰，全球靛蓝的年用量能一直保持在6万吨以上。靛蓝难溶于水，但还原后得到的靛白(II)在碱性水溶液中有很好的溶解性。因此，染色之前需要在碱性水溶中将靛蓝还原为靛白。溶解于碱性水溶液的靛白(金黄色)均匀地吸附到棉纱后接触空气，靛白又能氧化成靛蓝，从而均匀且牢固的染色于棉纱上。

保险粉还原染色法是目前工业上靛蓝染色最主要的方法。图1为其工艺流程及大致物料走向。该工艺存在的主要问题有：(1)保险粉使用量巨大，而保险粉非常不稳定，接触水和(或)空气后会快速分解甚至燃烧，从而释放大量有毒气体；(2)排放的废水含高浓度硫酸盐和亚硫酸液，不仅腐蚀性强而且非常难处理。

为了解决上述问题，很多安全环保型还原剂被用来替代保险粉，例如二氧化硫脲、Rongalit C(BASF)、葡萄糖、α-羟基酮、α-羟基醛等。由于价格过高或影响染色效果等原因，这些安全环保型还原剂都没能在工业上广泛使用。采用催化加氢的方法在碱性水溶液中将靛蓝还原成靛白，能大幅度减少保险粉的用量，可以很好地缓解上述两个问题，但催化加氢需要在高压下进行，且需要使用大量氢气，存在爆炸的风险。因此，目前催化加氢技术用于靛蓝的还原在工业上使用范围也非常有限。

电化学还原是一种既安全又环保的靛蓝还原技术。目前大部分电化学还原技术都只着眼于低浓度靛蓝的还原[ElectrochimicaActa 47(2002)1989-1995；Journal ofApplied Electrochemistry 32:647–651,2002；Journal of Cleaner Production 266(2020)121753；International journal of hydrogen energy 47(2022)27566–27578]，因为低浓度靛蓝的电化学还原技术理论上能实现化学还原剂的完全不使用。遗憾的是，该技术存在电流密度过低(电解设备的使用效率很低)或(和)需要外加媒介(增加成本和影响染色质量)的问题。

(三)发明内容

本发明目的是提供一种不外加媒介和化学还原剂的高浓度靛蓝电化学还原方法，在不使用外加媒介和化学还原剂的前提下实现高浓度靛蓝高效率(高电流密度、高电流效率)电化学还原成靛白，解决了现有技术电流密度或电流效率低或需要外加媒介或需要外加化学还原剂的问题。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种不外加媒介和化学还原剂的高浓度靛蓝电化学还原方法，所述方法采用隔膜电解池为反应器，以含高浓度靛蓝(I)和一定量的靛白(II)的碱性水溶液为阴极液，以碱性水溶液为阳极液，以三维多孔碳基导电材料为阴极，将直流或者脉冲电流从阳极到阴极依次经过阳极液、隔膜和阴极液进行电化学还原反应，将阴极液中靛蓝电化学还原成靛白。

优选的，所述阴极为石墨毡、碳毡或泡沫玻碳，优选石墨毡。阴极的几何面积可以根据反应器的尺寸进行调整，较为合适的厚度范围为1～30毫米，优选3～10毫米。