Thomas Bechtold und Wolfgang Schrott

Viele textilchemischen Behandlungen basieren auf Redoxreaktionen. Wichtige Beispiele für solche Verfahren sind das Färben mit Küpenfarbstoffen, zu denen auch Indigo gehört, die Färbung mit Schwefelfarbstoffen und die reduktive Spaltung von Azofarbstoffen zu deren Entfärbung. Oxidationsreaktionen werden beim Bleichen von Textilien eingesetzt.
Bei allen diesen Verfahren werden entsprechend hohe Mengen an Reduktions- bzw. Oxidationsmitteln eingesetzt, deren Folgeprodukte nach der Anwendung mit dem wässrigen Behandlungsbad ins Abwasser gelangen.
Wichtige Reduktionsmittel sind Na₂S₂O₄, Formaldehydsulfoxylate und Hydroxyaceton, auch Natriumsulfid und Glucose kann zum Einsatz gelangen. Wichtigstes Oxidationsmittel ist Wasserstoffperoxid, für einen besonderen Bereich, die Jeansbleiche, kommt jedoch nach wie vor Natriumhypochlorit zum Einsatz.

Elektrochemische Verfahren ermöglichen, nicht regenerierbare Reduktions-/Oxidationsmittel durch regenerierbare Redoxsysteme zu ersetzen, die in den Prozess zurückgeführt werden können. Die realen Prozessbedingungen erfordern, dass das benötigte Redoxpotential im Färbebad, also auch noch in großer Entfernung von der Elektrode bzw. Elektrolysezelle erzeugt werden kann, daher sind indirekte Elektrolyseprozesse einzusetzen. Bei der indirekten Elektrolyse erfolgt der Aufbau des Redoxpotentials durch ein in Lösung befindliches reversibles Redoxpaar (Mediator). Dieses wird durch einen Elektrolyseprozess laufend regeneriert (Bild 1). Eine wichtige Voraussetzung ist, dass das Redoxpaar in der Lösung eine entsprechende Potentialstabilität aufbauen kann.
Die Auswahl des Redoxsystems richtet sich dabei nach dem Anwendungsfall. In der Tabelle 1 sind wichtige Mediatorsysteme für die indirekte kathodische Farbstoffreduktion zusammengefasst. (Potential vs. Ag/AgCl, 3 M KCl). TEA=Triethanolamin, DGL= D-Gluconat.

Abbildung 1: Indirekte Elektrolyse beim Küpenfärben

Beim Färben mit Küpenfarbstoffen und Indigo erfolgt die Reduktion des dispergierten Farbstoffs in alkalischer Lösung in seine lösliche Leukoform, welche auf das Färbegut aufzieht, und anschließend auf der Ware nach dem Färbeschritt wieder oxidiert wird. Im Bild 1 dargestellt ist das Eisen(II/III)-Triethanolamin-Komplex - System (Fe^III/IITEA), welches durch kathodische Reduktion aus der Fe(III)-Form in die reduzierend wirkende Fe(II)-Form überführt wird. In der Lösung wird der dispergierte Küpenfarbstoff vom Fe(II)-TEA Komplex reduziert. Dabei entsteht die oxidierte Fe(III)-TEA Form, welche nun wiederum an der Kathode reduziert werden kann. Da die anodische Rückoxidation verhindert werden muss, kommen als Elektrolysezellen für die technische Anwendung geteilte Zellen mit Kationenaustauschermembranen als Separatoren zum Einsatz.
Im Färbebad kann der dispergierte Farbstoff nicht ohne das Vorhandensein einer ausreichenden Konzentration an reduziertem Mediator in einem stabilen Reduktionszustand erhalten werden. Daher ist eine Zirkulation des Färbebads durch die Elektrolysezelle erforderlich.
Nach Beendigung des Behandlungsschritts können die Färbebäder regeneriert werden, da das Mediatorsystem beim Prozess nicht verbraucht wird.

Bei einer technischen Realisierung sind verschiedenste Rahmenbedingungen zu berücksichtigen:

Textile Prozesstechnik: Der Färbeprozess liefert ein textiles Produkt als Ergebnis, dessen Qualitätsmerkmale beim Wechsel von der herkömmlichen Technologie nicht nachteilig verändert werden dürfen (Farbegalität, Echtheiten, Farbton, etc.). Da immer Teile des Färbebads in die folgenden Spülbäder gelangen, sind die Kreisläufe nicht vollständig geschlossen, die verwendeten Chemikalien müssen daher abwasserseitig unbedenklich sein.
Elektrochemische Prozesstechnik: Um die Konzentrationen an Mediator möglichst niedrig halten zu können, werden Elektrolysezellen mit hohen Kathodenflächen verwendet. Um die Kosten für Anodenfläche und Membranen zu begrenzen, werden dreidimensionale Kathoden oder Mehrkathodensysteme eingesetzt.

Abbildung 2: Prinzipschema einer elektrochemischen Färbeanlage

Eine vollständige technische Installation besteht aus mehreren Hauptelementen:

• Färbeapparat, der die zu behandelnden Substrate enthält (Garnspulen, Gewebe, etc.)
• Elektrolysezelle zur Erzeugung der Reduktionsleistung. Das Behandlungsbad zirkuliert gleichzeitig durch Zelle und Färbeapparat
• Filtrationseinheit, die einerseits Restfarbstoffe entfernt, andererseits falls notwendig auch die Konzentration des Mediators durch Aufkonzentrierung wieder anheben kann
• Auffang- und Vorratsbehältern für die Wiedergewinnung der Behandlungsbäder.

Abbildung 3: Technische Installation zum elektrochemischen Färben (1 Elektrolysezelle 500 A, 2 Vorratstank, 3 Färbeapparat, 4 Materialträger, 5 Maschinen-Steuerung, 6 Stromversorgung)

Technische Anlagen wurden bisher zum Färben mit Küpenfarbstoffen und Indigo, zur In-situ-Erzeugung von Bleichmitteln und zur reduktiven Abwasserbehandlung (Abwasserentfärbung) in der Textilindustrie installiert.
Besondere Vorteile der Technologie sind im verbesserten ökologischen Profil der Prozesse durch Recycling von Prozesschemikalien zu sehen. Die Regeneration der Reduktionsmittelsysteme führt zu beachtlichen Einsparungen bei Chemikalienkosten und Wasserkosten. Ebenso erlaubt die Überwachung des Prozesses durch Redoxpotentialmessung eine direkte Steuerung des Reduktions-/Oxidationsvorgangs durch Regelung des Zellenstroms. Aufgrund dieser Vorteile wird diese Technologie in Zukunft eine weitere Verbreitung erfahren.