绿色螯合剂亚氨基二琥珀酸的性能及应用研究进展

石莹莹

(三门峡职业技术学院 生化工程系 ， 河南 三门峡　472000)



•综述与述评•

绿色螯合剂亚氨基二琥珀酸的性能及应用研究进展

石莹莹

(三门峡职业技术学院 生化工程系 ， 河南 三门峡472000)

摘要：亚氨基二琥珀酸是一种新型的氨基多羧酸螯合剂，有着很强的螯合过渡金属离子的能力，并具有良好的生物降解性，被称为绿色化学品。由于其优异的环境相容性，近年来被越来越多的工业过程使用。本文综述了近年来亚氨基二琥珀酸的性能及应用研究进展，为其进一步的研究和应用提供参考。

关键词：亚氨基二琥珀酸 ； 性能 ； 应用 ； 进展

目前，大部分表面活性剂都不耐硬水，无论是工业洗涤剂和民用洗涤剂，都大量地使用三聚磷酸钠作助剂。三聚磷酸钠对水中的钙镁离子有优异的螯合作用，有利于洗涤和去污。但三聚磷酸钠进入江河湖海后会造成水体富营养化，使藻类快速生长，导致水质变差和水中缺氧，鱼类无法生存[1-3]。因此人们纷纷研究代磷助剂，目前国内主要采用4A沸石代替三聚磷酸钠制备洗涤剂，但其成本约高20%、效果差，且4A沸石不溶于水，沉积于水道和河床，有可能对下水系统造成新的污染[4-8]。

亚氨基二琥珀酸盐(IDS)是一种新型的氨基酸基螯合剂，有很强的螯合过渡金属离子的能力和良好的溶解性，2001年获得了美国总统绿色化学奖。研究表明[9-11]，IDS具有螯合能力强、易生物降解且符合绿色化学的发展要求等特点，因此具有非常广阔的发展前景。

自1998年德国的Bayer公司开始生产IDS以来，IDS已经商业化了，国内外对于其性能和应用的研究也在不断深入[12-16]，鉴于其良好的生物可降解性，可以预计在不久的将来，会广泛替代现有的螯合剂应用到工业生产的各行各业。本文对目前亚氨基二琥珀酸盐的性能及应用研究现状做一综述，以期为其进一步的研究和应用提供参考。

1IDS的性能研究现状

1.1　螯合性能

为了检验IDS的螯合容量，李静[17]测定了IDS对几种金属离子的螯合值(DC)，并与经典螯合剂EDTA进行了对比，其螯合值见表1。

从表1可知，IDS 对Mn2+、Zn2+、Ca2+等金属的螯合能力基本达到了 EDTA 的水平，有些甚至超过 EDTA，如Cu2+、Fe3+。尽管对Ba2+、La3+、Ce3+等金属的螯合能力还远没有达到EDTA的水平，但因为其优异的生物降解性，所以还有很大的发展前景。

表1　IDS和EDTA的螯合值

螯合剂的稳定常数(K)是衡量螯合剂性能的另一种方法，常用它的对数值来表示(即 lgK)。螯合物的形成是一种平衡反应，以IDS与金属离子Me的螯合过程为例：

其平衡常数为：

其中：K(IDSMe)——螯合物的稳定常数。

lgK值越大，说明螯合剂与金属形成的螯合物越稳定，在一种螯合物溶液中加入另一种螯合剂时，若后加的螯合剂与前螯合物中的金属离子的螯合稳定常数大于前螯合物，则前螯合物中的金属离子会逐渐解离出来，与后加的螯合剂形成更稳定的螯合物。

目前对于IDS的稳定常数已有研究，Hyvönen等[18]报道了IDS螯合Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Mn(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)的稳定常数，德国的贝尔公司也对IDS螯合金属离子的稳定常数进行了全面报道，见表2所示。关于IDS螯合Al3+、Cd2+和Cu2+的动力学数据也已有报道[19-21]。

表2　IDS螯合不同金属离子的稳定常数

从表1可以看出，IDS与Fe3+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等金属离子形成的螯合物的稳定性要优于与其他金属离子形成的螯合物的稳定性。其他几种金属离子所形成螯合物稳定性顺序为：Cr3+>Fe2+>Hg2+>Mn2+>Ca2+>Mg2+。

1.2　生物降解性

IDS有四种同分异构体，分别是 RR′-，SS′-， RS′-和 SR′-IDS 四种。Reinecke等[22]的研究表明，这四种同分异构体的生物降解性是不同的。其中两种同分异构体RS′-和SR′-IDS在少于两天的时间里几乎完全降解，而RR′-和SS′-IDS组成的混合物的降解实验表明，5 d后这两者的混合物降解率超过了50%。

德国贝尔公司的OECD 301E和OECD 302B实验结果表明，OECD 301E实验中IDS 28 d的生物降解率达到了79%，OECD 302B实验中IDS 28 d的生物降解率达到了89%，42 d达到了94%。表明，IDS 不仅降解率高，而且降解速度非常快，基本上7 d之内，80%的有机成分都被破坏掉了，这些都说明他是名副其实的“环境友好”物质。

1.3　毒理学性能

美国贝尔公司对亚氨基二琥珀酸的毒理学性能和生态毒理学性能进行了测定。毒理学数据：急性口服毒性(鼠)，LD50 > 2 000 mg/kg；急性皮肤毒性(鼠)，LD50 (24 h) > 2 000 mg/kg；急性毒性(皮肤刺激性)，水溶液，pH值<11.5，无刺激；皮肤过敏性，水溶液，pH值<11.5，无刺激；亚急性口服毒性(鼠)，NOEC (28 d) 200 mg/kg·d-1；诱变性(艾姆斯氏试验)，无诱发剂作用(体外)，负值；诱变性(微核测定)，无断裂剂作用(体外)，负值。生态毒理学数据：急性毒性(鱼)，LC0 (96 h)82.6 mg/kg；急性毒性(水)EC0 (48 h)84.0 mg/L；藻类植物抑制试验，ErC50 (72 h)94.5 mg/L；细菌抑制试验，EC50 (0.5 h)10 000 mg/L；生物降解性(OECD 301 E)，DOC去除率(28 d)为79%，容易降解；生物降解性(OECD 302 B)，DOC去除率(28 d)为89%。

由以上数据可以得出，IDS 毒性低，无致畸作用，对皮肤刺激性低，对生态系统无毒、无害，是一种环境友好的螯合剂。

2IDS的应用研究现状

由于其优良的螯合性能和降解能力，目前IDS已广泛应用在土壤重金属污染萃取，膜清洗、民用洗涤剂、工业清洗剂、染整工艺、纺织工业、造纸工业、感光材料、陶瓷工艺、土壤重金属污染物的萃取、农业方面的微量元素营养肥[23]，也用作阻垢剂、软水剂和氧漂稳定剂[24]。

2.1　治理土壤重金属污染

由于工业活动的加剧及工业三废的不合理排放，会造成土壤中的微量元素在土壤中的含量过高，从而影响农作物的发育，降低粮食产量，甚至危害人类健康。

目前我国受到重金属污染的耕地近2 000 万hm2，约占总耕地面积的1/5，其中镉污染耕地1.33 万hm2，涉及11个省25个地区；被汞污染3.2万hm2，涉及15个省21个地区。治理土壤重金属污染也迫在眉睫。

植物修复技术是近年来兴起的一门新技术，它是采用超积累植物将土壤中过量的重金属元素大量地富集并搬运转移到植物根部可收割部位和地上茎叶部位(特别是地上部)，从而修复土壤的技术。

Wallace 1974 年首先发现向土壤中添加螯合剂，如 EDTA、NTA 等可以强化植物对重金属的吸收。目前螯合诱导植物修复已成为重金属污染土壤植物修复研究的一个热点。螯合诱导技术[25-26]通过向土壤中施加螯合剂活化土壤中的重金属，增加土壤溶液重金属浓度，强化植物对重金属的吸收，以提高植物修复效率。 Tandy等[27]的研究发现，在 EDTA、NTA、HEDTA、DTPA 等螯合剂中 EDTA 螯合诱导植物提取重金属效果最好，但EDTA螯合剂不易生物降解；IDS 在土壤中螯合金属离子的性能与 EDTA 差不多，对于某些特定的金属而言甚至强于 EDTA，而且具有可降解性，因此有望用于土壤中重金属的萃取。

2.2　织物漂白

棉/亚麻织物漂白的目的主要是去除纤维中的天然色素，提高织物的白度，漂白过程中需要加入漂白剂。张奇鹏等[28]的研究发现，在棉/亚麻织物的漂白中加入IDS，可以有效螯合金属离子，使得其对双氧水的催化分解减轻，从而使织物的白度、毛效、强力均有所增加。宿霞菲等[29]的研究也证实了，IDS能有效地抑制双氧水的分解且可在 40 g/L的碱质量浓度条件下正常使用。

2.3　纸浆漂白

李静等[11]的研究表明，在纸浆漂白时，如果预先加入螯合剂除去大部分过渡金属离子，可以减少H2O2的过快分解。其研究对比了EDTA和IDS作为螯合剂对纸浆漂白作用的影响，结果表明，IDS与EDTA的效果比较接近，但因为IDS优异的生物降解性，故有望用于纸浆的H2O2漂白过程。

2.4　洗涤助剂

使用含有IDS钠盐的清洗剂来清洗聚酰胺纳滤膜上填充的柴油和聚苯醚砜超滤膜上填充的硅油，效果要显著优于不含IDS钠盐的标准清洗剂，如图1所示。

图1　两种不同清洗剂对膜的清洗效果对比

此外，IDS 也可以用于肥皂配方[30]，比没有添加IDS的肥皂去污力更强，主要是因为加入螯合剂可以有效地屏蔽金属离子对洗涤剂洗涤效果的影响。同时IDS也可以用作餐具洗涤剂配方。德国贝尔公司对其作为机洗餐具洗涤剂配方的功效进行了测试，发现相对于其他配方的洗涤剂而言，添加了IDS的洗涤剂在洗涤之后不锈钢表面的沉淀最少，二次洗涤的效率较高。

2.5　微肥

微肥是提供植物微量元素的肥料，像铜肥、硼肥、锰肥、铁肥、锌肥等都称为微肥。传统上对微量元素的补充使用其无机盐形式，如硫酸锌、硫酸亚铁和硫酸锰等，但施肥效率低，易流失，不利于作物吸收，而且由于土壤自身的原因，不但起不到补充微量元素的作用，而且还会造成土壤板结，不利于环境保护和农业可持续发展。因此在平衡施肥中提高微肥的有效性是微肥施用中的一个关键问题。

螯合态多元复合微肥是采用独特的螯合剂与微量元素通过螯合作用而成的新型肥螯合态多元复合微肥，是国家“十五”重点推出的新型肥料之一，它不仅含有农作物必需的氟磷钾等营养元素，而且含有多种微量元素，以金属离子状态存在，具有溶解性好、稳定性好、活性强、易吸收、无污染的特点，目前IDS在微肥中的应用研究已有报导[31]。

3结论

综上所述，IDS对Mn2+、Zn2+、Ca2+等金属的螯合能力基本达到了现有螯合剂的水平，有些甚至超过现有螯合剂，其与金属离子形成的螯合物稳定性也较高； IDS 毒性低，无致畸作用，对皮肤刺激性低；生物降解性能好，具有优异的环境相容性；目前在很多行业都有应用。

鉴于其良好性能，可将其推广应用到更多的领域，代替现有的螯合剂；或将其进行衍生物的合成，得到一些具有多重功能的功能性产品，如螯合性表面活性剂等。

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Research Progress of Performance and Application of Iminodisuccinic Acid

SHI Ying-ying

(Biochemical Engineering Department , Sanmenxia Polytechnic , Sanmenxia472000 , China)

Abstract:Iminodisuccinic acid is a novel amino polycarboxylic acid chelating agent,it has great ability of chelating transition metal ion and good biodegradability,it is called green chemicals.Because of its good enviroment compatibility,it is used more and more widely during industrial processes.The research progress of performance and application in recent years are summarized,it is expected to provide reference for its further research and application.

Key words:iminodisuccinic acid ; performance ; application ; progress

作者简介：石莹莹(1984-)，女，讲师，从事精细化学品的合成与应用工作，E-mail：syy.a@163.com。

收稿日期：2015-02-27

中图分类号：TQ423.31

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2015)06-0007-04