螯合剂亚氨基二琥珀酸四钠（IDS）在纸浆H2O2漂白中的应用研究

董俊晶　万金泉　马邕文　王艳　王祥槐

摘 要：以桉木浆和蔗渣浆为原料，研究了亚氨基二琥珀酸四钠（IDS）作为螯合剂在纸浆H2O2漂白中的应用。通过单因素实验，以及在此基础上设计的正交实验，分别得出了IDS作为桉木浆、蔗渣浆H2O2漂白预处理段螯合剂的最佳使用条件。结果表明，IDS作为桉木浆H2O2漂白预处理段螯合剂的最佳使用条件为：温度60℃，时间50 min，IDS用量0.3%；IDS作为蔗渣浆H2O2漂白预处理段螯合剂的最佳使用条件为：温度70℃，时间60 min，IDS用量0.8%。在本实验IDS螯合最优条件下，与EDTA对比发现，IDS的螯合效果与EDTA相当，且IDS易生物降解，无二次污染，具有一定的优势。

关键词：桉木浆；蔗渣浆；H2O2漂白；螯合剂；亚氨基二琥珀酸四钠

中图分类号：TS745

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254.508X.2018.06.003

Abstract：The application of imino disuccunate（IDS） as chelating agent in H2O2 bleaching of eucalyptus pulp and bagasse pulp was studied. Through single factor and orthogonal experiment， the optimum conditions for the use of IDS as the chelating agent for H2O2 bleaching pretreatment of eucalyptus pulp and bagasse pulp were obtained. The results showed the optimun conditions of IDS application for the eucalyptus pulp bleaching pretreatment were： temperature 60℃， time 50 min， IDS dosage 0.3%；for bagasse pulp H2O2 bleaching pretreatment， the optimum conditions were： temperature 70℃，time 60 min， IDS dosage 0.8%. In comparison with EDTA， the chelating effect of IDS was similar， but IDS was easy to be biodegraded without causing secondary pollution.

Key words：eucalyptus pulp； bagasse pulp； hydrogen peroxide bleaching； chelating agent； imino disuccunate（IDS）

全無氯（TCF）漂白是制浆造纸工业漂白技术的发展趋势，H2O2作为TCF漂白纸浆工艺的主要漂白剂，其漂白效率高、漂后的纸浆具有较高的白度及稳定性、纤维损伤程度小且环境友好[1]，但H2O2漂白在实际应用中存在许多问题，如漂白过程中H2O2发生自身分解，过渡金属离子加快H2O2的分解速率及过渡金属离子与木素结合成二次发色基团，影响漂后浆白度的提高，导致漂白效率的降低以及生产成本的增加[2.3]。

螯合剂的作用是螯合剂与金属离子结合形成稳定的环状结构，防止金属离子被纸浆吸收，从而抑制过渡金属离子对H2O2的分解作用。漂白前进行螯合处理可以有效地阻止过渡金属离子对H2O2的无效分解作用，提高漂白效率[4]。目前，广泛采用乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五醋酸（DTPA）作为H2O2漂白的螯合剂[5]。EDTA在水环境中属于特别难以降解的化合物，但它能将重金属离子从固体物质中转移至水溶液中，扩大了这些有毒金属的危害范围和周期[6]。DTPA的使用有可能是诱导癌症的因素，对人体的健康不利[7]。Jones 等人[8]研发了一种新型的氨基酸基螯合剂亚氨基二琥珀酸四钠（IDS），并发现IDS有很强的螯合过渡金属离子的能力和良好的溶解性。Helena Hyvnen等人[9]研究表明，IDS对Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+具有良好的螯合能力。Reineeke等人[10]研究表明，IDS毒性低，可被生物降解，用于纸浆的H2O2漂白能够克服传统EDTA、DTPA螯合剂的缺点。

本实验以桉木浆、蔗渣浆为原料，探讨了IDS作为螯合剂在桉木浆、蔗渣浆H2O2漂白处理段的最佳使用条件，并与常规螯合剂EDTA、DTPA用作纸浆H2O2漂白的效果进行了比较。

1 实 验

1.1 实验原料

实验室自制硫酸盐桉木浆，制备工艺参数如下：用碱量17%（以Na2O计），硫化度25%，液比1∶4，最高温度165℃，升温时间100 min，保温时间100 min，蒸煮后的纸浆经洗涤、筛选后于密封袋中平衡水分备用，所得浆料的卡伯值17.3，白度31.0%。

实验室自制蔗渣浆，制备工艺参数如下：NaOH用量15%，蒽醌用量0.05%，液比1∶4.5，最高温度155℃，升温时间120 min，保温时间40 min，蒸煮后的纸浆经洗涤、筛选后于密封袋中平衡水分备用，所得浆料的卡伯值15.4，白度43.3%。

1.2 药品及仪器

H2O2（30%溶液）购自成都联合化工试剂有限公司；NaOH（分析纯）购自南京化学试剂股份有限公司；Na2SiO3·9H2O、MgSO4·7H2O、EDTA，均为分析纯，购自广州化学试剂厂；IDS（固含量34%）购自山东远联化工有限公司；水平式旋转蒸煮器（KRK 2611，日本）、Messmer Somerville筛浆机（S401700001，德国）、数显恒温水浴锅（HH.4，中国）、快速卤素水分测定仪（HX204，瑞士）、手动抄片器（MESSMER255，美国）、白度仪（L&W Elrepho 070，瑞典）、抗张强度仪（L&W CE062，瑞典）、撕裂度仪（L&W 009，瑞典）、耐破度仪（L&W CE180，瑞典）。

1.3 实验方法

1.3.1 螯合处理（Q）

螯合处理段固定浆浓5%，每次取绝干浆15 g，探究螯合温度、螯合时间及螯合剂用量对H2O2漂白的影响，确定适宜的螯合处理工艺条件。

1.3.2 H2O2漂白（P）

H2O2漂白工艺条件：H2O2用量3%，NaOH用量2%，Na2SiO3用量3%，MgSO4用量0.05%，漂白温度70℃，漂白时间120 min，浆浓10%，每次取绝干浆10 g。漂白后把充分洗涤的浆料转入封口密封袋中，平衡水分后供浆料特性分析使用。

1.3.3 检测与分析

纸浆漂白得率X（%）按公式（1）计算[11]：

X=m2m1×100%（1）

式中，m1为漂白前绝干浆质量，g；m2为漂白后绝干浆质量，g。

氧气的检测：漂白反应前，将已封口的密封袋卷好放入200 mL量筒中，加水至一定刻度（水要没过密封袋），记下所加水的体积V1；漂白反应后以同样的方法把已经冷却至室温的样品袋放入同一量筒中，加水至相同刻度，记录所加水的体积V2。根据二者的体积差（V1.V2）算出反应过程中漂液H2O2无效分解生成的氧气量[12]。

按照 TAPPI 標准 T205sp—02的要求，采用手动抄片器抄造手抄片。纸浆白度按GB/T 17749—1999的要求进行检测；纸浆抗张强度按照GB/T453—2002的要求进行检测；纸浆耐破度按照GB/T454—2002的要求进行检测；纸浆撕裂度按照GB/T455—2002的要求进行检测。

2 结果与讨论

2.1 桉木浆H2O2漂白

2.1.1 桉木浆单因素实验

2.1.1.1 螯合温度对桉木浆H2O2漂白的影响

螯合温度对桉木浆H2O2漂白的影响见图1。螯合温度变化范围为40～100℃，其他工艺条件为：螯合时间60 min，浆浓5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图1可知，在40～100℃范围内，螯合温度变化对纸浆不透明度的影响不大。当螯合温度小于55℃时，H2O2漂白氧气生成量随着温度的升高而升高，当螯合温度达55℃时，氧气生成量达到最大值，即此时H2O2的无效分解最为剧烈，当超过55℃时氧气生成量明显减少。当螯合温度小于70℃时，桉木浆的白度随着螯合温度的升高而升高，当螯合温度高于70℃时，桉木浆白度随螯合温度变化不大。综上，确定较优螯合温度为70℃。

2.1.1.2 螯合时间对桉木浆H2O2漂白的影响

螯合时间对桉木浆H2O2漂白的影响见图2。螯合时间变化范围为20～100 min，其他工艺条件为：螯合温度70℃，浆浓5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图2可知，在20～100 min范围内，螯合时间的变化对纸浆不透明度的影响不大。氧气生成量在20～100 min内呈现先升高后下降的趋势，并在60 min时达到最大值，即此时H2O2的无效分解最为剧烈。在20～100 min范围内，桉木浆白度基本随着螯合时间的增加而提高，但变化幅度并不大，变化范围在1%之内。对于得率来说，螯合时间在40～80 min内，桉木浆的得率差别不大。综上，确定较优螯合时间为40 min。

2.1.1.3 螯合剂（IDS）用量对桉木浆H2O2漂白的影响

IDS用量对桉木浆H2O2漂白的影响见图3。IDS用量的变化范围为0～2.5%，其他工艺条件为：螯合时间60 min，螯合温度70℃，浆浓5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图3可知，IDS用量从0增加到0.5%，氧气生成量大幅度降低，即H2O2的无效分解减少，同时桉木浆白度得到明显提升；当继续增加IDS用量时，桉木浆的不透明度随着IDS用量的增加产生略微的降低，而白度随着IDS用量的增加略微升高，但升高幅度并不大。同时在IDS用量为0.5%时，桉木浆具有最佳的得率。综上，确定IDS较优用量为0.5%。

2.1.2 桉木浆正交实验

根据单因素实验的结果，桉木浆螯合处理正交实验设计如表1所示。正交实验结果及分析如表2和表3所示，图4为因素指标分析效应曲线图。

由表2、表3和图4可知，对白度的影响因素主次顺序是：C>A>B，即螯合时间>IDS用量>螯合温度，最优方案是C3A1B3；对氧气生成量的影响因素主次顺序是：B>C>A，即螯合温度>螯合时间>IDS用量，最优方案是B2C2A2；对得率的影响因素主次顺序是：B>C>A，即螯合温度>螯合时间>IDS用量，最优方案是B1C3A3。通过分析影响白度、氧气生成量和得率的主次因素顺序，可以看出螯合温度（B）是影响氧气生成量和得率的最主要因素，而对于白度而言则是最次要的因素，因此本着降低能耗的原则，选取B1作为最优条件；对于白度而言，螯合时间（C）是主要因素，反应时间越长，则白度值越高，而对于氧气生成量和得率而言，螯合时间（C）则排在第二位，因此选取C3作为最优条件；IDS用量（A）是影响氧气生成量和得率的最次要因素，对于白度而言，IDS用量（A）排在第二位，取A1或样品白度/%不透明度/%得率/%氧气生成量/mL抗张指数/N·m·g耐破指数/kPa·m2·g.1撕裂指数/mN·m2·g.1A3纸浆白度差别不大，因此介于对成本的考虑，选择A1为最优条件。

综合上述分析，最优方案为B1C3A1，即螯合温度60℃、螯合时间50 min、IDS用量0.3%。

2.1.3 桉木浆对比实验

在IDS用量0.3%，螯合时间50 min，螯合温度60℃，浆浓5%条件下，将IDS与EDTA进行对比实验，实验结果如表4所示。

从表4可以看出，桉木浆原浆白度为31.0%，未螯合处理漂白浆白度为55.6%，经IDS或经EDTA螯合处理，漂白浆的白度分别达到60.8%和63.5%。与未螯合处理漂白浆相比，经IDS和EDTA螯合处理后漂白浆白度分别提高9.6%和14.2%，变化较显著，而不透明度、耐破指数则差别不大。另外，與未螯合处理漂白浆相比，经IDS或经EDTA螯合处理后的漂白浆得率、抗张指数、撕裂指数有略微的下降，这表明螯合处理会在一定程度上降低纸浆手抄片的抗张强度、撕裂强度。从表4可以看出，与未螯合处理漂白浆相比，经螯合处理后漂白浆的氧气生成量有所下降，表明经螯合处理后，H2O2无效分解减少，提升了H2O2漂白的效率。通过对比IDS和EDTA螯合处理的漂白浆发现，两者在不透明度、耐破指数、撕裂指数方面差别不大，经IDS螯合处理后的漂白浆具有较高的得率及抗张指数，但白度低于经EDTA螯合处理的漂白浆，因此，经IDS和EDTA螯合处理的漂白浆在各项性质表现方面各有优劣。

2.2 蔗渣浆H2O2漂白

2.2.1 蔗渣浆单因素实验

2.2.1.1 螯合温度对蔗渣浆H2O2漂白的影响

螯合温度对蔗渣浆H2O2漂白的影响见图5。螯合温度变化范围为40～100℃，其他工艺条件为：螯合时间60 min，浆浓5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图5可知，在40～100℃范围内，随着螯合温度的升高蔗渣浆不透明度呈先上升后下降的趋势，并在70℃时达到最大值；氧气生成量基本上是随着螯合温度的提高而增加，在55℃时，有一个较明显的提升；70℃和85℃时蔗渣浆白度较高，超过85℃后蔗渣浆白度下降幅度较大；蔗渣浆得率在40℃及100℃时较低，在55～85℃范围内，蔗渣浆得率差值基本控制在2%范围内。综上，确定较优螯合温度为70℃。

2.2.1.2 螯合时间对蔗渣浆H2O2漂白的影响

螯合时间对蔗渣浆H2O2漂白的影响见图6。螯合时间变化范围为20～100 min，其他工艺条件为：螯合温度70℃，浆浓5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图6可知，在20～100 min范围内，螯合时间的变化对纸浆不透明度的影响不大；螯合时间小于60 min时，氧气生成量随着螯合时间的增加而减少，表明H2O2的无效分解有所降低，螯合时间大于60 min时，氧气生成量增加。另外，螯合时间对白度的影响不大，变化范围维持在1%左右；螯合时间为60 min时纸浆得率最高。综上，确定较优螯合时间为60 min。

2.2.1.3 螯合剂（IDS）用量对蔗渣浆H2O2漂白的影响

IDS用量对蔗渣浆H2O2漂白的影响见图7。IDS用量的变化范围为0～2.5%，其他工艺条件为：螯合时间60 min，螯合温度70℃，浆浓5%。H2O2漂白段工艺条件同1.3.2。

由图7可知，IDS用量从0增加到2.5%，不透明度变化不大；H2O2氧气生成量即H2O2的无效分解在IDS用量1%时最少，继续增加IDS用量，氧气生成量随着IDS用量的增加而增加；添加IDS后纸浆的得率下降，但IDS用量的变化对纸浆得率影响不大；在IDS用量从0到2.0%范围内，蔗渣浆白度表现出先增加后降低的趋势，并且峰值出现在1%处。综上，确定较优IDS用量为1%。

2.2.2 蔗渣浆正交实验

根据单因素实验的结果，设计蔗渣浆的正交实验表如表5所示。正交实验结果及结果分析分别见表6和表7，因素指标分析效应曲线图如图8所示。

由表6、表7和图8可知，对白度的影响因素主次顺序是：A>C>B，即IDS用量>螯合时间>螯合温度，最优方案是A1C2B3；对氧气生成量的影响因素主次顺序是：C>B>A，即螯合时间>螯合温度>IDS用量，最优方案是C1B3A1；对得率的影响因素主次顺序是：C>B>A，即螯合时间>螯合温度>IDS用量，最优方案是C3B2A1。通过分析影响白度、氧气生成量和得率的主次因素顺序，可以看出反应时间（C）是影响氧气生成量和得率的最主要因素，而对于白度而言，则排在第二位，C2对于氧气生成量取C1或C2差别不大，对于得率取C3最好，因此本着降低能耗的原则，因此选取C2作为最优条件；IDS用量（A）对于白度、氧气生成量及得率3个指标而言，都是取A1最好，因此选择A1；反应温度（B）是影响白度的最次要因素，是氧气生成量和得率第二位的影响因素，对于氧气生成量而言，取B3最好，对于得率取B2最好，因此本着降低能耗的原则，选取B2作为最优条件。

综合上述分析，最优方案为A1C2B2，即IDS用量0.8%、螯合时间60 min、螯合温度70℃ 。

2.2.3 蔗渣浆对比实验

在实验所获得的IDS最佳使用条件的基础上，与常规螯合剂EDTA进行对比实验。EDTA用量0.3%，螯合时间50min，螯合温度60℃。实验结果如表8所示。

从表8可以看出，蔗渣浆白度为43.3%，未螯合处理漂白浆白度为65.6%，经IDS或EDTA螯合处理后漂白浆白度分别达到68.0%和67.4%，与未螯合处理漂白浆相比白度分别提高3.2%和2.8%。将螯合处理与否的漂白浆对比，三者在不透明度方面基本无差别；通过氧气生成量可知，经螯合处理的漂白浆氧气生成量有所下降，表明经螯合处理后再进行H2O2漂白，漂白段H2O2无效分解在一定程度上有所缓解，提升了H2O2漂白的效率。从表8的物理性能指标可以看出，螯合处理与否的漂白浆在抗张指数、耐破指数、撕裂指数方面均优于原浆；经IDS或EDTA螯合处理的纸浆具有类似的抗张指数、耐破指数、撕裂指数，且均高于未螯合处理的。

3 结 论

以漂白硫酸盐桉木浆和蔗渣浆为原料，研究了螯合剂亚氨基二琥珀酸四钠（IDS）在纸浆H2O2漂白预处理段的最优条件，并与传统螯合剂EDTA螯合效果进行对比，分析了纸浆的物理性能。

3.1 螯合剂IDS在桉木浆H2O2漂白螯合处理段的最佳工艺条件为：螯合温度60℃，螯合时间50 min，IDS用量0.3%；蔗渣浆螯合处理段最佳工艺为：IDS用量0.8%，螯合时间60 min，螯合温度70℃。

3.2 对于桉木浆和蔗渣浆而言，IDS与传统螯合剂EDTA对比发现，IDS的螯合效果与EDTA相当，且IDS易生物降解，环境友好，具有一定的市场开发潜力。

參 考 文 献

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（责任编辑：董凤霞）