卷烟纸生产过程中重金属的来源分析与研究

潘高峰 温思茹 王民伟 陈玉香

（牡丹江恒丰纸业股份有限公司，黑龙江牡丹江，157013）

卷烟中的重金属在卷烟烟丝及其辅材中均广泛存在[1]，当卷烟在燃烧时，释放的烟雾中含有数千种化学物质。美国1989年报道的107种卷烟烟气有害成分中就包括砷 （As）、镉 （Cd）、铬 （Cr）、铅 （Pb）、镍 （Ni） 和汞 （Hg）[2]。Hoffmann 名单更将 Ni、Pb、Cd、Cr、As、Se 和 Hg 7 种重金属列为 43 类有害物质中重要的一类有害成分[3]，从而将烟草中的重金属研究提上了更加关注的高度。很多国家已将其列为烟草安全性评价指标和烟草进出口贸易中的检验项目，并对其在烟草中的含量做出严格的限制[4]。

目前国内外的相关研究主要集中在卷烟烟气中重金属元素的分析检测和卷烟抽吸过程中重金属元素向主流烟气中的转移率研究，卷烟材料（如卷烟纸和接装纸）的性质和烟丝、烟用香精香料等方面[4]。卷烟纸作为卷烟的辅料，约占卷烟总质量的5%[5]，尽管所占比例不大，但它是除烟草外唯一参与燃烧的组分，其对卷烟的影响仅次于烟草组分，因此卷烟纸中重金属含量的多少，对卷烟的重金属含量有着重要影响。卷烟纸主要由木材纤维、碳酸钙填料和助燃剂3部分组成[6]，本实验对这3 个重要组成部分重金属含量的情况进行了研究，并对卷烟纸中重金属的来源进行了讨论，以便从源头降低卷烟纸中的重金属含量，为生产安全型卷烟纸提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料

针叶木浆板（CANFOR PULP LTD）、半浆（水力碎浆机碎解4 min）和成浆（盘磨机磨浆后，打浆度86°SR，湿重9 g）；阔叶木浆板（SUZANO TRADING LTD）、半浆（水力碎浆机碎解4 min）和成浆（盘磨机磨浆后，打浆度86°SR，湿重9 g）；碳酸钙、柠檬酸钾、柠檬酸钠、苹果酸钾、苹果酸钠、瓜耳胶、氧化淀粉，以上均取于牡丹江恒丰纸业股份有限公司同一卷烟纸生产线。

1.2 实验仪器

X SeriesⅡICP-MS 电感耦合等离子质谱仪，美国Thermo Fisher。

1.3 实验方法

本实验采用电感耦合等离子质谱法检测卷烟纸中重金属As、Pb、Cd、Cr、Ni含量[7]。

1.3.1 助燃剂中重金属含量的检测

考察卷烟纸中主要助燃剂的重金属含量，包括：柠檬酸钾、柠檬酸钠、苹果酸钾、苹果酸钠。每种助剂抽取3个批次进行重金属含量检测，取平均值。

1.3.2 填料中重金属含量的检测

考察卷烟纸填料的重金属含量，包括1#碳酸钙、2#碳酸钙。每种碳酸钙抽取3 个批次进行重金属含量检测，取平均值。

1.3.3 纤维原料中重金属含量的检测

考察各种纤维原料在打浆各阶段（包括针叶木浆板和阔叶木浆板及针叶木和阔叶木的半浆和成浆）重金属含量的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 卷烟纸助燃剂中重金属含量

卷烟纸助燃剂通常选用有机酸金属盐，如柠檬酸盐、苹果酸盐、乳酸盐和酒石酸盐，其用量占卷烟纸质量的0.5%～3%[7-8]，对于一些快燃卷烟纸，其助燃剂用量达卷烟纸质量的6%。因此，助燃剂中重金属的含量对卷烟纸中重金属含量有一定的影响。柠檬酸钾、柠檬酸钠、苹果酸钾、苹果酸钠为卷烟纸中常用的助燃剂，经过检测，它们仅含有Cr 元素，Cr 元素含量依次为0.30、0.24、0.28 和0.19 mg/kg。因此，助燃剂是重金属Cr元素的来源之一。

2.2 卷烟纸填料中重金属含量

现阶段我国用于造纸的填料种类主要有滑石粉、瓷土、碳酸钙（PCC/GCC）、二氧化钛和氧化铁颜料等，其中碳酸钙是卷烟纸的优良填料[9]。卷烟纸用碳酸钙主要为轻质碳酸钙，其制备原料主要是优质石灰岩或方解石[10]，均为天然矿石。因此，碳酸钙中很有可能含有重金属元素，具体结果见表1。表1 中的1#和2#碳酸钙来自于不同的供应商，均含有重金属元素As、Pb、Cd、Cr、Ni，尤其是重金属元素 Cr 和 Ni 含量较高，其中1#碳酸钙的重金属含量略高于2#碳酸钙。碳酸钙在卷烟纸中的添加量一般为26%～35%，即碳酸钙占卷烟纸质量的1/3，是卷烟纸中第二大组分[8-9,11]。由此可见，碳酸钙中的重金属是卷烟纸重金属的重要来源之一。

表1 碳酸钙中重金属含量Table 1 Heavy metal content of calcium carbonate mg/kg

2.3 卷烟纸纤维原料在打浆各阶段中重金属含量变化

纤维原料为卷烟纸的主要组成部分，一般占卷烟纸的60%～70%。图1和图2分别为针叶木浆和阔叶木浆各打浆阶段重金属含量的变化情况。从图1 和图2可以看出，针叶木浆板和阔叶木浆板中均含有重金属元素Cr 和Ni，针叶木浆板中还含有少量的Pb 元素；针叶木浆和阔叶木浆经水力碎浆机碎解、盘磨机磨浆后，重金属As、Pb、Cd、Cr、Ni 含量均有所提高，尤其是Cr和Ni元素，经盘磨机磨浆后提高幅度较大。据有关文献记载[12]，盘磨机的磨片材料目前使用最多的是镍铬冷硬铸铁，是一种耐磨的镍铬白口铁，成本低、耐磨性好，但容易腐蚀；不锈钢磨片耐腐蚀，但价格昂贵。为了平衡使用寿命和单位成本，目前开发了2 种高Cr 白口铁，即Hi-C 白口铁和K 合金白口铁：Hi-C 白口铁含Cr 25%～26%，K 合金白口铁含铬18%；还有一种材质为镍铬特种合金钢（含碳≤0.3%，含Cr 15.7%～19.5%，含Ni 1.9%～5.4%） 韧性和耐磨性更好。纤维原料经盘磨机磨浆时，通过与磨盘的挤压，可能会有金属元素转移到纤维原料中，造成重金属元素Cr 和Ni 的大幅上升。由此可见，纤维原料本身重金属极低，打浆过程是卷烟纸重金属的另一个重要来源。

图1 针叶木浆在各打浆阶段重金属含量的变化情况Fig.1 Heavy metal content of softwood fiber at different beating stage

图2 阔叶木浆在各打浆阶段重金属含量的变化情况Fig.2 Heavy metal content of hardwood fiber at different beating stage

图3 为助燃剂、填料、打浆过程对卷烟纸重金属含量影响占比。从图3可以看出，对卷烟纸中重金属元素As、Pb、Cr、Ni 含量影响最大的是碳酸钙，其次是打浆过程；对卷烟纸Cr 元素含量影响最大的因素是添加1#碳酸钙，其次是添加2#碳酸钙和打浆过程（阔叶木成浆与针叶木成浆占比之和），助燃剂的影响占比最小。

图3 助燃剂、填料、打浆过程对卷烟纸重金属含量影响占比Fig.3 Impact ratio of heavy metal content of burning agent,filler and beating process

3 结 论

本课题主要对卷烟纸用助燃剂、填料的重金属含量和纤维原料在打浆各阶段重金属含量的变化情况进行了研究，并对重金属来源进行了讨论。

3.1 助燃剂含有少量的重金属元素铬（Cr），是卷烟纸重金属元素Cr的来源之一。

3.2 碳酸钙中含有重金属元素砷（As）、铅（Pb）、镉（Cd）、Cr、镍（Ni），尤其是重金属元素Cr 和Ni含量较高，是卷烟纸重金属元素的主要来源。

3.3 纤维原料本身重金属含量极低，打浆过程是卷烟纸重金属的另一个重要来源。

3.4 从生产安全型卷烟纸的角度出发，要从源头降低卷烟纸中的重金属含量需要采取以下措施：①碳酸钙的采购，针对重金属元素As、Pb、Cd、Cr、Ni制定严格的标准，从而降低卷烟纸中重金属元素的含量；②在卷烟纸的研发过程中所采用的新型助剂及填料，需要对其重金属含量进行检测，以免引入过量的重金属元素；③打浆过程中盘磨机磨片的选型，要充分考虑磨片的材质，尽量减少其对卷烟纸中重金属含量的影响。