螯合劑亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS）在紙漿H₂O₂漂白中的應(yīng)用研究

董俊晶　萬金泉　馬邕文　王艷　王祥槐

摘 要：以桉木漿和蔗渣漿為原料，研究了亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS）作為螯合劑在紙漿H2O2漂白中的應(yīng)用。通過單因素實(shí)驗(yàn)，以及在此基礎(chǔ)上設(shè)計的正交實(shí)驗(yàn)，分別得出了IDS作為桉木漿、蔗渣漿H2O2漂白預(yù)處理段螯合劑的最佳使用條件。結(jié)果表明，IDS作為桉木漿H2O2漂白預(yù)處理段螯合劑的最佳使用條件為：溫度60℃，時間50 min，IDS用量0.3%；IDS作為蔗渣漿H2O2漂白預(yù)處理段螯合劑的最佳使用條件為：溫度70℃，時間60 min，IDS用量0.8%。在本實(shí)驗(yàn)IDS螯合最優(yōu)條件下，與EDTA對比發(fā)現(xiàn)，IDS的螯合效果與EDTA相當(dāng)，且IDS易生物降解，無二次污染，具有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：桉木漿；蔗渣漿；H2O2漂白；螯合劑；亞氨基二琥珀酸四鈉

中圖分類號：TS745

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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）漂白是制漿造紙工業(yè)漂白技術(shù)的發(fā)展趨勢，H2O2作為TCF漂白紙漿工藝的主要漂白劑，其漂白效率高、漂后的紙漿具有較高的白度及穩(wěn)定性、纖維損傷程度小且環(huán)境友好[1]，但H2O2漂白在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題，如漂白過程中H2O2發(fā)生自身分解，過渡金屬離子加快H2O2的分解速率及過渡金屬離子與木素結(jié)合成二次發(fā)色基團(tuán)，影響漂后漿白度的提高，導(dǎo)致漂白效率的降低以及生產(chǎn)成本的增加[2.3]。

螯合劑的作用是螯合劑與金屬離子結(jié)合形成穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，防止金屬離子被紙漿吸收，從而抑制過渡金屬離子對H2O2的分解作用。漂白前進(jìn)行螯合處理可以有效地阻止過渡金屬離子對H2O2的無效分解作用，提高漂白效率[4]。目前，廣泛采用乙二胺四乙酸（EDTA）和二乙烯三胺五醋酸（DTPA）作為H2O2漂白的螯合劑[5]。EDTA在水環(huán)境中屬于特別難以降解的化合物，但它能將重金屬離子從固體物質(zhì)中轉(zhuǎn)移至水溶液中，擴(kuò)大了這些有毒金屬的危害范圍和周期[6]。DTPA的使用有可能是誘導(dǎo)癌癥的因素，對人體的健康不利[7]。Jones 等人[8]研發(fā)了一種新型的氨基酸基螯合劑亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS），并發(fā)現(xiàn)IDS有很強(qiáng)的螯合過渡金屬離子的能力和良好的溶解性。Helena Hyvnen等人[9]研究表明，IDS對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，用于紙漿的H2O2漂白能夠克服傳統(tǒng)EDTA、DTPA螯合劑的缺點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)以桉木漿、蔗渣漿為原料，探討了IDS作為螯合劑在桉木漿、蔗渣漿H2O2漂白處理段的最佳使用條件，并與常規(guī)螯合劑EDTA、DTPA用作紙漿H2O2漂白的效果進(jìn)行了比較。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)室自制硫酸鹽桉木漿，制備工藝參數(shù)如下：用堿量17%（以Na2O計），硫化度25%，液比1∶4，最高溫度165℃，升溫時間100 min，保溫時間100 min，蒸煮后的紙漿經(jīng)洗滌、篩選后于密封袋中平衡水分備用，所得漿料的卡伯值17.3，白度31.0%。

實(shí)驗(yàn)室自制蔗渣漿，制備工藝參數(shù)如下：NaOH用量15%，蒽醌用量0.05%，液比1∶4.5，最高溫度155℃，升溫時間120 min，保溫時間40 min，蒸煮后的紙漿經(jīng)洗滌、篩選后于密封袋中平衡水分備用，所得漿料的卡伯值15.4，白度43.3%。

1.2 藥品及儀器

H2O2（30%溶液）購自成都聯(lián)合化工試劑有限公司；NaOH（分析純）購自南京化學(xué)試劑股份有限公司；Na2SiO3·9H2O、MgSO4·7H2O、EDTA，均為分析純，購自廣州化學(xué)試劑廠；IDS（固含量34%）購自山東遠(yuǎn)聯(lián)化工有限公司；水平式旋轉(zhuǎn)蒸煮器（KRK 2611，日本）、Messmer Somerville篩漿機(jī)（S401700001，德國）、數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH.4，中國）、快速鹵素水分測定儀（HX204，瑞士）、手動抄片器（MESSMER255，美國）、白度儀（L&W Elrepho 070，瑞典）、抗張強(qiáng)度儀（L&W CE062，瑞典）、撕裂度儀（L&W 009，瑞典）、耐破度儀（L&W CE180，瑞典）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 螯合處理（Q）

螯合處理段固定漿濃5%，每次取絕干漿15 g，探究螯合溫度、螯合時間及螯合劑用量對H2O2漂白的影響，確定適宜的螯合處理工藝條件。

1.3.2 H2O2漂白（P）

H2O2漂白工藝條件：H2O2用量3%，NaOH用量2%，Na2SiO3用量3%，MgSO4用量0.05%，漂白溫度70℃，漂白時間120 min，漿濃10%，每次取絕干漿10 g。漂白后把充分洗滌的漿料轉(zhuǎn)入封口密封袋中，平衡水分后供漿料特性分析使用。

1.3.3 檢測與分析

紙漿漂白得率X（%）按公式（1）計算[11]：

X=m2m1×100%（1）

式中，m1為漂白前絕干漿質(zhì)量，g；m2為漂白后絕干漿質(zhì)量，g。

氧氣的檢測：漂白反應(yīng)前，將已封口的密封袋卷好放入200 mL量筒中，加水至一定刻度（水要沒過密封袋），記下所加水的體積V1；漂白反應(yīng)后以同樣的方法把已經(jīng)冷卻至室溫的樣品袋放入同一量筒中，加水至相同刻度，記錄所加水的體積V2。根據(jù)二者的體積差（V1.V2）算出反應(yīng)過程中漂液H2O2無效分解生成的氧氣量[12]。

按照 TAPPI 標(biāo)準(zhǔn) T205sp—02的要求，采用手動抄片器抄造手抄片。紙漿白度按GB/T 17749—1999的要求進(jìn)行檢測；紙漿抗張強(qiáng)度按照GB/T453—2002的要求進(jìn)行檢測；紙漿耐破度按照GB/T454—2002的要求進(jìn)行檢測；紙漿撕裂度按照GB/T455—2002的要求進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 桉木漿H2O2漂白

2.1.1 桉木漿單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1.1 螯合溫度對桉木漿H2O2漂白的影響

螯合溫度對桉木漿H2O2漂白的影響見圖1。螯合溫度變化范圍為40～100℃，其他工藝條件為：螯合時間60 min，漿濃5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖1可知，在40～100℃范圍內(nèi)，螯合溫度變化對紙漿不透明度的影響不大。當(dāng)螯合溫度小于55℃時，H2O2漂白氧氣生成量隨著溫度的升高而升高，當(dāng)螯合溫度達(dá)55℃時，氧氣生成量達(dá)到最大值，即此時H2O2的無效分解最為劇烈，當(dāng)超過55℃時氧氣生成量明顯減少。當(dāng)螯合溫度小于70℃時，桉木漿的白度隨著螯合溫度的升高而升高，當(dāng)螯合溫度高于70℃時，桉木漿白度隨螯合溫度變化不大。綜上，確定較優(yōu)螯合溫度為70℃。

2.1.1.2 螯合時間對桉木漿H2O2漂白的影響

螯合時間對桉木漿H2O2漂白的影響見圖2。螯合時間變化范圍為20～100 min，其他工藝條件為：螯合溫度70℃，漿濃5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖2可知，在20～100 min范圍內(nèi)，螯合時間的變化對紙漿不透明度的影響不大。氧氣生成量在20～100 min內(nèi)呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，并在60 min時達(dá)到最大值，即此時H2O2的無效分解最為劇烈。在20～100 min范圍內(nèi)，桉木漿白度基本隨著螯合時間的增加而提高，但變化幅度并不大，變化范圍在1%之內(nèi)。對于得率來說，螯合時間在40～80 min內(nèi)，桉木漿的得率差別不大。綜上，確定較優(yōu)螯合時間為40 min。

2.1.1.3 螯合劑（IDS）用量對桉木漿H2O2漂白的影響

IDS用量對桉木漿H2O2漂白的影響見圖3。IDS用量的變化范圍為0～2.5%，其他工藝條件為：螯合時間60 min，螯合溫度70℃，漿濃5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖3可知，IDS用量從0增加到0.5%，氧氣生成量大幅度降低，即H2O2的無效分解減少，同時桉木漿白度得到明顯提升；當(dāng)繼續(xù)增加IDS用量時，桉木漿的不透明度隨著IDS用量的增加產(chǎn)生略微的降低，而白度隨著IDS用量的增加略微升高，但升高幅度并不大。同時在IDS用量為0.5%時，桉木漿具有最佳的得率。綜上，確定IDS較優(yōu)用量為0.5%。

2.1.2 桉木漿正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，桉木漿螯合處理正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計如表1所示。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如表2和表3所示，圖4為因素指標(biāo)分析效應(yīng)曲線圖。

由表2、表3和圖4可知，對白度的影響因素主次順序是：C>A>B，即螯合時間>IDS用量>螯合溫度，最優(yōu)方案是C3A1B3；對氧氣生成量的影響因素主次順序是：B>C>A，即螯合溫度>螯合時間>IDS用量，最優(yōu)方案是B2C2A2；對得率的影響因素主次順序是：B>C>A，即螯合溫度>螯合時間>IDS用量，最優(yōu)方案是B1C3A3。通過分析影響白度、氧氣生成量和得率的主次因素順序，可以看出螯合溫度（B）是影響氧氣生成量和得率的最主要因素，而對于白度而言則是最次要的因素，因此本著降低能耗的原則，選取B1作為最優(yōu)條件；對于白度而言，螯合時間（C）是主要因素，反應(yīng)時間越長，則白度值越高，而對于氧氣生成量和得率而言，螯合時間（C）則排在第二位，因此選取C3作為最優(yōu)條件；IDS用量（A）是影響氧氣生成量和得率的最次要因素，對于白度而言，IDS用量（A）排在第二位，取A1或樣品白度/%不透明度/%得率/%氧氣生成量/mL抗張指數(shù)/N·m·g耐破指數(shù)/kPa·m2·g.1撕裂指數(shù)/mN·m2·g.1A3紙漿白度差別不大，因此介于對成本的考慮，選擇A1為最優(yōu)條件。

綜合上述分析，最優(yōu)方案為B1C3A1，即螯合溫度60℃、螯合時間50 min、IDS用量0.3%。

2.1.3 桉木漿對比實(shí)驗(yàn)

在IDS用量0.3%，螯合時間50 min，螯合溫度60℃，漿濃5%條件下，將IDS與EDTA進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，桉木漿原漿白度為31.0%，未螯合處理漂白漿白度為55.6%，經(jīng)IDS或經(jīng)EDTA螯合處理，漂白漿的白度分別達(dá)到60.8%和63.5%。與未螯合處理漂白漿相比，經(jīng)IDS和EDTA螯合處理后漂白漿白度分別提高9.6%和14.2%，變化較顯著，而不透明度、耐破指數(shù)則差別不大。另外，與未螯合處理漂白漿相比，經(jīng)IDS或經(jīng)EDTA螯合處理后的漂白漿得率、抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)有略微的下降，這表明螯合處理會在一定程度上降低紙漿手抄片的抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度。從表4可以看出，與未螯合處理漂白漿相比，經(jīng)螯合處理后漂白漿的氧氣生成量有所下降，表明經(jīng)螯合處理后，H2O2無效分解減少，提升了H2O2漂白的效率。通過對比IDS和EDTA螯合處理的漂白漿發(fā)現(xiàn)，兩者在不透明度、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)方面差別不大，經(jīng)IDS螯合處理后的漂白漿具有較高的得率及抗張指數(shù)，但白度低于經(jīng)EDTA螯合處理的漂白漿，因此，經(jīng)IDS和EDTA螯合處理的漂白漿在各項(xiàng)性質(zhì)表現(xiàn)方面各有優(yōu)劣。

2.2 蔗渣漿H2O2漂白

2.2.1 蔗渣漿單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1.1 螯合溫度對蔗渣漿H2O2漂白的影響

螯合溫度對蔗渣漿H2O2漂白的影響見圖5。螯合溫度變化范圍為40～100℃，其他工藝條件為：螯合時間60 min，漿濃5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖5可知，在40～100℃范圍內(nèi)，隨著螯合溫度的升高蔗渣漿不透明度呈先上升后下降的趨勢，并在70℃時達(dá)到最大值；氧氣生成量基本上是隨著螯合溫度的提高而增加，在55℃時，有一個較明顯的提升；70℃和85℃時蔗渣漿白度較高，超過85℃后蔗渣漿白度下降幅度較大；蔗渣漿得率在40℃及100℃時較低，在55～85℃范圍內(nèi)，蔗渣漿得率差值基本控制在2%范圍內(nèi)。綜上，確定較優(yōu)螯合溫度為70℃。

2.2.1.2 螯合時間對蔗渣漿H2O2漂白的影響

螯合時間對蔗渣漿H2O2漂白的影響見圖6。螯合時間變化范圍為20～100 min，其他工藝條件為：螯合溫度70℃，漿濃5%，IDS用量0.5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖6可知，在20～100 min范圍內(nèi)，螯合時間的變化對紙漿不透明度的影響不大；螯合時間小于60 min時，氧氣生成量隨著螯合時間的增加而減少，表明H2O2的無效分解有所降低，螯合時間大于60 min時，氧氣生成量增加。另外，螯合時間對白度的影響不大，變化范圍維持在1%左右；螯合時間為60 min時紙漿得率最高。綜上，確定較優(yōu)螯合時間為60 min。

2.2.1.3 螯合劑（IDS）用量對蔗渣漿H2O2漂白的影響

IDS用量對蔗渣漿H2O2漂白的影響見圖7。IDS用量的變化范圍為0～2.5%，其他工藝條件為：螯合時間60 min，螯合溫度70℃，漿濃5%。H2O2漂白段工藝條件同1.3.2。

由圖7可知，IDS用量從0增加到2.5%，不透明度變化不大；H2O2氧氣生成量即H2O2的無效分解在IDS用量1%時最少，繼續(xù)增加IDS用量，氧氣生成量隨著IDS用量的增加而增加；添加IDS后紙漿的得率下降，但I(xiàn)DS用量的變化對紙漿得率影響不大；在IDS用量從0到2.0%范圍內(nèi)，蔗渣漿白度表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，并且峰值出現(xiàn)在1%處。綜上，確定較優(yōu)IDS用量為1%。

2.2.2 蔗渣漿正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計蔗渣漿的正交實(shí)驗(yàn)表如表5所示。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析分別見表6和表7，因素指標(biāo)分析效應(yīng)曲線圖如圖8所示。

由表6、表7和圖8可知，對白度的影響因素主次順序是：A>C>B，即IDS用量>螯合時間>螯合溫度，最優(yōu)方案是A1C2B3；對氧氣生成量的影響因素主次順序是：C>B>A，即螯合時間>螯合溫度>IDS用量，最優(yōu)方案是C1B3A1；對得率的影響因素主次順序是：C>B>A，即螯合時間>螯合溫度>IDS用量，最優(yōu)方案是C3B2A1。通過分析影響白度、氧氣生成量和得率的主次因素順序，可以看出反應(yīng)時間（C）是影響氧氣生成量和得率的最主要因素，而對于白度而言，則排在第二位，C2對于氧氣生成量取C1或C2差別不大，對于得率取C3最好，因此本著降低能耗的原則，因此選取C2作為最優(yōu)條件；IDS用量（A）對于白度、氧氣生成量及得率3個指標(biāo)而言，都是取A1最好，因此選擇A1；反應(yīng)溫度（B）是影響白度的最次要因素，是氧氣生成量和得率第二位的影響因素，對于氧氣生成量而言，取B3最好，對于得率取B2最好，因此本著降低能耗的原則，選取B2作為最優(yōu)條件。

綜合上述分析，最優(yōu)方案為A1C2B2，即IDS用量0.8%、螯合時間60 min、螯合溫度70℃ 。

2.2.3 蔗渣漿對比實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)所獲得的IDS最佳使用條件的基礎(chǔ)上，與常規(guī)螯合劑EDTA進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。EDTA用量0.3%，螯合時間50min，螯合溫度60℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8可以看出，蔗渣漿白度為43.3%，未螯合處理漂白漿白度為65.6%，經(jīng)IDS或EDTA螯合處理后漂白漿白度分別達(dá)到68.0%和67.4%，與未螯合處理漂白漿相比白度分別提高3.2%和2.8%。將螯合處理與否的漂白漿對比，三者在不透明度方面基本無差別；通過氧氣生成量可知，經(jīng)螯合處理的漂白漿氧氣生成量有所下降，表明經(jīng)螯合處理后再進(jìn)行H2O2漂白，漂白段H2O2無效分解在一定程度上有所緩解，提升了H2O2漂白的效率。從表8的物理性能指標(biāo)可以看出，螯合處理與否的漂白漿在抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)方面均優(yōu)于原漿；經(jīng)IDS或EDTA螯合處理的紙漿具有類似的抗張指數(shù)、耐破指數(shù)、撕裂指數(shù)，且均高于未螯合處理的。

3 結(jié) 論

以漂白硫酸鹽桉木漿和蔗渣漿為原料，研究了螯合劑亞氨基二琥珀酸四鈉（IDS）在紙漿H2O2漂白預(yù)處理段的最優(yōu)條件，并與傳統(tǒng)螯合劑EDTA螯合效果進(jìn)行對比，分析了紙漿的物理性能。

3.1 螯合劑IDS在桉木漿H2O2漂白螯合處理段的最佳工藝條件為：螯合溫度60℃，螯合時間50 min，IDS用量0.3%；蔗渣漿螯合處理段最佳工藝為：IDS用量0.8%，螯合時間60 min，螯合溫度70℃。

3.2 對于桉木漿和蔗渣漿而言，IDS與傳統(tǒng)螯合劑EDTA對比發(fā)現(xiàn)，IDS的螯合效果與EDTA相當(dāng)，且IDS易生物降解，環(huán)境友好，具有一定的市場開發(fā)潛力。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）