卷煙紙生產(chǎn)過程中重金屬的來源分析與研究

潘高峰 溫思茹 王民偉 陳玉香

（牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013）

卷煙中的重金屬在卷煙煙絲及其輔材中均廣泛存在[1]，當(dāng)卷煙在燃燒時(shí)，釋放的煙霧中含有數(shù)千種化學(xué)物質(zhì)。美國1989年報(bào)道的107種卷煙煙氣有害成分中就包括砷 （As）、鎘 （Cd）、鉻 （Cr）、鉛 （Pb）、鎳 （Ni） 和汞 （Hg）[2]。Hoffmann 名單更將 Ni、Pb、Cd、Cr、As、Se 和 Hg 7 種重金屬列為 43 類有害物質(zhì)中重要的一類有害成分[3]，從而將煙草中的重金屬研究提上了更加關(guān)注的高度。很多國家已將其列為煙草安全性評價(jià)指標(biāo)和煙草進(jìn)出口貿(mào)易中的檢驗(yàn)項(xiàng)目，并對其在煙草中的含量做出嚴(yán)格的限制[4]。

目前國內(nèi)外的相關(guān)研究主要集中在卷煙煙氣中重金屬元素的分析檢測和卷煙抽吸過程中重金屬元素向主流煙氣中的轉(zhuǎn)移率研究，卷煙材料（如卷煙紙和接裝紙）的性質(zhì)和煙絲、煙用香精香料等方面[4]。卷煙紙作為卷煙的輔料，約占卷煙總質(zhì)量的5%[5]，盡管所占比例不大，但它是除煙草外唯一參與燃燒的組分，其對卷煙的影響僅次于煙草組分，因此卷煙紙中重金屬含量的多少，對卷煙的重金屬含量有著重要影響。卷煙紙主要由木材纖維、碳酸鈣填料和助燃劑3部分組成[6]，本實(shí)驗(yàn)對這3 個(gè)重要組成部分重金屬含量的情況進(jìn)行了研究，并對卷煙紙中重金屬的來源進(jìn)行了討論，以便從源頭降低卷煙紙中的重金屬含量，為生產(chǎn)安全型卷煙紙?zhí)峁﹨⒖肌?/p>

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

針葉木漿板（CANFOR PULP LTD）、半漿（水力碎漿機(jī)碎解4 min）和成漿（盤磨機(jī)磨漿后，打漿度86°SR，濕重9 g）；闊葉木漿板（SUZANO TRADING LTD）、半漿（水力碎漿機(jī)碎解4 min）和成漿（盤磨機(jī)磨漿后，打漿度86°SR，濕重9 g）；碳酸鈣、檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、蘋果酸鉀、蘋果酸鈉、瓜耳膠、氧化淀粉，以上均取于牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司同一卷煙紙生產(chǎn)線。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

X SeriesⅡICP-MS 電感耦合等離子質(zhì)譜儀，美國Thermo Fisher。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用電感耦合等離子質(zhì)譜法檢測卷煙紙中重金屬As、Pb、Cd、Cr、Ni含量[7]。

1.3.1 助燃劑中重金屬含量的檢測

考察卷煙紙中主要助燃劑的重金屬含量，包括：檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、蘋果酸鉀、蘋果酸鈉。每種助劑抽取3個(gè)批次進(jìn)行重金屬含量檢測，取平均值。

1.3.2 填料中重金屬含量的檢測

考察卷煙紙?zhí)盍系闹亟饘俸?，包?#碳酸鈣、2#碳酸鈣。每種碳酸鈣抽取3 個(gè)批次進(jìn)行重金屬含量檢測，取平均值。

1.3.3 纖維原料中重金屬含量的檢測

考察各種纖維原料在打漿各階段（包括針葉木漿板和闊葉木漿板及針葉木和闊葉木的半漿和成漿）重金屬含量的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷煙紙助燃劑中重金屬含量

卷煙紙助燃劑通常選用有機(jī)酸金屬鹽，如檸檬酸鹽、蘋果酸鹽、乳酸鹽和酒石酸鹽，其用量占卷煙紙質(zhì)量的0.5%～3%[7-8]，對于一些快燃卷煙紙，其助燃劑用量達(dá)卷煙紙質(zhì)量的6%。因此，助燃劑中重金屬的含量對卷煙紙中重金屬含量有一定的影響。檸檬酸鉀、檸檬酸鈉、蘋果酸鉀、蘋果酸鈉為卷煙紙中常用的助燃劑，經(jīng)過檢測，它們僅含有Cr 元素，Cr 元素含量依次為0.30、0.24、0.28 和0.19 mg/kg。因此，助燃劑是重金屬Cr元素的來源之一。

2.2 卷煙紙?zhí)盍现兄亟饘俸?/p>

現(xiàn)階段我國用于造紙的填料種類主要有滑石粉、瓷土、碳酸鈣（PCC/GCC）、二氧化鈦和氧化鐵顏料等，其中碳酸鈣是卷煙紙的優(yōu)良填料[9]。卷煙紙用碳酸鈣主要為輕質(zhì)碳酸鈣，其制備原料主要是優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r或方解石[10]，均為天然礦石。因此，碳酸鈣中很有可能含有重金屬元素，具體結(jié)果見表1。表1 中的1#和2#碳酸鈣來自于不同的供應(yīng)商，均含有重金屬元素As、Pb、Cd、Cr、Ni，尤其是重金屬元素 Cr 和 Ni 含量較高，其中1#碳酸鈣的重金屬含量略高于2#碳酸鈣。碳酸鈣在卷煙紙中的添加量一般為26%～35%，即碳酸鈣占卷煙紙質(zhì)量的1/3，是卷煙紙中第二大組分[8-9,11]。由此可見，碳酸鈣中的重金屬是卷煙紙重金屬的重要來源之一。

表1 碳酸鈣中重金屬含量Table 1 Heavy metal content of calcium carbonate mg/kg

2.3 卷煙紙纖維原料在打漿各階段中重金屬含量變化

纖維原料為卷煙紙的主要組成部分，一般占卷煙紙的60%～70%。圖1和圖2分別為針葉木漿和闊葉木漿各打漿階段重金屬含量的變化情況。從圖1 和圖2可以看出，針葉木漿板和闊葉木漿板中均含有重金屬元素Cr 和Ni，針葉木漿板中還含有少量的Pb 元素；針葉木漿和闊葉木漿經(jīng)水力碎漿機(jī)碎解、盤磨機(jī)磨漿后，重金屬As、Pb、Cd、Cr、Ni 含量均有所提高，尤其是Cr和Ni元素，經(jīng)盤磨機(jī)磨漿后提高幅度較大。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載[12]，盤磨機(jī)的磨片材料目前使用最多的是鎳鉻冷硬鑄鐵，是一種耐磨的鎳鉻白口鐵，成本低、耐磨性好，但容易腐蝕；不銹鋼磨片耐腐蝕，但價(jià)格昂貴。為了平衡使用壽命和單位成本，目前開發(fā)了2 種高Cr 白口鐵，即Hi-C 白口鐵和K 合金白口鐵：Hi-C 白口鐵含Cr 25%～26%，K 合金白口鐵含鉻18%；還有一種材質(zhì)為鎳鉻特種合金鋼（含碳≤0.3%，含Cr 15.7%～19.5%，含Ni 1.9%～5.4%） 韌性和耐磨性更好。纖維原料經(jīng)盤磨機(jī)磨漿時(shí)，通過與磨盤的擠壓，可能會(huì)有金屬元素轉(zhuǎn)移到纖維原料中，造成重金屬元素Cr 和Ni 的大幅上升。由此可見，纖維原料本身重金屬極低，打漿過程是卷煙紙重金屬的另一個(gè)重要來源。

圖1 針葉木漿在各打漿階段重金屬含量的變化情況Fig.1 Heavy metal content of softwood fiber at different beating stage

圖2 闊葉木漿在各打漿階段重金屬含量的變化情況Fig.2 Heavy metal content of hardwood fiber at different beating stage

圖3 為助燃劑、填料、打漿過程對卷煙紙重金屬含量影響占比。從圖3可以看出，對卷煙紙中重金屬元素As、Pb、Cr、Ni 含量影響最大的是碳酸鈣，其次是打漿過程；對卷煙紙Cr 元素含量影響最大的因素是添加1#碳酸鈣，其次是添加2#碳酸鈣和打漿過程（闊葉木成漿與針葉木成漿占比之和），助燃劑的影響占比最小。

圖3 助燃劑、填料、打漿過程對卷煙紙重金屬含量影響占比Fig.3 Impact ratio of heavy metal content of burning agent,filler and beating process

3 結(jié) 論

本課題主要對卷煙紙用助燃劑、填料的重金屬含量和纖維原料在打漿各階段重金屬含量的變化情況進(jìn)行了研究，并對重金屬來源進(jìn)行了討論。

3.1 助燃劑含有少量的重金屬元素鉻（Cr），是卷煙紙重金屬元素Cr的來源之一。

3.2 碳酸鈣中含有重金屬元素砷（As）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、Cr、鎳（Ni），尤其是重金屬元素Cr 和Ni含量較高，是卷煙紙重金屬元素的主要來源。

3.3 纖維原料本身重金屬含量極低，打漿過程是卷煙紙重金屬的另一個(gè)重要來源。

3.4 從生產(chǎn)安全型卷煙紙的角度出發(fā)，要從源頭降低卷煙紙中的重金屬含量需要采取以下措施：①碳酸鈣的采購，針對重金屬元素As、Pb、Cd、Cr、Ni制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，從而降低卷煙紙中重金屬元素的含量；②在卷煙紙的研發(fā)過程中所采用的新型助劑及填料，需要對其重金屬含量進(jìn)行檢測，以免引入過量的重金屬元素；③打漿過程中盤磨機(jī)磨片的選型，要充分考慮磨片的材質(zhì)，盡量減少其對卷煙紙中重金屬含量的影響。