添加劑在烤煙減焦的研究現(xiàn)狀

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本文作者：周成喜孫慶杰作者單位：南通煙濾嘴有限責(zé)任公司

隨著世界控?zé)熇顺钡呐d起以及人們對(duì)健康的日益關(guān)注，煙草行業(yè)受到的壓力越來越大，尤其是《煙草框架公約》的簽訂，使得煙草行業(yè)面臨的形勢(shì)空前嚴(yán)峻。但從全局來看，中國控?zé)熑蕴幱谄鸩诫A段，要實(shí)現(xiàn)全面控?zé)煛⑸踔潦墙麩煟孕枰吆荛L一段路。因此，煙草行業(yè)如何在此階段尋求發(fā)展乃至生存空間，便是重中之重。隨著“減害降焦”戰(zhàn)略的確立，煙草行業(yè)迎來了快速發(fā)展，低焦油、低危害卷煙將成為未來卷煙的主流。濾嘴，作為煙支組成部分之一，在卷煙減害降焦中發(fā)揮著重要作用。濾嘴的研究，除了作為主體過濾材料—絲束的改性和新濾材替換外，主要集中于濾嘴添加劑的研究。本文主要從顆粒添加劑在濾嘴中的作用機(jī)理、應(yīng)用、添加方式進(jìn)行綜述，介紹顆粒添加劑在卷煙減害降焦中的作用。

1作用機(jī)理

1.1直接截留

此種作用機(jī)理適用顆粒在濾棒均勻分布的情況，同醋纖的過濾機(jī)理類似，顆粒具有一定的體積，當(dāng)煙氣微粒通過顆粒時(shí)，會(huì)對(duì)微粒產(chǎn)生直接攔截、慣性沖擊和擴(kuò)散沉淀作用。

1.2物理吸附

固體顆粒吸附劑與被吸附物質(zhì)分子間普遍存在著分子間引力，當(dāng)固體吸附劑和被吸附物質(zhì)的分子引力大于被吸附物質(zhì)分子之間的引力時(shí)，此時(shí)發(fā)生吸附作用，這種吸附的速度極快。物理吸附選擇性極低，它的選擇性只取決于被吸附物質(zhì)的性質(zhì)和吸附劑的特性。此種吸附機(jī)理在減害的同時(shí)也會(huì)造成煙氣中其它香氣成分的損失。

1.3化學(xué)吸附

化學(xué)吸附亦稱活性吸附。它是由于固體顆粒吸附劑表面與被吸附物質(zhì)分子間的化學(xué)鍵力所造成的。化學(xué)吸附的作用力大大超過物理吸附，并具有很高的選擇性，如濾嘴絲束浸漬過渡金屬鹽類溶液后，可以通過過渡金屬離子的絡(luò)合作用有效去除煙氣中的氫氰酸；而在絲束中添加離子交換樹脂則通過離子交換有效去除一些極性較強(qiáng)的有害物質(zhì)；也可以利用酸堿中和反應(yīng)去除一些具有一定酸堿性的氣相物質(zhì)。

1.4催化反應(yīng)

由于濾嘴體系的特殊性，一般的化學(xué)反應(yīng)難以在其中進(jìn)行，因此通常在其中加入催化劑降低反應(yīng)活化能，加速反應(yīng)的進(jìn)行。常見報(bào)道的用于減害降焦的催化反應(yīng)莫過于低溫下將CO催化氧化為CO2的反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)的催化劑體系通常選用活性炭、分子篩、硅藻土等多孔材料為載體，貴金屬、過渡金屬及其氧化物為催化劑制備而成。

2添加劑種類與應(yīng)用

按照顆粒材料來源的不同，一般來說，顆粒可分為礦物類、天然植物類和人造材料等。

2.1礦物類

2.1.1麥飯石

麥飯石的主要化學(xué)成分是無機(jī)的硅鋁酸鹽，具有海綿狀多孔性結(jié)構(gòu)，有良好的吸附性，富含微量元素，因此常用于處理改善水質(zhì)、家畜養(yǎng)殖、醫(yī)療保健、食品等領(lǐng)域[1-3]。于建軍等[4]在濾嘴中加入麥飯石的小粒，試驗(yàn)結(jié)果表明，該濾嘴對(duì)煙氣總粒相物、尼古丁、焦油除去率均達(dá)30%以上，優(yōu)于活性炭濾嘴。

2.1.2蒙脫石

蒙脫石是一種單斜晶系的含水層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，中間層具有極性，可以吸收水分子或其他極性分子。惠博然[5]認(rèn)為，由于蒙脫石的晶面帶有負(fù)電荷，并在其加工過程中進(jìn)一步增大了蒙脫石所帶的負(fù)電荷量，因此用蒙脫石制作煙濾嘴，可以有選擇性地吸附卷煙主流煙氣中的極性有害物質(zhì)，而對(duì)非極性的香味物質(zhì)吸附很少。閆景輝等[6]利用ESR法測(cè)定經(jīng)過加工的蒙脫石制成的復(fù)合濾嘴卷煙焦油中的自由基，經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)卷煙焦油中自由基下降（32±3）%。

2.1.3電氣石

電氣石是一種含硼的帶有附加陰離子的環(huán)狀硅酸鹽礦物。具有熱釋電、壓電性及自發(fā)極化效應(yīng)。余東華等[7]認(rèn)為，正是電氣石這種特性，使得電氣石吸濾劑制成的卷煙在燃燒抽吸過程中，熱煙氣經(jīng)過復(fù)合材料微孔時(shí)，其溫度促進(jìn)了電氣石產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)，使吸濾劑具有靜電吸附功能。從而當(dāng)具有極性或具有荷電效應(yīng)的有害物質(zhì)經(jīng)過時(shí)，容易被電氣石復(fù)合材料所吸附，最終達(dá)到“降焦減害”的功能。謝蘭英等[8]利用電氣石復(fù)合材料涂在濾棒成形紙上，可使煙氣焦油降低9.93%，CO降低10.27%，酚類物質(zhì)降低18.28%，NH3降低16.36%，稠環(huán)芳烴苯并[a]芘降低25.55%，NOx降低10.61%，HCN降低17.37%。

2.1.4海泡石

海泡石是一種纖維狀的富含鎂硅的黏土礦物質(zhì)，它的比表面積很大（根據(jù)其理論結(jié)構(gòu)計(jì)算，比表面積為900m2/g），具有較強(qiáng)的吸附性能。在煙草行業(yè)中，海泡石作為吸附劑研究應(yīng)用很早，但主要是作為煙草香料載體所用。隨著降焦減害技術(shù)的深入，海泡石逐漸應(yīng)用到低焦油低危害卷煙的開發(fā)中來。王凱等[9-10]將海泡石添加入濾棒中制成二元復(fù)合濾嘴，對(duì)比空白濾嘴，二元復(fù)合濾嘴對(duì)主流煙氣中的低分子醛酮類化合物和焦油有較好的吸附作用，其中巴豆醛降低20%以上，焦油約15%，隨著海泡石施加量增大，去除效果逐漸增大。而張高科等[11]將活化海泡石用于醋酸纖維卷煙過濾嘴的制造，使焦油含量下降40.5%。

2.1.5凹凸棒石

凹凸棒石晶體的理論化學(xué)式為：Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4•4H2O，結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶水位于其孔道表面，結(jié)晶水分子易和進(jìn)入孔道的吸附質(zhì)形成氫鍵連接，因而凹凸棒石孔道表面有許多吸附的活性點(diǎn)，并且優(yōu)先吸附極性分子。李東亮等[12]在醋酸纖維濾棒中添加900目凹凸棒石吸附劑（1.5mg/支濾棒），能使焦油降低1.4mg/支，一氧化碳降低1.11mg/支，而煙堿量保持不變，并且卷煙的內(nèi)在質(zhì)量不受影響，能夠保持卷煙原有的吸味風(fēng)格。

2.2天然植物類

2.2.1膨脹煙梗顆粒

膨脹煙梗顆粒是指以煙梗、梗簽、梗塊為原料，通過膨脹、回潮、造粒、定型等一系列工藝處理后，最終形成的顆粒狀煙梗材料[13]。該材料作為濾嘴添加劑，不同于其他吸附材料，它完全來源于煙草，化學(xué)成分與煙草一致，可以與卷煙吸味諧調(diào)。同時(shí)該顆粒材料帶有細(xì)胞空腔結(jié)構(gòu)[13]，具有大孔吸附材料特性。堯珍玉等[14]研究表明，膨脹煙梗顆粒復(fù)合濾嘴（復(fù)合長度比為1:1，料棒中顆粒施加量為1mg/mm）可以降低卷煙焦油；對(duì)卷煙主流煙氣中的苯并[a]芘具有吸附作用，降低幅度達(dá)到12.13%；采用膨脹煙梗顆粒復(fù)合濾嘴可以提升卷煙香氣濃度，降低刺激性。

2.2.2草本精華顆粒（HDP顆粒）

作為南通煙濾嘴有限責(zé)任公司重點(diǎn)研究項(xiàng)目，HDP顆粒是以富含天然活性成分的草本植物根莖、纖維或提取物為基材，通過對(duì)草本植物的粉碎、造粒、復(fù)配等系列工藝的研究，制備出具備一定粒徑、包含豐富微孔結(jié)構(gòu)適用于濾棒生產(chǎn)的草本顆粒。并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改性修飾，得到功能性HDP顆粒。HDP顆粒有以下幾點(diǎn)特色：（1）選用天然草本植物作為顆粒原材料，天然安全，有利于發(fā)掘中式卷煙文化內(nèi)涵；（2）材料的選擇注重草本香同煙草香協(xié)調(diào)，在減害降焦的基礎(chǔ)上提高卷煙的感官評(píng)吸質(zhì)量；（3）通過造粒工藝調(diào)節(jié)，顆粒內(nèi)部含有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，具有大的比表面積，有良好的過濾效果；（4）顆粒可作為功能載體，根據(jù)不同需求，附載減害功能劑，進(jìn)一步增強(qiáng)減害效果，也可加載香精香料，提高卷煙抽吸品質(zhì)。經(jīng)檢測(cè)，HDP顆粒復(fù)合濾嘴降焦能力相比醋纖濾嘴提高1mg/支左右，經(jīng)專家進(jìn)行評(píng)吸，采用HDP顆粒復(fù)合濾嘴的卷煙感官質(zhì)量有所提高，有較明顯的回甜感，余味較舒適，同時(shí)還有較協(xié)調(diào)的特征香。

2.3人造材料

嘗試使用于濾嘴的人造顆粒材料很多，有利用其吸附性能的活性炭、多孔合成樹脂[15]以及各種納米吸附材料[16-17]，還有利用其催化性能的貴金屬材料[18]。但真正得到市場(chǎng)認(rèn)同和推廣的僅有活性炭一種。活性炭是一種優(yōu)良的吸附劑，因其具備比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可去除煙氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物等優(yōu)點(diǎn)，成為復(fù)合濾嘴中最常用的吸附材料。第一支活性炭濾嘴卷煙投放市場(chǎng)是在50多年前，從那時(shí)起就有了大量關(guān)于利用活性炭吸附能力去除卷煙煙氣氣相物成分的研究。從目前的研究情況來看，活性炭濾嘴可明顯去除煙氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物如乙醛、乙腈、異戊間二烯、丁酮、苯、甲苯等，還可吸附氣相中的重金屬元素和放射性元素，尤其是某些改性活性炭，相比于普通醋纖濾棒，減害性能大幅提高[19-21]。

3添加方式

顆粒添加劑在濾嘴中的添加方式主要有四種：

3.1直接加入甘油酯中。通過將顆粒同甘油酯混合，在濾棒成型過程中噴灑含有顆粒的甘油酯懸浮液，制備含有顆粒的濾棒，此種方法工藝簡(jiǎn)單，顆粒分散均勻，缺點(diǎn)是對(duì)顆粒尺寸有限制，一般來說顆粒目數(shù)不能小于200目。

3.2加入絲束中制備顆粒復(fù)合濾棒。此種添加手段是目前應(yīng)用最為廣泛的一種方式，在濾棒成型過程中，通過加料裝置將顆粒均勻撒在開松后的絲束上，進(jìn)入煙槍成型得到顆粒料棒，然后與普通醋纖濾棒進(jìn)行復(fù)合，得到顆粒二元復(fù)合濾棒。此種應(yīng)用方式濾棒成型工藝及設(shè)備等技術(shù)手段成熟，顆粒尺寸的選擇范圍較寬，20目—100目之間是顆粒最為常見的尺寸，顆粒施加量可以在0.3mg/mm－4mg/mm進(jìn)行自由控制。

3.3顆粒施加在兩段醋纖濾棒之間的空腔中，形成三元復(fù)合濾棒。此種應(yīng)用方式顆粒施加量較大，功能顯著，但是成型工藝、設(shè)備較為復(fù)雜。

3.4在造紙過程中添加顆粒。制備出含有顆粒的成型紙、溝槽紙或過濾用紙材，可分別制備出含有顆粒的相應(yīng)的醋纖濾棒、溝槽濾棒和紙質(zhì)濾棒，此種應(yīng)用方式可作為顆粒應(yīng)用方式的一個(gè)補(bǔ)充。

4小結(jié)

隨著煙草形勢(shì)的嚴(yán)峻和煙草行業(yè)減害降焦戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，顆粒添加劑在濾嘴減害降焦研究中占據(jù)越來越重要的地位。但功能單一的顆粒添加劑濾嘴已很難得到市場(chǎng)的認(rèn)同，必然會(huì)要求顆粒添加劑機(jī)械的單功能減害降焦性能向智能化、多功能轉(zhuǎn)變，在減害降焦的同時(shí)，又能做到增香保潤。隨著技術(shù)的進(jìn)步和各類材料的研究深入，開發(fā)出理想減害降焦效果的特殊濾嘴必將成為現(xiàn)實(shí)。