香煙嘴用活性炭的吸附測試
香煙嘴用活性炭的吸附測試
香煙煙霧是在空氣中的一種復(fù)雜的非平衡化學(xué)物質(zhì)混合物，煙草的不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生數(shù)千種化合物。它們分布在氣相和構(gòu)成煙霧氣溶膠的那些顆粒之間(顆粒相)。顆粒相是殘留在濾墊上的相，氣相中的物質(zhì)比例隨著純化合物的蒸氣壓的增加而增加。這種分布還取決于物質(zhì)的極性。例如，41%的間二甲苯(分子量106)處于氣相，而100%的極性更強(qiáng)的甲酚(分子量108)處于顆粒相。本次我們研究了使用活性炭吸附香煙煙霧的效果和在煙嘴上的適用性。重點(diǎn)放在煙霧的總量，煙霧中的化合物以及發(fā)生吸附的環(huán)境上，來進(jìn)行研發(fā)適合香煙過濾嘴應(yīng)用的活性炭類型。
香煙嘴用活性炭
活性炭是一種普遍存在的通用吸附劑，例如，用于金的回收，水處理以及有害氣體和蒸氣的去除?；钚蕴恳灿腥擞迷谙銦煘V嘴上。它可以通過多種方式摻入卷煙過濾嘴中，兩種最常用的形式在醋酸纖維素的兩個(gè)部分之間的空腔填充活性炭?；钚蕴繙p少香煙煙霧的主要機(jī)制是物理吸附，活性炭的微孔對于吸附煙霧中的有機(jī)小分子非常有效。這些，加上較寬的介孔(傳輸)，可以提供良好的吸附動(dòng)力學(xué)性能。
香煙濾嘴中活性炭的過濾能力
測試過程中我們在無炭和以20毫克至120毫克的六種重量增量添加活性炭來測試香煙。桿端和嘴端的醋酸纖維素長度段始終保持恒定。最大的空腔填充值用于所有負(fù)載，因此，總的過濾器長度增加了約50%。每使用15毫克活性炭增加1毫米。如前所述，所有香煙都在35/2/60的條件下進(jìn)行調(diào)理和抽煙。每個(gè)濾嘴負(fù)載量高為120mg時(shí)添加活性炭對焦油和尼古丁的收率(即顆粒相)的影響很小，這可能是由于較長的濾嘴導(dǎo)致了額外的機(jī)械過濾。對于所有測得的蒸氣，隨著活性炭載量的增加，產(chǎn)率都有所下降。這在圖1中以圖形方式顯示(僅出于清晰目的使用一定范圍的蒸氣)，其中乙醛/丙酮值乘以0.1以進(jìn)行縮放。
圖1：活性炭的加入對煙氣產(chǎn)量的影響。
過濾效率定義為過濾器保留的煙霧成分的重量除以煙絲的成分產(chǎn)量×100%。圖2顯示了過濾效率與活性炭重量的關(guān)系圖(為清楚起見，僅顯示了四種煙氣)。從圖中可以看出，這種曲線是線性的，因此，對于恒定的香煙設(shè)計(jì)，可以估算給定重量的活性炭時(shí)的去除效率，從而估算出產(chǎn)量。梯度越大，炭重量對煙氣成分吸附的影響越大。可以預(yù)料，由于過濾效率隨流量的增加而降低，在更強(qiáng)烈的煙霧下，坡度更低。斜率與分析物蒸氣壓之間沒有明顯的趨勢，盡管對于1,3-丁二烯和乙醛而言，斜率是最低的，這兩種煙霧分析物以最高的蒸氣壓測量。同樣，在斜率和分析物擴(kuò)散率之間也沒有明顯的趨勢。
圖2：過濾效率與活性炭載量的關(guān)系。
活性炭的孔隙率對吸附的影響
我們測試了增加活性炭微孔體積的效果，以及中孔和大孔的添加。對煙氣量的影響，在圖3中進(jìn)行了描述。從圖可看出，增加微孔的數(shù)量會(huì)導(dǎo)致更大的吸附并因此降低煙氣的產(chǎn)生。中孔/小大孔的加入通過改善向微孔的運(yùn)輸而導(dǎo)致吸附增強(qiáng)。很明顯，使用微孔/中孔活性炭會(huì)導(dǎo)致速率常數(shù)的增加，通常增加了約20倍。
圖3：活性炭孔徑和分布對煙氣產(chǎn)量的影響。
儲(chǔ)存環(huán)境對活性炭表面化學(xué)對吸附的影響
制造后短期儲(chǔ)存對香煙過濾嘴中活性炭性能的影響研究表明，在制造后的前三周內(nèi)，活性炭鈍化最初很快，隨后性能逐漸趨于平穩(wěn)。老化是由與煙草揮發(fā)物，即水蒸氣和增塑劑的相互作用引起的。在評估新材料時(shí)，在吸煙之前，將香煙在22ºC和60%相對濕度的條件下存放三周。如果抽煙較早，則香煙制造后抽煙的確切時(shí)間至關(guān)重要，并且所有采樣香煙的抽煙時(shí)間必須相同。如果沒有，結(jié)果可能難以解釋。超過三周的老化時(shí)間無濟(jì)于事，因?yàn)殡S時(shí)間變化的性能隨時(shí)間變化很小。
吸附水引起的老化效應(yīng)
香煙煙霧中發(fā)現(xiàn)的極性分子(例如水，醛和酮)在活性炭表面的吸附在很大程度上取決于與極性位點(diǎn)發(fā)生的特定的氫鍵相互作用。這些通常是氧官能團(tuán)，它們共價(jià)鍵合在碳層平面的邊緣上。這些部位的濃度可能會(huì)發(fā)生變化，例如，由于儲(chǔ)存或長時(shí)間暴露在濕氣中，它們的濃度會(huì)增加。這增加了活性炭結(jié)構(gòu)的親水性，導(dǎo)致使用中水蒸氣的吸附增加。該過程降低了可用的開孔孔隙率，通常不利于目標(biāo)物質(zhì)的吸附。相反，原則上，可以使用表面改性來最大程度地減少老化并優(yōu)化毒物的選擇性吸附。
經(jīng)過研究和實(shí)際測試活性炭在香煙濾嘴上的使用情況，發(fā)現(xiàn)活性炭可以吸附煙氣相中存在的多種有機(jī)有毒物質(zhì)，在大多數(shù)情況下使用吸附效果影響不大。為了能更好的吸附有害物質(zhì)和長期儲(chǔ)存，需要避免放置在潮濕環(huán)境中。如果您想了解詳情況和活性炭的參數(shù)請咨詢我們，我們活性炭廠有自己的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)人員可以給您提供技術(shù)支持。
本文作者：董帝豪
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