CN102806067A - 一种保水型改性活性炭材料及制备方法 - Google Patents

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刘志华
王昆淼
耿俊
韩敬美
赵伟
刘春波
陈永宽
缪明明
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Abstract

本发明涉及一种保水型改性活性炭材料及制备方法。采用卷烟嘴棒中常用的活性炭材料为基质进行改性。用羟基铁改性剂在烟用活性炭的表面增加一层羟基铁化合物层。通过物理吸附、扫描电镜和动态水分分析的测试，结果表明经改性后的活性炭材料表面小孔增多，对水分子的吸附力加大；且由于羟基铁具有很多的羟基基团，也能够通过氢键作用而增强材料对水分子的吸附能力。在其添加到卷烟中以后，卷烟燃烧时，高温会使水分子从材料中逸出，从而增加卷烟主流烟气中水分的含量。该保水材料能很好地满足卷烟保水的需求，且价格低廉，适用高效。

Description

一种保水型改性活性炭材料及制备方法
技术领域
本发明涉及卷烟技术领域，具体地说是一种保水型改性活性炭材料及制备方法，该材料能够增加卷烟烟气中水分的含量。
背景技术
卷烟烟气是一种复杂的气溶胶体系，其中含有大量的烟草特有的致香成分。消费者在吸食卷烟的过程中，经常会感到烟气较为干燥，大大影响了卷烟的品质。这一情况在北方和气候干燥的地区显的尤为突出。通常的解决手段是在卷烟中（包括烟条和嘴棒）加入一种保湿材料，在卷烟燃烧和抽吸时，能够释放出水分，从而增加卷烟主流烟气中的水分含量。用于卷烟的保水材料应当具有较强的保水能力，加在卷烟中不产生异味，不会对卷烟内在品质产生负面影响。
目前, 我国烟草行业中主要采用甘油、丙二醇、木糖醇和山梨醇等多羟基物质作为保润剂,这类化合物的羟基(OH)可以与水分子形成化学键,因而具有一定的吸湿性。使用此类保润剂的主要目的在于维持加工过程中烟丝的含水率,提高烟丝的耐加工性,而对于成品卷烟含水率的维持、感官舒适度的改善效果则不太理想。理想的保润剂应具有保湿和防潮双重功效,即降低烟草含水率对环境温湿度变化的敏感程度,始终保持烟丝含水率在一个相对稳定的范围;同时注重对口感的改善效果。工业使用的卷烟保水材料均为有机材料，目前尚无无机保水材料报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的无机保水材料――保水型改性活性炭材料及制备方法。该材料其本身不参与燃烧，不产生负面影响物质，且具有良好的保水效果。
本发明是在保证卷烟燃烧中不产生负面影响物质的基础上，在卷烟中加入一定量的活性炭改性材料作为保水材料。在卷烟燃烧过程中，吸附在微孔中的水分被释放出，增加卷烟烟气中的水分。
本发明解决技术问题的技术方案是：作为保水材料的活性炭改性材料是：用羟基铁改性剂在烟用活性炭的表面增加一层羟基铁化合物层。
保水型改性活性炭材料的制备方法如下：
1）分别配制0.2～0.6mol/L Fe3+浓度的Fe铁盐溶液和0.4～1.2mol/L氢氧根离子浓度的碱溶液,搅拌条件下，将两份溶液混合，使溶液中铁离子与氢氧根离子的物质的量之比为1:2，铁元素的最终浓度为0.1～0.15mol/L，搅拌1h后，静置，陈化24～36小时得羟基铁改性剂；
2）将卷烟滤棒用的40-60目的活性炭材料加入去离子水中，活性炭与水的质量比范围为1:100至1:50，搅拌30分钟后，按活性炭悬浊液与羟基铁试剂的质量比范围为10:1至8:1的比例，加入陈化好的羟基铁试剂，并剧烈搅拌10～16小时，弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状，过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。
羟基化铁盐包括氯化铁、硝酸铁等可溶性铁盐通过加入碱性物质，使铁离子转变为羟基化离子，并最终负载在活性炭表面，形成一层新的多孔表面，以增大材料表面对水分子的吸附作用，而达到保水的作用。
经羟基化铁盐的改性，其比表面积增大，微孔数目增多。经水分吸附处理后，吸收进入材料孔内的水分通常状况下不容易逸出，但在高温燃烧过程中则会随着主流烟气一起向滤嘴端迁移，从而达到增大主流烟气中水分的作用。
在卷烟的烟丝中加入一定量的经水分吸附处理的改性活性炭材料。在卷烟的燃烧过程中，由于活性炭成分只会生成一氧化碳和二氧化碳，其中二氧化碳无负面影响，一氧化碳很容易通过增大卷烟纸和滤嘴透气度而除去。该保水材料能很好地满足卷烟保水的需求，且价格低廉，适用高效。
附图说明
图1现有的活性炭原料（左）与改性后活性炭（右）扫描电镜示意图。
图2现有的活性炭原料（a）与改性后活性炭（b）动态水分分析（DVS）曲线。
具体实施方式
    实施例1：
分别配制0.2mol/L的氯化铁溶液和0.4mol/L的氢氧化钠溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入100g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂10g，并剧烈搅拌10小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生产工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷烟中。
实施例2：
分别配制0.3mol/L的硝酸铁溶液和0.6mol/L的氢氧化钠溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入100g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂12.5g，并剧烈搅拌10小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生产工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷烟中。
实施例3：
分别配制0.4mol/L的氯化铁溶液和0.8mol/L的氢氧化钾溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入100g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂12.5g，并剧烈搅拌10小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生产工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷烟中。
实施例4：
分别配制0.2mol/L的硝酸铁溶液和0.4mol/L的氢氧化钾溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入50g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂5g，并剧烈搅拌16小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后加入薄片生产工序中，制成含改性活性炭材料的薄片并加入卷烟中。
实施例5：
分别配制0.2mol/L的氯化铁溶液和0.4mol/L的氢氧化钠溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入100g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂12.5g，并剧烈搅拌16小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后，在烟丝混合过程中直接以粉末态干法加入到卷烟滤棒中，并最终卷制成卷烟。
实施例6：
分别配制0.4mol/L的氯化铁溶液和0.8mol/L的氢氧化钾溶液,搅拌条件下，将两份溶液按体积比1:1混合，搅拌1h后，静置，陈化24小时。将卷烟滤棒用活性炭材料1g加入50g去离子水中，搅拌30分钟后，加入陈化好的羟基铁试剂5g，并剧烈搅拌10小时。弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状。过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。将所得的改性活性炭材料研磨后，在烟丝混合过程中直接以粉末态干法加入到卷烟滤棒中，并最终卷制成卷烟。
所得改性活性炭样品与原活性炭进行氮气物理吸附测试，其平均比表面积、孔径和孔容如表1所示（实施例1）。
表1 原活性炭和改性活性炭的平均比较面积、孔径和孔容对比
样品 平均比表面积（m2/g） 平均孔容(ml/g) 平均孔径(nm)
原活性炭 1221.1852 0.739632 2.42267
改性活性炭 1289.7113 0.774648 2.40255
从表1的数据可以看出，改性后的活性炭材料相对于原活性炭，其平均表面积和孔容都有所增大，但孔径略有减小。这说明羟基铁试剂被吸附在了活性炭表面，并形成了一层新的小孔结构。但这一层新的多孔层并没有完全覆盖活性炭层，因此，平均孔径的减小幅度不大。
将原活性炭和改性活性炭分别进行扫描电镜测试，如图1所示。可以明显看出，活性炭表面被一层更为细致的多孔层覆盖，但覆盖的并不完全，仍有很大面积的活性炭暴露在外。这也证实了我们前述的推测。
为了测试改性后的活性炭材料对水分保持的效果，将原活性炭和改性活性炭分别进行动态水分分析（DVS），其结果如图2所示。从图中可以清楚看出，改性后的活性炭对水分的保持能力大幅度提高。以80%湿度下平衡的样品为例，原活性炭只能在60%的环境湿度下保持原有水分量，当环境湿度降至40%时，几乎已失去全部吸收的水分；而改性后的活性炭在40%的环境湿度下的保水量和80%时几乎没有区别。这主要是因为改性活性炭的表面小孔增多，对水分子的吸附力加大；且由于羟基铁具有很多的羟基基团，也能够通过氢键作用而增强材料对水分子的吸附能力。以上结果都说明改性后的活性炭材料具有很好的保水性能，且不会产生负面影响物质，能够作为烟草中保水材料使用。
该材料可以在卷烟制作过程中不能以常规的溶于香精香料溶液的方式添加；需要将粉末改性活炭材料加工成型，以薄片的形式加入；或将粉末态的改性活性炭材料直接加入到卷烟滤棒中制成特殊嘴棒，并应用到卷烟上。在卷烟燃烧过程中，水分子受热会释放出来，增加烟气中的水分含量。 

Claims (4)

1.一种保水型改性活性炭材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
1）分别配制0.2～0.6mol/L Fe3+浓度的Fe铁盐溶液和0.4～1.2mol/L氢氧根离子浓度的碱溶液,搅拌条件下，将两份溶液混合，使溶液中铁离子与氢氧根离子的物质的量之比为1:2，铁元素的最终浓度为0.1～0.15mol/L，搅拌1h后，静置，陈化24～36小时得羟基铁改性剂；
2）将卷烟滤棒用的40-60目的活性炭材料加入去离子水中，活性炭与水的质量比范围为1:100至1:50，搅拌30分钟后，按活性炭悬浊液与羟基铁试剂的质量比范围为10:1至8:1的比例，加入陈化好的羟基铁试剂，并剧烈搅拌10～16小时，弃去上层溶液，并用去离子水清洗多次，直至上层水呈无色透明状，过滤出改性好的活性炭，并真空干燥。
2.根据权利要求1所述的保水型改性活性炭材料的制备方法，其特征在于所述的羟基化铁盐包括氯化铁、硝酸铁可溶性铁盐。
3.根据权利要求1所述的保水型改性活性炭材料的制备方法，其特征在于所述的碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾。
4.一种用权利要求1所述的改性活性炭保水材料的制备方法制备的在改性活性炭保水材料。
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