CN103212371A

CN103212371A - 含氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂及应用

Info

Publication number: CN103212371A
Application number: CN2013101368919A
Authority: CN
Inventors: 何沛; 刘志华; 赵伟; 韩敬美; 刘春波; 王昆淼; 耿俊; 陈永宽; 缪明明
Original assignee: Yunnan Academy of Tobacco Science
Current assignee: Yunnan Academy of Tobacco Science
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明涉及一种含氧化铁或羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂及应用。采用蒙脱石和铁元素进行组合，将羟基铁离子通过离子交换的方式插入蒙脱石001晶面层间，呈纳米级状态分布。经过扫描电镜、物理吸附、氨气化学吸附和卷烟添加实验测试，结果表明柱撑后的蒙脱石比表面积增大，对氨气和烟气粒相物的吸附能力增强。其中羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂对卷烟烟气中的苯并[a]芘具有一定的选择性吸附作用。该滤嘴添加剂具有可塑性强，吸附效果好，安全无毒的优点，且价格低廉，适用高效。

Description

含氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂及应用

技术领域

本发明涉及卷烟技术领域，具体地说是一种含纳米氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂及其应用。

背景技术

近年来，随着对卷烟安全性要求的提高，如何降低卷烟有害物质的含量，已经成为烟草行业和医学界普遍关心的话题；卷烟减害降焦也越来越显示其重要性。使用滤嘴添加剂是一种非常好的减害降焦手段。虽然目前关于烟用吸附材料的研究也越来越多，但真正大规模使用的只有活性炭添加剂。

蒙脱石是一种优良的多孔改性基质材料，具有自然界分布广泛，价格便宜，安全无害等多种优点。蒙脱石的001晶面层间非常小，通过阳离子交换，将需要的金属离子交换进入层间，形成插层化合物，层间的金属化合物由于层间高度的限制，呈现为纳米级别的状态。通过高温煅烧等方法也可以制备该金属的氧化物柱撑蒙脱石材料。最重要的是，蒙脱石作为一种食品添加剂和药用物质，有着很好的安全性保障。

发明内容

本发明的目的是提供一种含纳米氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂及其应用，它能够有效降低卷烟烟气中氨气等烟气成分的含量，含纳米羟基铁改性的蒙脱石滤嘴添加剂对苯并[a]芘有着一定的选择性吸附作用。

本发明的技术方案是：

用羟基铁柱撑剂在钠基蒙脱石层间进行柱撑后，固定在蒙脱石001晶面层间，在100℃下煅烧4 h，得到含纳米氧化铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂。

用羟基铁柱撑剂在钠基蒙脱石层间进行柱撑，固定在蒙脱石001晶面层间，得到含纳米羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂。

含纳米氧化铁和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂的成分为纳米氧化铁改性蒙脱石和羟基铁改性蒙脱石两种混合物，混合比例为1：0.5－1：3。

以上所述的含纳米氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂中的氧化铁或羟基铁为纳米级别。

其中铁离子以柱撑的形式被牢牢地束缚在蒙脱石的001晶面层间，很难脱离。且铁离子本身也是一种对人体安全无害的金属离子，因此，该材料具有良好的安全性。

所述的氧化铁或羟基铁柱撑的蒙脱石吸附材料是采用铁盐经过碱的羟基化处理，以羟基化胶体团的形式进入蒙脱石层间，所得样品直接清洗、干燥便得到羟基铁柱撑的蒙脱石材料；经过清洗，高温煅烧得到的便是氧化铁柱撑的蒙脱石材料。

以上所述的含纳米氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂的应用，是将所述添加剂加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg。

本发明在不改变烟支的配方组分的前提下，在卷烟过滤嘴中加入一定量的氧化铁（Fe₂O₃）或羟基铁（Fe(OH)）柱撑的蒙脱石吸附材料。利用材料中固有的结构羟基和三价铁离子（Fe³⁺）的化学吸附作用，吸附烟气中的氨气（NH₃），苯并[a]芘等有害成分。

经扫描电镜、物理吸附、氨气化学吸附和卷烟添加实验测试，柱撑后的蒙脱石材料其001晶面层间距增大，对氨气和烟气粒相物的吸附能力增强，有利于烟气成分的进入。所得材料对氨气和烟气粒相物有着较好的吸附作用，其中羟基柱撑的蒙脱石材料对烟气中的苯并[a]芘有着一定的选择性吸附作用。该滤嘴添加剂具有可塑性强，吸附效果好，安全无毒的优点，且价格低廉，适用高效。

附图说明

图1 是柱撑蒙脱石Fe(OH)-M和Fe₂O₃-M放大10000倍下的SEM图。

图2 是M、Fe(OH)-M和Fe₂O₃-M柱撑蒙脱石的N₂的物理吸附-脱附曲线图。

图3是 Fe₂O₃-M的氨气化学脱附等压曲线及其Gaussian多峰拟合曲线。

具体实施方式

Fe₂O₃和Fe(OH)柱撑蒙脱石的合成

1）. 钠基蒙脱石的合成：100g蒙脱石加入1500mL水中，充分溶胀后，加热到85℃并加入5g NaOH和5g Na₂SO₄。反应3h，过滤并洗涤5次，干燥后研磨备用。

2）. 羟基铁柱撑剂的配制：分别配制0.2mol/L的FeCl₃水溶液和0.4mol/L的NaOH溶液。按溶液体积比1：1将NaOH溶液加入到剧烈搅拌FeCl₃溶液中，持续搅拌12 h。静置老化3天。

3）．取5g钠基蒙脱石加入到500 ml去离子水中，持续搅拌1h，待蒙脱石完全溶胀后，加入50 ml老化好的羟基铁柱撑剂，并剧烈搅拌12 h。静置24 h后过滤，以去离子水洗涤至无氯离子（AgNO₃溶液检测），并于80℃下干燥。

4）. 将干燥好的氢氧化铁柱撑蒙脱石样品（缩写为Fe(OH)-M）在100℃下煅烧4 h后研磨得到Fe₂O₃-M。

所得柱撑蒙脱石材料为颗粒细小的固体粉末，为了表征其微观形貌，对Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M进行了扫描电镜（SEM）测试。在放大10000倍的情况下，Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M的SEM图如图1所示。可以发现，由于合成过程中没有采取限制粉末团聚的措施，所得材料有不同程度的团聚现象，Fe(OH)-M的团聚颗粒大小一般在10 μm左右，经高温固相法煅烧后，样品团聚颗粒有所减小，但一般也在8-5 μm左右。部分团聚较小的颗粒直径大约在0.5-1 μm左右。

将按Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M以及原料蒙脱石（简写为M）进行N₂物理吸附测试，所得吸附-脱附曲线如图2所示。三种蒙脱石材料的吸附-脱附曲线整体都呈现为IV型等温线，迟滞回线呈现为H3型。因此，柱撑改性没有明显改变蒙脱石固有的特征片层状结构，孔结构以狭缝型孔为主。表1中所示为各样品的BET比表面积数据。

表1 M、Fe(OH)-M和Fe₂O₃-M的BET比表面积

样品名	BET比表面积（m²/g）
		M	39.63
Fe(OH)-M	79.13
		Fe₂O₃-M	76.18

从表1中的数据可以看出，无论是羟基铁还是煅烧后形成的Fe₂O₃，进入蒙脱石001晶面后都能够大幅度提高蒙脱石的比表面积。

采用5%的氨氦混合气作为化学吸附测试气体，将M和Fe₂O₃-M进行化学吸附测试。测试Fe3⁺对氨气的化学吸附作用，所得样品的氨气脱附等压曲线及其拟合如图3所示。经Gaussian拟合出的三个峰分别为：1）位于552℃处的脱附峰归属于Fe₂O₃-M结构001晶面层间的Fe³⁺对氨气分子的氧化作用以及还原后的Fe²⁺与氨气分子的配位作用；这两种作用非常接近，很难完全分开；2）位于671℃处的脱附峰归属于蒙脱石001层间羟基的高温脱水；由于水蒸汽的热导率远高于普通气体，所以虽然此处的峰值最大，但不能说明脱附的分子最多；3）位于783℃处的脱附峰是由于高温下蒙脱石结构开始畸变所导致的。

由于三种作用力同时存在的原因，Fe₂O₃-M的脱附峰高度与M基本相同，但脱附容量却增大很多。因此，可以得出结论，Fe³⁺的进入能够大幅度提高蒙脱石吸附材料对NH₃的吸附作用。

采用中国国家标准GB/T 21130-2007和国际标准ISO 22634-2008分别对M、Fe(OH)-M和Fe₂O₃-M进行了烟气吸附测试以及卷烟烟气粒相物中的BaP含量测试。所得结果如表2所示。

表2 剑桥滤片捕集到的TPM、BaP以及两者的比值

样品名（加入量）	TPM (mg)	BaP （ng）	BaP/TPM （ng/mg）
				空白（未加）	106.3	89.2	0.84
M（5 mg）	94.3	78.3	0.83
				Fe(OH)-M (5 mg)	95.2	74.3	0.78
Fe₂O₃-M (5 mg)	93.7	81.5	0.87

从表2中所示的数据可以看出，随着材料的加入，总粒相物（TPM）有较为明显的降低，其中Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M的加入都能够使TPM大幅度降低，这主要是因为Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M都具有较大的比表面积的原因。其中Fe(OH)-M的加入能够使烟气中BaP选择性降低7.1%。

应用实例：

实施例1：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe₂O₃-M经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低20%，氨气能够降低30%，苯并[a]芘降低20%。

实施例2：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe(OH)-M经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低16%，氨气能够降低25%，苯并[a]芘降低25%。

实施例3：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M按1：1的比例混合均匀后，经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低18%，氨气能够降低27%，苯并[a]芘降低22%。

实施例4：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M按1：2的比例混合均匀后，经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低17%，氨气能够降低29%，苯并[a]芘降低23%。

实施例5：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M按2：1的比例混合均匀后，经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低19%，氨气能够降低26%，苯并[a]芘降低20%。

实施例6：

将按照实施方法中所述方法制得的Fe₂O₃-M和Fe(OH)-M按1：3的比例混合均匀后，经过普通造粒机造粒，颗粒大小控制在40-60目，并以正常活性炭嘴棒添加方法加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg，最终制得的卷烟产品，其焦油能够降低16%，氨气能够降低26%，苯并[a]芘降低24%。

Claims

1.一种含氧化铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂，其特征在于用羟基铁柱撑剂在钠基蒙脱石层间进行柱撑后，固定在蒙脱石001晶面层间，在100℃下煅烧4 h，得到含纳米氧化铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂。

2.一种含羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂，其特征在于用羟基铁柱撑剂在钠基蒙脱石层间进行柱撑，固定在蒙脱石001晶面层间，得到含纳米羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂。

3.一种含氧化铁和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂，其特征在于所述添加剂的成分为纳米氧化铁改性蒙脱石和羟基铁改性蒙脱石两种混合物，混合比例为1：0.5－1：3。

4.根据权利要求1或2或3所述的含氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂，其特征在于所述添加剂中的氧化铁或羟基铁为纳米级别。

5.权利要求1－3所述的含氧化铁或/和羟基铁的改性蒙脱石滤嘴添加剂的应用，其特征在于将所述添加剂加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5 mg。