CN103293276A - 一种滤嘴截留hcn的浓度分布模式测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滤嘴截留HCN的浓度分布模式测定方法，该方法是用激光先将抽吸后的滤嘴进行径向切割后，再沿轴心进行同心圆切割，或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行同心圆切割，再进行径向切割；切割完成后分离出相应个数的圆环状滤嘴段和圆柱形滤嘴段，对经切割分离后所得的各滤嘴段中的HCN含量进行定量分析，并计算出HCN的浓度后，再进行滤嘴截留的HCN浓度分布数据的多项式拟合，或多项式拟合和插值分析，即得到滤嘴截留HCN浓度的分布模式；该方法通过测定不同滤嘴截留HCN浓度的纵向、横截面径向及空间分布模式可掌握HCN在不同结构滤嘴中的过滤截留分布特征，能定量分析不同结构滤嘴的各个部分对烟气中HCN截留的效率和贡献，可应用于功能滤嘴的烟气HCN过滤性能的评价以及功能滤嘴的设计改进。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤嘴截留HCN的浓度分布模式测定方法，属于卷烟技术研究领域。
背景技术
卷烟滤嘴可有效截留主流烟气中的焦油及其它各种有害成分。在开发低焦油卷烟产品时，提高滤嘴的烟气截留效率往往是研究者的第一选择。随着低焦油、超低焦油卷烟产品市场的不断扩大，各种材料与规格的滤嘴对主流烟气中各种成分的截留效率、截留规律及截留机理等方面的研究也受到了更多的重视。Keith首先对滤嘴过滤烟气的机理进行了研究，其研究结果显示烟气粒子在滤嘴中的过滤作用主要有三种方式：惯性碰撞、扩散沉积和直接拦截。惯性碰撞与扩散沉积对烟气粒子的截留效率与烟气速率和粒径相关，烟气速率快、粒径大对惯性碰撞有利，反之则有利于扩散沉积，而直接拦截则与烟气速率无关。Keith和Denick还提出微粒过滤效率与微粒粒径的理理论相依性，微粒在平均粒径时最难被过滤，而滤嘴对较大的和较小的微粒具有选择性过滤。Overton对三种过滤方式对烟气粒子截留贡献率进行了研究，结果显示，滤嘴对烟气粒子的截留主要是扩散沉积和直接拦截，其贡献率超过了95%，而惯性碰撞的贡献率非常小，不足5%。另外，滤嘴的不同材料、结构和通风率等对烟气中焦油、HCN及不同有害成分的截滤效率有明显的影响，也是重点关注的研究领域。Masafumi Tarora研究了醋酸纤维滤嘴和不同含量的活性炭滤嘴对甲醛的过滤效率。醋纤滤嘴、丙纤滤嘴和改性丙纤滤嘴对烟气中不同成分的截滤性能也存在比较大的差异。Norman与李炎强等的研究显示，烟气化学成分随着滤嘴通风率的升高而减少，但各种物质减少的程度不同。
以上大部分是通过烟气分析评价各种滤嘴对烟气成分的过滤效果，目前尚未有滤嘴截留HCN在滤嘴中分布模式的研究报导。
发明内容
本发明针对现有技术中对滤嘴截留HCN在滤嘴中分布模式的研究存在空白的缺陷，目的是在于提供一种滤嘴截留HCN的纵向、横截面径向以及空间浓度分布模式的测定方法；该方法可掌握HCN在不同结构滤嘴中的过滤截留分布特征，能定量分析不同结构滤嘴的各个部分对烟气中HCN截留的效率和贡献，可应用于功能滤嘴的烟气过滤性能的评价以及功能滤嘴的设计改进。
本发明提供了一种滤嘴截留HCN的浓度分布模式测定方法，该方法是用激光先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割后，再将径向切割所得的各滤嘴段沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割；切割完成后分离出相应个数的圆环状滤嘴段和圆柱形滤嘴段，对经切割分离后所得的各滤嘴段中的HCN含量进行定量分析，并计算出HCN的浓度后，再进行滤嘴截留的HCN浓度分布数据的多项式拟合，或多项式拟合和插值分析，即得到滤嘴截留HCN浓度的分布模式。
所述的滤嘴截留HCN的浓度分布模式包括纵向分布模式、径向分布模式和空间分布模式。
所述的纵向分布模式是通过对滤嘴的烟丝端到吸食端各段中的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到；所述的径向分布模式是通过对滤嘴的轴心到外周的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到；所述的空间分布模式是通过对滤嘴的过轴心的纵向截面的二维HCN浓度分布数据进行多项式拟合和插值分析得到。
上述方法中的多项式拟合和插值分析为常规的数学方法。
上述方法中优选的切割方法是用激光先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割，再将径向切割所得的各滤嘴段分别沿其轴心进行两次不同半径的同心圆切割；或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行两次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割。
所述的滤嘴包括以下滤嘴结构：普通滤嘴、沟槽滤嘴、空腔滤嘴和各种复合滤嘴。
所述的滤嘴主要由醋纤、丙纤、纸质纤维中一种或几种材料制成。
上述方法中激光切割是采用精密激光雕刻机或精密激光切割机切割。
本发明的滤嘴截留HCN的浓度分布模式测定方法包括以下步骤：
1、卷烟的抽吸
将卷烟样品放置于温度20～24℃和相对湿度58～62%的环境中调节至少48h，对烟支进行重量和吸阻筛选，按照GB/T119609-2004标准进行卷烟抽吸；
试验卷烟样品以以下六种不同滤嘴结构为例：普通滤嘴、外置沟槽滤嘴、内置沟槽滤嘴、管柱空腔滤嘴、通风空腔滤嘴、纸醋复合滤嘴；
2、滤嘴的激光切割
卷烟抽吸后的各种滤嘴采用精密激光切割机或精密激光雕刻机进行切割：用激光先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割后，再将径向切割所得的各滤嘴段沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割；优选的切割方法是先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割，再将径向切割所得的各滤嘴段分别沿其轴心进行两次不同半径的同心圆切割；或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行两次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割；
3、滤嘴各切割部分HCN的分析与校正
采用滤嘴截留HCN行业标准分析方法对滤嘴以及切割后的滤嘴各部分中的HCN进行定量分析；并对切割后各部分滤嘴中的HCN分析结果进行校正，对切割的滤嘴与未切割的滤嘴进行平行分析，得出各种切割方式使滤嘴中HCN损失的量（主要为激光切割时的热损失）；在进行HCN分析数据校正时，将切割时HCN的损失量平分成两部分，分别补偿至切割面的相应两部分丝束中；
4、滤嘴截留HCN分布模式研究
通过对滤嘴各切割部分HCN的分析与校正，得出滤嘴各部分的实际HCN截留量，根据滤嘴各切割部分的体积，计算出不同结构滤嘴各切割部分的HCN浓度分布，通过对滤嘴的烟丝端到吸食端各段中的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到纵向分布模式；通过对滤嘴的轴心到外周的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到径向分布模式；通过对滤嘴的过轴心的纵向截面的二维HCN浓度分布数据进行多项式拟合和插值分析得到纵向截面二维分布模式，由于滤嘴为圆柱形，纵向截面二维分布模式可以代表空间分布模式。
本发明的有益效果：本发明方法首次采用简单的切割方法结合常规的数学方法对滤嘴的HCN截留量的研究，准确掌握了HCN在不同结构滤嘴中的过滤截留分布特征，能定量分析出不同结构滤嘴的各个部分对烟气中HCN截留的效率和贡献，可应用于功能滤嘴的烟气过滤性能的评价以及功能滤嘴的设计改进。
附图说明
【图1】为滤嘴径向切割与沿轴心的同心圆切割示意图：a为径向切割，b为沿轴心的同心圆切割。
【图2】为六种滤嘴截留HCN的纵向分布模式：A为普通滤嘴；B为外置沟槽滤嘴；C为内置沟槽滤嘴；D为通风空腔滤嘴；E为管柱空腔滤嘴；F为纸醋复合滤嘴。
【图3】为六种滤嘴截留HCN的横截面径向分布模式：A为普通滤嘴；B为外置沟槽滤嘴；C为内置沟槽滤嘴；D为通风空腔滤嘴；E为管柱空腔滤嘴；F为纸醋复合滤嘴。
【图4】为普通滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为普通滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为普通滤嘴截留HCN的空间分布模式。
【图5】为外置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为外置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为外置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式。
【图6】内置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为内置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为内置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式。
【图7】为通风空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为通风空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式。
【图8】为管柱空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为管柱空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为管柱空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式。
【图9】为纸醋复合滤嘴截留HCN的空间分布模式：A为纸醋复合滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布；B为纸醋复合滤嘴截留HCN的空间分布模式。
具体实施方式
以实施例旨在进一步说明本发明，而不是限制本发明。
具体实施方式
以下实施方式和实施例旨在进一步说明本发明，而不是限制本发明。
用以下六种滤嘴为例进行滤嘴截留HCN的浓度分布模式的研究：A为普通滤嘴；B为外置沟槽滤嘴；C为内置沟槽滤嘴；D为通风空腔滤嘴；E为管柱空腔滤嘴；F为纸醋复合滤嘴。
实施例1
六种滤嘴截留HCN的纵向分布模式
通过对抽吸后的六种滤嘴进行不同位置的径向切割，分析各部分滤嘴中的HCN含量，计算得到不同部分滤嘴中截留HCN的浓度，对轴向上的HCN浓度分布进行多项式拟合，得到了六种不结构滤嘴截留HCN的纵向分布模式。图2为六种滤嘴截留HCN的纵向分布模式。普通滤嘴截留HCN浓度从滤嘴烟丝端到吸食端呈降低趋势（图2，A）。外置沟槽滤嘴和内置沟槽滤嘴的结构变化对HCN的纵向分布模式有明显影响，在滤嘴结构发生变化部位，滤嘴截留的HCN浓度会有一定幅度的增加，之后呈下降趋势（图2，B和C）。通风空腔滤嘴烟丝端部分和吸食端部分浓度都呈下降趋势（图2，D）。管柱空腔滤嘴（图2，E）非空腔部分滤嘴HCN浓度的纵向分布模式与普通滤嘴相似，呈逐渐递减趋势。空腔部分滤嘴丝束单旦Y总旦数较高，丝束密实，经过丝束的烟气少，该部分滤嘴截留的HCN浓度很低。纸/醋复合滤嘴截留HCN的纵向分布模式显示，醋纤对HCN的截留效率稍好于醋纤，有一定的选择性截留作用（图2，F）。
实施例2
六种滤嘴截留HCN的横截面径向分布模式
与纵向分布模式不同，在滤嘴截留HCN径向分布研究中，在滤嘴径向三等份切割基础上，径向上对滤嘴进行不同半径同心圆切割。因滤嘴直径只有约7.6mm，所以径向上只作两个不同半径的同心圆切割，即R1=1.26mm，R2=2.52mm。分别分析切割后的内、外两部分滤嘴中的HCN量（三段滤嘴合并），通过计算并利用径向切割HCN损失率与切割面积的关系模型进行校正后可得到滤嘴等距离的内、中、外部截留的HCN量和HCN浓度。对滤嘴横截面径向上的HCN浓度变化规律进行多项式拟合，得到HCN在不同滤嘴中的横截面径向分布模式。图3A、B、C、D、E、F分别为六种滤嘴截留HCN的横截面径向分布模式。结果显示，普通滤嘴、外置沟槽滤嘴、内置沟槽滤嘴截留HCN的横截面径向分布模式接近，滤嘴横截面中心、中圈、外周部分截留的HCN浓度相差不大，中圈部分稍低于中心部分和外圈部分。通风空腔滤嘴、管柱空腔滤嘴和纸醋复合滤嘴截留HCN在横截面中心部分浓度高，向外呈举快速下降趋势，中圈部分和外圈部分HCN浓度接近。
实施例3
六种滤嘴截留HCN的空间分布模式
滤嘴截留HCN的纵向和横截面径向上的分布模式研究结果可以分别提供滤嘴截留HCN在纵向及横截面径向上的浓度分布信息。但它不能同时显示滤嘴截留HCN在纵向和横截面径向上的浓度分布信息。而同时获得滤嘴纵向和径向上的HCN分布信息，即HCN在滤嘴中的空间分布模式，能更全面地反映滤嘴截留烟气的真实模式。首先将滤嘴径向三部份切割成三段，即烟丝段、中间段和吸食段，再对三段滤嘴分别进行两次不同半径的同心圆切割（R1=1.26mm，R2=2.52mm），分别对各个切割部分单独进行HCN分析，可以得到各个部分的HCN含量，对两次不同半径切割的数据进行HCN损失率校正，再通过各部分体积换算可得到滤嘴分切九个部分的HCN分布浓度，即三段滤嘴的内部、中部、外部HCN分布浓度。对数据进行多项式拟合及插值分析，得到不同结构滤嘴截留HCN的空间分布模式。
1、普通滤嘴截留HCN的空间分布模式
图4A为抽吸后普通滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到普通滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布模式，如图4B所示。结果显示，HCN浓度从烟丝端到吸食端呈降低趋势，横截面中心部分浓度最高，但横截面中圈部分截留的HCN浓度反而低于外圈。
2、外置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式
图5A为抽吸后外置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到外置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的分布模式，如图5B所示。结果显示，外置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式与普通滤嘴相似。
3、内置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式
图6A为抽吸后内置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到内置沟槽滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的分布模式，如图6B所示。内置沟槽滤嘴截留HCN的空间分布模式与普通滤嘴相似。
4、通风空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式
图7A为抽吸后通风空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到通风空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的分布模式，如图7B所示。在通风空腔滤嘴烟丝端部分，可能是烟气流动模式发生改变的原因，烟丝附近HCN浓度在中圈部分高，而到了接近空腔时滤嘴中心部分HCN浓度又高于中圈和外周部分，吸食端滤嘴截留HCN主要在滤嘴中心部分，向外快速降低。纵向上呈缓慢降低趋势。
5、管柱空腔滤嘴截留HCN的空间分布模式
图8A为抽吸后管柱空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到管柱空腔滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的分布模式，如图8B所示。该滤嘴由烟丝端18mm普通滤嘴和吸食端7mm空腔滤嘴组成，其中空腔部分在中心有一直径4mm空腔。在非空腔部分，HCN浓度分布模式在径向上从中心向外周呈降低趋势，纵向上从烟丝端向吸食端也呈下降趋势。空腔部分滤嘴截留HCN浓度非常低。
6、纸/醋复合滤嘴截留HCN的空间分布模式
图9A为抽吸后纸/醋复合滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的浓度分布，通过对HCN分布数据进行多项式拟合和插值分析，得到纸/醋复合滤嘴截留HCN在过轴心的纵向截面上的分布模式，如图9B所示。纸质纤维对HCN的截留效率好于醋纤，截留的HCN浓度远高于中间醋纤部分，该滤嘴截留的HCN在径向上从中心向外周以及纵向上从烟丝端向吸食端均呈下降趋势。
Claims (7)
1.一种滤嘴截留HCN的浓度分布模式测定方法，其特征在于，用激光先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割后，再将径向切割所得的各滤嘴段沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行若干次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割；切割完成后分离出相应个数的圆环状滤嘴段和圆柱形滤嘴段，对经切割分离后所得的各滤嘴段中的HCN含量进行定量分析，并计算出HCN的浓度后，再进行滤嘴截留的HCN浓度分布数据的多项式拟合，或多项式拟合和插值分析，即得到滤嘴截留HCN浓度的分布模式。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的滤嘴截留HCN的浓度分布模式包括纵向分布模式、径向分布模式和空间分布模式。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的纵向分布模式是通过对滤嘴的烟丝端到吸食端的各段中的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到；所述的径向分布模式是通过对滤嘴的轴心到外周的HCN浓度分布数据进行多项式拟合得到；所述的空间分布模式是通过对滤嘴的过轴心的纵向截面的二维HCN浓度分布数据进行多项式拟合和插值分析得到。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用激光先将抽吸后的滤嘴进行若干次径向切割，再将径向切割所得的各滤嘴段分别沿其轴心进行两次不同半径的同心圆切割；或者先将抽吸后的滤嘴沿轴心进行两次不同半径的同心圆切割，再将经同心圆切割所得的滤嘴进行若干次径向切割。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的滤嘴包括以下滤嘴结构：普通滤嘴、沟槽滤嘴、空腔滤嘴和各种复合滤嘴。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的滤嘴主要由醋纤、丙纤、纸质纤维中一种或几种材料制成。
7.如权利要求1～6任一项所述方法，其特征在于，激光切割是采用精密激光雕刻机或精密激光切割机切割。
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