CN104001477A - 十六烷基三甲基溴化铵-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂及其应用。用FeCl₃在钠基蒙脱石层间进行插层后，再用CTAB对FeCl₃插层蒙脱石进行阴离子交换反应，最后经洗涤干燥后，得到CTAB-铁交联的蒙脱石滤嘴添加剂。将所述添加剂加入卷烟滤嘴中，加入量为每支卷烟5-40mg。经过扫描电镜、N₂物理吸附和卷烟添加实验测试，结果表明交联后的蒙脱石比表面积有所减小，但对烟气中粒相物、苯并(a)芘和焦油等成分的吸附能力增强。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

十六烷基三甲基溴化铵-铁交联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，具体地说是一种十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）-铁交联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。目前，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CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂及其应用，它能够有效降低卷烟烟气中焦油、苯并（a）芘等成分的含量。

本发明的技术方案是：用FeCl₃在钠基蒙脱石层间进行插层后，再用CTAB对FeCl₃插层蒙脱石进行阴离子交换反应，最后经洗涤干燥后，得到CTAB-铁交联的蒙脱石滤嘴添加剂。

CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂的具体制备方法如下：

1）钠基蒙脱石（Na-M）的合成：用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 Na₂SO_；，反应3h，过滤并洗涤5次，干燥后研磨备用；

2）FeCl₃插层蒙脱石（FeCl₃-M）的合成：300ml去离子水中加入3 g钠基蒙脱石，搅拌1 h，充分溶胀后，加入30 ml0.1 mol/L的FeCl₃溶液，继续剧烈搅拌12 h，并静置24 h后过滤，洗涤，干燥；

3）Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石（Fe-CTAB-M）的合成：

取1g FeCl₃-M加入到100 ml去离子水中，搅拌1 h，充分溶胀后，加入3.6 g CTAB，加热至80℃，剧烈搅拌12 h，静置24 h后过滤，洗涤，干燥，得Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石滤嘴添加剂材料。

本发明用FeCl₃在钠基蒙脱石层间进行插层，使铁离子能够固定在蒙脱石001晶面层间，得到含铁的改性蒙脱石。将含铁的改性蒙脱石与CTAB反应，将其中的氯离子交换为CTAB阴离子，利用CTAB阴离子的有机特性，能够较好地吸附烟气中的有机成分。

铁离子和CTAB阴离子均是对人体安全无害的离子，因此，该材料具有良好的安全性。

所述的CTAB-铁交联的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5-40 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CTAB-铁交联的蒙脱石滤嘴添加剂。利用材料中CTAB阴离子的有机特性和三价铁离子（Fe³⁺）的无机特性吸附烟气中的部分有害成分。

经扫描电镜、物理吸附和卷烟添加实验测试，改性后的蒙脱石材料其001晶面层间距增大，对部分烟气成分的吸附能力增强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是钠基蒙脱石（Na-M）和Fe-CTAB-M的XRD曲线。

图2 是钠基蒙脱石（Na-M）和Fe-CTAB-M的BET曲线。

图3 是Fe-CTAB-M放大10000倍下的SEM图。

具体实施方式

实施例1;

1） 钠基蒙脱石（Na-M）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）FeCl₃插层蒙脱石（FeCl₃-M）的合成：300ml去离子水中加入3 g钠基蒙脱石，搅拌1 h，充分溶胀后，加入30 ml0.1 mol/L的FeCl₃溶液，继续剧烈搅拌12 h，并静置24 h后过滤，洗涤，干燥；

3）Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石（Fe-CTAB-M）的合成：

取1g FeCl₃-M加入到100 ml去离子水中，搅拌1 h，充分溶胀后，加入3.6 g CTAB，加热至80℃，剧烈搅拌12 h，静置24 h后过滤，洗涤，干燥，得Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石滤嘴添加剂材料。

经X射线粉末衍射（XRD）测试得到，随着CTAB-铁进入蒙脱石的001晶面层间，蒙脱石001晶面的层间距由1.50nm增大至1.95 nm（如图1所示）。

采用N₂作为吸附气体，对将M和Fe-CTAB-M进行物理吸附测试，如图2所示，发现蒙脱石原料（M）的吸附-脱附曲线是典型的IV型等温线，迟滞回线呈现为H3型；标志着其特有的片层状结构和狭缝型孔结构。当有机离子进入孔结构以后，Fe-CTAB-M的吸附-脱附曲线变成III型吸附等温线；迟滞回线则呈现为随着有机离子的增大，H3型逐渐向H4型过渡的趋势。这一变化是有机改性多孔材料的普遍现象，也是有机物在低压下易挥发所导致的。由此也佐证了有机离子成功进入了蒙脱石001晶面的层间。一般有机物表面都表现为憎液性，固体与N₂分子的吸附作用小于N₂分子间的相互作用，在低压区的吸附量较少，相对压力越高，吸附量越多。表明孔洞以大孔为主，因此脱附滞后线的滞后效果较小，没有明显的拐点。M和Fe-CTAB-M的吸附支、脱附支平均孔径和BET比表面积如表1所示。

表1 M和FeAc-M的吸附支、脱附支平均孔径和BET比表面积

从表1总可以明显看出，随着有机离子的进入，无论是样品的吸附支平均孔径还是脱附支平均孔径都有较大程度的增大。这与N₂吸附实验结果相同。而BET比表面积则表现为相反的递减趋势，这是因为随着有机离子的增大，孔中的大部分空间都被大的有机离子占据，自由空间较小的缘故。

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Fe-CTAB-M进行了扫描电镜（SEM）测试。在放大10000倍的情况下，Fe-CTAB-M的SEM图如图3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-CTAB-M的团聚颗粒大小一般在3-8 μm左右。

采用中国国家标准GB/T 21130-2007和国际标准ISO 22634-2008分别对空白卷烟和Fe-CTAB-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以及焦油

样品名（加入量）	粒相物 (mg)	苯并（a）芘 （ng）	焦油 （mg）
				空白（未加）	85.5	82.08	13
Fe-CTAB-M（5 mg）	65.2	62.4	8.7

从表中所示的数据可以看出，随着材料的加入，总粒相物（TPM）苯并(a)芘焦油都有较为明显的降低。这主要是由于材料中含有无机铁离子和有机醋酸根离子双重作用的结果。对烟气中更多成分都存在作用力的缘故。

Claims (4)

1.一种CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂的制备方法，其特征在于先对蒙脱石进行三氯化铁插层，再用CTAB对FeCl₃插层蒙脱石进行阴离子交换反应，最后经洗涤干燥后，得到CTAB-铁交联的蒙脱石滤嘴添加剂。

2.根据权利要求1所述的CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂的制备，其特征在于按以下步骤进行：

1）钠基蒙脱石的合成：用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 Na₂SO_；，反应3h，过滤并洗涤5次，干燥后研磨备用；

2）FeCl₃插层蒙脱石FeCl₃-M的合成：300ml去离子水中加入3 g钠基蒙脱石，搅拌1 h，充分溶胀后，加入30 ml0.1 mol/L的FeCl₃溶液，继续剧烈搅拌12 h，并静置24h后过滤，洗涤，干燥；

3）Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石Fe-CTAB-M的合成：取1g FeCl₃-M加入到100 ml去离子水中，搅拌1h，充分溶胀后，加入3.6g CTAB，加热至80℃，剧烈搅拌12 h，静置24 h后过滤，洗涤，干燥，得Fe-CTAB交联柱撑蒙脱石滤嘴添加剂材料。

3.一种用权利要求1－2 所述的CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂的制备方法制备的CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂。

4.一种权利要求3所述的CTAB-铁交联蒙脱石滤嘴添加剂的应用，其特征在于将CTAB-铁交联的蒙脱石滤嘴添加剂加入到卷烟滤嘴中，吸附烟气中有害成分，加入量为每支卷烟5-40 mg。