CN106820261A - 一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；所述吸端滤材为表面均布有石墨烯的纤维，卷烟端滤材为表面均布有石墨烯和壳聚糖的纤维；所述纤维为醋酸纤维或聚丙烯纤维或聚乳酸纤维或黏胶纤维或Lyocell纤维。本发明具有能够选择性吸附卷烟烟气中的苯并芘和苯酚，而不能有效吸附卷烟烟气中烟碱的特点。本发明的制备工艺简单，各组份材材料价格便宜，成本低、污染低。

Description

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴

技术领域

本发明属于卷烟材料领域，涉及卷烟用滤嘴，具体涉及一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴。

背景技术

一般滤嘴可以过滤掉烟气中的总颗粒物，减少卷烟焦油的摄入量。研究表明，在过滤嘴中加入一定量的活性炭、海泡石、沸石、活性氧化铝、粘土、硅胶等吸附剂，可以选择性地过滤掉部分气相物和沸点低的挥发性有害物质，而对非挥发性和沸点较高的挥发性物质(如强致癌物质苯并芘)则不能选择性滤除。

壳聚糖是一种天然高分子聚合物，我国在卷烟生产上每年都使用几十吨的壳聚糖，但主要作为烟草薄片加工制作的胶黏剂，也有一些研究者将壳聚糖用于滤嘴以考察对卷烟烟气中烟碱和焦油的滤除效果。由于壳聚糖侧链上带阳离子的氨基，能选择性地吸附焦油、一氧化碳、重金属等有害物质，但烟碱不会同步降低，因此可减少侧流烟气有害成份，减少刺激性，从而有效地降低吸烟对环境的污染和对吸烟者的危害。

目前，事实上，将壳聚糖用于清除污水环境中的苯酚类物质已有报道，由聚乙烯醇/壳聚糖/明胶制备的复合水凝胶对苯酚的吸附量可达40.1mg/g。由于壳聚糖含有活性的羟基、氨基、富电子的吡喃环等功能基团，能对烟气中的化学成分形成物理吸附和化学吸附，尤其对降低苯酚类有害物效果显著。

石墨烯作为一种具有独特结构和特性的纳米材料，用于烟草的降焦减害极具优势。纳米材料是一种新型材料，近年来发展迅速，用在卷烟上时，其降焦减害的幅度也较大，具有极大的发展潜力，目前已取得了阶段性成果。石墨烯是一种由碳原子通过sp²杂化轨道成键而成，具有六边形蜂窝状晶格结构的二维原子晶体材料，其独特而完美的结构使其具有优异的吸附及催化降解特性。

最新的研究表明，碳纳米管和石墨烯具有清除自由基的功能，这归因于此类纳米碳材料分子中存在很大的π共轭结构，可以为自由基提供电子。通过理论模拟发现，石墨烯对于氧自由基、烷烃自由基、羟基自由基、氮烯自由基等具有清除作用，起到抗氧剂的功能，这为石墨烯用于香烟滤嘴清除烟气中的有害自由基提供了可能。

国内外对于卷烟过滤嘴的研究，在现有的技术中，中国专利授权公开号CN2872872Y，授权公开日2007.2.28，发明名称为“膨化石墨复合型香烟过滤嘴”，该申请方案采用在香烟过滤嘴中加入一段含有膨胀石墨的过滤段，制得膨化石墨复合型过滤嘴，可以有效的过滤香烟中的烟碱气、煤油和尼古丁等有害物质，但是不能吸附苯并芘。中国专利授权公开号CN201349521Y，授权公开日2009.11.25，发明名称为“含纳米碳材料的高效香烟过滤嘴”，该申请方案是将纳米采材料负载在纤维上制成过滤芯，制得含纳米碳材料的高效香烟过滤嘴，可以有效的吸附烟气中的有毒物质，造价低廉。中国专利授权公开号CN201813833U，授权公开日2011.05.04，发明名称为“活性炭过滤嘴卷烟”，该申请方案采用的烟体的过滤嘴上均匀分布着活性炭，制得活性炭过滤嘴卷烟，活性炭可以吸附一氧化碳、尼古丁、氮氧化物和胺类等有害物质。中国专利授权公开号CN201797987U，授权公开日2011.04.20，发明名称为“带有活性炭颗粒的香烟过滤嘴”，该申请方案采用过滤嘴是由两段过滤棒组合而成，它包括靠近烟丝端的过滤棒，以及靠近烟支端的过滤棒，靠近烟支端的过滤棒中喷有活性炭，从而制得带有活性炭颗粒的香烟过滤嘴，该过滤嘴是的烟中有害物质的含量得到降低，吸附效果好。中国专利授权公开号CN201393643Y，授权公开日2010.02.03，发明名称为“活性氧化铝球及椰壳活性炭过滤的香烟过滤嘴”，该申请方案是将活性氧化铝球及椰壳活性炭过滤复合在过滤嘴中，制得活性氧化铝球及椰壳活性炭过滤的香烟过滤嘴，通过吸附净化较强的活性氧化铝球和优质椰壳活性炭进行二次截留，使之有效过滤除去尼古丁和焦油等有害物质。总之这些卷烟过滤嘴都无法选择性吸附苯并芘。

发明内容

本发明的目的在于提供一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，即将石墨烯或石墨烯和壳聚糖均匀分布在滤嘴纤维表面，从而改性过滤嘴纤维，制得一种石墨烯或石墨烯和壳聚糖修饰的纤维，最后将其制成香烟滤嘴，能够更好地弥补原有滤嘴的不足，由于壳聚糖含有活性的羟基、氨基、富电子的吡喃环等功能基团，能对烟气中的化学成分形成物理吸附和化学吸附，尤其对降低苯酚类有害物效果显著，同时氧化石墨烯不仅对卷烟烟气中氧自由基、烷烃自由基、羟基自由基、氮烯自由基等具有清除作用，而且可有效降低烟气中的苯并芘含量，但对烟碱的含量影响不大。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端，吸端滤材为纤维，该纤维表面均布有石墨烯，具体过程为先将石墨预氧化得到氧化石墨烯，再将氧化石墨烯分散到去离子水中，得到氧化石墨烯水溶液，然后将制得的氧化石墨烯水溶液对纤维进行喷涂处理，最后制得经修饰液处理后的纤维，经修饰液处理后的纤维中的氧化石墨烯的质量含量为0.02-0.04％；卷烟端滤材为纤维，该纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，具体过程为先将石墨预氧化得到氧化石墨烯，再将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液，最后将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对聚乳酸纤维进行喷涂处理，制得经修饰液处理后的纤维，经修饰液处理后的纤维中的氧化石墨烯和壳聚糖的质量含量为0.03-0.07％；其中，氧化石墨烯与壳聚糖的质量浓度比为0.2-0.8:1；

其中，吸端和卷烟端滤材的纤维为醋酸纤维、聚丙烯纤维、聚乳酸纤维、黏胶纤维和Lyocell纤维中的一种。

本发明的有益效果：本发明采用纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，由于石墨烯具有清除自由基的功能，这归因于此类纳米碳材料分子中存在很大的π共轭结构，因此石墨烯对于氧自由基、烷烃自由基、羟基自由基、氮烯自由基等具有清除作用，起到抗氧剂的功能，这为石墨烯用于卷烟滤嘴清除烟气中的有害自由基提供了可能。同时由于石墨烯片层结构分布在滤嘴纤维的表面，由于苯并芘与石墨烯强烈的π-π相互作用，使得石墨烯选择性吸附苯并芘，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。同时由于壳聚糖含有活性的羟基、氨基、富电子的吡喃环等功能基团，能对烟气中的化学成分形成物理吸附和化学吸附，尤其对降低苯酚类有害物效果显著。

本发明采用纤维表面均布有石墨烯，由于石墨烯是一种由碳原子通过sp²杂化轨道成键而成，具有六边形蜂窝状晶格结构的二维原子晶体材料，因此通过石墨烯改性的纤维过滤嘴，因为石墨烯独特而完美的结构，使得过滤嘴具有优异的吸附及催化降解特性。同时由于壳聚糖侧链上带阳离子的氨基，能选择性地吸附焦油、一氧化碳、重金属等有害物质，但烟碱不会同步降低，因此可减少侧流烟气有害成份，减少刺激性，从而有效地降低吸烟对环境的污染和对吸烟者的危害。

本发明的制备工艺简单，各组份材材料价格不贵，低成本、低污染。该工艺制备的选择性吸附苯并芘和苯酚的滤嘴纤维，过滤效果更佳。

具体实施方式

实施例1

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；

吸端滤材为醋酸纤维，该醋酸纤维表面均布有石墨烯，吸端滤材的制备方法为：

第一步，预氧化，得到预氧化的石墨烯；

第二步，二次氧化，得到氧化石墨烯；

第三步，将氧化石墨烯分散去离子水中，配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到均一、稳定的氧化石墨烯水溶液；

第四步，将制得的氧化石墨烯水溶液对醋酸纤维进行喷涂处理，干燥后，制得石墨烯修饰的醋酸纤维；其中，石墨烯占醋酸纤维质量的0.012％；

卷烟端滤材为醋酸纤维，该醋酸纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，卷烟端滤材的制备方法为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对醋酸纤维进行喷涂处理，制得石墨烯/壳聚糖复合修饰的醋酸纤维；其中，壳聚糖占醋酸纤维质量的0.012％；

经检测，壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了11.9％和6.2％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附；

吸端为抽烟者嘴部接触的一端，卷烟端为直接与卷烟本体连接的一端。

实施例2

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；

吸端滤材为聚丙烯纤维，该聚丙烯纤维表面均布有石墨烯，吸端滤材的制备方法为：

第一步，预氧化，得到预氧化的石墨烯；

第二步，二次氧化，得到氧化石墨烯；

第三步，将氧化石墨烯分散去离子水中，配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到均一、稳定的氧化石墨烯水溶液；

第四步，将制得的氧化石墨烯水溶液对聚丙烯纤维进行喷涂处理，干燥后，制得石墨烯修饰的聚丙烯纤维；其中，石墨烯占聚丙烯纤维质量的0.028％；

卷烟端滤材为聚丙烯纤维，该聚丙烯纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，卷烟端滤材的制备方法为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对聚丙烯纤维进行喷涂处理，制得石墨烯/壳聚糖复合修饰的聚丙烯纤维；其中，壳聚糖占聚丙烯纤维质量的0.028％；

经检测，壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了21.3％和8.6％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。

实施例3

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；

吸端滤材为聚乳酸纤维，该聚乳酸纤维表面均布有石墨烯，吸端滤材的制备方法为：

第一步，预氧化，得到预氧化的石墨烯；

第二步，二次氧化，得到氧化石墨烯；

第三步，将氧化石墨烯分散去离子水中，配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到均一、稳定的氧化石墨烯水溶液；

第四步，将制得的氧化石墨烯水溶液对聚乳酸纤维进行喷涂处理，干燥后，制得石墨烯修饰的聚乳酸纤维；其中，石墨烯占聚乳酸纤维质量的0.046％；

卷烟端滤材为聚乳酸纤维，该聚乳酸纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，卷烟端滤材的制备方法为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对聚乳酸纤维进行喷涂处理，制得石墨烯/壳聚糖复合修饰的聚乳酸纤维；其中，壳聚糖占聚乳酸纤维质量的0.046％；

经检测，壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了29.3％和12.3％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。

实施例4

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；

吸端滤材为黏胶纤维，该黏胶纤维表面均布有石墨烯，吸端滤材的制备方法为：

第一步，预氧化，得到预氧化的石墨烯；

第二步，二次氧化，得到氧化石墨烯；

第三步，将氧化石墨烯分散去离子水中，配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到均一、稳定的氧化石墨烯水溶液；

第四步，将制得的氧化石墨烯水溶液对黏胶纤维进行喷涂处理，干燥后，制得石墨烯修饰的黏胶纤维；其中，石墨烯占黏胶纤维质量的0.058％；

卷烟端滤材为黏胶纤维，该黏胶纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，卷烟端滤材的制备方法为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对黏胶纤维进行喷涂处理，制得石墨烯/壳聚糖复合修饰的黏胶纤维；其中，壳聚糖占黏胶纤维质量的0.058％；

经检测，壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了26.1％和11.2％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。

实施例5

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，包括吸端和卷烟端；

吸端滤材为Lyocell纤维，该Lyocell纤维表面均布有石墨烯，吸端滤材的制备方法为：

第一步，预氧化，得到预氧化的石墨烯；

第二步，二次氧化，得到氧化石墨烯；

第三步，将氧化石墨烯分散去离子水中，配制浓度为5mg/ml的氧化石墨烯分散液，得到均一、稳定的氧化石墨烯水溶液；

第四步，将制得的氧化石墨烯水溶液对Lyocell纤维进行喷涂处理，干燥后，制得石墨烯修饰的Lyocell纤维；其中，石墨烯占Lyocell纤维质量的0.063％；

卷烟端滤材为Lyocell纤维，该Lyocell纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖，卷烟端滤材的制备方法为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对Lyocell纤维进行喷涂处理，制得石墨烯/壳聚糖复合修饰的Lyocell纤维；其中，壳聚糖占Lyocell纤维质量的0.063％；

经检测，壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了24.5％和8.9％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附；

Lyocell纤维，即溶解性纤维，被誉为21世纪绿色纤维，它是以N-甲基吗啉-N-氧化物为溶剂，用于湿法纺制的再生纤维素纤维。废弃物可自然降解，生产过程中的氧化胺溶剂可99.5％回收再用."毒性极低，且不污染环境"。

实施例6

一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，该滤嘴的滤材为二醋酸纤维，该二醋酸纤维中掺有活性炭纤维，并且该二醋酸纤维表面均布有石墨烯和壳聚糖；

其中，活性炭纤维素占二醋酸纤维质量的0.05％，石墨烯占二醋酸纤维质量的0.08％，壳聚糖占二醋酸纤维质量的0.063％；

经检测，活性炭纤维/壳聚糖/石墨烯修饰的滤嘴对苯并芘和苯酚的吸附分别提高了29.6％和15.7％；这种改性后的滤嘴使得苯并芘只能选择性吸附烟气中的苯并芘和苯酚，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。

本发明采用喷涂的技术将石墨烯或石墨烯和壳聚糖分步依次喷涂在纤维的表面，真空干燥后制得经石墨烯/壳聚糖修饰的纤维，修饰后的纤维含有一定量的壳聚糖，由于壳聚糖含有活性的羟基、氨基、富电子的吡喃环等功能基团，能对烟气中的化学成分形成物理吸附和化学吸附，尤其对降低苯酚类有害物效果显著。同时由于纤维中含有石墨烯，石墨烯不仅对卷烟烟气中氧自由基、烷烃自由基、羟基自由基、氮烯自由基等具有清除作用，而且可有效降低烟气中的苯并芘含量，但对烟碱的含量影响不大。由于石墨烯片层结构分布在滤嘴纤维的表面，苯并芘与石墨烯强烈的π-π键相互作用，使得苯并芘选择性吸附在石墨烯表面，而烟气中的烟碱等成分不能有效吸附。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，包括吸端和卷烟端；所述吸端的滤材为表面均布有石墨烯的纤维，卷烟端的滤材为表面均布有石墨烯和壳聚糖的纤维。

2.根据权利要求1所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，所述纤维为醋酸纤维、聚丙烯纤维、聚乳酸纤维、黏胶纤维、Lyocell纤维中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，所述吸端的滤材的制备方式为：

第一步，先将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯分散到去离子水中，得到氧化石墨烯水溶液；

第三步，将制得的氧化石墨烯水溶液对纤维进行喷涂处理，最后制得表面均布有石墨烯的纤维。

4.根据权利要求3所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，表面均布有石墨烯的纤维中的氧化石墨烯的质量含量为0.02-0.04％。

5.根据权利要求1所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，所述卷烟端的滤材的制备方式为：

第一步，将石墨预氧化得到氧化石墨烯；

第二步，将氧化石墨烯与壳聚糖水溶液混合，配制成混合溶液；

第三步，将氧化石墨烯和壳聚糖水溶液对纤维进行喷涂处理，最后制得表面均布有石墨烯和壳聚糖的纤维。

6.根据权利要求5所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，表面均布有石墨烯和壳聚糖的纤维中的氧化石墨烯和壳聚糖的质量含量为0.03-0.07％。

7.根据权利要求5所述的一种选择吸附卷烟烟气中苯并芘和苯酚的滤嘴，其特征在于，所述氧化石墨烯与壳聚糖的质量浓度比为0.2-0.8:1。