CN109772314A - 一种烟草过滤烟嘴触媒剂及其工艺制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种烟草过滤烟嘴触媒剂及其工艺制备方法，所述触媒剂包括触媒和触媒剂载体，所述触媒为采用高纯度的稀有金属氧化还原手段制成颗粒状触媒，所述触媒剂载体为去离子水。所述触媒剂包括3~52%钛酸酯偶联剂、15~20%的纳米级二氧化钛粉、5~10%的纳米级铂溶液、8~12%的Au‑1纳米金溶液，余下为去离子水。本发明作为高分子气体分解及转換器，能分解烟草中农药残留，快速有效降低烟纸排放COX、NOX污染，有效降低烟草尼古丁、烟纸一氧化氮，減少吸入香烟对肺部的伤害；本发明能让气管及喉咙没有燥热感觉,并且吸入的香烟不呛鼻,烟的臭味消除,喉咙湿润并保湿,减少香烟之危害，減少二手烟对其他人的伤害。

Description

一种烟草过滤烟嘴触媒剂及其工艺制备方法

技术领域

本发明涉及一种烟草过滤烟嘴触媒剂及其工艺制备方法，本发明使过滤烟嘴成为高分子气体分解及转換器，分解烟草中农药残留，快速有效降低烟纸排放COX、NOX污染，有效降低烟草尼古丁、烟纸产生的一氧化氮，減少吸入香烟对肺部的伤害。

背景技术

吸烟对人体的危害已经众所周知，经最新科学研究发现，香烟对人体危害最大的不是烟草，而是卷烟纸及香精和胶水等，高温燃烧后产生不可分解的有害化合物质，香烟烟雾中，92%为气体，如一氧化碳、氢氰酸及氨等；8%为颗粒物，这些颗粒物统称焦油，内含尼古丁、多环芳香羟、苯并芘及β-萘胺等才是人体肺部及心血管硬化最大的杀手。

稀有金属是传统催化剂的活性组份，在目前工业催化剂中占有很大比重、负载型稀有金属催化剂是精细化工主导型催化剂品种、高分子材料合成的关键触媒，应用目标是将物理吸附、化学反应、燃烧催化技术合而为一，把吸附、催化机能性材料应用在烟雾有害化合物分解方面。

卷烟过滤嘴是用醋酸纤维制成的,醋酸纤维，是一种人造纤维，由纤维素用醋酐处理而制成，根据酯化度不同，产品包括一醋酸纤维素(MCA)、二醋酸纤维素(CA)和三醋酸纤维素(TCA)，其中二醋酸纤维素经抽丝后得到的丝束，是公认的最理想的过滤材料，是当今世界上生产香烟过滤嘴的主要原料。其实过滤嘴作用不大.香烟燃烧时产生的烟雾中含有几百种对人体有害的化学成分，特别是焦油、亚硝胺等4000多种致癌物质，殊不知，过滤嘴所起的过滤作用是很有限的，对嗜烟者来说不过是自我安慰罢了，而且过滤嘴本身所含的物质对人体同样有害。有人作过调查研究，卷烟中尼古丁的滤除率，长滤嘴为43.28％，短滤嘴仅为9.93％。而吸入气道的烟雾中，有害成分一氧化碳却上升了30％~40％，两项相抵，过滤嘴对健康的危害反而有增无减。美国研究人员曾对3737名吸烟者进行调查，结果发现，吸带过滤嘴香烟的人，冠心病的患病率并不比吸无过滤嘴烟的人少，可见过滤嘴对烟民的健康是“爱莫能助”。卷烟过滤嘴是用醋酸纤维制成的。科学家研究发现，在吸烟过程中，特别是当吸烟者用手指头轻弹烟卷或舌头触及滤嘴时，会有数根至数十根细小的纤维从过滤嘴中脱落下来。这种直径只有20微米的纤维，可随高温的烟雾吸入呼吸道，并长驱直入最后到达吸烟者的肺泡组织,成为癌变的诱因.美国纽约州布法罗城一家癌症研究所的约翰·波利博士通过显微镜意外地发现，在吸烟的癌症患者被手术切除的肺叶病理组织切片上，有一种闪光的细微杆状体，此乃来自卷烟过滤嘴中沾染了致癌物质的纤维。这是广大烟民意想不到的事情。

另外，人的手指一般都直接接触过滤嘴，香烟的这一段就成了细菌污物的载体。烟民们在人际交往过程中相互递烟，自然也给疾病交叉感染提供了一个方便途径，绿色健康烟用过滤材料的技术不断进步才可以有效降低烟草对吸烟者的危害。

吸烟时烟碱（尼古丁）通过烟雾经咽喉入肺部而危害人健康，虽然套上过滤嘴能减少部分尼古丁的进入口腔和肺部，但是仍然还是有大部分进入人体内。因为吸烟者仍是烟雾的直接纳入者，套烟嘴只是将危害稍微减少一点。香烟中的尼古丁并不是直接导致香烟疾病和死亡的直接原因，真正的直接祸首是“存在于香烟燃烧产生烟雾中7000多种的化合物”，国际癌症研究机构（IARC）早已把香烟列入了一类致癌物。单独的尼古丁缺乏致癌的证据，这不是什么新发现，所以，尼古丁从来没有被国际癌症机构纳入到官方认定的致癌物清单里面。但是它有公认的坏处——成瘾性，另外还有一些研究认为，香烟中的尼古丁在致癌的过程中起到了非常关键作用。FDA局长提到了尼古丁的危害：“烟草引起的死亡和疾病的绝大部分是由烟瘾引起的。上瘾导致长期持续的使用。而长期使用则导致暴露于疾病产生的有害化学物质。解决烟草燃烧产生危害问题，就是要解决烟瘾问题，而最终尼古丁是问题的核心。

而此次FDA的新方案，其中一个重要决定就是，未来将可燃香烟的尼古丁水平降低至非成瘾水平。这是通过降低香烟的成瘾性，来降低人们暴露在吸烟致癌物环境中的次数和频率，实现减少香烟疾病和死亡的公共卫生目标。

现有市场技术解决方案

1）物理阻隔过滤：在国家控烟的严格要求下，卷烟过滤嘴突破了单一醋酸纤维过滤嘴的形式，向复合过滤嘴的方向发展，很多企业推出双重、三重甚至更多重的外置过滤嘴，外置滤嘴与卷烟自带的醋酸纤维滤嘴相结合，更好的起到降焦减害的作用。全球烟草行业普遍采用物理阻隔过滤：即通过环保棉增加烟气的流通层次，使烟气的焦油和固体状物质附着在过滤棉上，增强过滤效果。物理阻隔过滤通过环保棉增加烟气的流通层次，使烟气的焦油和固体状物质附着在过滤棉上，增强过滤效果．吸烟时烟碱（尼古丁）通过烟雾经咽喉入肺部而危害人健康，虽然套上过滤嘴能减少部分尼古丁的进入口腔和肺部，但是仍然还是有大部分进入人体内。因为吸烟者仍是烟雾的直接纳入者，套烟嘴只是将危害稍微减少一点，缺点是无法解决吸入有害化合物的伤害。。

2）空气比流过滤：采用空气流动速度的控制来降低焦油含量，空气在经过微孔时速度会加快，但烟嘴中间有个空腔，烟气就在这里会减速，出口也是微孔，烟气在空腔中会做短暂的停留，焦油会附着在过滤器上，烟气中的烟尘也会在减速中降落在空腔中，和烟焦油形成混合物，这样大量的有害物质就被截流在空腔中．缺点是无法解决吸入有害化合物的伤害。

3）磁石过滤：磁石的磁场会使烟气经过时根据磁力场的方向流动，而磁石本身是冷的，是焦油和烟尘达到截流的效果．缺点是无法解决吸入有害化合物的伤害。

4）活性炭过滤芯过滤：利用活性炭吸附的特性，将烟气中的有害化学物,如稠芳氨氢等进行吸附，从而达到减毒的作用。具有选择性拦截、超大面积吸附的作用。当烟雾通过烟嘴中的活性炭颗粒时，焦油从烟雾中被选择性吸附，炭颗粒中的活性物质与焦油中的有害物质发生物理吸附，活性炭颗粒的特殊结构，使得其拥有超大的吸附面积，如展开后相当于一张A3纸大小，吸附能和是普通醋酸纤维滤嘴的数倍以上。缺点是无法解决吸入有害化合物对人体的伤害。

发明内容

本发明的目的是利用稀有金属纳米级材料触媒的特性，将烟雾中的有害化学物,如稠芳氨氢等进行无害化催化分解转换，从而达到分解降低燃烧产生的有害化合物的作用。

为了实现本发明的目的，特采用以下技术方案：

一种烟草过滤烟嘴触媒剂，所述触媒剂包括触媒和触媒剂载体，所述触媒为采用高纯度的稀有金属氧化还原手段制成颗粒状触媒，所述触媒剂载体为去离子水。

所述触媒剂包括3~52%钛酸酯偶联剂、15~20%的纳米级二氧化钛粉、5~10%的纳米级铂溶液、8~12%的Au-1纳米金溶液，余下为去离子水。

所述颗粒状触媒的粒径小于4nm~10nm，比表面积大于100m2/g。

本发明还提出制备所述烟草过滤烟嘴触媒剂的步骤，所述制备步骤包括：

1）触媒的制备：

1.1）纳米金配制：在烧杯中加入10 mL 氯金酸溶液和80 mL 三蒸水, 将烧杯置于数显测速恒温磁力搅拌器上,边加热边搅拌,搅拌的转速设置为600 r/min, 加热至75℃, 恒温2 min, 用移液管移取一定体积的还原剂溶液,迅速一次加入到上述混合液,开始计时, 使液体颜色恒定并持续加热9min,停止加热,继续搅拌5 min 后, 停止搅拌, 冷却至室温,所得液体为纳米金溶液；

1.2）纳米级二氧化钛制备：利用金红石挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物四氯化钛，然后采用气相氢火焰法，通过氢火焰燃烧，通过如下反应方式：TiCl4+2H2+O2 =TiO2+4HCl 得到纳米级二氧化钛粉末；

1.3）纳米级铂溶液制备：利用液相还原法纳米铂溶胶制备。取新配制NaBH4溶液35ml放入锥形瓶，快速搅拌条件下，加入PtNO3溶液10ml，搅拌20min,得到纳米级铂溶液；

1.4）将1000mL纯水、3~5mL钛酸酯偶联剂，15克纳米级二氧化钛及6ml纳米级铂溶液依次加入，再加入8g~12gAu-1纳米金溶液加入到反应斧中搅拌升温至80~90℃,在此温度下反应6h~8h,反应过程中不断蒸馏;冷却得到粉末产品触媒；

2）触媒剂的制备：用离子交换法制取的去离子水溶解所述粉末状触媒,得到浅红色液体触媒剂。

在步骤1），所述的触媒的溶点60~70℃。

在步骤1.1）使用的还原剂是浓度为3.43×10-2 mol/L的Na3C6H5O7或浓度为0.391 mol/L的NaBH4溶液。

在步骤1.1）中，还包括10 mL的保护剂溶液。

在步骤1.3）中，所述NaBH4溶液的浓度为0.391 mol/L。

在步骤2）所述的溶剂是纯水。

本发明的优点：

本发明是高分子气体分解及转換器，能分解烟草中农药残留，快速有效降低烟纸排放COX、NOX污染，有效降低烟草尼古丁、烟纸一氧化氮，減少吸入香烟对肺部的伤害；本发明能让气管及喉咙没有燥热感觉,并且吸入的香烟不呛鼻,烟的臭味消除,喉咙湿润并保湿,减少香烟之危害，減少二手烟对其他人的伤害。

附图说明

图1显示纳米级的稀有金属承载到金属氧化物上的结构示意图；

图2所示为纯水制备原理；

图3和图4显示稀有金属催化剂制备原理；

图5显示本发明烟草过滤烟嘴触媒剂直接喷洒在复合醋酸滤嘴的施工步骤：

图6显示新纤维复合过滤棒对卷烟主流烟气成分的影响。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明每一功能的相应实现方案。

1、制备步骤

本发明包括载体和烟草过滤烟嘴触媒剂及其工艺制备方法，后者形成于载体中，对触媒剂活性起到稳定作用，一方面,活性中心稀有金属原子配位形成金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。使催化剂更加稳定;另一方面,金属原子尚未达到它的最高配位数,因此具有较高的催化活性。如图1所示

8g~12gAu-1纳米级的稀有金属承载到金属氧化物上，所制得的触媒即使在摄氏零下73度仍可催化一氧化碳的氧化反应，金颗粒拥有特殊的表面效应，可应用于催化各种化学反应，有优异的催化CO氧化反应活性。经研究发现，均匀地分散在催化剂载体上的稀有金属，具有很高的触媒活性。

a.触媒的制备：1）纳米金配制浓度为2.44×10-3 mol/L 的HAuCl4·4H2O溶液、浓度为3.43×10-2 mol/L 的Na3C6H5O7·2H2O 溶液、浓度为1.00×10-4 mol/L 的 PVP 溶液, 以及浓度为0.391 mol/L 的NaBH4 溶液备用。在烧杯中加入10 mL 氯金酸溶液, 10mL 或不加保护剂溶液, 80 mL 三蒸水, 将烧杯置于数显测速恒温磁力搅拌器上, 边加热边搅拌, 搅拌的转速设置为600 r/min, 加热至75℃, 恒温2 min, 用移液管移取一定体积的还原剂(Na3C6H5O7 或NaBH4)溶液,迅速一次加入到上述混合液, 开始计时, 使液体颜色恒定并持续加热一段时间共9 min, 停止加热, 继续搅拌5 min 后, 停止搅拌, 冷却至室温, 所得液体为纳米金溶液。2）纳米级二氧化钛制备：利用金红石挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物，该法制备的纳米TiO2粒度细，化学活性高，粒子呈球形，单分散性好，可见光透过性好，吸收屏蔽紫外线能力强。该过程易于放大，实现连续化生产，同时需要解决粉体的收集和存放问题。气相氢火焰法：是通过四氯化钛氢火焰燃烧得到，反应方式如下：TiCl4+2H2+O2 =TiO2+4HCl 得到纳米级二氧化钛粉末。3）纳米级铂溶液制备：利用液相还原法纳米铂溶胶制备。取新配制NaBH4溶液35ml放入锥形瓶，快速搅拌条件下，加入PtNO3溶液10ml，搅拌20min,得到纳米级铂溶液。

b．触媒剂的制备：采用高纯度的稀有金属氧化还原手段制成粒径小于4nm~10nm的优秀触媒，从而形成单分子的稀有金属触媒。制备方法：将 1000mL纯水、 3~5mL钛酸酯偶联剂，15克纳米级二氧化钛及6ml纳米级铂溶液稀有金属催化溶液依次加入，再加入8g~12gAu-1纳米金溶液加入到反应斧中搅拌升温至80~90℃,在此温度下反应6h~8h,反应过程中不断蒸馏;冷却得到粉末产品,再用去离子水溶解,得到浅红色液体触媒。

c.触媒剂载体制备：用离子交换法制取的纯水也称“去离子水”,“或无离子水”,严格讲绝对纯净的水是没有的。离子交换法的原理是:含有阴阳离子杂质的水,经过离子交换树脂,离子交换树脂上的OH-和H+分别与水中的阴离子和阳离子交换,OH-和H+进入水中又结合成水,以达到去除水中阴阳离子杂质的目的。离子交换树脂是一种高分子化合物,它在水、酸、碱中不溶解,化学性质稳定,其交换容量高,机械强度好,耐磨性大,膨胀性小,可长时间使用等优点。其交换机理如下。

强酸性阳离子交换树脂:R-SO3H+Na+R-SO3Na+H+，以上得到触媒剂载体即去离子水。

1）纯水的制备

纯水制备原理图2

2）(0.68mol)稀有金属催化剂组份原料配比

图3和 图4为0.68mol的稀有金属催化剂制备原理图。

施工步骤：直接将本发明烟草过滤烟嘴触媒剂直接喷洒在复合醋酸滤嘴上。喷洒到滤嘴中，再经过高温杀菌挥发触媒剂中的纯水载体即可。图5所示

本发明的纳米级过滤烟嘴触媒剂，是运用高科技手段在滤芯中添加4nm~10nm的稀有金属触媒，不但能有效分解烟草中的焦油和尼丁古等有害物质，更可分解卷烟纸燃烧后产生的COX. NOX等有毒气体，减少对人体的伤害，提高香烟的醇度！且无任何副作用，新纤维复合过滤棒对卷烟主流烟气成分的影响，如图6所示。

本发明具有选择性分解及滤棒超大面积吸附的作用。这样烟味变得醇和，因为含有纳米级稀有金属烟嘴变成了催化器，吸烟时燃烧产生的烟雾含有7000多种化合物在通过烟嘴时，滤棒将把颗粒物大部份截留在烟嘴里面，而让气体状的烟雾再通过触媒分解有害化合物，所以使烟味变醇了，香味保留了，有害化合物进行催化分解转化形成无害化合物，使吸烟者吸入的无害烟雾化合物通过滤嘴，并不会影响卷烟的味道。

本发明的纳米级过滤烟嘴触媒剂，是运用高科技手段在滤芯中添加4nm~10nm的稀有金属触媒，不但能有效分解烟草中的焦油和尼丁古等有害物质，更可分解卷烟纸及胶水添加的香精燃烧后产生的COX. NOX等有毒气体，减少对人体的伤害，提高香烟的醇度！且无任何副作用。

本产品已通过国际SGS认证。本发明即在烟草工业过滤材料应用尚属首次提出，利用稀有金属纳米级材料的选择性触媒的特性，将烟雾中的有害化学物,如稠芳氨氢等进行无害化分解转换，从而达到分解降低燃烧产生的有害化合物的作用。具有选择性分解、超大面积吸附的作用。这样烟味变得醇和，因为纳米级稀有金属烟嘴变成了催化器，吸烟时燃烧产生的烟雾含有7000多种化合物在通过烟嘴时，将把颗粒物大部份截留在烟嘴里面，而让气体状的烟雾再通过触媒分解有害化合物，所以使烟味变醇了，香味保留了，有害化合物被选择性的进行分离转化形成有机无害物，使吸烟者吸入的无害烟雾化合物通过滤嘴，并不会影响卷烟的味道。

本发明理论是多元催化原理的基础上的发明，属首次提出。任何以纳米级稀有金属及部分使用纳米级稀有金属作为催化剂的发明都属本发明技术范畴。稀有金属是传统催化剂的活性组份，在目前工业催化剂中占有很大比重、负载型稀有金属催化剂是精细化工主导型催化剂品种、高分子材料合成的关键触媒，应用目标是将物理吸附、化学反应、燃烧催化技术合而为一，把吸附、催化机能性材料应用在烟雾有害化合物分解等方面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种烟草过滤烟嘴触媒剂，其特征在于，所述触媒剂包括触媒和触媒剂载体，所述触媒为采用高纯度的稀有金属氧化还原手段制成颗粒状触媒，所述触媒剂载体为去离子水。

2.根据权利要求1所述的触媒剂，其特征在于，所述触媒剂包括3~52%钛酸酯偶联剂、15~20%的纳米级二氧化钛粉、5~10%的纳米级铂溶液、8~12%的Au-1纳米金溶液，余下为去离子水。

3.根据权利要求2所述的触媒剂，其特征在于，所述颗粒状触媒的粒径小于4nm~10nm，比表面积大于100m2/g。

4.制备权利要求1-3所述烟草过滤烟嘴触媒剂的步骤，其特征在于，所述制备步骤包括：

1）触媒的制备：

1.1）纳米金配制：在烧杯中加入10 mL 氯金酸溶液和80 mL 三蒸水, 将烧杯置于数显测速恒温磁力搅拌器上,边加热边搅拌,搅拌的转速设置为600 r/min, 加热至75℃, 恒温2 min, 用移液管移取一定体积的还原剂溶液,迅速一次加入到上述混合液,开始计时, 使液体颜色恒定并持续加热9min,停止加热,继续搅拌5 min 后, 停止搅拌, 冷却至室温,所得液体为纳米金溶液；

1.2）纳米级二氧化钛制备：利用金红石挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应生成所需化合物四氯化钛，然后采用气相氢火焰法，通过氢火焰燃烧，通过如下反应方式：TiCl4+2H2+O2 =TiO2+4HCl 得到纳米级二氧化钛粉末；

1.3）纳米级铂溶液制备：利用液相还原法纳米铂溶胶制备；

取新配制NaBH4溶液35ml放入锥形瓶，快速搅拌条件下，加入PtNO3溶液10ml，搅拌20min,得到纳米级铂溶液；

1.4）将1000mL纯水、3~5mL钛酸酯偶联剂，15克纳米级二氧化钛及6ml纳米级铂溶液依次加入，再加入8g~12gAu-1纳米金溶液加入到反应斧中搅拌升温至80~90℃,在此温度下反应6h~8h,反应过程中不断蒸馏;冷却得到粉末产品触媒；

2）触媒剂的制备：用离子交换法制取的去离子水溶解所述粉末状触媒,得到浅红色液体触媒剂。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤1）所述的触媒的溶点60~70℃。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1）使用的还原剂是浓度为3.43×10-2 mol/L的Na3C6H5O7或浓度为0.391 mol/L的NaBH4溶液。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1）中，还包括10 mL的保护剂溶液。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3）中，所述NaBH4溶液的浓度为0.391 mol/L。

9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述的溶剂是纯水。