CN109864342A - 一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3‑4;所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:步骤一、碳吸附材料的制备;步骤二、改性壳聚糖的制备:步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3‑4混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。本发明的复合滤嘴添加材料采用碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料具有发达的空隙结构和功能团,能够有效吸附卷烟烟气中的重金属;改性壳聚糖均一性好、分散性佳、可以有效截留卷烟烟气中的苯酚并能改善吃味;本发明制备的复合滤嘴添加材料的吸附性能好、稳定性好,使用安全,且制备简单,易于工业化应用。
Description
技术领域
本发明属于卷烟生产技术领域,具体地,涉及一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料。
背景技术
随着生活水平的不断提高,消费者对自身的健康保护意识以及环保意识也在不断增强,对卷烟安全性的要求也越来越高。因此,开发低危害的卷烟产品是一种趋势。卷烟烟气中的重金属主要来源于烟草本身,而烟草中的重金属元素主要来源于烟草种植环境中含有重金属污染的土壤、水和空气等。烟草中的铅、砷、镉、铬、汞等重金属元素能以气溶胶或金属氧化物的形式通过烟气进入人体,在形成累积后,可能给人体造成伤害。研究发现一支卷烟的烟气中,最容易被吸收的重金属是镉。对于烟草中重金属含量的控制,目前主要采用两种思路,一方面是对烟叶产地环境重金属的有效控制,研究的重点集中在烟叶品种筛选和生物技术方面。产烟区土壤中重金属的含量及存在形态直接影响着烟叶对重金属的吸收率,一般土壤中可溶性重金属的含量越高,烟叶对重金属的吸收率也越高,其吸收率受到土壤PH、粘粒、有机质和阳离子代换量等因素的影响。另一方面是在卷烟生产过程中采用一些技术来降低主流烟气中重金属含量,研究的重点集中在滤嘴吸附截留技术。
陈育如等采用酞菁类化合物作为卷烟降害剂[陈育如等,中国专利CN1709171A],酞菁类化合物对烟气中的CO、氮氧化物、醛类、胺类等有害物质有明显的降低作用,还能去除重金属离子、淬灭自由基。周国俊等将叶绿素铜和叶绿酸钠中的一种或者两种加入到醋酸甘油三酯,喷撒到丝束中,或者制备成40-80目颗粒添加到嘴棒中,能够有效截留重金属[周国俊等,中国专利CN101238913A],但绿素铜和叶绿酸钠基本不溶于醋酸甘油三酯,存在添加困难和影响丝束成型等问题,且绿素铜本身就是一种络合物,对重金属再络合能力有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,通过采用碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料具有发达的空隙结构和功能团,能够有效吸附卷烟烟气中的重金属;改性壳聚糖均一性好、分散性佳、可以有效截留卷烟烟气中的苯酚并能改善吃味;本发明制备的复合滤嘴添加材料的吸附性能好、稳定性好,使用安全,且制备过程简单,易于工业化应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖;
碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3-4;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,在该温度下进行煅烧,煅烧完成后冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应6-7h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤3-5次,过滤后取出滤渣,烘干,制得改性壳聚糖;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3-4混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。
进一步地,步骤一(1)中煅烧于750℃条件下煅烧130-140min。
进一步地,步骤二(1)中搅拌速度为300r/min。
进一步地,步骤二(4)中烘干为在真空烘箱中35-45℃下干燥13-15h。
本发明的有益效果:
本发明的复合滤嘴添加材料中采用了碳吸附材料,该碳吸附材料将甲壳素作为碳源,与乙酸钙同时进行高温煅烧处理,能够形成碳/CaO复合物,再用稀硝酸溶解掉其中的CaO,便能够形成多孔碳吸附材料;经检测,甲壳素衍生的碳吸附材料具有较高的比表面积,高达786m2/g,孔体积可以高达0.91cm3/g,煅烧后的材料能形成发达的孔隙结构,发达的孔隙结构带来高的吸附性能;同时,甲壳素分子中的N元素在热解过程中能形成吡咯氮、吡啶氮多孔碳材料,吡咯氮和吡啶氮官能团能够与重金属离子作用,吡咯氮和吡啶氮官能团能增加碳材料对重金属的吸附性能;得到的碳吸附材料对Cd(II)和Pb(II)的吸附容量可以分别高达8.4mg/g和29mg/g;
本发明的复合滤嘴添加材料中采用了改性壳聚糖,壳聚糖(CS)是天然高分子材料,价格低廉,无毒无害,分子中含有丰富的氨基和羟基,是天然的氢键型吸附剂,选择水杨醛来修饰壳聚糖,水杨醛含有醛基和羟基,通过化学反应接枝到壳聚糖分子侧链上;得到的改性壳聚糖的分散尺寸在微米级别,微观结构未发生变化或破坏,相比之下,壳聚糖颗粒大小从几十到几百微米,而改性壳聚糖分散更为均匀,基本都在几十微米左右,均一性更好;当改性壳聚糖分散在滤嘴中时,由于改性壳聚糖侧链引入了水杨醛的苯环共轭结构,分子结构与苯酚更为接近,分子接触过程中更容易相互作用,达到截留苯酚的目的,同时,改性壳聚糖不会改变主流烟气的流向,可以最大限度地截留烟气中的苯酚;再者,水杨酸带有独特的香气,在截留卷烟中苯酚的同时还会起到增香的效果,改善卷烟的吃味;
本发明的复合滤嘴添加材料采用碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料具有发达的空隙结构和功能团,能够有效吸附卷烟烟气中的重金属;改性壳聚糖均一性好、分散性佳、可以有效截留卷烟烟气中的苯酚并能改善吃味;本发明制备的复合滤嘴添加材料的吸附性能好、稳定性好,使用安全,且制备过程简单,易于工业化应用。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3-4;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,750℃条件下煅烧130-140min,冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
将甲壳素作为碳源,与乙酸钙同时进行高温煅烧处理,能够形成碳/CaO复合物,再用稀硝酸溶解掉其中的CaO,便能够形成多孔碳吸附材料;经检测,甲壳素衍生的碳吸附材料具有较高的比表面积,高达786m2/g,孔体积可以高达0.91cm3/g,煅烧后的材料能形成发达的孔隙结构,发达的孔隙结构带来高的吸附性能;同时,甲壳素分子中的N元素在热解过程中能形成吡咯氮、吡啶氮多孔碳材料,吡咯氮和吡啶氮官能团能够与重金属离子作用,吡咯氮和吡啶氮官能团能增加碳材料对重金属的吸附性能;得到的碳吸附材料对Cd(II)和Pb(II)的吸附容量可以分别高达8.4mg/g和29mg/g;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,控制搅拌速度为300r/min,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应6-7h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤3-5次,过滤后取出滤渣,在真空烘箱中35-45℃下干燥13-15h,制得改性壳聚糖;
壳聚糖(CS)是天然高分子材料,价格低廉,无毒无害,分子中含有丰富的氨基和羟基,是天然的氢键型吸附剂,选择水杨醛来修饰壳聚糖,水杨醛含有醛基和羟基,通过化学反应接枝到壳聚糖分子侧链上;得到的改性壳聚糖的分散尺寸在微米级别,微观结构未发生变化或破坏,相比之下,壳聚糖颗粒大小从几十到几百微米,而改性壳聚糖分散更为均匀,基本都在几十微米左右,均一性更好;当改性壳聚糖分散在滤嘴中时,由于改性壳聚糖侧链引入了水杨醛的苯环共轭结构,分子结构与苯酚更为接近,分子接触过程中更容易相互作用,达到截留苯酚的目的,同时,改性壳聚糖不会改变主流烟气的流向,可以最大限度地截留烟气中的苯酚;再者,水杨酸带有独特的香气,在截留卷烟中苯酚的同时还会起到增香的效果,改善卷烟的吃味;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3-4混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中;
将复合滤嘴添加材料加入滤嘴中,滤嘴的近口端和烟丝端是醋酸纤维,在两段醋纤中间加入复合滤嘴添加材料,两段醋酸纤维的长度可以相同或不同,添加量为2mg/支。
实施例1
一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,750℃条件下煅烧130min,冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,控制搅拌速度为300r/min,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应6h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤3次,过滤后取出滤渣,在真空烘箱中45℃下干燥13h,制得改性壳聚糖;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。
实施例2
一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3.5;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,750℃条件下煅烧135min,冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,控制搅拌速度为300r/min,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应6.5h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤4次,过滤后取出滤渣,在真空烘箱中40℃下干燥14h,制得改性壳聚糖;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3.5混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。
实施例3
一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,包括碳吸附材料和改性壳聚糖,碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:4;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,750℃条件下煅烧140min,冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,控制搅拌速度为300r/min,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应7h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤5次,过滤后取出滤渣,在真空烘箱中35℃下干燥15h,制得改性壳聚糖;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:4混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。
将实施例1-3制备的复合滤嘴添加材料加入滤嘴中,滤嘴的近口端和烟丝端是醋酸纤维,在两段醋纤中间加入复合滤嘴添加材料,两段醋酸纤维的长度可以相同,添加量为2mg/支,进行如下性能测试(以普通未添加复合滤嘴添加材料的卷烟为对比例):
采用电感耦合等离子体质谱法测定卷烟主流烟气中的重金属;使用卷烟减害模拟评价装置,将卷烟插入烟气捕集器,点烟器点燃后,烟气通过滤片,苯酚在滤片上被截留,滤片上的截留量可反映烟气中苯酚的含量,使用直线抽烟机,参照YC/T255-2008《卷烟主流烟气中主要酚类化合物的测定高效液相色谱法》进行样品处理和数据分析,结果如下表:
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 对比例 | |
苯酚/(ug/支) | 12 | 11 | 12 | 26 |
铬/(ug/支) | 未检出 | 未检出 | 未检出 | 未检出 |
镍/(ug/支) | 未检出 | 未检出 | 未检出 | 未检出 |
镉/(ug/支) | 0.12 | 0.12 | 0.13 | 0.18 |
汞/(ug/支) | 未检出 | 未检出 | 未检出 | 未检出 |
铅/(ug/支) | 0.05 | 0.06 | 0.05 | 0.1 |
可知,通过将实施例1-3制备的复合滤嘴添加材料加入卷烟滤嘴中时,对苯酚的截留量为14-15ug/支,对重金属Cd和Pb的截留量为0.04-0.05ug/支,说明本发明的复合滤嘴添加材料对苯酚具有较高的截留,对重金属具有较高的吸附作用。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,其特征在于,包括碳吸附材料和改性壳聚糖;
碳吸附材料和改性壳聚糖的质量之比为10:3-4;
所述复合滤嘴添加材料由如下步骤制成:
步骤一、碳吸附材料的制备:
(1)称取0.5g甲壳素和0.5g乙酸钙,将甲壳素和乙酸钙混合后转入管式炉中,在氩气保护下,从室温条件下以5℃/min的升温速率升温至750℃,在该温度下进行煅烧,煅烧完成后冷却至室温;
(2)将0.6mol/L的HNO3溶液缓慢加入冷却后的煅烧产物中,溶解煅烧产物中的CaO,待酸溶液中无Ca2+检出后,将固体产物水洗至中性,烘干,制得碳吸附材料;
步骤二、改性壳聚糖的制备:
(1)称取6g壳聚糖,充分搅拌溶于200mL体积分数为5%的乙酸溶液中,将该溶液均匀喷洒到不断搅拌中的0.5mol/L的NaOH溶液中,喷洒完后,继续搅拌40min,再静置12h,过滤,用去离子水洗涤产物至中性,得到壳聚糖凝胶;
(2)称取6g水杨醛溶解在60mL无水乙醇中,得到水杨醛-乙醇溶液;
(3)将步骤(1)得到的壳聚糖凝胶加热至60℃,采用恒压漏斗将水杨醛-乙醇溶液在60℃恒温条件下逐滴加入到壳聚糖凝胶中,反应使用冷凝回流装置,并保持400r/min匀速搅拌,反应6-7h;
(4)转移反应产物,用乙醇洗涤3-5次,过滤后取出滤渣,烘干,制得改性壳聚糖;
步骤三、将碳吸附材料和改性壳聚糖按照质量之比为10:3-4混合均匀,并按照2mg/支的添加量加入卷烟的滤嘴中。
2.根据权利要求1所述的一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,其特征在于,步骤一(1)中煅烧于750℃条件下煅烧130-140min。
3.根据权利要求1所述的一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,其特征在于,步骤二(1)中搅拌速度为300r/min。
4.根据权利要求1所述的一种降低卷烟烟气中重金属的复合滤嘴添加材料,其特征在于,步骤二(4)中烘干为在真空烘箱中35-45℃下干燥13-15h。
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