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当烟叶处理降低烟气污染的作用及研究

发布时间:2021-09-11 20:48:22 阅读: 来源:海水缓蚀剂厂家

烟叶处理降低烟气污染的作用及研究

摘要:本文论述了国内外对卷烟烟叶进行技术处理,降低卷烟烟气排放量、烟气有害成分危害性的研究现状及技术进展,并重点对我国的技术现状及存在的问题进行讨论,并提出了今后的研究工作方向及思路。

关键词:卷烟;烟气污染;危害性

1前言

卷烟燃烧时主要产生两种烟气,一是卷烟在抽吸燃烧时的主流烟气,二是卷烟在静燃时产生的侧流烟气。烟气中含有4000多种化合物[1,2],气相物质占90%,粒相物质占10%。气相物质中有一氧化碳、挥发性芳香烃、氢氰酸、挥发性亚硝胺、自由基等一些致癌、促癌、纤毛毒物质。粒相物质主要为焦油和尼古丁(又名烟碱),还有少量的农药污染物、苯并芘等致癌物质[3],抽一支香烟产生0.5~3.5mg尼古丁,15mg左右的焦油。在吸烟所引起的健康和环境问题日益受到重视的今天,禁止吸烟当然是最理想也是最彻底的措施,但在部分人对吸烟存在的心理依赖和习惯无法根除时,生产无论是对吸烟者还是对环境危害性小的通过装备上不同色彩的按钮对该部件进行控制卷烟已经势在必行。

烟支点燃后,被燃烧的那部分烟丝将发生氧化、分解,其中许多有机物将被分解为二氧化碳和水等,与此同时,由于燃烧点的温度很高(将近800℃),邻近燃烧端点的烟丝中的有机物会在缺氧的高温条件下发生干馏作用,变成为气态、蒸汽态或半蒸汽态的形式进入烟气中。在吸烟过程中,进入烟气的初次燃烧分解产物或干馏产物又可能发生缩合、聚合、中和等反应,形成新的物质,存留于烟气中进入口腔,或沉降于未燃的烟丝上再发生第二次燃烧和干馏,吸烟间歇进行,化学反应也依次反复发生,直至吸烟完毕。许多研究结果表明,焦油及其它一些有200KN以下1般采取机电调速系统驱动机械传动系统加载害物质是由于烟草中的有机成分不完全燃烧和干馏作用而形成的,因此卷烟烟气的化学成分化学、含量及安全性与烟草内在的化学成分种类与含量密切相关[4,5,6]。近年来,烟草行业面对反吸烟运动的巨大冲击,人们对卷烟生产和消费的质量观念发生了根本性的转变,各国卷烟制造商相继投入了大量的人力、物力和巨额资金对如何降低卷烟对健康和环境的危害进行了广泛而深入的研究。如何降低卷烟释放烟气中的有害成分日益成为烟草行业发展的主题。

2烟叶原料

烟叶是构成卷烟的基础,其燃烧性是烟叶质量的重要指标之一。影响烟叶及其制品燃烧性的因素是多方面的,就烟草本身而言,各种有机物质如纤维素、半纤维素、木质素是可燃成分,燃烧时纤维素和半纤维素通过挥发、蒸馏、热解合成、氧化和还原等化学反应而形成复杂的烟气;木质素的含碳量高且属芳香族结构,通过热解将大分子物质分解成简单物质主要包括二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氢及不饱和的碳氢化合物;矿质元素以各种盐类形式存在于烟叶中,虽然不是可燃成分,但在燃烧过程中通过催化作用而影响烟叶的燃烧性。因此烟叶本身的化学组成、燃烧状态将直接影响卷烟的烟气成分和产品的感官质量。

2.1烟叶组成

地域及气候的差异导致不同类型烟叶的成分组成具有一定的差异,而在烟叶配方中使用焦油释出量较低的烟叶原料可以降低卷烟的焦油量,就烟叶种植而言,种植密度、施肥(施肥量、肥料种类和配比)、灌溉(灌溉量和灌溉方式)和留叶数、采收成熟度等对烟叶的理化特性均有明显影响,如对烤烟打顶和采收与其焦油释出量的关系进行研究,发现高打顶可使烟叶焦油量下降20%~30%。一般说来,烟草的密度较大(例如烤烟),许多成分的含量增加,燃烧时相应产生的焦油、粒相物等就高一些,随着烟草生产技术的发展,有可能通过农业技术降低烟叶焦油产生量,目前国际上已通过各种育种途径培育出了一些低焦油烤烟品种,如加拿大选育出低焦油烤烟品种Delgold、Newdel和Canld等并已在生产上推广,美国Sato等已从烤烟品种Hicks与低生物碱的雪茄烟品种NFT706杂交的后代中选育出3个低焦油品系[7]。国际上将重视对烟草栽培技术的研究,以期找到可以生产出低焦油烟叶的一整套栽培措施。通过优化这些栽培措施,可生产出内在化学成分协调、香气量足的烟叶,为低焦油卷烟提供优质原料。然而我国在采用农业措施降低焦油方面进展不大,主要原因是缺乏应有的重视,而在目前烟叶质量制约工业降焦的状况下,采用农业措施提高烟叶质量,降低烟叶焦油显得更为迫切。

就烟叶原料而言目前有关GH4169镍基合金疲劳小裂纹扩大的实验研究我国烟叶的总糖(总糖是产生焦油的主要源头)、烟碱明显高于国外,而总氮明显偏低,烟丝密度差别很大,并且我国消费市场长期以来一直以烤烟型卷烟为主体,85%以上的产品是烤烟型卷烟,一般情况下,烤烟的焦油量(平均焦油量在17mg以上)要比白肋烟、香料烟等凉晒烟(13mg左右)要高,因此目前发展混合型卷烟已成为降低卷烟烟气量的一种十分有效的方式并已被世界各国广泛采用,成为当今世界卷烟产品的主流。我国的混合型卷烟发展与国外相比仍存在较大差距,发展混合型香烟仍具有很大的空间。因此要降低香烟的危害性,需要选育引进推广抗逆性强、成熟特性明显、桔黄烟比例高、高香气、烟碱适中、低焦油(低糖)品种并加速科研成果转化,选择低糖、高烟碱的烤烟和一些类似烤烟香味的晒黄烟等[8],并注意各部位烟叶的科学配比,合理控制叶组配方中的糖碱比和氮碱比指标,使烟叶配方本身香气足、劲头大,在降低烟气焦油量的同时保持适量的烟碱,以满足吸烟者的生理需求。

目前国内外提出无公害烟叶的新概念,认为通过新技术的运用,减少化学农药和化学肥料的使用量,生产出来的农药残留量低于限量标准的烟叶就是无公害烟叶,也就是减少种植过程中人为添加的有害物质,生产出安全性更高的烟叶来保证卷烟的安全性。影响烟叶安全性的因素主要有:烟叶本身的烟碱、纤维素、蛋白质等固有化学成分及其裂解产物,烟叶生长所在环境存在的和生产过程中产生的二氧化硫、重金属、放射性元素、农药残留物、植物生长调节剂、过量氯离子、地膜等,烟叶烘烤过程中产生的有毒物质亚硝胺化合物等。针对这些因素产生的来源进行深入研究,从品种、栽培措施、病虫害放置、烘烤和生产环境等方面制定一些生产技术标准来规范烟叶及卷烟的生产设计,从而降低烟气污染及危害性。

在卷烟烟叶配方中掺用一定量的膨胀烟丝和烟草薄片也可有效降低卷烟烟气量,这是因为膨胀烟丝的填充值明显高于普通烟丝,因而单位重量烟丝与空气的接触面积大大增加,使烟支在燃烧过程中的氧化反应趋向完全,明显降低烟气中有害物质的含量,并减少烟支的含丝量。实际生产表明,在卷烟配方中掺用10%的膨胀烟丝,可降低焦油量近20%,并节省烟丝7%。如广东南雄卷烟厂将膨胀烟丝的比例由5%提高至11%,每支卷烟释放的焦油量和烟气烟碱量可分别由19.23mg、1.41mg降低至15.68mg、1.20mg。在卷烟配方中掺用烟草薄片可以充分利用烟叶资源,研究结果表明,掺用烟草薄片可使卷烟中的焦油量降低10%,目前发达国家均十分重视烟草薄片的降焦作用。

随着世界各国对环境烟气越来越多的关注,一些国家还相继研制出多种不燃烧烟丝(只加热烟丝)的卷烟和能大大降低侧流烟气的卷烟(可达60%以上)[9],美国雷诺兹公司研究出一种无烟卷烟,这种卷烟在外形和味道上与一般卷烟无异,但在卷烟点火的那一端,用半英寸左右的玻璃纤维外壳内包裹着一块碳片,碳片与烟叶之间有一块隔热器,卷烟烟点着后,烟叶不会燃烧,碳片燃烧时的热空气会透过烟叶再被吸烟者吸入,每支卷烟的焦油量为1~3mg,尼古丁为0.1~0.2mg,无烟,大大降低吸烟对人体和环境的危害性,但人们对这种卷烟的接受程度还需要一段时间。

2.2烟叶处理

元素钾K和氯Cl是烟草中存在的两种重要无机元素,一般认为K可促进燃烧,而Cl则被认为是阻燃因素,据研究表明,烟叶的含氯量在1.0%以下时则燃烧性较好,含氯量超过2%将造成严重熄火,目前烤烟生产中常用的钾肥是硫酸钾,烟叶中SO-42离子也较多,对烟叶的含钾量和燃烧性有较大的影响[10],巴斯凯维奇为综合这些离子对烟叶燃烧状态的影响,在大量的实验数据基础上,提出有机钾概念[11],认为烟叶中有机K的含量=烟叶中总K含量-(烟叶中Cl-含量+烟叶中SO含量)

图1钾含量与焦油降低率的关系曲线

实验研究表明,K对烟支燃烧过程主要有两方面的影响,一是使烟支燃烧速率增加,随外加钾盐量的增加,抽吸口数减少,焦油量相对减少[13](见图1),二是降低抽吸期间的燃烧温度。热分析实验证明,添加有机钾盐可使燃烧热解的初始温度降低[14](见表1),热重损失降低,致使残留大部分的碳,同时由于温度的降低,使冷凝在烟支后部的部分总粒相物不能完全汽化,而是有一部分冷凝的总粒相物被燃烧而转化为气相组分或以其它形式滞留在烟灰中,从而降低烟气量。因此在一定范围内,有机钾含量增加可以降低烟气焦油量,一般来说烟叶中有机钾含量在2%~3%的范围内,烟叶的自由燃烧速率最快,此时烟气量中焦油的产生量最低,因此对烟叶处理的添加剂的量和种类应取决于烟叶自身的有机钾含量。表1不同钾盐添加剂对卷烟燃烧温度的影响

为改善烟叶的燃烧性能,研究者们还研究了利用某些盐类添加剂处理烟丝对降低卷烟烟气量的效果,发现添加Mn、Co、Zn、Cu的钼酸盐对降低卷烟焦油量和减少抽吸口数有明显作用[15],可将焦油量由21.6mg降至15mg左右,自由基和一些稠环芳香化合物的量也有较大地降低,这些盐类添加剂的催化作用机理是通过降低烟叶有机物的热分解活化能,从而降低烟丝的热分解温度(一般来说,热分解的表观活化能越低,卷烟的燃烧速度就越快,卷烟产生的焦油量就减少)[16],长沙卷烟厂通过添加具有自由基捕获功能的试剂,使得卷烟产品的自由基释放量降低了约40%。而利用外加电磁场来处理烟叶,使烟叶中的总糖在微波场的作用下产生强烈吸收并局部升温炭化,导致烟叶总糖降低,从而有效降低烟气中总粒相物和焦油的方法已在我国一些卷烟厂开始应用,结果表明可降低烟气焦油量10%以上,并且由于烟叶中的烟碱是一种氮杂环化合物,适量的微波场难以引起它的改变,因而这种方法对卷烟的香味改变很小,符合吸烟者的感官要求。

我国是中草药的故乡,中草药添加剂在烟叶处理中的应用是中国烟草业不可比拟的特有优势,国内研究人员在中草药的选择、药物的作用机理和临床应用效果上对中国特有的加有中草药成分的新型卷烟进行了研究并取得了一些成功经验,如利用罗布麻叶与Mo元素复合处理烟叶,可将焦油含量由18.51mg降低到13.8mg,自由基降低30%,并对香烟烟气中的其它污染物都有不同程度地降低,动物实验证明该种烟还具有止咳、化痰、平喘等功效,为我国研制开发安全低毒香烟增添了新的内容和竞争力[17,18]。

3今后的发展思路

随着人们对烟气中有害成分的日益关注,我国作为卷烟的生产和消费大国,近年来在降低卷烟烟气对健康和环境危害性方面做了大量的工作,但从研究结果来看,与国际知名企业相比,我国的烟草行业既有优势也存在差距。烟叶原料是卷烟有害成分释放量的决定因素,也是卷烟质量的物质基础,要发展具有中国特色的烤烟型卷烟,就必须重视烟叶原料的低焦油研究,加强应用基础研究包括各种化学成分对烟叶及卷烟感官质量和物理特性的影响(糖氮比、氮碱比、糖碱比等比值,总挥发碱、氨态碱、蛋白氮、α-氨基氮等含氮化合物,氮、钾、硫、灰分等无机化学成分),为在低焦油卷烟配方设计中合理选用烟叶提供科学依据,提高我国卷烟的设计、生产水平和产品质量,降低卷烟烟气对健康和环境的危害,具有重要意义。

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