滤嘴通风对卷烟燃烧温度及主流烟气中七种有害成分的影响

摘要：利用热电偶测温装置考察不同滤嘴通风度对卷烟燃烧锥温度的影响，进而探索不同通风度滤嘴对卷烟主流烟气中有害成分的影响。结果表明，燃吸时随着滤嘴通风度0～31.04%范围内，烟支燃烧高温区体积呈下降趋势；随着卷烟滤嘴通风度的增加，卷烟主流烟气中的7种有害成分释放量均呈下降趋势，与滤嘴通风度呈线性负相关；通过增加卷烟的滤嘴通风度可减少卷烟烟气中有害成分的绝对释放量，但不能起到选择性降低有害成分的目的。

关键词：滤嘴通风；燃烧温度；有害成分

中图分类号：S572 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）17-4074-05

Effects of Filter Ventilation on Burning Temperature and 7 Kinds of Harmful Components of Mainstream Smoke

LIAN Fen-yan1， LI Bin2， HUANG Chao-zhang1

（1. Technology Center of China Tobacco Fujian Industrial Corporation， Xiamen 361022， Fujian，China；

2. Zhengzhou Tobacco Institute of CNTC， Zhengzhou 450001，China）

Abstract： The effects of filter ventilation on 7 kinds of harmful components of mainstream smoke and burning temperature during smoking were studied. The cigarette burning temperature was investigated with a thermocouple-based device. The results showed that during puffing， the high temperature zone shrank when the filter ventilation increased from 0.00% to 31.04%. When the filter ventilation increased， the delivery levels of 7 kinds of harmful components of mainstream smoke decreased， negatively correlated with filter ventilation. Increasing the filter ventilation can reduce the absolute value of the harmful components of mainstream smoke， but can't reduce them selectively.

Keywords： filter ventilation； burning temperature； harmful components

滤嘴通风是降低卷烟焦油、减少烟气中有害成分的有效方法。滤嘴通风可降低烟气流速，延长烟气在烟支中的停留时间，提高过滤效率，同时通过改变卷烟燃烧的热解条件，改变烟气气溶胶的组成及含量[1]。目前较多的研究关注滤嘴通风度对卷烟烟气量，烟气中焦油、烟碱及CO的过滤效率与烟气中的一些香味成分递送量的影响[2-4]。

众多裂解试验结果表明，燃烧温度直接影响烟草成分的热解合成反应，影响卷烟中挥发与半挥发成分向烟气中的输送量，与烟气中有害成分的释放量也有很大的关联[5]。因此，考察滤嘴通风度对卷烟燃烧温度的影响，进而研究由于燃烧温度的改变对卷烟主流烟气中7种主要有害成分释放量的影响至关重要。

近年来，卷烟燃烧温度的测定有较大进展，郑赛晶[6]建立了卷烟燃烧温度的测定方法，并考察了外加钾盐[7]、抽吸参数[8]对卷烟燃烧温度的影响及卷烟燃烧温度对烟气常规的影响。李斌等[9]建立了一种卷烟燃吸温度分布检测的数据采集、控制方法及其系统，并考察了卷烟纸透气度对卷烟燃烧锥温度的影响[10]。

卷烟减害技术重大专项提出以CO、HCN、NNK、NH3、苯并[a]芘（B[a]P）、苯酚及巴豆醛7种主要有害成分综合表征卷烟主流烟气的危害性，为行业减害降焦技术研究的深入开展提供了参考依据[11]。

本试验采用热电偶测定样品的燃烧温度以研究滤嘴通风对卷烟燃烧温度及主流烟气中7种有害成分释放量的影响。

1 材料与方法

1.1 试剂、样品与仪器

1.1.1 试剂 氢氧化钠（分析纯，广东光华化学厂）；水中氰标准溶液、水中氨离子标准溶液（分析纯，中国计量科学研究院）；氯胺T、2，4-二硝基苯肼（分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司）；邻苯二甲酸氢钾、浓盐酸、无水硫酸钠、醋酸、高氯酸（分析纯，广东汕头西陇化工厂）；异烟酸、1，3-二甲基巴比妥酸、吡啶（分析纯，Acros）；聚乙氧基月桂醚Brij35（30%，Skalar）；NNK、N-戊基-（3-甲基吡啶基）亚硝胺、巴豆醛-2，4-二硝基苯肼衍生物（纯度>97%，百灵威化学试剂公司）；二氯甲烷、甲醇、环己烷（色谱纯，Acros）；甲烷磺酸（纯度>99%，Acros）；苯并[a]芘、D12-苯并[a]芘（纯度>98%，百灵威化学试剂公司）；50 mg硅胶固相萃取柱（瓦里安公司）；苯酚（AR，购自于日本东京化工工业株式会社）；乙腈（色谱纯，百灵威化学试剂公司）。

1.1.2 样品 通过接装纸（固定中心打孔位置18，激光打孔，长度固定30，透气度0～500 CU）预打孔方式和不同透气度高透成形纸（3 000～10 000 CU）组合制备滤嘴通风率0.00%～31.04%间变化的6个样品，参数如表1所示，以某个牌号烟丝，固定一个卷烟纸A，固定卷烟参数卷制1-6号试验样品。

1.1.3 仪器 Sanplus型自动分析仪（荷兰Skalar 公司，配光度检测器和600 nm滤光片）；GFL3017 型台式旋转震荡器（德国Gesellschaft公司）、AT-500 N型标准自动电位滴定仪（日本KEM公司）、80 mL打孔气体吸收瓶、70 mL打孔气体吸收瓶（上海讯宏仪器有限公司）；SM400型直线型吸烟机（英国Filtrona公司）；RM200型转盘吸烟机（德国Borgwaldt-KC公司）；Human型超纯水系统（Pgeneral公司）；AG104型电子天平（感量0.000 1 g，瑞士Mettler2Toledo仪器公司）；离子色谱仪、戴安ED-50型电导检测器、戴安CSRS-Ⅱ型抑制器、戴安IonpacCS12A型阳离子交换分析柱、戴安IonpacCG12A型阳离子交换预柱（美国戴安公司）；Acquity型超高效液相色谱仪（Waters），配备荧光/PDA检测器；Luna HPLC C18型色谱柱（菲罗门，100.0 mm×3.9 mm，5 μm）； Acclaim Explosive E2型色谱柱（戴安，250.0 mm×4.6 mm 120？），Acclaim Explosive E2型预柱（戴安，10.0 mm×4.3 mm 120？）；950HTAE型超声波清洗器（美国Crest超声波公司）；TurboVapⅡ型氮吹浓缩仪（美国ZYMARK公司）；DB-5（30.00 m×0.25 mm×0.25 μm）型弹性毛细管色谱柱、HP50+（30.00 m×0.53 mm×1.00 μm）型弹性毛细管色谱柱、1.00 m×0.53 mm×1.00 μm石英毛细管保护柱（美国Agilent公司）；气相色谱-热能分析联用仪（安捷论6890N-联合层析CSI-TEA610）；PE600-600T型气相色谱-质谱联用仪（美国PE公司）。

1.2试验方法

1.2.1 卷烟燃烧温度测试方法 如图1所示，将热电偶从夹持器下部插入后，精确调整热电偶位置，用螺丝固定，再用卡烟器卡好卷烟位置，使热电偶与卷烟的相对位置固定。

感官评吸一般是从第2～3口开始，因此模拟卷烟感官评吸的方法，选择测量抽吸第3口时的烟支燃烧锥温度分布。在标准状态下，测量卷烟开始抽吸第3口时卷烟纸燃烧线的位置，取其平均值，作标记线，在轴向方向每隔2 mm依次插入1根热电偶，当卷烟纸燃烧线到达标记线时，开始采集热电偶数据。

1.2.2 卷烟主流烟气中7种有害成分的测定方法 依据GB/T 19069-2004[12]、YC/T 156-2001[13]、YC/T 157-2001[14]、GB/T 23356-2009[15]、GB/T21130-2007[16]、YC/T253-2008[17]、GB/T23228-2008[18]、YC/T 377-2010[19]、YC/T255-2008[20]和YC/T254-2008[21]等标准进行卷烟主流烟气中焦油及7种有害成分的测定。

2 结果与分析

2.1 滤嘴通风度对卷烟燃烧温度的影响

计算不同滤嘴通风度卷烟1-6号第3口燃吸前燃烧锥上各温度区的体积分布，结果如表2所示。由表2可知，随着滤嘴通风度的增加，600 ℃以上的高温区体积呈逐渐减少的趋势，究其原因为随着滤嘴通风度的增加，在抽吸间隙通过自然对流扩散进入燃烧锥区域的空气量减少，阻碍了烟丝的充分燃烧，因此燃烧锥的高温区域体积随之减少。而燃烧锥后部低温区域的各温度区间体积基本保持不变，这是因为烟支阴燃时燃烧线附近的空气很大一部分是通过自然对流扩散进入的，1-6号不同样品采用相同透气度的卷烟纸，通过卷烟纸扩散进入燃烧锥后部的空气量大致相同，燃烧线附近的烟丝燃烧情况大致相同，因此各温度区间的体积分布基本保持一致。

计算不同滤嘴通风度卷烟1-6号第3口燃吸期间各温度区间体积分布结果如表3所示。将表3与表2对比可知，抽吸期间进入燃烧锥的空气流速快速增加，烟丝燃烧剧烈，>700 ℃的高温区体积迅速增加，且随着滤嘴通风度的增加，1-6号高温区体积呈减少趋势，反映了随着滤嘴通风度的加大，通过自然对流扩散进入燃烧锥区域的空气量减少，烟丝燃烧不充分，燃烧温度降低。

计算不同滤嘴通风度卷烟1-6号第3口抽吸后10 s各温度区的体积分布，结果如表4所示。将表4与表2及表3对比可知，随着抽吸的继续进行，600～700 ℃、>700 ℃的温度区间的体积继续增大，可能是由于进入燃烧锥中的空气流随燃吸时间的延长流速增加造成的，且与抽吸前、抽吸期间表现出相同的趋势，随着滤嘴通风度的增加，燃烧锥的最高温度呈下降趋势。

滤嘴通风所带来的稀释在整个吸烟过程中都保持恒定，当滤嘴通风时，流经燃烧锥和烟支的气流流速均降低。Mikami等[22]推断认为，滤嘴通风卷烟等同于用低于标准抽吸容量来抽吸卷烟。因此，随着滤嘴通风度的增加，即等同于减少卷烟抽吸容量，降低了通过自然对流进入燃烧锥的空气流速，进而降低了卷烟的燃烧最高温度，与郑赛晶等[8]研究指出的随着抽吸容量上升，空气流速增加，导致烟支燃烧的最高温度呈上升趋势的结果一致。

2.2 滤嘴通风对主流烟气中7种有害成分的影响

2.2.1 滤嘴通风对主流烟气中7种有害成分释放量的影响 滤嘴通风为空气稀释烟气提供了途径，如Mikami等[22]所描述的一样，滤嘴通风相当于用低于标准抽吸容量抽吸非通风卷烟，因此抽吸时消耗的烟丝减少，主流烟气中有害成分的释放量也相应减少。但是烟气中的每种组分的沸点、分子量及极性等不同，不同稀释程度的滤嘴对这些物质的输送量的影响存在一定差异。

考察滤嘴通风度变化对卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的影响，结果如表5、图2、图3及图4中的线性拟合曲线所示，随着滤嘴通风度从0.00%增至31.04%，样品卷烟主流烟气中的常规成分焦油、烟碱及7种有害成分释放量均呈逐步下降的趋势。如表6的拟合方程所示：焦油、烟碱、CO、巴豆醛、HCN及B[a]P与滤嘴通风度呈高度线性负相关，R2分别为0.988 8、0.989 3、0.986 0、0.970 0、0.933 2和0.960 6，NNK、NH3及苯酚与滤嘴通风度的线性负相关性较弱，R2分别为0.857 9、0.752 8和0.712 8。从斜率绝对值可以得出滤嘴通风度对其影响程度排序为：CO>巴豆醛>HCN>焦油>NH3>B[a]P>烟碱>苯酚>NNK。

2.2.2 滤嘴通风对主流烟气中7种有害成分选择性降低的影响 为考察改变滤嘴通风能否选择性降低卷烟烟气中的有害成分，统计分析了不同滤嘴通风度下卷烟烟气中的7种有害成分单位焦油的释放量如表7所示。由表7可知，CO、HCN及NH3的单位焦油释放量随滤嘴通风度的加大基本保持不变，而巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的单位焦油释放量随滤嘴通风度的加大呈增加趋势。通过计算，滤嘴每增加10%的通风度可降低主流烟气中NH3的释放量约为9.80%，降低焦油、CO及HCN的释放量均约为9.35%，降低巴豆醛、NNK、B[a]P及苯酚的释放量分别为6.76%、6.24%、5.18%和4.37%。因此，通过增加卷烟的滤嘴通风度只能减少卷烟烟气中有害成分的释放量，但不能达到选择性降低有害成分的目的。

卷烟烟气是一种极其复杂的化合物，烟气的形成机理复杂，目前对某种烟气成分形成机理的认识仅处于初步阶段，均认为与烟草本身成分的热解和燃烧有关。如CO和CO2是由淀粉、纤维素、羧酸和氨基酸等经热解或燃烧形成的，卷烟滤嘴通风减少了流经燃烧区的空气量，降低了每口抽吸时的温度，并减少了CO2转化为CO的量，同时滤嘴通风对烟气中的CO具有稀释作用，因此滤嘴通风对CO释放量的影响最大。烟气中的多环芳烃和烟草中的萜稀类、纤维素类等的热解和高温热合成反应有关，燃烧温度高于800 ℃时生成多环芳烃，因此当滤嘴通风度增大时，燃烧温度呈下降趋势，B[a]P的生成随之降低。烟气中醛酮类化合物大多由糖、纤维素、果胶质和蛋白质燃烧产生，苯酚主要由纤维素和木质素等裂解生成。因此，当滤嘴通风时，改变热解条件将进一步影响主流烟气中化学成分的释放量。另外，由于通风稀释可改变烟气燃烧热解条件，改变燃烧锥的温度梯度，对于不同性质的组分影响也不一致。

3 结论

本研究分析了卷烟滤嘴对卷烟燃烧温度及卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的影响，结果表明，随着卷烟滤嘴通风度的增加，卷烟燃烧温度的高温区体积分布呈下降趋势；卷烟主流烟气中的7种有害成分释放量均呈现下降趋势，与滤嘴通风度呈线性负相关；由斜率绝对值可以得出影响程度为CO>巴豆醛>HCN>NH3>B[a]P>苯酚>NNK；通过增加卷烟的滤嘴通风度可减少卷烟烟气中有害成分的绝对释放量，但不能达到选择性降低有害成分的目的。

通过研究卷烟滤嘴通风对卷烟燃烧温度及卷烟主流烟气中7种有害成分释放量的影响，有助于更进一步了解滤嘴通风卷烟的燃烧行为，同时为低危害卷烟的设计提供思路。

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