卷烟烟气的形成及其理化性质

第十章卷烟烟气的形成及其理化性质第一节烟支的燃烧第二节标准吸烟条件和烟气的收集第三节烟气气溶胶的物理特性第四节卷烟烟气的主要化学成分第五节烟气化学成分与烟叶化学成分的关系第一节烟支的燃烧一、主流烟气和侧流烟气二、烟支燃烧时的温度分布三、烟支燃烧特性四、主要化学反应五、烟气气溶胶的形成一、主流烟气和侧流烟气1主流烟气MS：吸燃时产生的烟气，进入口腔，产生生理强度。评吸卷烟时，主要是评吸MS,来判断卷烟的香味，杂气，刺激性，余味等的优劣。2侧流烟气SS：阴燃时产生的烟气，不进入口腔3吸燃：动态抽吸供氧不充分，发生不完全燃烧，所以产物复杂，不仅仅是二氧化碳和水。因为吸燃时形成的碳化层阻止了空气的进入。4阴燃：静态抽吸供氧较充分，是在富氧条件下燃烧，氧化反应是主要的。空气主要从碳线附近的旁通区进入，燃烧也主要发生在旁通区，所以燃烧较完全5旁通区：燃烧锥底部周围的高温燃烧区，该区燃烧温度最高，燃烧所需的空气大部分从这个地方通过，所以叫旁通区。6堵塞效应（duse）：燃烧锥的中间部分，形成了一个致密不透气的碳化体，气流不易从这里通过，所以成为堵塞效应。是相对于旁通区而言的二、烟支燃烧时的温度分布温度和氧气是我们抽烟时不可缺少的条件，温度和氧气在很大程度上决定着烟气的化学组成。吸烟时的最高温度是900℃，烟支被点燃的温度是600℃，卷烟中的挥发性物质开始挥发进入烟气的温度是300℃。进入口腔的烟气的温度仅30-50℃。烟支燃烧时的温度分布1烟支燃烧时的温度分布2烟支燃烧时O2，CO，CO2浓度变化烟支燃烧时O2，CO，CO2浓度变化烟支燃烧时的空气供应情况：１阴燃比吸燃供氧充足。２吸燃时氧气主要是从碳线周围的旁通区进入，燃烧锥中心部分因为碳化，形成一个相对缺氧的区域三、烟支燃烧特性依据烟支燃烧时的温度分布和不同温度区内所发生的化学反应，一般把一支燃烧着的烟分为3个主要的反应区：高温区，热解蒸馏区和低温区温度（℃）主要化学反应类型产物高温区900-600氧化放热气相物：COCO2CH4H2O2自由基，少量有机物热解蒸馏区600-100贫氧条件下的吸热反应、热解、聚合、缩合气、液、固三相并存的气溶胶：许多复杂的烟气成分都在这里生成：焦油、烟碱低温区低于100粒相物和可凝聚蒸汽的冷凝和过滤四、主要化学反应1水分：烟支燃吸过程中，100℃时，自由水挥发出来，进入烟气；150℃时吸附水释放出来，进入烟气。2含杂原子的有机物分子中碳和杂原子（OSN）等形成的键比C－C和C－H键弱，高温时先断裂，因此含氧化合物先在裂解时释放出来，如CO2COH2O，其次是H2S和NH33芳香族化合物芳环热稳定性较高，在热解区，侧链和官能团比较不温度先从苯环上断裂下来，进一步分解成气体或挥发产物，冷凝后液化；芳核彼此缩合或聚合形成稠环化合物。4自由基反应在烟支抽吸过程中存在自由基反应五、烟气气溶胶的形成（一）气溶胶形成过程烟气气溶胶是一个十分复杂的三相体系，有固、液、气三相构成，每一相都是混合物，也就是说，气相是由多种气体构成的，固相和液相也分别是由多种气体构成的混合物。其中，气相是分散介质，粒相和固相是分散质，所以称之为烟气气溶胶。（二）气溶胶形成机制1主流烟气气溶胶形成机制：１）冷凝作用２）晶核作用3）聚合作用１）冷凝作用：发生在烟丝上的冷凝作用。主流烟气进入低温冷凝区后，被稀释空气冷却，或者被较冷的烟丝冷却，烟气中沸点高，挥发性低的物质在烟丝上冷却，从气态转化为液态形成气溶胶的微粒２）晶核作用：发生在固体颗粒上的冷凝作用叫晶核作用。高温燃烧过程会使一些物质以固体颗粒的形式直接进入烟气气流中，这些固体颗粒就形成了烟气的冷凝核心（又叫晶核）。3）聚合作用：在高温条件下，若干个小分子物质之间相互聚合形成更大分子量的大分子物质的反应。未饱和有机物和苯环较易发生聚合作用。2侧流烟气气溶胶的形成机制：侧流烟气微粒来源于热解蒸馏区中形成的浓聚蒸汽，这种蒸汽通过局部蚀解的卷烟纸向烟支外扩散；蒸汽一旦离开燃烧锥便受到骤然降温和稀释作用，从而冷凝为侧流烟气中气溶胶微粒。（三）气溶胶的组成卷烟烟气气溶胶包括气相和粒相两部分，其中，粒相又包括固体颗粒和液态颗粒。粒相部分：又叫总凝聚物（TPM），包括水分，烟碱和焦油。焦油DAR（干焦油DRYDAR）：TPM－水分－烟碱湿焦油（WPM）或粗焦油（CPM）：TPM－烟碱气相部分：包括来自空气的一些气体；直接由烟叶中挥发进入烟气的物质；烟叶燃烧后产生的气态分子；水蒸汽。第二节标准吸烟条件和烟气的收集一标准吸烟条件二主流烟气的收集三侧流烟气的收集一标准吸烟条件（一）对吸烟机的要求（二）大气环境要求（一）对吸烟机的要求１.吸烟机压降：压降：烟支抽吸时，外界1个大气压的空气流经烟支时，由于燃吸阻力而会使卷烟气流的压力下降，压力下降的程度就叫压降。吸烟机的压降不超过300Pa2.抽吸频率和持续抽吸时间每口抽吸持续时间为2.0ｓ±0.05抽吸频率：每抽吸1口（2ｓ），停顿58ｓ，然后再抽下一口，也就是说，1min完成一次循环：包括抽吸2ｓ，阴燃58ｓ。3抽吸容量：在标准的吸烟环境里，1KPa降装置，每口抽吸标准容量为35mL±0.15mL。4抽吸流量图：未点燃卷烟在标准吸烟机上的抽吸流量图应为钟形，最大流量在8-1.2s之间。（二）大气环境要求1调节大气：调节卷烟平衡的大气调节。一般规定为：温度：22±1℃，湿度：60±2％，大气压：96±10KPa（接近大气压）2测试大气：吸烟机吸烟时的大气环境，即吸烟机所在房间的大气环境。要求和调节卷烟平衡的调节大气环境相一致，但允许误差范围要大一些。22±2℃，湿度：60±5％。3调节时间：抽吸前调节卷烟主要是调节烟支的平衡水分。一般48ｈ的调节时间足够达到水分平衡。平衡标准：试样质量3ｈ内的相对变化不大于0.2％。二主流烟气的收集(一)剑桥滤片剑桥滤片（Cambridgefilter）是用有机黏合剂（聚丙烯酸酯）固定起来的玻璃纤维滤片。在标准吸烟条件下剑桥滤片能保留99.7%的烟碱。(二)静电沉积器它由一个中心的正电极围以圆柱形的负电极所组成。电压可高达25kV的正极产生一个电场，带电荷的烟气气溶胶穿过这个电场，带正电荷的微粒就被收集在负极上。气相组分通过捕集器需用其他方法加以收集。1.卷烟嘴；2.中央电极（正极）；3.出口至减压区；4.高压进口（本图选自第36届化学家研究讨论会论文选）（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）(三)喷射撞击捕集器这种装置是根据喷射撞击原理工作的，烟气气溶胶在高速下通过微孔使其撞击在距离很近的一块平面上。(四)冷阱(五)固体吸附剂固体吸附剂捕集的化合物活性炭气相中的醛类，半挥发物，氧化氮类烧碱石棉（NaOH吸在石棉上）氰化氢，硫化氢硅胶氰化氢和醛类，烟气中的羰基化合物ChromosrbG气相中的醛类和腈类氯化钙气相中的水分分子筛气相组分TenaxGC气相组分，半挥发物用于烟气分析的固体吸附剂(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)(六)溶剂捕集器溶剂捕集器举例(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)溶液所分析的化合物乙酰丙酮的醋酸铵缓冲液中甲醛饱和2，4—二硝基苯肼在0.2mol/L盐酸中甲醛四氮化汞钠和氨基磺酸水溶液甲醛0.1%铬变酸甲醛甲醇或乙醇HCN+醛类水乙醛亚硫酸氢盐溶液丙烯醛三侧流烟气的收集(一)收集装置(二)捕集装置见下图收集装置收集装置装配好的捕集器捕集器的切面图搅拌式捕集器（本图选自第36届国际烟草化学家研究讨论会论文选）（Harris,J.L.等，1978）捕集装置第三节烟气气溶胶的物理特性一、粒子大小(平均直径0.2—0.6µm)某些烟气中的微粒直径（F.Dabe.,andC.R.Green.,1985）测定方法微粒平均直径（µm）Conifuge0.31烟溶胶离心机0.38阶式碰撞器0.20阶式碰撞器0.62显微镜检查法0.32显微镜检查法0.96光散射法0.18重力沉降法1.13二、粒数浓度在一给定体积的气溶胶中的粒子数称为粒数浓度。卷烟烟气的平均粒数浓度为1.33×1010个/cm3，这意味着新鲜的卷烟烟气粒子与其最接近的粒子间的平均距离为4.2µm，或者粒子与相邻粒子之间的距离约为20个粒子的直径。三、粒子电荷烟气被认为是轻度带电荷的气溶胶，而从整体来说是呈电中性的。粒子所带的电荷数与粒子大小和烟气的陈化有关。第四节卷烟烟气的主要化学成分粒相物质包括非挥发性和半挥发性物质，一般称为总粒相物（TPM）。因其含有水分，也称为湿焦油或粗焦油（WPM或CPM）。总粒相物减去其中的水分，称为干粒相物（DPM）；再减去其中的烟碱，即为焦油或干焦油（TAR或DRYTAR）。焦油：卷烟在特定的条件下燃吸后捕集在一个标准的剑桥滤片上的主流烟气部分，从中减去水分和烟碱，剩下的就是焦油，单位以mg/支来表示。一、主流烟气的化学成分二、气相组分的化学成分三、粒相组分的化学成分三、粒相组分的化学成分(续)四、侧流烟气和主流烟气中化学成分的比较第五节烟气化学成分与烟叶化学成分的关系1．烟叶主要成分在高温下的变化(1)糖类除微量的单糖能在烟气中发现外，其余的低聚糖、淀粉、纤维素、果胶质等，大部分氧化成二氧化碳和一氧化碳，小部分热解合成为醛类、酮类、呋喃、芳烃、稠环芳烃等化合物。糖类还是烟气中酚类的主要来源。(2)含氮化合物烟叶中的蛋白质和氨基酸等含氮化合物，高温裂解主要转化为含氮杂环化合物如吡啶类、吡咯类、喹啉类，还可生成氨、胺类及少量的酚类、含氧杂环化合物(3)烟碱烟碱的裂解产物大多数是含氮杂环化合物，如吡啶、吡咯、喹啉及其衍生物，其中也有芳烃和稠环芳烃。它的裂解产物和烟草中的含氮化合物的裂解产物非常相似。虽然都产生芳烃和稠环芳烃，但是都未检测出苯并[a]芘。另据资料介绍，烟气中苯并[a]芘等稠环芳烃的主要前体是石油醚提取物和糖类等，而不是烟碱和含氮化合物。2.烟叶和烟气中化学成分比较烟叶和烟气中已鉴定的化合物总计为5289种,单独存在于烟叶中的有1414种,单独于存在烟气中有2740种,二者共有的有1135种。（下表）