降低卷煙主流煙氣中羰基化合物和一氧化氮研究.pdf

1、吸煙有害健康,揮發(fā)性羰基化合物和氮氧化物是卷煙煙氣中兩大類有害成分,降低這兩類化合物對提高卷煙安全性有著重要價值。本論文研究卷煙煙氣中羰基化合物的形成機(jī)理和影響因素以及利用天然可再生資源和過渡金屬等低成本材料降低卷煙主流煙氣中羰基化合物和氮氧化物的技術(shù),研究對于煙草科學(xué)和煙草產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的學(xué)術(shù)意義和現(xiàn)實意義。
　　 論文從理論和實驗兩個方面探討了卷煙主流煙氣中羰基化合物的形成機(jī)理。采用密度泛函(DFT)理論,在B3LYP/6

2、-31G基組下,對煙氣中丙三醇的各種化學(xué)鍵斷裂反應(yīng)以及過渡態(tài)反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行了分析,計算了各個化學(xué)鍵的解離能以及過渡態(tài)活化能,通過理論計算找出了主要裂解路徑,推導(dǎo)1,2-丙二醇和1,3-丙二醇的裂解路徑和主要反應(yīng)產(chǎn)物;結(jié)果表明:丙三醇在高溫下裂解主要初級反應(yīng)是脫水反應(yīng),形成甲醛、乙烯醇、2,3-二羥基丙烯、1,3-二羥基丙烯、羥基丙酮、3-羥基丙醛,脫水反應(yīng)的活化能在53.64kcal/mol～64.98kcal/mol之間。初

3、級反應(yīng)產(chǎn)物會繼續(xù)反應(yīng),生成丙烯醛、甲醛和乙醛。1,2-丙二醇脫水反應(yīng)活化能在60-70kcal/mol,裂解主要產(chǎn)物是丙醛、丙酮和乙醛,其中丙醛的含量最高;而1,3-丙二醇脫水反應(yīng)活化能在50-60kcal/mol,裂解主要產(chǎn)物是甲醛、乙醛和丙烯醛。理論推導(dǎo)與無氧裂解實驗具有很高的一致性。
　　 采用正交實驗L9(33)研究了溫度、氧氣濃度和氮氣流量對煙草中各種碳水化合物、保潤劑和不同類型煙草羰基化合物產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明:氮氣

4、流量是影響各種化合物裂解生成甲醛的顯著影響因素,而溫度則是影響其他揮發(fā)性羰基化合物生成的主要因素,氧氣濃度對羰基化合物產(chǎn)率的影響不顯著。四種碳水化合物(葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉)的甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛和丙醛的產(chǎn)率都很高,各種因素對不同碳水化合物裂解生成羰基化合物的影響規(guī)律類似。在卷煙常用的四種保潤劑中,丙二醇在高溫下丙酮和丙醛的產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于丙三醇、木糖醇和山梨醇,而丙三醇裂解甲醛、丙烯醛和巴豆醛的產(chǎn)率最高,木糖醇在600℃甲乙酮產(chǎn)率

5、最高,山梨醇在氧氣濃度低、氮氣流量小的情況下,丁醛的產(chǎn)率最高。溫度顯著影響不同類型煙草各種羰基化合物的產(chǎn)率,香料煙在600℃甲醛的產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出烤煙和白肋煙,各種羰基化合物在800℃的產(chǎn)率都不高。
　　 選擇可再生生物大分子殼聚糖以及過渡金屬等低成本材料,通過絡(luò)合方法或共沉淀法以及條件優(yōu)化,制備了殼聚糖絡(luò)合物和兩種納米金屬復(fù)合氧化物,確證了制備物的結(jié)構(gòu),研究了這些材料對卷煙主流煙氣中羰基化合物或氮氧化物的選擇性降低作用及其結(jié)構(gòu)與功

6、能性質(zhì)之間的關(guān)系。結(jié)果表明:在pH4.8,溫度25℃,殼聚糖與硫酸銅配比10:4,時間30min,銅離子負(fù)載量為6.2％時,可最優(yōu)制備殼聚糖-銅(Ⅱ)絡(luò)合物,殼聚糖氨基或者酰胺基發(fā)生與銅離子吸附配位;殼聚糖-銅(Ⅱ)絡(luò)合物對卷煙主流煙氣中羰基化合物的吸附能力與羰基化合物的極性和分子量有重要關(guān)系,隨著碳鏈的增加和極性的減弱,吸附量迅速下降。對甲醛的吸附率最高可達(dá)53％,而對四碳羰基化合物最高吸附率只能達(dá)到12％,在相同碳原子醛酮同分異構(gòu)體

7、中,對酮的吸附強(qiáng)于醛,而對不飽和羰基化合物的吸附更高。殼聚糖-銅(Ⅱ)絡(luò)合物對卷煙主流煙氣中的苯酚和HCN也有一定得吸附效果,對主流煙氣中的CO、煙堿和焦油基本沒有吸附效果。
　　 銅鐵復(fù)合氧化物催化劑的較佳制備條件為:原料配比(Cu:Fe)1:5,pH值9.0,陳化90min,煅燒溫度300℃,煅燒時間5 h。銅鈷復(fù)合氧化物催化劑的較佳制備條件為:原料配比(Cu:Co)1:5,堿液添加量15 mL,陳化5 h,煅燒溫度200℃

8、,煅燒時間3 h。銅鐵、銅鈷復(fù)合氧化物催化劑能夠在低溫下選擇性催化卷煙主流煙氣中的NO,生成沒有毒性的N2。兩種催化劑在卷煙中的添加量超過2％時,都能顯著降低主流煙氣中的NO,銅鈷復(fù)合氧化物的催化效果好于銅鐵氧化物,在添加量超過5％時,NO可以降低50％。
　　 本論文從卷煙煙氣中羰基化合物的形成機(jī)理入手,探討了其有害物的形成規(guī)律和影響因素,確定了卷煙主流煙氣中羰基化合物的主要前體物和主要影響因素,建立了殼聚糖-銅(Ⅱ)絡(luò)合物和