納米材料在卷煙減害中的應(yīng)用研究

王佳珺　林翔

摘要 按照納米材料在卷煙中的不同添加方式，即添加至濾棒、煙絲和其他卷煙材料中，綜述了近年來納米材料在卷煙減害方面的應(yīng)用，可知今后納米材料在卷煙中的應(yīng)用前景十分廣闊。

關(guān)鍵詞 納米材料；卷煙；減害

中圖分類號 S572 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）03-00888-02

Abstract Application of Nano material in harm reduction of flue-cured tobacco was reviewed in terms of various addition ways， namely adding to the filter， cut tobacco and other cigarette materials， indicating that the application prospect of Nano material in flue-cured tobacco is bright.

Key words Nano material； Flue-cured tobacco； Harm reduction

納米材料被譽為“21世紀(jì)最有前途的材料”，近年來逐步成為國內(nèi)外研究的熱點。廣義上講，納米材料是指三維空間尺寸中至少有一維處于納米量級的材料[1]，因為其優(yōu)異的吸附、催化等性能，在各行業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。在煙草工業(yè)的發(fā)展過程中，卷煙對人類健康的危害越來越被人們所重視，煙草減害成為了當(dāng)今社會熱議的話題之一。將納米材料應(yīng)用在卷煙工業(yè)中，將其添加至煙絲、濾嘴或其他卷煙原料，可以通過吸附或催化作用有效降低一種或多種卷煙煙氣中的有害成分。

1 濾棒添加納米材料

納米材料顆粒表面活性位點多、化學(xué)反應(yīng)接觸面大，尤其是多孔納米材料，對卷煙主流煙氣有害成分的選擇性較高[2]。近年來，大多數(shù)報道集中在將納米材料添加至卷煙濾棒中，具體的添加方式主要有2種，一種是以“三明治”的方式夾入濾棒中，另一種是以顆粒形式與濾棒復(fù)合，主要原理是利用納米材料的吸附作用對煙氣進行進一步的過濾，具有較高的選擇性。

周宛虹等制備了一種胺基功能化的介孔二氧化硅材料（MCM-41-NH2），并將其添加到濾棒中，發(fā)現(xiàn)該材料基本不改變煙氣常規(guī)成分的釋放量，而且對主流煙氣中HCN的選擇性降低率達到25.7%，具有很好的應(yīng)用價值[3]。孫玉峰等通過模板法，同步晶化制備了微孔-介孔復(fù)合材料（MMM）[4]。因其特殊的微孔-介孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)具備大分子物質(zhì)吸附脫除功能的同時，對小分子的吸附性能也有所提高，將其作為卷煙濾嘴添加劑制成的實驗樣煙，主流煙氣中的多種有害成分釋放量均得到不同程度的降低，效果明顯，應(yīng)用廣泛。楊松等制備了互通多孔結(jié)構(gòu)的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯互通多孔材料（PolyGMA），分別以二元濾棒復(fù)合以及卷煙紙涂布的形式添加到卷煙樣品中，發(fā)現(xiàn)二元復(fù)合濾棒的應(yīng)用效果較好，對苯酚表現(xiàn)出了較高的選擇性，降低率為23.0%，而卷煙感官質(zhì)量無明顯差異[5]。

經(jīng)過了金屬或無機鹽修飾的納米材料，在降低卷煙有害成分方面的性能，往往優(yōu)于普通納米材料。舒麗君等改進了傳統(tǒng)的合成六方介孔材料的工藝，合成了具有雙納米效應(yīng)的摻鑭介孔納米球，并添加至卷煙過濾嘴中，使煙樣中8種低分子醛酮的含量明顯降低，尤其對甲醛的吸附體現(xiàn)出了很好的選擇性[6]。劉楠等以煙草花葉病毒（TMV）為模板，并將SO2-3，SCN-引入體系中，實現(xiàn)了納米金在TMV模板上的高密度生長，制備得到一維TMV-納米金復(fù)合材料[7]。結(jié)果表明，TMV模板可對納米金進行有效的粒徑控制和高效負載，當(dāng)該復(fù)合材料在卷煙濾嘴中的添加量為0.7 ml/支時，卷煙對CO選擇性降低率達到16.33%。Dai Yi-min等則合成了一種表面由氧化亞銅修飾的活性碳納米復(fù)合材料，并將其加入到卷煙濾嘴中，該復(fù)合材料能夠有效降低卷煙主流煙氣當(dāng)中的HCN[8]。

此外，納米管材料添加的濾棒在卷煙減害方面的應(yīng)用也十分廣泛。鄧其馨等通過水熱反應(yīng)法，以廉價的二氧化鈦為原料，制備了鈦酸鹽納米管，結(jié)果表明，通過物理吸附和化學(xué)吸附的共同作用，使主流煙氣中的氨、氫氰酸、苯酚和巴豆醛等有害成分的釋放量分別降低了 67.53%、23.52%、60.81%和 27.56%[9]。楊宇銘等分別將酸化的和未酸化的碳納米管復(fù)合在濾棒中，發(fā)現(xiàn)酸化的碳納米管對卷煙主流煙氣中酚類化合物的吸附效果優(yōu)于未酸化的碳納米管，對一氧化碳、焦油、煙堿影響不明顯，并且能降低煙氣的刺激性，增加柔和度，對卷煙抽吸品質(zhì)有所改善[10]。

2 煙絲或煙草薄片中添加納米材料

煙絲作為卷煙的核心組成部分，直接參與燃燒，納米材料除了具有吸附作用外，還具有很好的催化能力，將其添加至煙絲中，參與燃燒反應(yīng)，能夠使燃燒反應(yīng)完全，從而去除丙酮、乙醛、甲苯等多種成分[11]。朱智志等分別采用干法和濕法，將納米材料Al2O3和TiO2 加入煙絲，發(fā)現(xiàn)干法加入能夠更好地降低煙氣中的焦油和CO含量，2種納米材料相比較，納米材料Al2O3的作用效果更為顯著，且對卷煙感官質(zhì)量無不良影響[12]。馮守愛等用三甲基氯硅烷將親水性納米SiO2進行了疏水改性，并將改性前后的SiO2分別加入煙絲和濾棒的增塑劑中，發(fā)現(xiàn)疏水改性納米SiO2有效降低了煙氣中的巴豆醛、苯酚的含量，而親水性納米SiO2不但沒有使有害物質(zhì)的含量降低，反而有不同程度的上升[13]。同時，與加入濾棒的增塑劑相比，加入煙絲中的疏水納米SiO2粒子具有更好地降低卷煙煙氣中的巴豆醛和苯酚的效果。謝蘭英等將鈦納米金屬絡(luò)合物均勻添加到煙絲中，利用卷煙燃燒時燃燒區(qū)和裂解區(qū)的高溫，活化催化燃燒反應(yīng)，并考察了不同催化材料添加濃度對降低CO釋放量的影響[14]。結(jié)果表明，添加濃度為2%時，可以降低CO排放量21.54%，酚類物質(zhì)排放量37.69%。

造紙法煙草薄片由于具有焦油含量低、有害成分釋放量小等特點，在卷煙中的使用量愈來愈多。將納米材料添加至煙草薄片中，可以進一步降低有害物質(zhì)的排放。姚元軍等將4種納米減害材料：納米催化劑、助燃劑、氧化劑、吸附劑，與濃縮液混合后均勻涂布到基片兩面，經(jīng)烘干、回潮、切絲后制得薄片樣品[15]。經(jīng)檢測，主流煙氣中的巴豆醛、NNK、苯并[a]芘均有大幅度地降低，其中納米TiO2-VK-TG01對有害物質(zhì)的降低率均超過30%。謝國勇等采用檸檬酸絡(luò)合溶膠-凝膠法制備了納米級La1-xLnxFe1-yMyO3鈣鈦礦型復(fù)合氧化物煙用催化劑，并添加于煙草薄片中，在卷煙機上卷制成試制煙后，測定其主流煙氣中的CO和NOx含量，結(jié)果表明，該材料可有效降低卷煙煙氣中CO和NOx的質(zhì)量，并且相對于焦油、煙堿等粒相物的降低具有很高的選擇性[16]。

3 其他

除了濾棒和煙絲，卷煙紙等煙用材料中也廣泛使用到了納米材料。納米碳酸鈣在有效降低卷煙紙成本的同時，能夠增加卷煙紙不透明度，實現(xiàn)包灰好、白度高，保證了煙支的美觀；更重要的是，還能增加紙張的透氣度，從而降低焦油的釋放量[17-18]。另外，煙草對人體的危害除了它燃燒產(chǎn)生的有害成分外，煙草作為一種農(nóng)作物，也存在農(nóng)藥殘留的問題。張建平等將具有光催化性能的納米ZnO2/TiO2材料直接噴灑在煙葉表面，發(fā)現(xiàn)該材料對煙草中農(nóng)藥殘留及煙草特有亞硝胺的前體物亞硝酸鹽均有明顯的光催化降解效果，且降解率隨處理時間的延長而升高[19]。

4 結(jié)語

總之，近年來，納米材料在卷煙減害中的應(yīng)用越來越多，且大部分納米材料成本低廉，應(yīng)用效果卻十分理想，從而實現(xiàn)了在不顯著增加卷煙成本的情況下有效降低卷煙主流煙氣中的有害成分，應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻

[1] 朱世，周根樹，蔡銳，等.納米材料國內(nèi)外研究進展I[J].熱處理技術(shù)與裝備，2010，31（3）：1-5，26.

[2] XU Y，ZHU J H，MA L L，et al.Removing nitrosamines from mainstream smoke of cigarettes by zeolites[J]. Microporous and Mesoporous Materials，2003，60：125-138.

[3] 周宛虹，孫文梁，王律，等.胺基修飾的介孔二氧化硅選擇性降低卷煙煙氣中的氫氰酸[J].煙草科技，2013（4）：42-45.

[4] 孫玉峰，馬擴彥，戴亞.采用微孔-介孔復(fù)合材料降低卷煙煙氣中的有害成分[J].化工學(xué)報，2011，62（2）：574-579.

[5] 楊松，聶聰，孫學(xué)輝，等.聚甲基丙烯酸縮水甘油酯互通多孔材料選擇性降低卷煙煙氣中的苯酚[J].煙草科技，2012（8）：44-48.

[6] 舒麗君，魏坤，郭武生.摻鑭介孔納米球降低煙氣中低分子醛酮類物質(zhì)的研究[J].硅酸鹽通報，2011，30（5）：1023-1027.

[7] 劉楠，唐綱嶺，陳再根，等.基于煙草花葉病毒模板高密度納米金的制備及其對卷煙煙氣CO 的影響[J].煙草科技，2012（8）：66-69.

[8] DA Y M，TAN R B，SHI W M，et al.A study on the reduction of HCN in cigarette smoke by loading cuprous oxide on the surface of activated carbon[J].Advanced Materials Research，2011，239：306-309.

[9] 鄧其馨，黃朝章，張建平，等.鈦酸鹽納米管降低卷煙煙氣有害成分[J].煙草科技，2013（8）：37-39，57.

[10] 楊宇銘，黃杰娟，張紅玉，等.碳納米管吸附卷煙煙氣中主要酚類化合物的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科技，2012，41（4）：59-61，118.

[11] GATTO S，PIROLA C，CROCELL V，et al.Photocatalytic degradation of acetone，acetaldehyde and toluene in gas-phase：comparison between nano and micro-sized TiO2[J].Applied Catalysis B：Environmental，2014，146：123-130.

[12] 朱智志，張健，紀(jì)朋，等.納米材料在卷煙降焦減害中應(yīng)用的研究[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2010，2（2）：79-81.

[13] 馮守愛，黃泰松，鄒克興，等.疏水納米SiO2選擇性降低卷煙煙氣有害成分含量[J].煙草科技，2011（10）：49-53.

[14] 謝蘭英，劉琪，譚海風(fēng).納米金屬絡(luò)合物催化降低卷煙煙氣CO實驗研究[J].工業(yè)催化，2009（17）：176-179.

[15] 姚元軍，何文，王鳳蘭，等，不同減害材料對煙草薄片的減害效果研究[J].氨基酸和生物資源，2013，34（1）：45-47.

[16] 謝國勇，銀董紅，劉建福，等.選擇性降低卷煙煙氣中CO 和NOx的鈣鈦礦型催化劑研究[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2012，35（6）：55-61.

[17] 曹曉瑤，陳煥明.納米技術(shù)在造紙工業(yè)的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（21）：60，62.

[18] 張博，吳桐，趙富華，等.納米碳酸鈣的制備及在造紙中的應(yīng)用[J].天津造紙，2010（3）：19-21，24.

[19] 張建平，徐小青，黃朝章，等.ZnO/TiO2光催化降解煙草中的農(nóng)藥殘留及有害成分[J].功能材料，2012，43（16）：2146-2149.