卷煙陰燃和吸燃時CO的釋放

陳昆焱張峻松李巧靈張穎璞黃惠貞郭松斌余玉梅

CHEN Kun-yan1,2 ZHANG Jun-song1 LI Qiao-ling2 ZHANG Ying-pu2 HUANG Hui-zhen2 GUO Song-bin2 YU Yu-mei2

(1. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450001；2. 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建 廈門 361021)

(1. College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhenzhou, Henan 450001, China; 2. Technology Center, China Tobacco Fujian Industrial Co., Ltd., Xiamen, Fujian 361021, China)

CO是綜合表征卷煙主流煙氣危害性的典型物質(zhì)之一，其主要來源于煙草的熱解、煙草的不完全燃燒以及CO2和焦炭的還原反應(yīng)[1-3]。雖然已經(jīng)有大量致力于降低卷煙煙氣中的CO的研究[4-6]，但更深入了解卷煙燃吸過程中CO的釋放機理，將更有助于設(shè)計出低危害卷煙。陰燃和吸燃是卷煙燃吸時存在的2種狀態(tài)，且這2種狀態(tài)下生成的煙氣組分有很大的差異[7]，Liu等[8]的研究也表明卷煙抽吸時的煙氣成分不僅受吸燃的影響，同時也受到陰燃的影響。陰燃和吸燃是相輔相成的，二者存在著密切的聯(lián)系，構(gòu)成主流煙氣的來源不僅有吸燃來源，也有陰燃來源。然而，目前的研究[9]都將陰燃和吸燃看成完全分離的2個過程，且主要研究吸燃時煙氣成分的生成，沒有充分考慮陰燃對后續(xù)吸燃的影響。

本研究擬通過熱電偶測溫裝置測得卷煙在陰燃和吸燃時不同溫度區(qū)間的體積分布，選擇合理的試驗條件進(jìn)行一系列的熱解燃燒試驗，用于模擬卷煙陰燃和吸燃2種狀態(tài)，并同時在線檢測CO的釋放情況。將陰燃與吸燃過程進(jìn)行緊密的聯(lián)系，深入研究CO在陰燃和吸燃狀態(tài)下的釋放行為，以及陰燃對后續(xù)吸燃CO釋放的影響，探究影響CO釋放的關(guān)鍵因素，為降低卷煙抽吸過程中CO的釋放提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品：福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司；

煙支燃吸氣相溫度場分析儀：TF-M100型，北京紫東科技有限公司；

快速管式升溫爐：OTF-1200X-4-RTP型，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；

多功能煙氣分析儀：ecom-J2KN型，德國RBR公司；

數(shù)字式質(zhì)量流量計：CS200型，中國七星電子公司；

電子天平：ML204/02型，瑞士Mettler Toledo公司。

1.2 方法

1.2.1 卷煙燃燒溫度場分布的測定 待測卷煙樣品在使用前都置于22 ℃和60%相對濕度的環(huán)境中至少48 h。根據(jù)文獻(xiàn)[10]測定方法和分析手段，得到卷煙燃燒溫度場分布。

1.2.2 煙草快速熱解燃燒系統(tǒng) 根據(jù)文獻(xiàn)[10]所介紹的煙草快速熱解燃燒系統(tǒng)及試驗方法進(jìn)行試驗，將1.000 g煙絲樣品放入石英玻璃管中部，反應(yīng)氣氛分別為N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣，流速15 cm/s，以20 ℃/s的升溫速率進(jìn)行程序或者直接升溫，用劍橋濾片過濾粒相物，氣相物質(zhì)CO由煙氣分析儀進(jìn)行在線測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 卷煙陰燃和吸燃時的區(qū)域劃分

圖1展示了煙支在陰燃和吸燃狀態(tài)下的溫度場分布，圖中的灰色線條代表燃燒線。在卷煙抽吸的2 s內(nèi)，燃燒線平移了接近4 mm。根據(jù)卷煙在陰燃和吸燃下的2條燃燒線，將卷煙分為3個區(qū)域，分別是：陰燃燃燒線前端的R1區(qū)；2條燃燒線經(jīng)過的R2區(qū)；吸燃燃燒線后端的R3區(qū)。

圖1 卷煙陰燃和吸燃時的區(qū)域劃分

2.2 卷煙從陰燃到吸燃對應(yīng)不同溫度段的體積變化

卷煙陰燃和吸燃時R1～R3區(qū)域不同溫度段的體積分布如圖2所示。

從圖2可以看出，在陰燃狀態(tài)下， R1區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)主要集中在200～700 ℃，R2區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)主要集中在100～400 ℃，而R3區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)主要集中在100 ℃以下。說明在陰燃時，R1和R2區(qū)內(nèi)的煙絲已受到不同程度的預(yù)熱，且R1區(qū)內(nèi)的煙絲被預(yù)熱的程度最高，而R3區(qū)內(nèi)的煙絲則保持在常溫未預(yù)熱的狀態(tài)。

由于熱傳導(dǎo)的影響，這3個區(qū)域在吸燃時，體積分?jǐn)?shù)都向溫度升高的方向偏移。R1區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)在200～800 ℃呈現(xiàn)較均勻的分布，R2區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)則主要集中在300～700 ℃，R3區(qū)內(nèi)的煙絲體積分?jǐn)?shù)則主要集中在100～400 ℃。

Figure 2 Volume distribution at different temperatures of cigarette during smoldering and puffing

2.3 煙草熱解燃燒過程中CO的釋放

2.3.1 煙草樣品在不同氣氛下的程序升溫試驗 由于R1和R2都在陰燃狀態(tài)下處于一個預(yù)加熱狀態(tài)，大部分的煙絲在吸燃時都是經(jīng)歷了一個預(yù)熱過程，因此設(shè)計煙草樣品的程序升溫試驗用于說明陰燃狀態(tài)下預(yù)熱煙絲在吸燃時對CO生成的貢獻(xiàn)。按1.2.2的試驗要求分別將煙草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下，依次程序升溫至200，300，400，500，600 ℃，并對CO進(jìn)行在線測定，如圖3 所示。

從圖3中可以看出，在無氧狀態(tài)下，CO的生成主要來自于煙草的熱解，其在300 ℃大量生成。隨著10% O2的引入，CO的生成溫度提前，即在200 ℃就有CO的顯著生成，此時200，300 ℃是CO生成的主要溫度區(qū)間。繼續(xù)增加氧濃度至空氣狀態(tài)，CO則主要在200 ℃就大量生成。此結(jié)果說明在有氧條件下，熱解和氧化反應(yīng)同時存在，那些原本要在更高的溫度下進(jìn)行熱解的物質(zhì)，在低溫有氧條件下就直接發(fā)生了不完全氧化反應(yīng)，并同時釋放大量的CO，這種趨勢隨著氧濃度的增大越加明顯。

圖3 CO在不同氣氛下溫度生成情況

對各個CO峰進(jìn)行積分計算，得到N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下各溫度CO生成總量，如表1所示。

表1不同氣氛下煙草在各溫度的CO釋放量

Table1 CO release amount of different temperatures under different atmosphere mg/g

反應(yīng)氣氛200 ℃300 ℃400 ℃200～400 ℃N26.4117.534.2728.2110% O2+90% N221.5812.113.0836.77空氣37.495.902.2445.63

從表1中可以看出，隨著氧濃度的增加，不僅CO的生成溫度向低溫偏移，而且CO的生成量也隨著氧濃度的增加而增加。當(dāng)程序升溫至400 ℃，此時生成的CO相對較少，繼續(xù)升溫至500，600 ℃， CO未檢出(圖3中未展示)。此結(jié)果說明，卷煙燃燒的過程中，R1和R2的煙絲在陰燃時已被預(yù)熱，在吸燃時，即使溫度升高，由于這些生成CO的前體物已經(jīng)在陰燃時發(fā)生了熱解燃燒反應(yīng)而被消耗，主要貢獻(xiàn)于側(cè)流煙氣，對主流煙氣CO的貢獻(xiàn)較小。

2.3.2 煙草樣品在不同氣氛下的直接升溫試驗 由于R3在陰燃狀態(tài)下未被預(yù)熱，所有煙絲在吸燃時都屬于新鮮的煙絲，且在吸燃時的最高溫度不超過400 ℃。因此設(shè)計煙草樣品的直接升溫試驗用于說明R3陰燃狀態(tài)下新鮮煙絲在吸燃時對CO生成的貢獻(xiàn)。按1.2.2的試驗要求分別將煙草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下，直接升溫至400 ℃，并對CO進(jìn)行在線測定，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在直接升溫的情況下，CO的釋放量依然隨著氧濃度的增加而增加。因此在所研究的氧濃度范圍內(nèi)，無論是直接升溫還是程序升溫，CO繼續(xù)被O2氧化生成CO2的程度較小，因此呈現(xiàn)出隨著氧濃度增加，CO生成量增加的趨勢。對不同氣氛下的CO峰進(jìn)行積分計算，得到400 ℃時N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下CO的釋放量分別是46.66，77.51，80.93 mg/g。對比程序升溫200～400 ℃的CO釋放總量和直接升溫400 ℃的CO釋放量，發(fā)現(xiàn)直接升溫條件下的CO釋放量明顯高于程序升溫條件下的。

圖4 煙草在不同氣氛下直接升溫至400 ℃生成CO的情況

根據(jù)以上的試驗結(jié)果，可以推測在卷煙吸燃的過程中，相對于R1和R2的預(yù)加熱煙絲，R3的新鮮煙絲可在400 ℃的范圍內(nèi)大量生成主流煙氣中的CO。因此，雖然R3的溫度較低，但卻是在吸燃時CO生成的主要來源。而R1和R2則是在陰燃時已達(dá)到高溫，因此側(cè)流煙氣中的CO則主要來自于R1和R2。

2.4 陰燃狀態(tài)對后續(xù)吸燃時CO釋放的影響

為了進(jìn)一步論證2.3的推論，通過在卷煙紙中添加助劑來改變卷煙的燃燒狀態(tài)，然后對不同陰燃和吸燃溫度CO的釋放情況進(jìn)行比對。

分別用編號A、B表示通過在卷煙紙中添加助劑而改變?nèi)紵隣顟B(tài)的卷煙，2.1中采用未添加助劑的卷煙記做C。A、B和C 3種卷煙具有相同的煙葉結(jié)構(gòu)和卷煙紙透氣度。表2展示了煙支A和B在卷煙抽吸0～2 s時R1～R3不同溫度段的體積分布。如表2所示，陰燃時，煙支B高溫體積分布均高于煙支A和C。由于陰燃狀態(tài)的溫度較高，受到熱傳導(dǎo)的影響，在吸燃時R3的受熱程度是煙支B>煙支C>煙支A。將A、B和C 3種煙支分別按國標(biāo)方法進(jìn)行抽吸，并測定CO釋放量，得到煙支A、B和C在吸煙機上釋放的CO含量分別是11.0，14.5，13.0 mg/支。該釋放順序與R3的受熱程度順序保持一致。由此可見，卷煙的陰燃狀態(tài)會影響后續(xù)卷煙吸燃的結(jié)果，R3的受熱程度將直接影響卷煙吸燃時所釋放的CO量，受熱程度越高的，CO的釋放量越高。

表2 煙支A和B在卷煙抽吸0～2 s時不同溫度段的體積分布

3 結(jié)論

通過測定卷煙燃燒時陰燃和吸燃狀態(tài)下的溫度場分布以及對應(yīng)溫度段的體積分布，從而準(zhǔn)確選取合適的加熱條件進(jìn)行煙草的熱解燃燒反應(yīng)，分別采用程序升溫和直接升溫用于模擬卷煙陰燃和吸燃的狀態(tài)，并在線檢測CO的釋放情況用于說明煙支燃燒不同區(qū)域在陰燃和吸燃狀態(tài)各自對CO釋放的貢獻(xiàn)程度，以及不同的陰燃狀態(tài)對后續(xù)吸燃所釋放CO的影響。

根據(jù)燃燒線的遷移，可將卷煙分為3個區(qū)域，分別是陰燃燃燒線前端的R1區(qū)，吸燃時燃燒線經(jīng)過的R2區(qū)，吸燃燃燒線后端R3區(qū)。R1和R2在陰燃時已達(dá)到較高的溫度，是側(cè)流煙氣中CO生成的主要來源，對吸燃時主流煙氣的貢獻(xiàn)較少。R3在吸燃時，雖然溫度較低(<400 ℃)，但是卻對主流煙氣中CO的釋放貢獻(xiàn)最大。由于熱傳導(dǎo)的影響，陰燃時溫度越高的卷煙，吸燃時R3的溫度越高，所釋放的CO含量也隨之增加。

本試驗只研究了卷煙燃吸過程中CO的釋放情況，今后可采用先進(jìn)的熱電偶測溫裝置與煙草熱解燃燒反應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合的方式，研究卷煙燃吸過程中其他煙氣成分的釋放。