過(guò)濾介質(zhì)對(duì)艾條燃燒過(guò)程有機(jī)物組成及分布的影響

【摘 要】 艾草具有重要的藥用價(jià)值，并在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，艾草燃燒過(guò)程中會(huì)釋放各種小分子有機(jī)物，從而對(duì)周?chē)娜巳寒a(chǎn)生潛在的健康影響。本研究分別選用活性炭、活性氧化鋁、4A分子篩和石英砂4種不同類型的多孔材料作為過(guò)濾介質(zhì)對(duì)艾草燃燒過(guò)程釋放的煙氣進(jìn)行吸附凈化，并對(duì)過(guò)濾前后的煙氣進(jìn)行有機(jī)溶劑洗滌，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)其有機(jī)物的組成與分布進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明，4種過(guò)濾介質(zhì)均能有效減少艾草燃燒煙氣中的有機(jī)物含量，對(duì)煙氣中可凝性有機(jī)物脫除率分別為82.29%、70.83%、88.63%和77.83%，尤其是苯系物的含量大幅降低，從而有望降低艾草燃燒煙氣對(duì)周?chē)h(huán)境的污染。

【關(guān)鍵詞】 艾條；燃燒；過(guò)濾介質(zhì)；煙氣組分；有機(jī)物

【中圖分類號(hào)】R284.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A 【文章編號(hào)】1007-8517（2024）20-0030-08

DOI：10.3969/j.issn.1007-8517.2024.20.zgmzmjyyzz202420008

The Effect of Filter Media on the Composition and Distribution of Organic Matter in the Combustion Process of Moxa Stick

TANG Chunlan1 XU Chuanglong1* SHE Hui2 LYU Peng2*

1.Ningxia Hui Autonomous Region Traditional Chinese Medicine Hospital and Research Institute，Yinchuan 750021，China

2.State Key Laboratory of High-efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering Ningxia University School of Chemistry and Chemical Engineering，Yinchuan 750021，China

Abstract：Artemisia argyi has important medicinal value and is widely used in the pharmaceutical field.However，during the combustion process of mugwort，various small molecule organic compounds are released，which can have potential health impacts on the surrounding population.In this study，four different porous materials，activated carbon，activated alumina，4A molecular sieve，and quartz sand，were used as filtration media to filter the smoke released during the combustion process of mugwort.The smoke before and after filtration was washed with organic solvents，and the composition and distribution of organic matter were monitored and analyzed using gas chromatography-mass spectrometry.The results show that all four filter media can effectively reduce the organic matter content in the smoke of mugwort combustion，with tar removal rates of 82.29%，70.83%，88.63% and 77.83%，respectively.Especially，the content of benzene series compounds is significantly reduced，which is expected to reduce the pollution of mugwort combustion smoke to the surrounding environment.

Keywords：Moxa Stick；Combustion；Filter Media；Smoke Components；Organic Compound

艾草作為我國(guó)傳統(tǒng)中藥材歷史悠久、用途廣泛、療效肯定，在治病防病中發(fā)揮重要作用，而且因其經(jīng)濟(jì)便捷，深受人們喜愛(ài)［1］。艾草全株可藥用，其中艾葉使用最為廣泛，將其曬干搗碎制成艾絨再輔以其他藥材可進(jìn)行艾灸［2-3］。艾灸雖然有許多好處，但艾草燃燒過(guò)程中會(huì)釋放多環(huán)芳烴、甲醛［9］和小顆粒物等物質(zhì)，對(duì)周?chē)巳寒a(chǎn)生潛在的健康威脅導(dǎo)致其推廣使用存在局限性［10］。如艾條燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙霧在高濃度或長(zhǎng)時(shí)間接觸下可能會(huì)導(dǎo)致人患咽喉炎［11］。其次艾條燃燒時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生各種多環(huán)化合物容易導(dǎo)致局部空氣質(zhì)量下降［12］。此外艾灸時(shí)產(chǎn)生的煙霧中含有大量顆粒物，研究［13-15］表明PM2.5與心血管疾病及死亡率密切相關(guān)。另外由于艾灸往往是在小空間內(nèi)進(jìn)行，艾條燃燒時(shí)產(chǎn)生的苯系物和甲醛會(huì)導(dǎo)致空氣中揮發(fā)性有機(jī)物的含量急劇上升［16-18］。由于艾草燃燒時(shí)還存在許多弊端，很大程度限制了艾灸的廣泛使用。多孔吸附材料由于具有較大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，能夠?qū)庀嘀械挠袡C(jī)污染物進(jìn)行吸附脫除，吳錦程等［19］利用不同的有機(jī)廢棄物為原料制備了一系列活性炭材料用于甲醛和甲苯的吸附，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)香煙煙霧、甲醇等有害氣體的吸附凈化。杜婕等［20］研究了活性炭納米纖維對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的吸附性能，發(fā)現(xiàn)活性炭納米纖維對(duì)苯、甲苯和乙醇蒸氣均具有較好的吸附性能。徐秋健等［21］探究了硅膠、活性氧化鋁和13X分子篩3種吸附材料對(duì)苯、甲苯和甲醛的吸附性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)3種多孔材料均能在一定程度地脫除氣相中的有機(jī)污染物。活性炭、分子篩、氧化鋁等多孔材料具有發(fā)達(dá)的孔洞結(jié)構(gòu)、高比表面積、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可以作為潛在的吸附劑用于煙氣中有機(jī)物的吸附脫除。因此，本研究嘗試?yán)眠^(guò)濾介質(zhì)對(duì)艾草燃燒煙氣進(jìn)行過(guò)濾，并對(duì)過(guò)濾前后煙氣中的有機(jī)物組成及分布進(jìn)行檢測(cè)分析，分析評(píng)估不同類型過(guò)濾介質(zhì)艾草燃燒煙氣中有機(jī)物的脫除效果，以期降低艾灸過(guò)程中艾草燃燒煙氣對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

1 原料與試劑

本實(shí)驗(yàn)采用的精品蘄艾艾條，成分為蘄艾艾絨（單條質(zhì)量在18.5 g）選取于寧夏澤艾生物科技有限公司；煙氣吸收劑二氯甲烷選取于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度為分析純；過(guò)濾介質(zhì)選用上海麥克林生化科技股份有限公司的活性氧化鋁、上海麥克林生化科技股份有限公司的13X分子篩、活性炭和國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司的石英砂，純度＞99%。

2 儀器與設(shè)備

采用合肥科晶材料技術(shù)有限公司的OTF-1200X管式爐進(jìn)行燃燒處理，用鞏義市英峪博研儀器設(shè)備廠的低溫冷卻液循環(huán)泵保持萃取劑的恒溫，以鞏義市英峪博研儀器設(shè)備廠的恒宏容量100 mL的玻璃回流冷肼對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行收集，孟式洗氣瓶進(jìn)行吸附處理，島津氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀GCMS-QP2020NX進(jìn)行液相分析，使用SH-Rxi-5Sil MS（0.25 mm×30 m×0.25 μm）色譜毛細(xì)管柱進(jìn)行分離，并使用電子電離進(jìn)行質(zhì)譜分析。GC的烘箱在50 ℃下保持1 min，然后以15 ℃/min的速率將溫度升高至280 ℃，保持20 min。本研究所使用的質(zhì)譜儀的離子化方式為電子轟擊離子化，電離電壓為 70 eV，使用全掃描模式，可檢測(cè)的物質(zhì)質(zhì)荷比范圍為50～500，掃描速度為 3000 amu/s。

3 實(shí)驗(yàn)方法

取一根精品艾條18.5 g置于管式爐中間點(diǎn)燃，持續(xù)通入250 mL/min流量的空氣氣氛確保艾條穩(wěn)定燃燒并將燃燒產(chǎn)物吹掃進(jìn)入吸附裝置，在回流冷肼中通過(guò)-10℃的二氯甲烷溶劑收集煙氣中的有機(jī)物。在過(guò)濾介質(zhì)的選取上分別選用活性氧化鋁、13X分子篩、活性炭、石英砂吸附以及空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析產(chǎn)物的差異性，每次實(shí)驗(yàn)中過(guò)濾介質(zhì)的用量為90 g，空白對(duì)照組實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有放置過(guò)濾介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

4 數(shù)據(jù)處理

使用二氯甲烷將收集到的有機(jī)物稀釋至100 mL，取樣進(jìn)行GC-MS分析。通過(guò)峰面積歸一化法分析樣品中各產(chǎn)物的相對(duì)含量。再將稀釋后樣品另取1 mL記錄質(zhì)量，于室溫下防塵靜置6 h，待二氯甲烷揮發(fā)后測(cè)量質(zhì)量變化，重復(fù)3次取平均值。根據(jù)每mL液相含量計(jì)算液相總產(chǎn)率。其中空白對(duì)照組產(chǎn)生了0.24 g液相產(chǎn)物、活性炭吸附組產(chǎn)生了0.0425 g液相產(chǎn)物、石英砂吸附組產(chǎn)生了0.07 g液相產(chǎn)物、分子篩吸附組產(chǎn)生了0.055 g液相產(chǎn)物、活性氧化鋁吸附組產(chǎn)生了0.0273 g產(chǎn)物。

艾草燃燒煙氣吸收液GC/MS譜圖中的色譜峰根據(jù)NIST譜庫(kù)（national institute of standards and technology）進(jìn)行鑒別，采用面積歸一法計(jì)算不同類型有機(jī)物的相對(duì)含量。

有機(jī)物脫除率通過(guò)以下公式計(jì)算

脫除率=ma-m0m0×100%

其中，ma是指經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾后的煙氣中可凝性有機(jī)物的產(chǎn)率；m0是指艾草直接燃燒煙氣中可凝性有機(jī)物的產(chǎn)率。

5 結(jié)果與討論

艾草直接燃燒以及經(jīng)不同過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾后煙氣中可溶于二氯甲烷的有機(jī)物樣品如圖2所示，從左至右分別為對(duì)照組、活性炭吸附組、石英砂吸附組、活性氧化鋁組、13X分子篩吸附組?？梢悦黠@看出艾草直接燃燒釋放的煙氣中可溶于二氯甲烷有機(jī)物樣品，呈現(xiàn)淡黃色，經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾后煙氣中的有機(jī)物含量顯著降低，煙氣中可溶于二氯甲烷有機(jī)物樣品呈現(xiàn)無(wú)色透明。

通過(guò)圖3可以得出結(jié)論為活性氧化鋁的脫除率最佳，石英砂的脫除率相對(duì)較低，4種吸附劑均能有效降低液相產(chǎn)量。

圖4是艾草燃燒煙氣經(jīng)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾前后有機(jī)物的等離子流色譜圖，可以明顯看出艾草燃燒煙氣中含有較多的有機(jī)物，艾草在不完全燃燒過(guò)程中，艾草中的有機(jī)質(zhì)在高溫下會(huì)發(fā)生熱解反應(yīng)，從而釋放出多種有機(jī)化合物。陳麗等［21］探究了艾條揮發(fā)性組分隨溫度升高釋放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度較低時(shí)，艾條揮發(fā)性組分釋放率很低，并隨溫度升高呈顯著增加趨勢(shì)，在燃燒條件下，可檢測(cè)到大量對(duì)人體有害的物質(zhì)如苯、甲苯、苯酚等，對(duì)周?chē)巳壕哂袧撛诘慕】涤绊?。?jīng)過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾后，煙氣中有機(jī)物的GC-MS總峰面積顯著降低，表明4種過(guò)濾介質(zhì)均能有效去除艾草燃燒煙氣中的有機(jī)物。另外，可以從色譜圖中峰的數(shù)量上明顯地看出對(duì)照組與活性炭組的產(chǎn)物種類較多。經(jīng)過(guò)GC-MS測(cè)量結(jié)果分析，從活性炭吸附的液相組分中總共檢測(cè)出251種物質(zhì)，其中含量最高的為甲苯、鄰二甲苯和苯，占液相總產(chǎn)率的25.7%；從分子篩吸附的液相組分中總共檢驗(yàn)出35種物質(zhì)，含量最高的甲苯和苯占到液相總產(chǎn)率的54.75%；活性氧化鋁吸附的液相組分中總共檢驗(yàn)出103種物質(zhì)，含量最高的甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產(chǎn)率的51.39%；石英砂吸附組的液相組分中總共檢驗(yàn)出140種物質(zhì)，甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產(chǎn)率的37.53%；從對(duì)照組的液相組分中總共檢驗(yàn)出302種物質(zhì)，含量最高的甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產(chǎn)率的15.28%。五組的液相產(chǎn)物均以芳香烴、烯烴、烷烴為主。

從圖5的產(chǎn)物種類分布看，艾草燃燒煙氣中的有機(jī)物組成較為復(fù)雜，可將其分為醇類化合物、酚類化合物、醛類化合物、酸類化合物、酯類化合物、烴類化合物、呋喃類化合物、酮類化合物、芳香烴化合物、烯烴化合物及其他物質(zhì)。其中芳香烴的相對(duì)含量較高，占比26%；其次是烴類化合物，占比19%。除此之外，酯類化合物、醇類化合物和烯烴化合物的占比也相對(duì)較高，分別達(dá)到了11%、10%和10%。分子篩做吸附劑脫除的物質(zhì)種類最多，可以將煙氣中的大部分產(chǎn)物吸附，并且對(duì)醇類化合物、烴類化合物具有較好的脫除能力。這可能是由于分子篩具有較大的比表面積和規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，因此對(duì)煙氣中的有機(jī)物具有較好的吸附效果。黃海鳳等［22］采用不同硅鋁比Y型分子篩為吸附劑，對(duì)酮類有機(jī)廢氣進(jìn)行了吸附研究，發(fā)現(xiàn)Y型分子篩對(duì)酮類有機(jī)物均具有較高的吸附容量。竹濤等［23］利用粉煤灰制備的13X分子篩吸附揮發(fā)性有機(jī)物，發(fā)現(xiàn)13X分子篩對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物的吸附容量高于活性炭吸附劑，且有機(jī)物分子的極性越大，吸附容量越高?；钚蕴亢脱趸X對(duì)甲苯和苯的吸附效果十分明顯，且活性炭吸附效果略高于氧化鋁。對(duì)烯烴類的吸附，氧化鋁的吸附效果最好，13X分子篩的吸附效果略低，活性炭的吸附效果一般。另外，可以看出活性炭吸附劑對(duì)苯和甲苯的去除效果最好，氧化鋁吸附劑對(duì)3-甲基呋喃、乙苯和鄰二甲苯的去除效果最好。表1數(shù)據(jù)選取了幾種峰面積較高的產(chǎn)物進(jìn)行對(duì)比，可以看出13X分子篩吸附劑對(duì)吡啶的吸附效果最佳。不同類型的吸附劑對(duì)不同物質(zhì)的除去效果不同，可以根據(jù)對(duì)照組產(chǎn)物中有害成分的類型選擇合適的吸附劑定向脫除艾草燃燒煙氣中的有機(jī)污染物，使艾灸類療法更為安全。

6 結(jié)論

本研究選用4種不同類型的過(guò)濾介質(zhì)對(duì)艾條的燃燒煙氣進(jìn)行過(guò)濾，并對(duì)過(guò)濾前后的煙氣有機(jī)物進(jìn)行了GC-MS檢測(cè)分析，探究了不同過(guò)濾介質(zhì)對(duì)煙氣中有機(jī)物的脫除效果，結(jié)果表明4種過(guò)濾介質(zhì)均能有效降低艾草燃燒煙氣中的有機(jī)物，降低艾灸過(guò)程中煙氣對(duì)周?chē)巳旱慕】滴：Α?/p>

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（收稿日期：2024-02-03 編輯：陶希睿）

基金項(xiàng)目：2022年寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022BEG03133）。

作者簡(jiǎn)介：唐春蘭（1982—），女，漢族，本科，副主任護(hù)師，研究方向?yàn)橹嗅t(yī)傳統(tǒng)護(hù)理的臨床研究。E-mail：602988674@qq.com

通信作者：徐創(chuàng)龍（1976—），男，漢族，碩士研究生，副主任醫(yī)師，研究方向?yàn)槌Ｒ?jiàn)病的中西醫(yī)康復(fù)臨床與基礎(chǔ)研究。E-mail：mqxcl@163.com；

呂鵬（1993—），男，漢族，博士研究生，準(zhǔn)聘副教授，研究方向?yàn)楹蓟|(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化研究。E-mail：lvpeng@nxu.edu.cn