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浓度变化烟支燃烧烧时的空空气供应应情况：：１阴燃比比吸燃供供氧充足足。２吸燃时时氧气主主要是从从碳线周周围的旁旁通区进进入，燃燃烧锥中中心部分分因为碳碳化，形形成一个个相对缺缺氧的区区域三、烟支支燃烧特特性依据烟支支燃烧时时的温度度分布和和不同温温度区内内所发生生的化学学反应，，一般把把一支燃燃烧着的的烟分为为3个主主要的反反应区：：高温区，，热解蒸蒸馏区和和低温区区温度（℃）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、主要要化学反反应1水分：：烟支燃燃吸过程程中，100℃℃时，自自由水挥挥发出来来，进入入烟气；；150℃时吸吸附水释释放出来来，进入入烟气。。2含杂原原子的有有机物分子中碳碳和杂原原子（OSN）等等形成的的键比C－C和和C－H键弱，，高温时时先断裂裂，因此此含氧化化合物先先在裂解解时释放放出来，，如CO2COH2O，其次次是H2S和NH33芳香香族化合合物芳环热稳稳定性较较高，在在热解区区，侧链链和官能能团比较较不温度度先从苯苯环上断断裂下来来，进一一步分解解成气体体或挥发发产物，，冷凝后后液化；；芳核彼彼此缩合合或聚合合形成稠稠环化合合物。4自由基基反应在烟支抽抽吸过程程中存在在自由基基反应五、烟气气气溶胶胶的形成成（一）气气溶胶形形成过程程烟气气溶溶胶是一一个十分分复杂的的三相体体系，有有固、液液、气三三相构成成，每一一相都是是混合物物，也就就是说，，气相是是由多种种气体构构成的，，固相和和液相也也分别是是由多种种气体构构成的混混合物。。其中，，气相是是分散介介质，粒粒相和固固相是分分散质，，所以称称之为烟烟气气溶溶胶。（二）气气溶胶形形成机制制1主流烟烟气气溶溶胶形成成机制：：１）冷凝凝作用２）晶核核作用3）聚合合作用１）冷凝凝作用：：发生在在烟丝上上的冷凝凝作用。。主流烟烟气进入入低温冷冷凝区后后，被稀稀释空气气冷却，，或者被被较冷的的烟丝冷冷却，烟烟气中沸沸点高，，挥发性性低的物物质在烟烟丝上冷冷却，从从气态转转化为液液态形成成气溶胶胶的微粒粒２）晶核核作用：：发生在在固体颗颗粒上的的冷凝作作用叫晶晶核作用用。高温温燃烧过过程会使使一些物物质以固固体颗粒粒的形式式直接进进入烟气气气流中中，这些些固体颗颗粒就形形成了烟烟气的冷冷凝核心心（又叫叫晶核））。3）聚合合作用：：在高温温条件下下，若干干个小分分子物质质之间相相互聚合合形成更更大分子子量的大大分子物物质的反反应。未未饱和有有机物和和苯环较较易发生生聚合作作用。2侧流流烟气气气溶胶的的形成机机制：：侧流烟气气微粒来来源于热热解蒸馏馏区中形形成的浓浓聚蒸汽汽，这种种蒸汽通通过局部部蚀解的的卷烟纸纸向烟支支外扩散散；蒸汽汽一旦离离开燃烧烧锥便受受到骤然然降温和和稀释作作用，从从而冷凝凝为侧流流烟气中中气溶胶胶微粒。。（三）气气溶胶的的组成卷烟烟气气气溶胶胶包括气气相和粒粒相两部部分，其其中，粒粒相又包包括固体体颗粒和和液态颗颗粒。粒相部分分：又叫叫总凝聚聚物（TPM）），包括括水分，，烟碱碱和焦油油。焦油DAR（干干焦油DRYDAR）：TPM－－水分－－烟碱湿焦油（（WPM）或或粗焦油油（CPM）：：TPM－烟碱碱气相部分分：包括括来自空空气的一一些气体体；直接接由烟叶叶中挥发发进入烟烟气的物物质；烟烟叶燃烧烧后产生生的气态态分子；；水蒸汽汽。第二节标标准吸吸烟条件件和烟气气的收集集一标准准吸烟条条件二主流流烟气的的收集三侧流流烟气的的收集一标准准吸烟条条件（一）对对吸烟机机的要求求（二）大大气环境境要求（一）对对吸烟机机的要求求１.吸烟烟机压降降：压降：烟支抽抽吸时，，外界1个大气气压的空空气流经经烟支时时，由于于燃吸阻阻力而会会使卷烟烟气流的的压力下下降，压压力下降降的程度度就叫压压降。吸吸烟机的的压降不不超过300Pa2.抽吸吸频率和和持续抽抽吸时间间每口抽吸吸持续时时间为2.0ｓｓ±0.05抽吸频率率：每抽吸1口（2ｓ），，停顿58ｓ，，然后再再抽下一一口，也也就是说说，1min完完成一次次循环：：包括抽抽吸2ｓｓ，阴燃燃58ｓｓ。3抽吸容容量：在标准的的吸烟环环境里，，1KPa降装装置，每每口抽吸吸标准容容量为35mL±0.15mL。4抽吸流流量图：未点燃燃卷烟在在标准吸吸烟机上上的抽吸吸流量图图应为钟钟形，最最大流量量在8-1（二））大气气环境境要求求1调节节大气气：调节卷卷烟平平衡的的大气气调节节。一一般规规定为为：温温度：：22±±1℃，湿度度：60±±2％％，大气压压：96±±10KPa（接近近大气气压））2测试试大气气：吸烟机机吸烟烟时的的大气气环境境，即即吸烟烟机所所在房房间的的大气气环境境。要要求和和调节节卷烟烟平衡衡的调调节大大气环环境相相一致致，但但允许许误差差范围围要大大一些些。22±±2℃，湿度度：60±±5％％。3调节节时间间：抽吸前前调节节卷烟烟主要要是调调节烟烟支的的平衡衡水分分。一一般48ｈｈ的调节节时间间足够够达到到水分分平衡衡。平平衡标标准：：试样样质量量3ｈｈ内的的相对对变化化不大大于0.2％。。二主主流烟烟气的的收集集(一)剑桥桥滤片片剑桥滤滤片（（Cambridgefilter）是是用有有机黏黏合剂剂（聚聚丙烯烯酸酯酯）固固定起起来的的玻璃璃纤维维滤片片。在标准准吸烟烟条件件下剑剑桥滤滤片能能保留留99.7%的的烟碱碱。(二)静电电沉积积器它由一一个中中心的的正电电极围围以圆圆柱形形的负负电极极所组组成。。电压压可高高达25kV的的正极极产生生一个个电场场，带带电荷荷的烟烟气气气溶胶胶穿过过这个个电场场，带带正电电荷的的微粒粒就被被收集集在负负极上上。气气相组组分通通过捕捕集器器需用用其他他方法法加以以收集集。1.卷卷烟嘴嘴；2.中中央电电极（（正极极）；；3.出口口至减减压区区；4.高高压进进口（本图图选自自第36届届化学学家研研究讨讨论会会论文文选））（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）(三)喷射射撞击击捕集集器这种装装置是是根据据喷射射撞击击原理理工作作的，，烟气气气溶溶胶在在高速速下通通过微微孔使使其撞撞击在在距离离很近近的一一块平平面上上。(四)冷阱阱(五)固体体吸附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，半挥发物用于烟烟气分分析的的固体体吸附附剂(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)(六)溶溶剂捕集集器溶剂捕集集器举例例(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流烟气的的收集(一)收收集装置置(二)捕捕集装置置见下图收集装置置收集装置置装配好的的捕集器器捕捕集集器的切切面图搅拌式捕捕集器（本图选选自第36届国国际烟草草化学家家研究讨讨论会论论文选））（Harris,J.L.等等，1978））捕集装置置第三节烟烟气气气溶胶的的物理特特性一、粒子子大小(平均直径径0.2——0.6µm)某些烟气气中的微微粒直径径（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、粒数数浓度在一给定定体积的的气溶胶胶中的粒粒子数称称为粒数数浓度。。卷烟烟气气的平均均粒数浓浓度为1.33×1010个/cm3，，这意味着着新鲜的的卷烟烟烟气粒子子与其最最接近的的粒子间间的平均均距离为为4.2µm，，或者粒粒子与相相邻粒子子之间的的距离约约为20个粒子子的直径径。三、粒子子电荷烟气被认认为是轻轻度带电电荷的气气溶胶，，而从整整体来说说是呈电电中性的的。粒子子所带的的电荷数数与粒子子大小和和烟气的的陈化有有关。第四节卷卷烟烟烟气的主主要化学学成分粒相物质质包括非非挥发性性和半挥挥发性物物质，一一般称为为总粒相相物（TPM））。因其其含有水水分，也也称为湿湿焦油或或粗焦油油（WPM或CPM））。总粒粒相物减减去其中中的水分分，称为为干粒相相物（DPM））；再减减去其中中的烟碱碱，即为为焦油或或干焦油油（TAR或DRYTAR）。。焦油：卷烟在在特定的的条件下下燃吸后后捕集在在一个标标准的剑剑桥滤片片上的主主流烟气气部分，，从中减减去水分分和烟碱碱，剩下下的就是是焦油，，单位以以mg/支来表表示。一、主流流烟气的的化学成成分二、气相相组分的的化学成成分三、粒相相组分的的化学成成分三、粒相相组分的的化学成成分(续续)四、侧流流烟气和和主流烟烟气中化化学成分分的比较较第五节烟烟气化化学成分分与烟叶叶化学成成分的的关系1．烟叶主要要成分在在高温下下的变化化(1)糖糖类除微量的的单糖能能在烟气气中发现现外，其其余的低低聚糖、、淀粉、、纤维素素、果胶胶质等，，大部分分氧化成成二氧化化碳和一一氧化碳碳，小部部分热解解合成为为醛类、、酮类、、呋喃、、芳烃、、稠环芳芳烃等化化合物。。糖类还还是烟气气中酚类类的主要要来源。。(2)含含氮化合合物烟叶中的的蛋白质质和氨基基酸等含含氮化合合物，高高温裂解解主要转转化为含含氮杂环环化合物物如吡啶