曹毅,朱怀远,刘献军,周瑜,朱莹,庄亚东,沈晓晨,林炜罡,熊晓敏,朱建华
1 江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心,江苏省南京市梦都路28号 210019;
2 南京大学化学化工学院,江苏省南京市汉口路22号 210093
自成型复合材料的制备及其对卷烟主流烟气中巴豆醛的选择性吸附
曹毅1,朱怀远1,刘献军1,周瑜2,朱莹1,庄亚东1,沈晓晨1,林炜罡2,熊晓敏1,朱建华2
1 江苏中烟工业有限责任公司技术研发中心,江苏省南京市梦都路28号 210019;
2 南京大学化学化工学院,江苏省南京市汉口路22号 210093
在水热合成法制备介孔材料的过程中,通过使用醚类物质创造微乳环境,促进材料自成型,并在后期添加微孔沸石,制备了具有复合孔结构的吸附材料CTN/X(X= NaA,NaZSM-5,NaY)。考察复合材料作为滤嘴添加剂对卷烟主流烟气中巴豆醛的吸附效果。结果表明:微乳环境可以促进复合材料自成型;CTN/NaY样品的比表面积达到832 m2/g,而CTN/NaZSM-5的最可几孔径达到4.3 nm。与对照卷烟相比,复合材料对试验卷烟的焦油和烟碱量改变较小,对主流烟气中巴豆醛则具有较好的选择性吸附作用。
自成型;复合材料;主流烟气;巴豆醛;选择性吸附
卷烟烟气是不断变化的复杂化学体系。目前,研究已证实的卷烟烟气中化学物质大约有4000多种,其中约有150多种对人体具有潜在的危害性[1-2]。巴豆醛是卷烟主流烟气中主要挥发性羰基化合物之一,该物质无色、可燃,对人眼有很强刺激和催泪作用。烟气中巴豆醛经由呼吸道和消化道吸入体内,对人体产生一定危害,已被列为卷烟主流烟气中主要有害物质之一[3-5]。
主流烟气中主要挥发性羰基化合物的产生既有烟草直接转移的因素[6],又有烟草燃烧生成的影响[7-8]。目前,行业内针对烟气羰基化合物的减害技术主要有配方技术、辅材技术和选择性减害技术。其中,采用功能化多孔材料作为滤嘴添加剂选择性去除卷烟烟气中有害物质已成为烟草工业科技研发的热点[9]。然而,现有微孔沸石和介孔材料因其自身条件限制尚难在卷烟工业中广泛应用[10-13]。因此,研制自成型功能性复合多孔材料,结合微孔和介孔材料的特点,就逐步成为新型滤嘴添加剂的研发热点[14]。本文以介孔材料MCM-41的合成步骤为基础,通过添加醚类物质创造微乳体系使材料自成型,并在合成过程中添加微孔沸石,制备出一系列微孔-介孔复合材料。选择主流烟气中巴豆醛为靶标分子,同时考察复合材料对卷烟焦油、烟碱和水分的影响,探讨新型复合材料在卷烟减害降焦中的应用。
巴豆醛的2,4-二硝基苯腙标准品(纯度>99%,美国Chem Service Inc.公司),乙腈(色谱纯,TEDIA Company,Inc.)、吡啶(AR,上海凌峰化学试剂有限公司)、高氯酸(AR,上海金鹿化工有限公司)、2,4-二硝基苯肼(AR,日本TCI公司);超纯水(>18 MΩ,美国Milli-Q公司),十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(AR,上海凌峰化学试剂有限公司),硅酸四乙酯(TEOS)(AR,国药集团化学试剂有限公司),25 wt%氨水(AR,南京化学试剂有限公司),乙醚(AR,Alfa Aesar公司),沸石分子筛NaA(Si/Al=1)、NaZSM-5(Si/Al=12.5)和NaY(Si/Al=2.86)(天津南化催化剂有限公司);LM5+五孔道直线式吸烟机(德国Brogwaldt kc公司);Agilent 1100高效液相色谱仪(美国Agilent公司);色 谱 柱 Acclaim Explosive E2(250 mm×4.6 mm,5 μm,120 Å,美国Dionex公司),预柱Acclaim Explosive E2(10 mm×4.3 mm,5 μm,120 Å, 美国Dionex公司),Agilent 6890气相色谱仪,配备氢火焰离子化检测器(FID)(美国Agilent公司),AL204-IC分析天平(感量0.0001 g,美国METTLER TOLEDO公司)。
将0.25 g 十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)完全溶解在35 g去离子水中,然后逐步滴加10 g乙醚与1.2 g硅酸四乙酯(TEOS)的混合溶液,并不断搅拌。称取50 mg NaA沸石,加入反应体系中,充分搅拌。用25 wt%的NH3-H2O调节该溶液至pH值为11.0。将形成的溶胶转移至密闭容器中,在室温下搅拌12 h,然后在100 ℃下陈化24 h。过滤反应产物,并用去离子水充分洗涤,空气中干燥至粉末。在550℃下通空气焙烧5 h,获得最终复合材料,记为CTN/NaA。其他复合材料采用相似的合成步骤,即在初始溶液中分别添加50 mg NaZSM-5沸石或者NaY沸石,经过相同反应步骤,获得复合材料,分别记为CTN/NaZSM-5 和 CTN/NaY[15]。
复合材料在X射线衍射仪上测试,Cu靶Kα射线(λ=1.54178),金属镍单色片,出射狭缝为0.2 mm,入射狭缝分别为1 mm、2 mm、0.2 mm,射线管电压40 kV,电流20 mA。
N2吸附-脱附实验在Micromeritics ASAP2000物理吸附仪上进行。样品在573 K下抽真空活化,BET法测算样品的比表面积,t-plot方法计算微孔体积,BJH法分析孔径分布。
样品的扫描电镜实验采用日立S-4800型高分辨扫描电镜进行测试,仪器加速电压5 kV,样品制备成粉末状放入仪器样品室中直接观测。
为了不影响卷烟各项物理指标,同时可以有效评价复合材料对卷烟主流烟气中巴豆醛的去除效果,设计了一种简易评价装置,如图1所示。选择一内部直径约8 mm的玻璃套管将待测卷烟滤嘴末端紧密插入约4 mm左右(不覆盖通风孔),再将预先截取好的6 mm长滤嘴插入玻璃管另一端,中间形成约2 mm空隙用于添加一定量的复合材料(图1A)。通过该方法制备的试验卷烟直接用吸烟机进行卷烟抽吸,烟气成分用剑桥滤片捕集。对照卷烟采用8 mm长滤嘴插入玻璃套管中与待测卷烟滤嘴紧密相接,中间不留空隙(图1B)。
图1 模拟评价装置示意图(A.试验卷烟;B.对照卷烟1)Fig.1 Schematic diagram of the simulative evaluation apparatus (A.test cigarette; B.control cigarette1)
卷烟样品均在GB/T 16447[16]规定的调节大气中平衡48 h,然后按照重量(平均值±20 mg),吸阻(平均值±50 Pa)选出合适烟支,按照每支卷烟10 mg的添加量,准确称取20~40目CTN材料。将卷烟滤嘴取出,截去2 mm滤嘴后将余下部分平均截成两段,将材料加入滤嘴中部后塞回,制成三明治式复合滤嘴的实测卷烟[14,17];对照卷烟2为直接取出滤嘴后平均截成两段后塞回的同牌号卷烟。
卷烟烟气烟碱、焦油和水分的测定按照GB/T 19609—2004[18]规定的方法执行。
卷烟主流烟气中巴豆醛的检测按照YC/T 254—2008[19]规定的方法执行。
图2为CTN/X样品合成后的外观照片,从图2A中可以看出,通过在合成体系中加入乙醚后,溶液形成微乳环境,促进材料的自成型,得到的样品为块状结构,其大小约在1 mm~5 mm左右(图2A中标尺每格等于1 mm)。这种块状结构非常利于后期吸附材料的成型,通过简单的粉碎过筛处理,即可得到20~40目的小颗粒添加剂(图2B),其粒径在1.4 mm~1.8 mm左右。与常规水热合成法制备的粉末状沸石和介孔材料相比,该材料可以避免后期的造粒成型工艺,快速便捷地应用于卷烟滤嘴。
图2 自成型复合材料的宏观形貌图(A.直接合成产物;B.粉碎过筛后的20~40目产品)Fig.2 Photograph of self-modeling composite material (A.synthesized product; B.product with 20-40 mesh)
图3为CTN/X系列样品的SEM谱图。由图3可知,三种复合材料的介孔载体的微观形貌为球形颗粒(如图中绿色圆圈所示),其直径约为0.2 μm左右,表明乙醚-水微乳环境有利于介孔载体向球形颗粒生长。当合成体系中添加微孔沸石后,沸石片段以不规则絮状物形式分散在球形颗粒周围,说明CTN/X复合材料在微观上主要是球形介孔载体和分散在其周围的沸石片段所形成的复合结构。其中,NaA沸石和NaY沸石在球形颗粒周围的分散度较高,而NaZSM-5沸石则在球形颗粒周围有一定的聚集,形成了较为致密的片状结构,颗粒间的空隙更小,有利于增加与吸附质之间的接触几率。
图3 CTN/X系列样品的SEM图(A.CTN/NaA; B.CTN/NaZSM-5; C.CTN/NaY)Fig.3 SEM images of CTN/X samples (A.CTN/NaA; B.CTN/NaZSM-5; C.CTN/NaY)
图4和图5为CTN/X系列样品的广角和小角XRD谱图。广角XRD谱中,复合材料样品均在衍射角20˚~30˚出现无定形SiO2的包峰,这与无定形介孔孔壁的生成有关。CTN/NaZSM-5样品在2θ位于 7°~10°、22°~25°处出现明显的衍射峰,衍射谱图与ZSM-5结构特征衍射峰相对应,说明该样品在碱性条件下仍有部分ZSM-5结构片段存留在介孔载体孔道中。而CTN/NaA和CTN/NaY样品的广角XRD谱中均未出现相应微孔沸石的衍射特征峰,可能与微孔沸石的分散度较高有关,也有可能是样品在碱性条件下合成,NaA或者NaY的部分外表面或骨架被碱腐蚀所致[20]。小角XRD谱中,CTN/NaY样品在2.2°左右出现了一个对应于MCM-41的(100)晶面特征峰,但是并未出现(110)、(200)晶面特征衍射峰,表明该材料虽具有六方孔道结构,但其结晶度和长程有序性较差,其原因可能为存在于介孔结构中的微孔结构破坏了介孔孔道的有序性[21]。
图4 CTN/X系列样品的广角XRD谱图Fig.4 High-angle XRD patterns of CTN/X samples
图5 CTN/X系列样品的小角XRD谱图Fig.5 Low-angle XRD patterns of CTN/X samples
图6为CTN/X系列样品的N2吸附-脱附等温线。CTN/NaY样品具有近似H1型滞后环的IV型吸附-脱附等温线,表明其存在介孔,但是因为滞后环出现在P/P0=0.2~0.4处,说明该材料介孔孔径较小,可能与NaY沸石片段修饰介孔材料后产生的效果有关。CTN/NaA和CTN/NaZSM-5的吸附-脱附等温线与CTN/NaY样品相比有较大改变,为H4型滞后环,IV型吸附-脱附等温线。这一结果表明这两个样品具有较大的介孔,而且多为狭缝孔。
图6 CTN/X系列样品N2吸附-脱附等温线Fig.6 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of CTN/X samples
表1 CTN/X系列样品的结构数据Tab.1 Structural properties of CTN/X samples
从表1可以看出,在三种复合材料中CTN/NaY样品的比表面积最高,达到832 m2/g。CTN/NaZSM-5的比表面积最低,CTN/NaA居中。与表中三种沸石的比表面积数据相比,CTN/NaZSM-5和CTN/NaY样品的比表面积有所上升,而CTN/NaA则比NaA沸石有所下降。说明沸石品种不同对碱性体系的合成效果有影响,其中NaA沸石被碱液破坏的程度较高,而NaZSM-5和NaY受到的影响相对较小,通过分散在介孔载体上促进比表面积的增加。三种复合材料的孔径和孔体积的变化趋势与样品比表面积相比有所不同。其中,CTN/NaA和CTN/NaZSM-5的孔径和孔体积均高于介孔材料MCM-41,这与微孔沸石分散在介孔材料表面形成的狭缝孔有关。CTN/NaY样品的孔径和孔体积均小于MCM-41,说明NaY沸石碎片除了分散在介孔载体表面,更有可能对介孔孔道进行修饰。
图7 CTN/X系列样品的孔径分布图Fig.7 Pore size distributions of CTN/X samples
图7为CTN/X系列样品的孔径分布图。从图中可以看出,CTN/NaY样品的最可几孔径主要分布在2 nm~3.5 nm之间,同时10 nm以上的孔径也有一定分布,但是总量并不多。CTN/NaA和CTN/NaZSM-5样品的孔径分布情况较为相似。其中,CTN/NaA样品在2.5 nm~4.5 nm之间、CTN/NaZSM-5样品在3 nm~6 nm之间均有一定孔径分布。同时,这两个样品的孔径在8 nm~100 nm之间都有较多分布,分布范围很广,说明可以对不同尺寸的客体分子进行吸附。
添加CTN/X材料前后卷烟主流烟气中焦油烟碱等物质的分析结果如表2所示。与对照卷烟相比,滤嘴添加10 mg CTN/NaA材料后,烟气总粒相物、焦油和烟碱的降幅在2%以内,水分降幅约为7.78%。添加CTN/NaZSM-5材料的试验卷烟2其烟气总粒相物、焦油和烟碱的降幅是三个样品中最为明显的,分别为6.76%、7.56%和4.63%,但是对水分的降幅仅为1.80%。添加CTN/NaY材料对烟气水分的影响较大,降幅达到19.16%,这可能与其孔径分布的特点有关。CTN/NaY样品的最可几孔径主要集中分布在2 nm~3.5 nm之间,在三个复合材料中最小,对于体积较小的水分子有较好的吸附作用,而对体积较大的烟碱以及焦油的影响均没有醋纤滤棒明显。
表3所示为添加复合材料的试验卷烟与对照卷烟烟气常规成分之间显著性检验结果。其中,添加CTN/NaA材料的试验卷烟1与对照卷烟相比,在0.05水平上对烟气焦油和烟碱的影响无显著性差异,对总粒相物和水分的影响有显著性差异;添加CTN/NaZSM-5后,烟气总粒相物、焦油和烟碱的变化有显著性差异,而对水分的影响不显著。添加CTN/NaY材料的试验卷烟3,其对烟气常规成分的影响在0.05水平上均有显著性差异。
表2 添加复合材料前后卷烟烟气常规成分释放量分析Tab.2 Analysis of conventional ingredients in cigarette smoke by adding composite materials
表3 单因素方差分析多重比较(LSD法)分析结果Tab.3 Results of ANOVA for multiple comparison (LSD)
滤嘴添加材料对卷烟主流烟气中巴豆醛及其余7种羰基化合物释放量的影响结果见表4。为便于比较,卷烟原样为正常烟支卷烟;对照卷烟1按照图1B制备,即正常烟支后接上8 mm滤嘴;试验卷烟按照图1A制备,即在正常烟支与6 mm滤嘴之间的2 mm空隙中添加10 mg 20~40目待测材料。与卷烟原样相比,按照图1B制备的对照卷烟1,其主流烟气中巴豆醛释放量从18.93 μg/支降低至16.08 μg/支,说明增长卷烟滤嘴长度能够促进对烟气中巴豆醛的过滤作用。
在滤嘴中添加复合材料。沸石材料的整体效果不显著,仅NaZSM-5沸石可以降低烟气中约12%左右的巴豆醛,而NaA和NaY沸石难以进一步降低烟气中巴豆醛的含量;介孔材料MCM-41因为孔径过大,同样难以降低烟气中巴豆醛含量。
当滤嘴中添加10 mg CTN/X样品后,其降低烟气中巴豆醛的效果与对照卷烟1相比有所改变。CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY对 巴 豆 醛的降低率分别为17.0%、32.0%和32.3%,与微孔沸石和介孔MCM-41材料相比有明显的优势。同时,结合表2中数据,同等条件下CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY三种复合孔材料对焦油的降幅分别为0.99%、7.56%和-4.52%,可以计算出三种复合材料对巴豆醛的选择性吸附率分别为16.01%、24.4%和36.8%,说明复合材料可以结合微孔和介孔材料的优势,克服两者的不足,实现对巴豆醛的高效吸附。
在分析滤嘴添加材料对卷烟主流烟气中巴豆醛的去除效果时,同时检测了其余7种羰基化合物的释放量,见表4所示。由表4可知,微孔沸石NaA、NaZSM-5和NaY对于降低主流烟气中8种羰基化合物的效果甚微,介孔分子筛MCM-41对6种羰基化合物有一定去除效果,但是作用仍不明显。制备的复合材料对主流烟气中主要羰基化合物的降低效果有明显改善,CTN/NaZSM-5和CTN/NaY样品对巴豆醛和2-丁酮的去除效果较为明显,其中CTN/NaY样品对巴豆醛和2-丁酮的降低率分别为32.3%和37.4%。说明复合材料在去除烟气巴豆醛上具有一定的优势,能够弥补微孔沸石和介孔分子筛在这方面的不足。复合材料CTN/NaY和CTN/NaZSM-5对烟气中8种羰基化合物的吸附效果有所差异,其中对巴豆醛具有较好的选择性吸附作用。
表4 不同滤嘴添加材料对卷烟主流烟气中主要羰基化合物的去除Tab.4 Effect of removing main carbonyl compounds in mainstream cigarette smoke by using composite materials μg/支,%
为了进一步验证复合材料作为滤嘴添加剂降低主流烟气中巴豆醛的实际效果,将10 mg 20~40目的CTN/X材料分别加入卷烟滤嘴中段,制成三明治式复合滤嘴的实测卷烟。如表5所示,与对照卷烟2相比,滤嘴中添加CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY后,卷烟主流烟气中巴豆醛的降低率分别为13.5%、25.1%和30.4%。与表4中的模拟烟气实验结果较为相近。
表5 复合材料降低实测卷烟主流烟气中巴豆醛的效果Tab.5 Real effect of composite materials for removing crotonaldehyde from mainstream cigarette smoke as filter additives
为了进一步探讨复合材料的结构特性对吸附巴豆醛的影响,通过Gaussian 98计算软件,采用密度泛函理论B3LYP方法,在6-31G(d)水平上对巴豆醛分子进行结构优化,所得分子优化模型如图8所示。其中右端1号位碳原子与最左端的10号氧原子之间的直线距离约为0.49 nm,吸附材料为了有效吸附巴豆醛分子,其孔径尺寸应该大于或者等于0.49 nm。由表1可知,微孔沸石中NaA沸石的孔径仅为0.4 nm,显然难以有效吸附巴豆醛分子;NaZSM-5沸石的孔径大小为0.5 nm,与巴豆醛分子尺寸最为相近,可以完全容纳巴豆醛分子进入孔道内,但是受限于较小的比表面积和孔体积,因而难以在吸附量上实现突破。介孔材料MCM-41虽然比表面积和孔体积较大,但是孔径达到3.4 nm,相对于尺寸仅为0.49 nm的巴豆醛分子来说,MCM-41的六方孔道显得过于宽大,进入孔道中的巴豆醛分子难以吸附保留,因而MCM-41材料对巴豆醛分子的吸附性能仍然较差。
图8 巴豆醛分子优化结构示意图Fig.8 Schematic diagram of the optimized crotonaldehyde molecular structure
与对照卷烟以及添加微孔沸石或者介孔材料的试验卷烟相比,添加复合材料CTN/X的试验卷烟主流烟气中巴豆醛的含量大幅度降低。其中,添加CTN/NaZSM-5或者CTN/NaY材料后,主流烟气中巴豆醛含量分别下降32.0%和32.3%。这种效果一方面得益于两种复合材料的最可几孔径达到4.3 nm和2.7 nm,保证为巴豆醛分子提供必要的传输通道,减小了传质限制[22],同时促进分散在介孔材料上的微孔沸石片段对巴豆醛的吸附去除;另一方面则体现在两种复合材料的比表面积和孔体积比相应的微孔沸石有较大提升,从而保证复合材料对巴豆醛的吸附量能够大幅上升。CTN/NaA材料对烟气中巴豆醛的吸附效果虽然不及另外两种复合材料,但是与NaA沸石相比仍有较大提升,其原因可能是微孔结构的存在破坏了介孔结构的有序性,形成缺陷,这种特殊结构可以促进介孔材料对小分子物质的吸附[23]。
针对粉末状沸石分子筛不利于作为滤嘴添加材料的问题,在合成介孔材料的反应体系中,通过使用乙醚创造微乳环境,促进材料自成型,并在合成后期添加沸石分子筛客体材料,制备了一系列尺寸在1 mm~5 mm左右的块状复合材料CTN/X(X=NaA、NaZSM-5、NaY),有利于工业化应用。
结构表征发现,CTN/X系列样品具有微孔和介孔复合结构,比表面积均大于566 m2/g,孔径分布宽,孔体积均比相应微孔沸石大,有利于提升复合材料对烟气中巴豆醛的吸附量。
SEM表征结果显示,复合材料的介孔载体的微观形貌为球状颗粒,其直径约为0.2μm左右。沸石片段则以不规则絮状物形式分散在球形颗粒周围。其中,NaA沸石和NaY沸石在球形颗粒周围的分散度较高,而NaZSM-5沸石则在球形颗粒周围有一定的聚集,形成了较为致密的片状结构。
烟气模拟评价实验表明,添加复合材料的试验卷烟主流烟气中巴豆醛的释放量有明显降低, CTN/NaSM-5和CTN/NaY对巴豆醛的降低率分别为32.0%和32.3%,其中,CTN/NaY对巴豆醛的选择性降低率达到36.8%,均优于相应的微孔沸石和介孔MCM-41材料。
通过对巴豆醛分子优化计算,孔径大于等于0.49 nm的吸附材料可以实现对巴豆醛分子的吸附。复合材料实现微孔沸石片段在介孔材料上的高分散,在减小了对烟气传质限制的前提下,保证复合材料对主流烟气中巴豆醛的高效去除。
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Preparation of self-modeling composite material and its selective adsorption towards crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke
CAO Yi1,ZHU Huaiyuan1,LIU Xianjun1,ZHOU Yu2,ZHU Ying1,
ZHUANG Yadong1,SHEN Xiaochen1,LIN Weigang2,XIONG Xiaomin1,ZHU Jianhua2
1 Research and Development Center,China Tobacco Jiangsu Industrial Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China;
2 College of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China
Ethyl ether was introduced in hydrothermal synthesis process when mesoporous material was prepared.An emulsion system was formed to promote self-modeling.After adding zeolite fragments into synthetic system,series of self-modeling composite porous materials were prepared which named CTN/X (X=NaA,NaZSM-5,NaY).The adsorptive ability of these composite materials when used as cigarette filter additives was investigated.Crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke was set to be target molecule.Results showed that emulsion system was beneficial for self-modeling.Specific surface area of CTN/NaY reached 832 m2/g,and the most probable pore size of CTN/NaZSM-5 was 4.3 nm.Compared with controls,cigarettes with filters added these composite materials exhibited excellent selectively adsorptive ability to crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke,while nicotine and tar level in test cigarette smoke changed a little.When CTN/NaY sample was used as filter additive,crotonaldehyde content in main stream cigarette smoke could be reduced by 30.4%.
self-modeling; composite material; mainstream cigarette smoke; crotonaldehyde; selective adsorption
10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.003
TS411 文献标志码:A 文章编号:1004-5708(2014)06-0012-09
江苏中烟工业有限责任公司科技项目“多孔材料对卷烟烟气中主要挥发性羰基化合物的降低研究”(2010-07)
曹毅(1980—),博士,工程师,主要从事烟草化学研究,Email: caoyi@jszygs.com
庄亚东(1972—),硕士,高级工程师,主要从事烟草化学研究,Tel: 025-86478512,Email: zhuangyd@jszygs.com
2013-12-11