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特殊滤嘴研究进展
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摘 要 简要介绍了特殊滤嘴的作用、定义与分类，并按作用和添加剂2种分类方法，较详细地综述了国内外活性炭滤嘴、生物滤嘴、硅酸铝盐类滤嘴、催化剂滤嘴、加香滤嘴以及其他滤嘴的研究进展和在卷烟加香与降焦减害中的作用。认为随着各国政府对卷烟的限制越来越严格，以及消费者对吸烟与健康的关注日益增强，仅凭一种单功能添加剂的特殊滤嘴已经难以满足卷烟市场的发展需求，特殊滤嘴已由一种添加剂单种功能向多种添加剂多功能的方向发展。提出在开发特殊滤嘴时，一定要加大科研投入，加强对各种滤嘴添加剂性能的基础性研究，了解和掌握各种滤嘴添加剂的降焦减害性能、用量、添加方法和生产成本等，这样，才能根据市场和卷烟设计的要求，有目的有选择性地将各种添加剂较佳地组合起来，开发出多功能具有理想降焦减害效果的特殊滤嘴，尤其是既具有加香作用，又具有降低多种有害烟气成分的特殊滤嘴。
关键词 特殊滤嘴；活性炭；生物滤嘴；催化剂；硅铝酸盐；加香滤嘴；薄荷滤嘴；降焦减害
随着世界反烟运动的日益高涨和消费者对吸烟与健康关注的普遍增强，市场对卷烟的要求越来越高，烟草业面临的压力越来越大，尤其是近年来一些国家已要求标出和降低Hoffmann名单中所列的有害物质，因此，降焦减害是国内外烟草业的发展趋势。如何使卷烟的焦油及其有害成分显著降低，同时又保持卷烟吸味使消费者得到生理满足，是卷烟设计面临的最大的挑战。滤嘴，尤其是特殊滤嘴（Special Filter）在卷烟降焦减害中起着重要作用。所谓特殊滤嘴，是指除普通醋纤、丙纤和纸滤嘴以外的具有特殊结构、特殊添加剂和特殊作用的滤嘴。经过多年的不懈研究，特殊滤嘴已发展成为卷烟降焦减害一种重要的技术措施。特殊滤嘴种类繁多，按作用可分为降焦减害滤嘴和加香滤嘴；按结构可分为二复合和三复合滤嘴；按所用的添加剂可分为活性炭滤嘴、硅酸盐类滤嘴、生物滤嘴和催化剂滤嘴等；如何对特殊滤嘴进行科学地分类，是一个值得探讨的问题。为方便，本文采用按作用和添加剂分类法进行论述。1 降焦减害滤嘴1.1活性炭滤嘴 活性炭滤嘴是国内外烟草业研究最早应用最为普遍的特殊滤嘴之一。为了减少吸烟对人体的危害，美国烟草业早在20世纪50年代就开始对活性炭作为滤嘴添加剂进行了研究与应用，至20世纪60年代，活性炭滤嘴卷烟在美国卷烟市场的份额约为7%[1]。目前活性炭滤嘴卷烟的主要市场有日本、韩国、匈牙利、俄罗斯和委内瑞拉，而且，活性炭在滤嘴中的应用是滤嘴市场增长最快的部分。日本烟草界[2]认为，活性炭不但有助于滤除烟气有害物质，而且还有助于改善卷烟的吸味，提高烟气的内在品质，亦即“软化”（Soft）卷烟的味道。 活性炭具有微晶结构，基本微晶的排列是完全不规则的。在活化过程中活性炭产生微孔、过渡孔或大孔。微孔的有效半径低于20Å,大孔的有效半径在1000～100000Å之间，总比表面积可达500～1700m2/g。鉴于活性炭有如此巨大的比表面积，因此，活性炭具有较强的吸附作用。其吸附作用是有选择性的，非极性物质比极性物质易于吸附。在同类物质中，沸点高的物质易被吸附，吸附量也大。孔径在12～200Å之间的活性炭适于吸附气体，孔径达1000Å的活性炭可吸附色素分子。应用于卷烟滤嘴，活性炭不仅可以选择性地滤除某些气相烟气成分及某些沸点＜152℃的半挥发性成分，包括甲醛、乙醛、丙烯醛、氢氰酸、乙腈、异戊间二烯、丁酮、苯、2，5-二甲基呋喃、乙烯基环戊烯、3-庚炔、乙基环戊烯、甲苯、三聚甲醛、二甲苯、苯乙烯、异丙苯、5-甲基-2-糠醛、苯甲醛、苯腈、苎烯、茚、p-甲酚、甲茚和萘，而且还能吸附烟气气相中的重金属元素和放射性元素，但不能显著地提高对粒相物的过滤效率。活性炭的选择性滤除能力，取决于活性炭的种类和用量。卷烟滤嘴常用的是椰子壳活性炭。在用量一定的情况下，截留效率随着所用活性炭的比表面积和孔容的增大而增大，此外，滤嘴通风也能提高活性炭的滤除效率。活性炭滤嘴一般都是复合（二复合或三复合）滤嘴，炭粒含于其中的一段滤嘴中。对于二复合滤嘴，活性炭颗粒含于近烟支段的滤嘴中；在三复合滤嘴中，活性炭既可含于近烟支段中，也可加入近烟支段与近嘴段之间的空腔中，空腔也可以被其他粘合的材料所替代[1]。 国外对活性炭滤嘴研究较早，其中研究较多较深入较细致的当数Filtrona公司。该公司通过对活性炭滤嘴进行的详细研究，先后推出了二复合同芯活性炭滤嘴和多功能活性炭片滤嘴。其中，同芯滤嘴的内芯为多孔性成形纸卷包的压纹纸滤棒，外层为多孔性成形纸卷制的醋酸纤维滤棒筒。试验结果表明，在其他变量（包括芯棒的压降）保持不变的情况下，当滤棒外筒的压降从980Pa增加到2450Pa时，卷烟的总压降亦随之增大，而通风度则随之减少；当滤棒外筒的压降保持不变，增大芯棒的压降时，卷烟的通风度和压降均随之增大；当芯棒用不透气性成形纸卷制时，由打孔处进入的空气一部分产生逆流，使烟气不能进入滤棒外筒，而全部通过芯棒，且空气的逆流量随着外筒的压降的增加而增大。这样，用不透气性成形纸卷制的同芯滤棒可使CO的减少比例通常比采用高通风度卷烟的焦油大得多，而且其卷烟的吸阻仍然是可以接受的，这是因为全部烟气通过的芯棒实际上是一个细支滤棒，它虽然压降很高，但由于其直径较小，所以其截留的焦油量也较低[3]。纸是比醋纤更便宜的滤材，可制成比任何等效的醋纤滤嘴更便宜的高质量的滤嘴，而且纸是100%纤维素，在自然环境中的分解和扩散速度均比醋纤纤维素快得多[4]。在较大的滤嘴压降范围内，纸滤嘴截留的焦油量均比醋纤滤嘴高得多。然而，单独采用纸滤嘴会影响卷烟的外观，而同芯滤嘴将纸滤嘴与活性炭滤嘴巧妙地结合起来，达到了降焦和选择性滤除有害物的和谐统一。1993年在美国和欧共体市场上推出的“Merit Ultima” 采用就是二复合同芯滤嘴，德国的“R1”牌卷烟采用的是具有高压降纸嘴的二复合滤嘴，纸嘴位于复合滤嘴通风孔的上游，这就起到“bunus”复合效应[4]。同时，菲莫公司也发明了活性炭纸芯—醋酸纤维同芯滤嘴[5]。多功能活性炭片滤嘴，即用内表面粘有活性炭颗粒的成形纸卷制的滤嘴，摒弃了那种炭粒必须包在醋酸纤维中才能吸收气相物质和改善卷烟烟气特征的观点，克服了活性炭醋纤二复合滤嘴具有的诸多缺点：①在接装过程中，炭粒易从滤嘴切口处脱落，且炭粒还会损坏接装机的切刀；②在输送过程中，炭粒脱落会造成停机和废品；③需要3道生产工序。用粘炭纸既可生产二复合滤棒，也可生产三复合滤棒[6]。此外，Kim C-R[7]还研究了三醋酸甘油酯对二复合活性炭滤嘴吸附气相成分的影响。2002年，布朗—威廉姆森公司（B&W）[8]在美国推出一种名为“Advance Lights”牌号的卷烟。该卷烟接装了一种新型选择性过滤滤嘴——“Trionic Filter”三复合滤嘴。滤嘴的各段均为醋酸纤维滤嘴，但其第1段（靠近烟支段）和第2段（中间段）中分别含有离子交换树脂和特制的活性炭颗粒，只有第3段（近嘴段）为纯醋酸纤维滤嘴。在吸烟过程中，当烟气流过第1段滤嘴时，烟气中的一部分粒相物或焦油被醋酸纤维机械过滤，同时，滤嘴中的离子交换树脂与烟气中的半挥发性成分，尤其是醛类化合物如甲醛、乙醛和氰化氢发生反应，使这些烟气成分在通过第1段滤嘴后均被截留了一定的比例。烟气在流过中间段滤嘴时，滤嘴中的活性炭继续吸附烟气中的醛类和其它成分如丙烯醛、苯和甲苯，同时又一部分粒相物被这段醋纤滤嘴所截留。烟气在流过第3段滤嘴时，烟气中的粒相物再次被醋酸纤维所截留。因此，烟气在流过“Trionic”滤嘴后，烟气中的有害物质就被有选择性地大幅度降低。据介绍，“Advance Lights”卷烟的氰化氢、甲醛、苯和丙烯醛分别降低62%~65%、33%~40%、36%~50%和36%~52%。 国内对活性炭滤嘴的研究虽然起步较晚，但也取得了一定的进展。如娄性义[9]等用由活性炭粉、某些改性矿石粉和木浆调制的浆料涂布或抄纸，制得质地均匀、疏松多孔、无毒无味，具有良好吸附性能的活性炭纸。用此活性炭纸卷制的滤棒与醋纤滤棒复合后，比醋纤滤嘴降焦效率高15%～30%。刘颖涛等[10,11]采用Kuraray化学研究所生产的5种毡型活性碳纤维素（ACF）进行的试验表明，焦油、烟碱和水分的降低率均随着ACF用量及其孔半径的增加而逐渐增大，而对水分的选择性则逐渐减小。相比之下，孔半径为1.2nm、孔容0.74mL/g、比表面积2190 m2/g和用量20mg/支滤嘴的ACF降低焦油和烟碱的效果较理想。田桂江等人[12]的试验结果显示，活性炭的加入提高了滤嘴吸阻，即提高了滤嘴对焦油和烟碱的机械截留作用，从而在一定程度上也起到了降焦效果。加活性炭的2种复合滤嘴接装的卷烟的焦油量均比对照有所降低，其中纸炭复合滤嘴卷烟焦油的降低量（39.79%）显著高于炭纤复合滤嘴（8.90%）。赵铭钦等[13]对醋酸纤维、聚丙烯和复合滤嘴过滤卷烟烟气的效率进行的研究表明，复合滤嘴对焦油的过滤效率显著高于另外2种滤嘴，而聚丙烯滤嘴与醋酸纤维滤嘴的过滤效率无明显的差别；对烟碱的过滤效率仍表现为复合滤嘴的最高，聚丙烯滤嘴次之，醋酸纤维滤嘴最低。胡群等[14]用Filtrona公司生产的3种特殊滤棒：联合效益滤棒、活性炭醋纤复合滤棒和纸-醋纤复合滤棒进行的试验结果显示，3种滤棒都有明显地降低卷烟烟气总粒相物（TPM）、焦油、烟碱和水分的作用，但对CO几乎没有影响；纸-醋纤复合滤棒对TPM和烟碱的截留效率尤为突出，分别为66.81%和41.57%，而联合效益滤嘴和活性炭醋纤复合滤嘴的则各为63.77%和38.93%与50.51 %和33.33%。浦跃朴等[15]测定了8种国产卷烟和3种进口卷烟烟气的致突变性，结果发现致突变性作用最弱的一种是上海卷烟厂生产的带有活性炭滤嘴的“高乐”牌卷烟，而致突变性作用最强的一种普通滤嘴卷烟，其致突变性是“高乐”牌卷烟的14倍之多；无滤嘴卷烟烟气的致突变性作用高于滤嘴卷烟，二者之比率为1.5:1。由此可见,活性炭滤嘴卷烟是减害的有效途径之一[16]。 总之，国内外的研究结果表明，①活性炭滤嘴可以选择性地降低卷烟某些有害气相成分；②活性炭—纸复合滤嘴降焦效果最显著；③活性炭滤嘴不降低卷烟烟气中的CO；④与其他添加剂合用，可以更有效地选择性降低卷烟烟气气相有害成分；⑤活性炭滤嘴确实降低了卷烟烟气的危害性。1.2生物滤嘴 所谓生物滤嘴，就是以具有生物活性的动植物提取物作添加剂的滤嘴。20世纪80年代初，日本学者市川清司[17]发明了一种含有浸渍螯合了亚铁离子的原卟啉类化合物溶液的多孔性物质（如活性炭）的滤嘴，可有效去除烟气中的CO、BaP及其衍生物等。受此启发，我国的张爱华[18]提出将血红素加到滤嘴中以降低卷烟的焦油。其试验结果表明，当血红素的浓度为1.0mg/mL、剂量50μL/支和温度30℃时，对卷烟焦油的吸附作用最强，可使卷烟焦油降低17.00%。然而，由于条件的限制，张爱华没有继续进行深入的研究。希腊的约安尼斯·斯塔夫里迪斯和乔治·德里康斯坦丁诺斯[19]对生物滤嘴进行了详细研究，发现丝束或活性炭浸渍血红蛋白的滤嘴可使卷烟烟气中的有害物包括NO、NOX、亚硝基化合物、自由基、H2O2、CO、醛类和痕量元素显著降低。同时他们还发现，除血红蛋白外，转铁蛋白、过氧化氢酶、原卟啉和细胞色素C也是一类有效降低卷烟有害烟气成分的生物材料（表1）。
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