卷煙煙氣的形成及其理化性質(zhì)

第一節(jié)煙支的燃燒一、主流煙氣和側(cè)流煙氣二、煙支燃燒時(shí)的溫度分布三、煙支燃燒特性四、主要化學(xué)反應(yīng)五、煙氣氣溶膠的形成當(dāng)前1頁，總共49頁。一、主流煙氣和側(cè)流煙氣當(dāng)前2頁，總共49頁。1主流煙氣MS：吸燃時(shí)產(chǎn)生的煙氣，進(jìn)入口腔，產(chǎn)生生理強(qiáng)度。評(píng)吸卷煙時(shí)，主要是評(píng)吸MS,來判斷卷煙的香味，雜氣，刺激性，余味等的優(yōu)劣。2側(cè)流煙氣SS：陰燃時(shí)產(chǎn)生的煙氣，不進(jìn)入口腔當(dāng)前3頁，總共49頁。3吸燃：動(dòng)態(tài)抽吸供氧不充分，發(fā)生不完全燃燒，所以產(chǎn)物復(fù)雜，不僅僅是二氧化碳和水。因?yàn)槲紩r(shí)形成的碳化層阻止了空氣的進(jìn)入。4陰燃：靜態(tài)抽吸供氧較充分，是在富氧條件下燃燒，氧化反應(yīng)是主要的。

空氣主要從碳線附近的旁通區(qū)進(jìn)入，燃燒也主要發(fā)生在旁通區(qū)，所以燃燒較完全

當(dāng)前4頁，總共49頁。5旁通區(qū)：燃燒錐底部周圍的高溫燃燒區(qū)，該區(qū)燃燒溫度最高，燃燒所需的空氣大部分從這個(gè)地方通過，所以叫旁通區(qū)。6堵塞效應(yīng)（duse）：燃燒錐的中間部分，形成了一個(gè)致密不透氣的碳化體，氣流不易從這里通過，所以成為堵塞效應(yīng)。是相對(duì)于旁通區(qū)而言的當(dāng)前5頁，總共49頁。二、煙支燃燒時(shí)的溫度分布溫度和氧氣是我們抽煙時(shí)不可缺少的條件，溫度和氧氣在很大程度上決定著煙氣的化學(xué)組成。吸煙時(shí)的最高溫度是900℃，煙支被點(diǎn)燃的溫度是600℃，卷煙中的揮發(fā)性物質(zhì)開始揮發(fā)進(jìn)入煙氣的溫度是300℃。進(jìn)入口腔的煙氣的溫度僅30-50℃。當(dāng)前6頁，總共49頁。煙支燃燒時(shí)的溫度分布1當(dāng)前7頁，總共49頁。煙支燃燒時(shí)的溫度分布2當(dāng)前8頁，總共49頁。煙支燃燒時(shí)O2，CO，CO2濃度變化當(dāng)前9頁，總共49頁。當(dāng)前10頁，總共49頁。煙支燃燒時(shí)O2，CO，CO2

濃度變化煙支燃燒時(shí)的空氣供應(yīng)情況：１陰燃比吸燃供氧充足。２吸燃時(shí)氧氣主要是從碳線周圍的旁通區(qū)進(jìn)入，燃燒錐中心部分因?yàn)樘蓟?，形成一個(gè)相對(duì)缺氧的區(qū)域當(dāng)前11頁，總共49頁。三、煙支燃燒特性當(dāng)前12頁，總共49頁。依據(jù)煙支燃燒時(shí)的溫度分布和不同溫度區(qū)內(nèi)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，一般把一支燃燒著的煙分為3個(gè)主要的反應(yīng)區(qū)：高溫區(qū)，熱解蒸餾區(qū)和低溫區(qū)當(dāng)前13頁，總共49頁。當(dāng)前14頁，總共49頁。四、主要化學(xué)反應(yīng)1水分：煙支燃吸過程中，100℃時(shí)，自由水揮發(fā)出來，進(jìn)入煙氣；150℃時(shí)吸附水釋放出來，進(jìn)入煙氣。2含雜原子的有機(jī)物分子中碳和雜原子（OSN）等形成的鍵比C－C和C－H鍵弱，高溫時(shí)先斷裂，因此含氧化合物先在裂解時(shí)釋放出來，如CO2COH2O，其次是H2S和NH3當(dāng)前15頁，總共49頁。3芳香族化合物芳環(huán)熱穩(wěn)定性較高，在熱解區(qū)，側(cè)鏈和官能團(tuán)比較不溫度先從苯環(huán)上斷裂下來，進(jìn)一步分解成氣體或揮發(fā)產(chǎn)物，冷凝后液化；芳核彼此縮合或聚合形成稠環(huán)化合物。4自由基反應(yīng)在煙支抽吸過程中存在自由基反應(yīng)當(dāng)前16頁，總共49頁。五、煙氣氣溶膠的形成（一）氣溶膠形成過程煙氣氣溶膠是一個(gè)十分復(fù)雜的三相體系，有固、液、氣三相構(gòu)成，每一相都是混合物，也就是說，氣相是由多種氣體構(gòu)成的，固相和液相也分別是由多種氣體構(gòu)成的混合物。其中，氣相是分散介質(zhì)，粒相和固相是分散質(zhì)，所以稱之為煙氣氣溶膠。當(dāng)前17頁，總共49頁。（二）氣溶膠形成機(jī)制1主流煙氣氣溶膠形成機(jī)制：１）冷凝作用２）晶核作用3）聚合作用當(dāng)前18頁，總共49頁。１）冷凝作用：發(fā)生在煙絲上的冷凝作用。主流煙氣進(jìn)入低溫冷凝區(qū)后，被稀釋空氣冷卻，或者被較冷的煙絲冷卻，煙氣中沸點(diǎn)高，揮發(fā)性低的物質(zhì)在煙絲上冷卻，從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)形成氣溶膠的微粒當(dāng)前19頁，總共49頁。２）晶核作用：發(fā)生在固體顆粒上的冷凝作用叫晶核作用。高溫燃燒過程會(huì)使一些物質(zhì)以固體顆粒的形式直接進(jìn)入煙氣氣流中，這些固體顆粒就形成了煙氣的冷凝核心（又叫晶核）。3）聚合作用：在高溫條件下，若干個(gè)小分子物質(zhì)之間相互聚合形成更大分子量的大分子物質(zhì)的反應(yīng)。未飽和有機(jī)物和苯環(huán)較易發(fā)生聚合作用。當(dāng)前20頁，總共49頁。2側(cè)流煙氣氣溶膠的形成機(jī)制：側(cè)流煙氣微粒來源于熱解蒸餾區(qū)中形成的濃聚蒸汽，這種蒸汽通過局部蝕解的卷煙紙向煙支外擴(kuò)散；蒸汽一旦離開燃燒錐便受到驟然降溫和稀釋作用，從而冷凝為側(cè)流煙氣中氣溶膠微粒。當(dāng)前21頁，總共49頁。（三）氣溶膠的組成卷煙煙氣氣溶膠包括氣相和粒相兩部分，其中，粒相又包括固體顆粒和液態(tài)顆粒。粒相部分：又叫總凝聚物（TPM），包括水分，煙堿和焦油。焦油DAR（干焦油DRYDAR）：TPM－水分－煙堿濕焦油（WPM） 或粗焦油（CPM）：TPM－煙堿當(dāng)前22頁，總共49頁。氣相部分：包括來自空氣的一些氣體；直接由煙葉中揮發(fā)進(jìn)入煙氣的物質(zhì)；煙葉燃燒后產(chǎn)生的氣態(tài)分子；水蒸汽。當(dāng)前23頁，總共49頁。第二節(jié)標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件和煙氣的收集

一標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件二主流煙氣的收集三側(cè)流煙氣的收集當(dāng)前24頁，總共49頁。一標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件（一）對(duì)吸煙機(jī)的要求（二）大氣環(huán)境要求當(dāng)前25頁，總共49頁。（一）對(duì)吸煙機(jī)的要求１.吸煙機(jī)壓降：壓降：煙支抽吸時(shí)，外界1個(gè)大氣壓的空氣流經(jīng)煙支時(shí)，由于燃吸阻力而會(huì)使卷煙氣流的壓力下降，壓力下降的程度就叫壓降。吸煙機(jī)的壓降不超過300Pa當(dāng)前26頁，總共49頁。2.抽吸頻率和持續(xù)抽吸時(shí)間每口抽吸持續(xù)時(shí)間為2.0ｓ±0.05抽吸頻率：每抽吸1口（2ｓ），停頓58ｓ，然后再抽下一口，也就是說，1min完成一次循環(huán)：包括抽吸2ｓ，陰燃58ｓ。當(dāng)前27頁，總共49頁。3抽吸容量：在標(biāo)準(zhǔn)的吸煙環(huán)境里，1KPa降裝置，每口抽吸標(biāo)準(zhǔn)容量為35mL±0.15mL。4抽吸流量圖：未點(diǎn)燃卷煙在標(biāo)準(zhǔn)吸煙機(jī)上的抽吸流量圖應(yīng)為鐘形，最大流量在8-1.2s之間。當(dāng)前28頁，總共49頁。（二）大氣環(huán)境要求1調(diào)節(jié)大氣：調(diào)節(jié)卷煙平衡的大氣調(diào)節(jié)。一般規(guī)定為：溫度：22±1℃，濕度：60±2％，大氣壓：96±10KPa（接近大氣壓）2測(cè)試大氣：吸煙機(jī)吸煙時(shí)的大氣環(huán)境，即吸煙機(jī)所在房間的大氣環(huán)境。要求和調(diào)節(jié)卷煙平衡的調(diào)節(jié)大氣環(huán)境相一致，但允許誤差范圍要大一些。22±2℃，濕度：60±5％。當(dāng)前29頁，總共49頁。3調(diào)節(jié)時(shí)間：抽吸前調(diào)節(jié)卷煙主要是調(diào)節(jié)煙支的平衡水分。一般48ｈ的調(diào)節(jié)時(shí)間足夠達(dá)到水分平衡。平衡標(biāo)準(zhǔn)：試樣質(zhì)量3ｈ內(nèi)的相對(duì)變化不大于0.2％。當(dāng)前30頁，總共49頁。二主流煙氣的收集(一)劍橋?yàn)V片劍橋?yàn)V片（Cambridgefilter）是用有機(jī)黏合劑（聚丙烯酸酯）固定起來的玻璃纖維濾片。在標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件下劍橋?yàn)V片能保留99.7%的煙堿

。當(dāng)前31頁，總共49頁。(二)靜電沉積器

它由一個(gè)中心的正電極圍以圓柱形的負(fù)電極所組成。電壓可高達(dá)25kV的正極產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，帶電荷的煙氣氣溶膠穿過這個(gè)電場(chǎng)，帶正電荷的微粒就被收集在負(fù)極上。氣相組分通過捕集器需用其他方法加以收集。1.卷煙嘴；2.中央電極（正極）；3.出口至減壓區(qū)；4.高壓進(jìn)口（本圖選自第36屆化學(xué)家研究討論會(huì)論文選）（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）當(dāng)前32頁，總共49頁。(三)噴射撞擊捕集器這種裝置是根據(jù)噴射撞擊原理工作的，煙氣氣溶膠在高速下通過微孔使其撞擊在距離很近的一塊平面上。(四)冷阱當(dāng)前33頁，總共49頁。(五)固體吸附劑

用于煙氣分析的固體吸附劑(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)當(dāng)前34頁，總共49頁。(六)溶劑捕集器

溶劑捕集器舉例(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)當(dāng)前35頁，總共49頁。三側(cè)流煙氣的收集(一)收集裝置(二)捕集裝置見下圖當(dāng)前36頁，總共49頁。收集裝置收集裝置當(dāng)前37頁，總共49頁。裝配好的捕集器捕集器的切面圖攪拌式捕集器（本圖選自第36屆國(guó)際煙草化學(xué)家研究討論會(huì)論文選）（Harris,J.L.等，1978）捕集裝置當(dāng)前38頁，總共49頁。第三節(jié)煙氣氣溶膠的物理特性一、粒子大小(平均直徑0.2—0.6μm)某些煙氣中的微粒直徑（F.Dabe.,andC.R.Green.,1985）當(dāng)前39頁，總共49頁。二、粒數(shù)濃度

在一給定體積的氣溶膠中的粒子數(shù)稱為粒數(shù)濃度。卷煙煙氣的平均粒數(shù)濃度為1.33×1010個(gè)/cm3，這意味著新鮮的卷煙煙氣粒子與其最接近的粒子間的平均距離為4.2μm，或者粒子與相鄰粒子之間的距離約為20個(gè)粒子的直徑。當(dāng)前40頁，總共49頁。三、粒子電荷

煙氣被認(rèn)為是輕度帶電荷的氣溶膠，而從整體來說是呈電中性的。粒子所帶的電荷數(shù)與粒子大小和煙氣的陳化有關(guān)。當(dāng)前41頁，總共49頁。第四節(jié)卷煙煙氣的主要化學(xué)成分

粒相物質(zhì)包括非揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)，一般稱為總粒相物（TPM）。因其含有水分，也稱為濕焦油或粗焦油（WPM或CPM）?？偭Ｏ辔餃p去其中的水分，稱為干粒相物（DPM）；再減去其中的煙堿，即為焦油或干焦油（TAR或DRYTAR）。焦油：卷煙在特定的條件下燃吸后捕集在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的劍橋?yàn)V片上的主流煙氣部分，從中減去水分和煙堿，剩下的就是焦油，單位以mg/支來表示。當(dāng)前42頁，總共49頁。一、主流煙氣的化學(xué)成分當(dāng)前43頁，總共49頁。二、氣相組分的化學(xué)成分當(dāng)前44頁，總共49頁。三、粒相組分的化學(xué)成分當(dāng)前45頁，總共49頁。三、粒相組分的化學(xué)成分(續(xù))當(dāng)前46頁，總共49頁。四、側(cè)流煙氣和主流煙氣中化學(xué)成分的比較當(dāng)前47頁，總共49頁。第五節(jié)煙氣化學(xué)成分與煙葉化學(xué)

成分的關(guān)系

1．煙葉主要成分在高