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卷煙煙氣的形成及其理化性質(zhì)第1頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第一節(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、煙氣氣溶膠的形成第2頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三一、主流煙氣和側(cè)流煙氣第3頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三1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(lái)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)入口腔第4頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三3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(xiàn)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
第5頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三5旁通區(qū):燃燒錐底部周?chē)母邷厝紵齾^(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(guò),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(guò),所以成為堵塞效應(yīng)。是相對(duì)于旁通區(qū)而言的第6頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、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(kāi)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℃。第7頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三煙支燃燒時(shí)的溫度分布1第8頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三煙支燃燒時(shí)的溫度分布2第9頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三煙支燃燒時(shí)O2,CO,CO2濃度變化第10頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第11頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三煙支燃燒時(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(xiàn)周?chē)呐酝▍^(qū)進(jìn)入,燃燒錐中心部分因?yàn)樘蓟纬梢粋€(gè)相對(duì)缺氧的區(qū)域第12頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、煙支燃燒特性第13頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三依據(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)第14頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三溫度(℃)主要化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型產(chǎn)物高溫區(qū)900-600氧化放熱氣相物:COCO2CH4H2O2自由基,少量有機(jī)物熱解蒸餾區(qū)600-100貧氧條件下的吸熱反應(yīng)、熱解、聚合、縮合氣、液、固三相并存的氣溶膠:許多復(fù)雜的煙氣成分都在這里生成:焦油、煙堿低溫區(qū)低于100粒相物和可凝聚蒸汽的冷凝和過(guò)濾第15頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、主要化學(xué)反應(yīng)1水分:煙支燃吸過(guò)程中,100℃時(shí),自由水揮發(fā)出來(lái),進(jìn)入煙氣;150℃時(shí)吸附水釋放出來(lái),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(lái),如CO2COH2O,其次是H2S和NH3第16頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三3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(lái),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(guò)程中存在自由基反應(yīng)第17頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三五、煙氣氣溶膠的形成(一)氣溶膠形成過(guò)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(shuō),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(chēng)之為煙氣氣溶膠。第18頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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)聚合作用第19頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三1)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)形成氣溶膠的微粒第20頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三2)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(guò)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。第21頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三2側(cè)流煙氣氣溶膠的形成機(jī)制:側(cè)流煙氣微粒來(lái)源于熱解蒸餾區(qū)中形成的濃聚蒸汽,這種蒸汽通過(guò)局部蝕解的卷煙紙向煙支外擴(kuò)散;蒸汽一旦離開(kāi)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。第22頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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-煙堿第23頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三氣相部分:包括來(lái)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。第24頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第二節(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)流煙氣的收集第25頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三一標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件(一)對(duì)吸煙機(jī)的要求(二)大氣環(huán)境要求第26頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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(guò)300Pa第27頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三2.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(shuō),1min完成一次循環(huán):包括抽吸2s,陰燃58s。第28頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三3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。第29頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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%。第30頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三3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%。第31頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三二主流煙氣的收集(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(lái)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
。第32頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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(guò)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(guò)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)第33頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(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(guò)微孔使其撞擊在距離很近的一塊平面上。(四)冷阱第34頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(五)固體吸附劑固體吸附劑捕集的化合物活性炭氣相中的醛類(lèi),半揮發(fā)物,氧化氮類(lèi)燒堿石棉(NaOH吸在石棉上)氰化氫,硫化氫硅膠氰化氫和醛類(lèi),煙氣中的羰基化合物ChromosrbG氣相中的醛類(lèi)和腈類(lèi)氯化鈣氣相中的水分分子篩氣相組分TenaxGC氣相組分,半揮發(fā)物
用于煙氣分析的固體吸附劑(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)第35頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三(六)溶劑捕集器
溶劑捕集器舉例(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)溶液所分析的化合物乙酰丙酮的醋酸銨緩沖液中甲醛飽和2,4—二硝基苯肼在0.2mol/L鹽酸中甲醛四氮化汞鈉和氨基磺酸水溶液甲醛0.1%鉻變酸甲醛甲醇或乙醇HCN+醛類(lèi)水乙醛亞硫酸氫鹽溶液丙烯醛第36頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三三側(cè)流煙氣的收集(一)收集裝置(二)捕集裝置見(jiàn)下圖第37頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三收集裝置收集裝置第38頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三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)捕集裝置第39頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第三節(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)測(cè)定方法微粒平均直徑(μm)Conifuge0.31煙溶膠離心機(jī)0.38階式碰撞器0.20階式碰撞器0.62顯微鏡檢查法0.32顯微鏡檢查法0.96光散射法0.18重力沉降法1.13第40頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、粒數(shù)濃度
在一給定體積的氣溶膠中的粒子數(shù)稱(chēng)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。第41頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、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(lái)說(shuō)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)。第42頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第四節(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(chēng)為總粒相物(TPM)。因其含有水分,也稱(chēng)為濕焦油或粗焦油(WPM或CPM)??偭O辔餃p去其中的水分,稱(chēng)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(lái)表示。第43頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三一、主流煙氣的化學(xué)成分第44頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、氣相組分的化學(xué)成分第45頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、粒相組分的化學(xué)成分第46頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、粒相組分的化學(xué)成分(續(xù))第47頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、側(cè)流煙氣和主流煙氣中化學(xué)成分的比較第48頁(yè),共50頁(yè),2023年,2月20日,星期三第五
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