卷烟烟气的基本形成

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２吸燃时氧气主要是从碳线周围的旁通区进入，燃烧锥中心部分因为碳化，形成一个相对缺氧的区域三、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：烟烟支燃吸过过程中，100℃时时，自由水水挥发出来来，进入烟烟气；150℃时2含杂原子的有机物分子中碳和杂原子（OSN）等形成的键比C－C和C－H键弱，高温时先断裂，因此含氧化合物先在裂解时释放出来，如CO2COH2O，其次是H2S和NH33芳香族族化合物芳环热稳定定性较高，，在热解区区，侧链和和官能团比比较不温度度先从苯环环上断裂下下来，进一一步分解成成气体或挥挥发产物，，冷凝后液液化；芳核核彼此缩合合或聚合形形成稠环化化合物。4自由基反反应五、烟气气气溶胶的形形成（一）气溶溶胶形成过过程烟气气溶胶胶是一个十十分复杂的的三相体系系，有固、、液、气三三相构成，，每一相都都是混合物物，也就是是说，气相相是由多种种气体构成成的，固相相和液相也也分别是由由多种气体体构成的混混合物。其其中，气相相是分散介介质，粒相相和固相是是分散质，，所以称之之为烟气气气溶胶。（二）气溶溶胶形成机机制1主流烟气气气溶胶形形成机制：：１）冷凝作作用２）晶核作作用3）聚合作作用２）晶核作作用：发生生在固体颗颗粒上的冷冷凝作用叫叫晶核作用用。高温燃燃烧过程会会使一些物物质以固体体颗粒的形形式直接进进入烟气气气流中，这这些固体颗颗粒就形成成了烟气的的冷凝核心心（又叫晶晶核）。3）聚合作作用：在高高温条件下下，若干个个小分子物物质之间相相互聚合形形成更大分分子量的大大分子物质质的反应。。未饱和有有机物和苯苯环较易发发生聚合作作用。2侧流烟烟气气溶胶胶的形成机机制：侧流烟气微微粒来源于于热解蒸馏馏区中形成成的浓聚（三）气溶溶胶的组成成卷烟烟气气气溶胶包括括气相和粒粒相两部分分，其中，，粒相又包包括固体颗颗粒和液态态颗粒。粒相部分：：又叫总凝凝聚物（TPM），，包括水分分，烟碱碱和焦油。。焦油DAR（干焦油油DRYDAR））：TPM－水分湿焦油（WPM） 或粗焦油（CPM）：TPM－烟碱气相部分：：包括来自自空气的一一些气体；；直接由烟烟叶中挥发发进入烟气气的物质；；烟叶燃烧烧后产生的的气态分子子；水蒸汽汽。第二节标标准吸烟条条件和烟气气的收集一标准吸吸烟条件二主流烟烟气的收集集三侧流烟烟气的收集集一标准吸吸烟条件（一）对吸吸烟机的要要求（二）大气气环境要求求（一）对吸吸烟机的要要求１.吸烟机机压降：压降：烟支抽吸吸时，外界界1个大气气压的空气气流经烟支支时，由于于燃吸阻力力而会使卷卷烟气流的的压力下降降，压力下下降的程度度就叫压降降。吸烟机机的压降不不超过300Pa2.抽吸频频率和持续续抽吸时间间每口抽吸持持续时间为为2.0ｓ±±0.05抽吸频率：：每抽吸1口口（2ｓ）），停顿58ｓ，然然后再抽下下一口，也也就是说，，1min完成一次次循环：包包括抽吸2ｓ，阴燃燃58ｓ。。3抽吸容量量：在标准的吸吸烟环境里里，1KPa降装置置，每口抽抽吸标准容容量为4抽吸流量图：未点燃卷烟在标准吸烟机上的抽吸流量图应为钟形，最大流量在8-1.2s之间。（二）大气气环境要求求1调节大气气：调节卷烟平平衡的大气气调节。一一般规定为为：温度：：22±1℃，湿度：60±2％％，大气压：96±10KPa（接近大气气压）2测试大气气：吸烟机吸烟烟时的大气气环境，即即吸烟机所所在房间的的大气环境境。要求和和调节卷烟烟平衡的调调节大气环环境相一致致，但允许许误差范围围要大一些些。22±2℃，湿度：60±5％％。3调节时间间：抽吸前调节节卷烟主要要是调节烟烟支的平衡衡水分。一一般48ｈ的调节时间间足够达到到水分平衡衡。平衡标标准：试样样质量3ｈｈ内的相对对变化不大大于0.2％。二主流烟烟气的收集集(一)剑桥桥滤片剑桥滤片（（Cambridgefilter）是用有有机黏合剂剂（聚丙烯(二)静电电沉积器它由一个中中心的正电电极围以圆圆柱形的负负电极所组组成。电压压可高达25kV的的正极产生生一个电场场，带电荷荷的烟气气气溶胶穿过过这个电场场，带正电电荷的微粒粒就被收集集在负极上上。气相组组分通过捕捕集器需用用其他方法法加以收集集。1.卷烟嘴嘴；2.中中央电极（（正极）；；3.出口口至减压区区；4.高高压进口（本图选自自第36届届化学家研研究讨论会会论文选））（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）(三)喷射射撞击捕集集器这种装置是是根据喷射射撞击原理理工作的，，烟气气溶溶胶在高速速下通过微微孔使其撞撞击在距离离很近的一一块平面上上。(四)冷阱阱(五)固体体吸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，半挥发物用于烟气分分析的固体体吸附剂(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)(六)溶剂剂捕集器溶剂捕集器器举例(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烟烟气的收集集(一)收集集装置(二)捕集集装置见下图收集装置收集装置装配好的捕捕集器捕捕集集器的切面面图搅拌式捕集集器（本图选自自第36届届国际烟草草化学家研研究讨论会会论文选））（Harris,J.L.等，，1978）捕集装置第三节烟一、粒子大大小(平均直径0.2—0.6µm)某些烟气中中的微粒直直径（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、粒数浓浓度在一给定体体积的气溶溶胶中的粒粒子数称为为粒数浓度度。卷烟烟气的的平均粒数数浓度为1.33××1010个/cm3，这意味着新新鲜的卷烟烟烟气粒子子与其最接接近的粒子子间的平均均距离为4.2µm，或者粒粒子与相邻邻粒子之间间的距离约约为20个个粒子的直直径。三、粒子电电荷烟气被认为为是轻度带带电荷的气气溶胶，而而从整体来来说是呈电电中性的。。粒子所带带的电荷数数与粒子大大小和烟气气的陈化有有关。第四节卷卷烟烟气的的主要化学学成分粒相物质包包括非挥发发性和半挥挥发性物质质，一般称称为总粒相相物（TPM）。因因其含有水水分，也称称为湿焦油油或粗焦油油（WPM或CPM）。总粒粒相物减去去其中的水水分，称为为干粒相物物（DPM）；再减减去其中的的烟碱，即即为焦油或或干焦油（（TAR或或DRYTAR）。焦油：卷烟在特特定的条件件下燃吸后后捕集在一一个标准的的剑桥滤片片上的主流流烟气部分分，从中减减去水分和和烟碱，剩剩下的就是是焦油，单单位以mg/支来表表示。一、主流烟烟气的化学学成分二、气相组组分的化学学成分三、粒相组组分的化学学成分三、粒相组组分的化学学成分(续续)四、侧流烟烟气和主流流烟气中化化学成分的的比较第五五节节烟烟气气化化学学成成分分与与烟烟叶叶化化学学成成分分的的关关系系1．．烟叶叶主主要要成成分分在在高高温温下下的的变变化化(1)糖糖类类除微微量量的的单单糖糖能能在在烟烟气气中中发发现现外外，，其其余余的的低低聚聚糖糖、、淀淀粉粉、、纤纤维维素素、、果果胶胶质质等等，，大大部部分分氧氧化化成成二二氧氧化化碳碳和和一一氧氧化化碳碳，，小小部部分分热热解解合合成成为为醛醛类类、、酮酮类类、、呋呋喃喃、、芳芳烃烃、、稠稠环环芳芳烃烃等等化化合合物物。。糖糖类类还还是是烟烟气气中中酚酚类类的的主主要要来来源源。。(2)含含氮氮化化合合物物烟叶叶中中的的蛋蛋白白质质和和氨氨基基酸酸等等含含氮氮化化合合物物，，高高温温裂裂解解主主要要转转化化为为含含氮氮杂杂环环化化合合物物如如吡吡啶啶类类、、吡吡咯咯类类、、喹喹啉啉类类，，还还可可生生成成氨氨、、胺胺类类及及少少量量的的酚酚类类、、含含氧氧杂杂环环化化合合物物(3)烟烟碱碱烟碱碱的的裂裂解解产产物物大大多多数数是