卷煙煙氣的基本形成

第十章卷煙煙氣的形成

及其理化性質(zhì)第一節(jié)煙支的燃燒第二節(jié)標(biāo)準(zhǔn)吸煙條件和煙氣的收集第三節(jié)煙氣氣溶膠的物理特性第四節(jié)卷煙煙氣的主要化學(xué)成分第五節(jié)煙氣化學(xué)成分與煙葉化學(xué)成分的關(guān)系第一節(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、煙氣氣溶膠的形成一、主流煙氣和側(cè)流煙氣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

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(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℃。煙支燃燒時(shí)的溫度分布1煙支燃燒時(shí)的溫度分布2煙支燃燒時(shí)O2，CO，CO2濃度變化煙支燃燒燒時(shí)的空空氣供應(yīng)應(yīng)情況：：１陰燃比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)域三、煙支支燃燒特特性依據(jù)煙支支燃燒時(shí)時(shí)的溫度度分布和和不同溫溫度區(qū)內(nèi)內(nèi)所發(fā)生生的化學(xué)學(xué)反應(yīng)，，一般把把一支燃燃燒著的的煙分為為3個(gè)主主要的反反應(yīng)區(qū)：：高溫區(qū)，，熱解蒸蒸餾區(qū)和和低溫區(qū)區(qū)溫度（℃）主要化學(xué)反應(yīng)類型產(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)濾四、主要要化學(xué)反反應(yīng)1水分：煙煙支燃吸過(guò)過(guò)程中，100℃時(shí)時(shí)，自由水水揮發(fā)出來(lái)來(lái)，進(jìn)入煙煙氣；150℃時(shí)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NH33芳香族族化合物芳環(huán)熱穩(wěn)定定性較高，，在熱解區(qū)區(qū)，側(cè)鏈和和官能團(tuán)比比較不溫度度先從苯環(huán)環(huán)上斷裂下下來(lái)，進(jìn)一一步分解成成氣體或揮揮發(fā)產(chǎn)物，，冷凝后液液化；芳核核彼此縮合合或聚合形形成稠環(huán)化化合物。4自由基反反應(yīng)五、煙氣氣氣溶膠的形形成（一）氣溶溶膠形成過(guò)過(guò)程煙氣氣溶膠膠是一個(gè)十十分復(fù)雜的的三相體系系，有固、、液、氣三三相構(gòu)成，，每一相都都是混合物物，也就是是說(shuō)，氣相相是由多種種氣體構(gòu)成成的，固相相和液相也也分別是由由多種氣體體構(gòu)成的混混合物。其其中，氣相相是分散介介質(zhì)，粒相相和固相是是分散質(zhì)，，所以稱之之為煙氣氣氣溶膠。（二）氣溶溶膠形成機(jī)機(jī)制1主流煙氣氣氣溶膠形形成機(jī)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：發(fā)生生在固體顆顆粒上的冷冷凝作用叫叫晶核作用用。高溫燃燃燒過(guò)程會(huì)會(huì)使一些物物質(zhì)以固體體顆粒的形形式直接進(jìn)進(jìn)入煙氣氣氣流中，這這些固體顆顆粒就形成成了煙氣的的冷凝核心心（又叫晶晶核）。3）聚合作作用：在高高溫條件下下，若干個(gè)個(gè)小分子物物質(zhì)之間相相互聚合形形成更大分分子量的大大分子物質(zhì)質(zhì)的反應(yīng)。。未飽和有有機(jī)物和苯苯環(huán)較易發(fā)發(fā)生聚合作作用。2側(cè)流煙煙氣氣溶膠膠的形成機(jī)機(jī)制：側(cè)流煙氣微微粒來(lái)源于于熱解蒸餾餾區(qū)中形成成的濃聚（三）氣溶溶膠的組成成卷煙煙氣氣氣溶膠包括括氣相和粒粒相兩部分分，其中，，粒相又包包括固體顆顆粒和液態(tài)態(tài)顆粒。粒相部分：：又叫總凝凝聚物（TPM），，包括水分分，煙堿堿和焦油。。焦油DAR（干焦油油DRYDAR））：TPM－水分濕焦油（WPM） 或粗焦油（CPM）：TPM－煙堿氣相部分：：包括來(lái)自自空氣的一一些氣體；；直接由煙煙葉中揮發(fā)發(fā)進(jìn)入煙氣氣的物質(zhì)；；煙葉燃燒燒后產(chǎn)生的的氣態(tài)分子子；水蒸汽汽。第二節(jié)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)吸煙條條件和煙氣氣的收集一標(biāo)準(zhǔn)吸吸煙條件二主流煙煙氣的收集集三側(cè)流煙煙氣的收集集一標(biāo)準(zhǔn)吸吸煙條件（一）對(duì)吸吸煙機(jī)的要要求（二）大氣氣環(huán)境要求求（一）對(duì)吸吸煙機(jī)的要要求１.吸煙機(jī)機(jī)壓降：壓降：煙支抽吸吸時(shí)，外界界1個(gè)大氣氣壓的空氣氣流經(jīng)煙支支時(shí)，由于于燃吸阻力力而會(huì)使卷卷煙氣流的的壓力下降降，壓力下下降的程度度就叫壓降降。吸煙機(jī)機(jī)的壓降不不超過(guò)300Pa2.抽吸頻頻率和持續(xù)續(xù)抽吸時(shí)間間每口抽吸持持續(xù)時(shí)間為為2.0ｓ±±0.05抽吸頻率：：每抽吸1口口（2ｓ）），停頓58ｓ，然然后再抽下下一口，也也就是說(shuō)，，1min完成一次次循環(huán)：包包括抽吸2ｓ，陰燃燃58ｓ。。3抽吸容量量：在標(biāo)準(zhǔn)的吸吸煙環(huán)境里里，1KPa降裝置置，每口抽抽吸標(biāo)準(zhǔn)容容量為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。（二）大氣氣環(huán)境要求求1調(diào)節(jié)大氣氣：調(diào)節(jié)卷煙平平衡的大氣氣調(diào)節(jié)。一一般規(guī)定為為：溫度：：22±1℃，濕度：60±2％％，大氣壓：96±10KPa（接近大氣氣壓）2測(cè)試大氣氣：吸煙機(jī)吸煙煙時(shí)的大氣氣環(huán)境，即即吸煙機(jī)所所在房間的的大氣環(huán)境境。要求和和調(diào)節(jié)卷煙煙平衡的調(diào)調(diào)節(jié)大氣環(huán)環(huán)境相一致致，但允許許誤差范圍圍要大一些些。22±2℃，濕度：60±5％％。3調(diào)節(jié)時(shí)間間：抽吸前調(diào)節(jié)節(jié)卷煙主要要是調(diào)節(jié)煙煙支的平衡衡水分。一一般48ｈ的調(diào)節(jié)時(shí)間間足夠達(dá)到到水分平衡衡。平衡標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：試樣樣質(zhì)量3ｈｈ內(nèi)的相對(duì)對(duì)變化不大大于0.2％。二主流煙煙氣的收集集(一)劍橋橋?yàn)V片劍橋?yàn)V片（（Cambridgefilter）是用有有機(jī)黏合劑劑（聚丙烯(二)靜電電沉積器它由一個(gè)中中心的正電電極圍以圓圓柱形的負(fù)負(fù)電極所組組成。電壓壓可高達(dá)25kV的的正極產(chǎn)生生一個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)，帶電荷荷的煙氣氣氣溶膠穿過(guò)過(guò)這個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)，帶正電電荷的微粒粒就被收集集在負(fù)極上上。氣相組組分通過(guò)捕捕集器需用用其他方法法加以收集集。1.卷煙嘴嘴；2.中中央電極（（正極）；；3.出口口至減壓區(qū)區(qū)；4.高高壓進(jìn)口（本圖選自自第36屆屆化學(xué)家研研究討論會(huì)會(huì)論文選））（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）(三)噴射射撞擊捕集集器這種裝置是是根據(jù)噴射射撞擊原理理工作的，，煙氣氣溶溶膠在高速速下通過(guò)微微孔使其撞撞擊在距離離很近的一一塊平面上上。(四)冷阱阱(五)固體體吸附劑固體吸附劑捕集的化合物活性炭氣相中的醛類，半揮發(fā)物，氧化氮類燒堿石棉（NaOH吸在石棉上）氰化氫，硫化氫硅膠氰化氫和醛類，煙氣中的羰基化合物ChromosrbG氣相中的醛類和腈類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)物用于煙氣分分析的固體體吸附劑(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)(六)溶劑劑捕集器溶劑捕集器器舉例(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+醛類水乙醛亞硫酸氫鹽溶液丙烯醛三側(cè)流煙煙氣的收集集(一)收集集裝置(二)捕集集裝置見下圖收集裝置收集裝置裝配好的捕捕集器捕捕集集器的切面面圖攪拌式捕集集器（本圖選自自第36屆屆國(guó)際煙草草化學(xué)家研研究討論會(huì)會(huì)論文選））（Harris,J.L.等，，1978）捕集裝置第三節(jié)煙一、粒子大大小(平均直徑0.2—0.6μm)某些煙氣中中的微粒直直徑（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1.13二、粒數(shù)濃濃度在一給定體體積的氣溶溶膠中的粒粒子數(shù)稱為為粒數(shù)濃度度。卷煙煙氣的的平均粒數(shù)數(shù)濃度為1.33××1010個(gè)/cm3，這意味著新新鮮的卷煙煙煙氣粒子子與其最接接近的粒子子間的平均均距離為4.2μm，或者粒粒子與相鄰鄰粒子之間間的距離約約為20個(gè)個(gè)粒子的直直徑。三、粒子電電荷煙氣被認(rèn)為為是輕度帶帶電荷的氣氣溶膠，而而從整體來(lái)來(lái)說(shuō)是呈電電中性的。。粒子所帶帶的電荷數(shù)數(shù)與粒子大大小和煙氣氣的陳化有有關(guān)。第四節(jié)卷卷煙煙氣的的主要化學(xué)學(xué)成分粒相物質(zhì)包包括非揮發(fā)發(fā)性和半揮揮發(fā)性物質(zhì)質(zhì)，一般稱稱為總粒相相物（TPM）。因因其含有水水分，也稱稱為濕焦油油或粗焦油油（WPM或CPM）。總粒粒相物減去去其中的水水分，稱為為干粒相物物（DPM）；再減減去其中的的煙堿，即即為焦油或或干焦油（（TAR或或DRYTAR）。焦油：卷煙在特特定的條件件下燃吸后后捕集在一一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的的劍橋?yàn)V片片上的主流流煙氣部分分，從中減減去水分和和煙堿，剩剩下的就是是焦油，單單位以mg/支來(lái)表表示。一、主流煙煙氣的化學(xué)學(xué)成分二、氣相組組分的化學(xué)學(xué)成分三、粒相組組分的化學(xué)學(xué)成分三、粒相組組分的化學(xué)學(xué)成分(續(xù)續(xù))四、側(cè)流煙煙氣和主流流煙氣中化化學(xué)成分的的比較第五五節(jié)節(jié)煙煙氣氣化化學(xué)學(xué)成成分分與與煙煙葉葉化化學(xué)學(xué)成成分分的的關(guān)關(guān)系系1．．煙葉葉主主要要成成分分在在高高溫溫下下的的變變化化(1)糖糖類類除微微量量的的單單糖糖能能在在煙煙氣氣中中發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)外外，，其其余余的的低低聚聚糖糖、、淀淀粉粉、、纖纖維維素素、、果果膠膠質(zhì)質(zhì)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，，小小部部分分熱熱解解合合成成為為醛醛類類、、酮酮類類、、呋呋喃喃、、芳芳烴烴、、稠稠環(huán)環(huán)芳芳烴烴等等化化合合物物。。糖糖類類還還是是煙煙氣氣中中酚酚類類的的主主要要來(lái)來(lái)源源。。(2)含含氮氮化化合合物物煙葉葉中中的的蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)和和氨氨基基酸酸等等含含氮氮化化合合物物，，高高溫溫裂裂解解主主要要轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為含含氮氮雜雜環(huán)環(huán)化化合合物物如如吡吡啶啶類類、、吡吡咯咯類類、、喹喹啉啉類類，，還還可可生生成成氨氨、、胺胺類類及及少少量量的的酚酚類類、、含含氧氧雜雜環(huán)環(huán)化化合合物物(3)煙煙堿堿煙堿堿的的裂裂解解產(chǎn)產(chǎn)物物大大多多數(shù)數(shù)是