添加剂在烤烟减焦的研究现状
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本文作者：周成喜孙庆杰作者单位：南通烟滤嘴有限责任公司
随着世界控烟浪潮的兴起以及人们对健康的日益关注，烟草行业受到的压力越来越大，尤其是《烟草框架公约》的签订，使得烟草行业面临的形势空前严峻。但从全局来看，中国控烟仍处于起步阶段，要实现全面控烟、甚至是禁烟，仍需要走很长一段路。因此，烟草行业如何在此阶段寻求发展乃至生存空间，便是重中之重。随着“减害降焦”战略的确立，烟草行业迎来了快速发展，低焦油、低危害卷烟将成为未来卷烟的主流。滤嘴，作为烟支组成部分之一，在卷烟减害降焦中发挥着重要作用。滤嘴的研究，除了作为主体过滤材料—丝束的改性和新滤材替换外，主要集中于滤嘴添加剂的研究。本文主要从颗粒添加剂在滤嘴中的作用机理、应用、添加方式进行综述，介绍颗粒添加剂在卷烟减害降焦中的作用。
1作用机理
1.1直接截留
此种作用机理适用颗粒在滤棒均匀分布的情况，同醋纤的过滤机理类似，颗粒具有一定的体积，当烟气微粒通过颗粒时，会对微粒产生直接拦截、惯性冲击和扩散沉淀作用。
1.2物理吸附
固体颗粒吸附剂与被吸附物质分子间普遍存在着分子间引力，当固体吸附剂和被吸附物质的分子引力大于被吸附物质分子之间的引力时，此时发生吸附作用，这种吸附的速度极快。物理吸附选择性极低，它的选择性只取决于被吸附物质的性质和吸附剂的特性。此种吸附机理在减害的同时也会造成烟气中其它香气成分的损失。
1.3化学吸附
化学吸附亦称活性吸附。它是由于固体颗粒吸附剂表面与被吸附物质分子间的化学键力所造成的。化学吸附的作用力大大超过物理吸附，并具有很高的选择性，如滤嘴丝束浸渍过渡金属盐类溶液后，可以通过过渡金属离子的络合作用有效去除烟气中的氢氰酸；而在丝束中添加离子交换树脂则通过离子交换有效去除一些极性较强的有害物质；也可以利用酸碱中和反应去除一些具有一定酸碱性的气相物质。
1.4催化反应
由于滤嘴体系的特殊性，一般的化学反应难以在其中进行，因此通常在其中加入催化剂降低反应活化能，加速反应的进行。常见报道的用于减害降焦的催化反应莫过于低温下将CO催化氧化为CO2的反应。这个反应的催化剂体系通常选用活性炭、分子筛、硅藻土等多孔材料为载体，贵金属、过渡金属及其氧化物为催化剂制备而成。
2添加剂种类与应用
按照颗粒材料来源的不同，一般来说，颗粒可分为矿物类、天然植物类和人造材料等。
2.1矿物类
2.1.1麦饭石
麦饭石的主要化学成分是无机的硅铝酸盐，具有海绵状多孔性结构，有良好的吸附性，富含微量元素，因此常用于处理改善水质、家畜养殖、医疗保健、食品等领域[1-3]。于建军等[4]在滤嘴中加入麦饭石的小粒，试验结果表明，该滤嘴对烟气总粒相物、尼古丁、焦油除去率均达30%以上，优于活性炭滤嘴。
2.1.2蒙脱石
蒙脱石是一种单斜晶系的含水层状结构硅酸盐矿物，中间层具有极性，可以吸收水分子或其他极性分子。惠博然[5]认为，由于蒙脱石的晶面带有负电荷，并在其加工过程中进一步增大了蒙脱石所带的负电荷量，因此用蒙脱石制作烟滤嘴，可以有选择性地吸附卷烟主流烟气中的极性有害物质，而对非极性的香味物质吸附很少。闫景辉等[6]利用ESR法测定经过加工的蒙脱石制成的复合滤嘴卷烟焦油中的自由基，经过对比，发现卷烟焦油中自由基下降（32±3）%。
2.1.3电气石
电气石是一种含硼的带有附加阴离子的环状硅酸盐矿物。具有热释电、压电性及自发极化效应。余东华等[7]认为，正是电气石这种特性，使得电气石吸滤剂制成的卷烟在燃烧抽吸过程中，热烟气经过复合材料微孔时，其温度促进了电气石产生热释电效应，使吸滤剂具有静电吸附功能。从而当具有极性或具有荷电效应的有害物质经过时，容易被电气石复合材料所吸附，最终达到“降焦减害”的功能。谢兰英等[8]利用电气石复合材料涂在滤棒成形纸上，可使烟气焦油降低9.93%，CO降低10.27%，酚类物质降低18.28%，NH3降低16.36%，稠环芳烃苯并[a]芘降低25.55%，NOx降低10.61%，HCN降低17.37%。
2.1.4海泡石
海泡石是一种纤维状的富含镁硅的黏土矿物质，它的比表面积很大（根据其理论结构计算，比表面积为900m2/g），具有较强的吸附性能。在烟草行业中，海泡石作为吸附剂研究应用很早，但主要是作为烟草香料载体所用。随着降焦减害技术的深入，海泡石逐渐应用到低焦油低危害卷烟的开发中来。王凯等[9-10]将海泡石添加入滤棒中制成二元复合滤嘴，对比空白滤嘴，二元复合滤嘴对主流烟气中的低分子醛酮类化合物和焦油有较好的吸附作用，其中巴豆醛降低20%以上，焦油约15%，随着海泡石施加量增大，去除效果逐渐增大。而张高科等[11]将活化海泡石用于醋酸纤维卷烟过滤嘴的制造，使焦油含量下降40.5%。
2.1.5凹凸棒石
凹凸棒石晶体的理论化学式为：Mg5Si8O20（OH）2（OH2）4•4H2O，结构中的结晶水位于其孔道表面，结晶水分子易和进入孔道的吸附质形成氢键连接，因而凹凸棒石孔道表面有许多吸附的活性点，并且优先吸附极性分子。李东亮等[12]在醋酸纤维滤棒中添加900目凹凸棒石吸附剂（1.5mg/支滤棒），能使焦油降低1.4mg/支，一氧化碳降低1.11mg/支，而烟碱量保持不变，并且卷烟的内在质量不受影响，能够保持卷烟原有的吸味风格。
2.2天然植物类
2.2.1膨胀烟梗颗粒
膨胀烟梗颗粒是指以烟梗、梗签、梗块为原料，通过膨胀、回潮、造粒、定型等一系列工艺处理后，最终形成的颗粒状烟梗材料[13]。该材料作为滤嘴添加剂，不同于其他吸附材料，它完全来源于烟草，化学成分与烟草一致，可以与卷烟吸味谐调。同时该颗粒材料带有细胞空腔结构[13]，具有大孔吸附材料特性。尧珍玉等[14]研究表明，膨胀烟梗颗粒复合滤嘴（复合长度比为1:1，料棒中颗粒施加量为1mg/mm）可以降低卷烟焦油；对卷烟主流烟气中的苯并[a]芘具有吸附作用，降低幅度达到12.13%；采用膨胀烟梗颗粒复合滤嘴可以提升卷烟香气浓度，降低刺激性。
2.2.2草本精华颗粒（HDP颗粒）
作为南通烟滤嘴有限责任公司重点研究项目，HDP颗粒是以富含天然活性成分的草本植物根茎、纤维或提取物为基材，通过对草本植物的粉碎、造粒、复配等系列工艺的研究，制备出具备一定粒径、包含丰富微孔结构适用于滤棒生产的草本颗粒。并在此基础上对其进行改性修饰，得到功能性HDP颗粒。HDP颗粒有以下几点特色：（1）选用天然草本植物作为颗粒原材料，天然安全，有利于发掘中式卷烟文化内涵；（2）材料的选择注重草本香同烟草香协调，在减害降焦的基础上提高卷烟的感官评吸质量；（3）通过造粒工艺调节，颗粒内部含有丰富的孔隙结构，具有大的比表面积，有良好的过滤效果；（4）颗粒可作为功能载体，根据不同需求，附载减害功能剂，进一步增强减害效果，也可加载香精香料，提高卷烟抽吸品质。经检测，HDP颗粒复合滤嘴降焦能力相比醋纤滤嘴提高1mg/支左右，经专家进行评吸，采用HDP颗粒复合滤嘴的卷烟感官质量有所提高，有较明显的回甜感，余味较舒适，同时还有较协调的特征香。
2.3人造材料
尝试使用于滤嘴的人造颗粒材料很多，有利用其吸附性能的活性炭、多孔合成树脂[15]以及各种纳米吸附材料[16-17]，还有利用其催化性能的贵金属材料[18]。但真正得到市场认同和推广的仅有活性炭一种。活性炭是一种优良的吸附剂，因其具备比表面积大，孔隙结构发达，化学性质稳定，可去除烟气中挥发性有机化合物等优点，成为复合滤嘴中最常用的吸附材料。第一支活性炭滤嘴卷烟投放市场是在50多年前，从那时起就有了大量关于利用活性炭吸附能力去除卷烟烟气气相物成分的研究。从目前的研究情况来看，活性炭滤嘴可明显去除烟气中的挥发性有机化合物如乙醛、乙腈、异戊间二烯、丁酮、苯、甲苯等，还可吸附气相中的重金属元素和放射性元素，尤其是某些改性活性炭，相比于普通醋纤滤棒，减害性能大幅提高[19-21]。
3添加方式
颗粒添加剂在滤嘴中的添加方式主要有四种：
3.1直接加入甘油酯中。通过将颗粒同甘油酯混合，在滤棒成型过程中喷洒含有颗粒的甘油酯悬浮液，制备含有颗粒的滤棒，此种方法工艺简单，颗粒分散均匀，缺点是对颗粒尺寸有限制，一般来说颗粒目数不能小于200目。
3.2加入丝束中制备颗粒复合滤棒。此种添加手段是目前应用最为广泛的一种方式，在滤棒成型过程中，通过加料装置将颗粒均匀撒在开松后的丝束上，进入烟枪成型得到颗粒料棒，然后与普通醋纤滤棒进行复合，得到颗粒二元复合滤棒。此种应用方式滤棒成型工艺及设备等技术手段成熟，颗粒尺寸的选择范围较宽，20目—100目之间是颗粒最为常见的尺寸，颗粒施加量可以在0.3mg/mm－4mg/mm进行自由控制。
3.3颗粒施加在两段醋纤滤棒之间的空腔中，形成三元复合滤棒。此种应用方式颗粒施加量较大，功能显著，但是成型工艺、设备较为复杂。
3.4在造纸过程中添加颗粒。制备出含有颗粒的成型纸、沟槽纸或过滤用纸材，可分别制备出含有颗粒的相应的醋纤滤棒、沟槽滤棒和纸质滤棒，此种应用方式可作为颗粒应用方式的一个补充。
4小结
随着烟草形势的严峻和烟草行业减害降焦战略的深入推进，颗粒添加剂在滤嘴减害降焦研究中占据越来越重要的地位。但功能单一的颗粒添加剂滤嘴已很难得到市场的认同，必然会要求颗粒添加剂机械的单功能减害降焦性能向智能化、多功能转变，在减害降焦的同时，又能做到增香保润。随着技术的进步和各类材料的研究深入，开发出理想减害降焦效果的特殊滤嘴必将成为现实。
