改性碳基材料对卷烟主流烟气中VOCs的选择性吸附性能研究

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“减害降焦”是烟草学界一直以来的研究热点,“吸烟与健康”话题倍受关注。在卷烟减害方面,有诸多研究将活性炭、分子筛、壳聚糖及配位聚合物等材料应用于卷烟滤嘴中作为吸附剂,但将碳纳米管作为吸附材料用于卷烟的研究报道甚少。本文将多壁碳纳米管用作滤嘴添加剂,研究了改性碳纳米管对卷烟主流烟气中挥发性有机物(VOCs)的选择性吸附性能。同时,为了对比分析,研究了两种改性活性炭材料作为滤嘴添加剂的吸附效率。以商用多壁碳纳米管(MWCNTs)、椰壳活性炭(CAC)和木质活性炭(WAC)为原料,制备了酸改性、碱改性及金属改性复合材料,比较不同活化条件下所制备材料对主流烟气中VOCs的脱除率,得到MWCNTs-HCl和CAC-HNO3具有最高的VOCs脱除率,分别为58.57%和75.55%。在卷烟滤嘴中分别添加这三类改性材料,并对其进行吸附性能活性评价,经研究对比发现:两种活性炭材料对烷烯烃、芳香烃和羰基化合物具有较好的吸附性能;碳纳米管对腈酚炔类具有较好的吸附性能。除此之外,不同材料经改性后,对烟碱和其他风味物质均有一定的保留效果。对多壁碳纳米管、椰壳活性炭和木质活性炭进行了一系列的表征分析,考察其宏观、微观结构与吸附质和吸附剂之间的关系。通过氮气吸附分析发现,三种吸附材料的比表面积与脱除效率均不成正相关。经研究推测碳纳米管材料的吸附性能与吸附质的极性有关,碳纳米管为极性分子材料,会优先吸附VOCs中极性较强的离子。活性炭材料的分子回转半径对吸附效率的影响最大,经过不同改性材料的表征结果,发现当吸附材料的孔径接近3.7 nm时吸附效果最好,考虑吸附质的分子直径大程度也在此范围内,进而表明当吸附质的分子直径在吸附剂的平均孔径范围内时,对吸附质的脱除效率最高。最后总结了不同改性材料的吸附性能,得出综合脱除效果均为酸改性材料最好,其次为金属改性,最后是碱改性。将碳纳米管和活性炭材料中吸附性能最好的MWCNTs-HCl和CAC-HNO3用于三种不同香型卷烟主流烟气中VOCs的吸附脱除。MWCNTs-HCl、CAC-HNO3材料对三种不同香型卷烟烟气中VOCs平均脱除率大小关系分别为:清香型>中间香型>浓香型、清香型≈浓香型>中间香型,分析两种材料吸附规律有所差异的原因是两者对VOCs中各组分有不同的吸附偏好,且不同香型卷烟中VOCs组分的含量有所差异,故形成了不同的吸附规律。
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