论文摘要
为了解卷烟滤嘴用活性炭的应用现状，论文选取国内外8种市售卷烟滤嘴中的活性炭作为吸附剂，对各活性炭进行粒度分析、孔隙分析和红外光谱分析表征，并以氨、乙醛、丁醛、苯、异戊二烯、丙酮、一氧化碳和一氧化氮作为吸附质进行吸附实验，评价其吸附性能，为卷烟滤嘴用活性炭的选择提供一定的理论基础。结果表明：活性炭作为烟滤嘴添加剂目前无统一、具体的标准指标，各品牌市售卷烟中活性炭的添加量、添加方式以及活性炭的粒度、比表面积、孔隙结构都有所不同。由各卷烟滤嘴用活性炭的FTIR谱图以及粒度分布可以推断，各品牌卷烟滤嘴中添加的活性炭多为物理法制备的果壳活性炭，如ZY、SH、SH-2、D、K、M和P；PQR中酸性官能团较多，有可能预先经过改性处理。研究表明二元复合滤嘴中的活性炭（D、K、M和P）由于表面附着大量的三醋酸甘油脂，堵塞部分微孔及中、大孔孔隙并形成空间位阻，增加吸附质分子的传质阻力，导致其吸附性能明显低于三元复合滤嘴中的活性炭（SH）。适当增加活性炭的中、大孔和活性炭表面的C=O结构有利于提高活性炭对大部分吸附质的捕集。论文以杏壳为原料，采用H3PO4和H3PO4复合KH2PO4为活化剂制备出不同孔隙和表面含氧官能团的活性炭，采用N2吸附-脱附、碘吸附值测定、亚甲基蓝吸附值测定、元素分析和Boehm滴定法对其进行孔隙结构、比表面积和含氧官能团含量分析，并以此作为卷烟滤嘴添加剂，采用DZJ单通道吸烟机对卷烟主流烟气中的重金属元素Hg和Pb进行吸附实验。首次研究得出活性炭吸附重金属元素Hg的最可几孔径为0.852-1.096nm之间，而活性炭吸附重金属元素Pb的最可几孔在1.245-1.534nm之间。活性炭的孔隙分布比比表面积更加重要，比表面积与重金属元素Hg和Pb的吸附并无明显相关性。活性炭表面的酸性含氧官能团在吸附过程中发挥着重要的作用，羧基官能团含量与卷烟烟气中重金属元素Hg和Pb的残留含量呈反比例关系。在活性炭吸附处理卷烟烟气中的重金属元素Hg和Pb过程中，Hg和Pb存在竞争吸附现象。通过浸渍法制备了四种改性杏壳活性炭（氨水改性活性炭、硫改性活性炭、碘改性活性炭和铁盐改性活性炭），采用N2吸附-脱附、元素分析、傅立叶变换红外（FTIR）、热重分析（TG）、X-射线衍射（XRD）和X-射线能谱分析等方法对改性活性炭进行表征，首次针对降低卷烟烟气中重金属元素Hg和Pb的危害进行相关吸附剂改性及其吸附性能研究，结果表明：改性后，氨水改性活性炭和硫改性活性炭其孔隙结构有不同程度的发展，而碘改性活性炭和铁盐改性活性炭孔隙和比表面积都发生了不同程度的减小。FTIR分析表明，氨水改性活性炭表面引进胺基；活性炭、KI和H2SO4之间发生了化学反应，活性炭表面负载了I2和磺酸基两种活性位。TG结果表明硫改性活性炭、经KI改性的活性炭稳定性降低；经KI和H2SO4改性后的活性炭热稳定性显著降低。各改性活性炭在200℃下均较稳定，为其作为卷烟滤嘴用活性炭提供了前提条件。XRD结果表明铁盐改性活性炭表面负载的为α-Fe2O3。以上述四种改性活性炭作为吸附剂，采用DZJ单通道吸烟机对卷烟主流烟气中的重金属元素Hg和Pb进行吸附实验，并对安全性作出评价。结果表明：未改性活性炭对主流烟气中的Hg和Pb的吸附能力较弱，主要为物理吸附。活性炭经氨水改性之后，N含量增加使活性炭表面产生新的吸附位，使活性炭的吸附效率显著增加，经N-15吸附后的Hg和Pb含量较对照样分别降低了64.00%和80.00%。硫改性活性炭表现出明显的化学吸附作用，活性炭表面的S与Hg、Pb反应生成HgS、PbS沉积于活性炭孔隙中。S-11吸附能力最强，主流烟气中Hg和Pb含量分别较对照样降低了84.00%和80.00%。在相同制备条件下，适量的添加浓H2SO4溶液可以使KI转化为I2负载在活性炭表面，极大的提高改性活性炭对主流烟气中Hg和Pb的吸附能力。经I-3和I-4吸附后的主流烟气中均未检测出Hg含量。活性炭表面的Fe2O3对Hg表现出强烈的亲和力，优先吸附主流烟气中的Hg，表现出强烈的化学吸附作用，Pb的吸附受到Hg的竞争吸附以及活性炭微孔孔隙含量的影响。经F-8吸附后的Hg含量较对照样降低了90.67%，而Pb含量仅降低了70.12%。各种改性活性炭均在一定程度上降低了卷烟主流烟气中TPM含量。由于活性炭改性过程中引入了S、I和Fe元素，为了防止在卷烟抽吸过程中主流烟气带出含S、I和Fe元素颗粒的发生，避免对人体健康造成二次危害，采用能谱分析对吸附前后的剑桥滤片进行元素扫描，结果表明吸附后的剑桥滤片中未发现S、Na2S、KI、I2和Fe2O3颗粒，保证了改性活性炭作为卷烟滤嘴用添加剂的安全性。以杏壳活性炭为原料，通过水蒸气物理活化法、氯化锌化学活化法对原料进行二次活化，采用硫酸氢钠对原料进行改性处理，并将其应用于烟草加工废水中尼古丁的去除。结果表明：AC-N与AC-H对水溶液中尼古丁静态吸附平衡实验数据可用Freundlich吸附等温线方程进行较好的描述。适当的提高反应温度有利于化学吸附的进行。静态实验结果表明，AC-H在45℃、尼古丁初始浓度为750mg/L条件下的饱和吸附量最大，达355.68mg/g。活性炭对水溶液中尼古丁的饱和吸附量随活性炭表面的酚羟基含量的增加而增加，随羧基含量的增加而减小。