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(xiàn)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?chē)母邷厝紵齾^(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(kāi)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陰燃比比吸燃供供氧充足足。２吸燃時(shí)時(shí)氧氣主主要是從從碳線(xiàn)周周?chē)呐耘酝▍^(qū)進(jìn)進(jìn)入，燃燃燒錐中中心部分分因?yàn)樘继蓟?，形形成一個(gè)個(gè)相對(duì)缺缺氧的區(qū)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(lèi)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：：煙支燃燃吸過(guò)程程中，100℃℃時(shí)，自自由水揮揮發(fā)出來(lái)來(lái)，進(jìn)入入煙氣；；150℃時(shí)吸吸附水釋釋放出來(lái)來(lái)，進(jìn)入入煙氣。。2含雜原原子的有有機(jī)物分子中碳碳和雜原原子（OSN）等等形成的的鍵比C－C和和C－H鍵弱，，高溫時(shí)時(shí)先斷裂裂，因此此含氧化化合物先先在裂解解時(shí)釋放放出來(lái)，，如CO2COH2O，其次次是H2S和NH33芳香香族化合合物芳環(huán)熱穩(wěn)穩(wěn)定性較較高，在在熱解區(qū)區(qū)，側(cè)鏈鏈和官能能團(tuán)比較較不溫度度先從苯苯環(huán)上斷斷裂下來(lái)來(lái)，進(jìn)一一步分解解成氣體體或揮發(fā)發(fā)產(chǎn)物，，冷凝后后液化；；芳核彼彼此縮合合或聚合合形成稠稠環(huán)化合合物。4自由基基反應(yīng)在煙支抽抽吸過(guò)程程中存在在自由基基反應(yīng)五、煙氣氣氣溶膠膠的形成成（一）氣氣溶膠形形成過(guò)程程煙氣氣溶溶膠是一一個(gè)十分分復(fù)雜的的三相體體系，有有固、液液、氣三三相構(gòu)成成，每一一相都是是混合物物，也就就是說(shuō)，，氣相是是由多種種氣體構(gòu)構(gòu)成的，，固相和和液相也也分別是是由多種種氣體構(gòu)構(gòu)成的混混合物。。其中，，氣相是是分散介介質(zhì)，粒粒相和固固相是分分散質(zhì)，，所以稱(chēng)稱(chēng)之為煙煙氣氣溶溶膠。（二）氣氣溶膠形形成機(jī)制制1主流煙煙氣氣溶溶膠形成成機(jī)制：：１）冷凝凝作用２）晶核核作用3）聚合合作用１）冷凝凝作用：：發(fā)生在在煙絲上上的冷凝凝作用。。主流煙煙氣進(jìn)入入低溫冷冷凝區(qū)后后，被稀稀釋空氣氣冷卻，，或者被被較冷的的煙絲冷冷卻，煙煙氣中沸沸點(diǎn)高，，揮發(fā)性性低的物物質(zhì)在煙煙絲上冷冷卻，從從氣態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為液液態(tài)形成成氣溶膠膠的微粒粒２）晶核核作用：：發(fā)生在在固體顆顆粒上的的冷凝作作用叫晶晶核作用用。高溫溫燃燒過(guò)過(guò)程會(huì)使使一些物物質(zhì)以固固體顆粒粒的形式式直接進(jìn)進(jìn)入煙氣氣氣流中中，這些些固體顆顆粒就形形成了煙煙氣的冷冷凝核心心（又叫叫晶核））。3）聚合合作用：：在高溫溫條件下下，若干干個(gè)小分分子物質(zhì)質(zhì)之間相相互聚合合形成更更大分子子量的大大分子物物質(zhì)的反反應(yīng)。未未飽和有有機(jī)物和和苯環(huán)較較易發(fā)生生聚合作作用。2側(cè)流流煙氣氣氣溶膠的的形成機(jī)機(jī)制：：側(cè)流煙氣氣微粒來(lái)來(lái)源于熱熱解蒸餾餾區(qū)中形形成的濃濃聚蒸汽汽，這種種蒸汽通通過(guò)局部部蝕解的的卷煙紙紙向煙支支外擴(kuò)散散；蒸汽汽一旦離離開(kāi)燃燒燒錐便受受到驟然然降溫和和稀釋作作用，從從而冷凝凝為側(cè)流流煙氣中中氣溶膠膠微粒。。（三）氣氣溶膠的的組成卷煙煙氣氣氣溶膠膠包括氣氣相和粒粒相兩部部分，其其中，粒粒相又包包括固體體顆粒和和液態(tài)顆顆粒。粒相部分分：又叫叫總凝聚聚物（TPM）），包括括水分，，煙堿堿和焦油油。焦油DAR（干干焦油DRYDAR）：TPM－－水分－－煙堿濕焦油（（WPM）或或粗焦油油（CPM）：：TPM－煙堿堿氣相部分分：包括括來(lái)自空空氣的一一些氣體體；直接接由煙葉葉中揮發(fā)發(fā)進(jìn)入煙煙氣的物物質(zhì)；煙煙葉燃燒燒后產(chǎn)生生的氣態(tài)態(tài)分子；；水蒸汽汽。第二節(jié)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)吸吸煙條件件和煙氣氣的收集集一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)吸煙條條件二主流流煙氣的的收集三側(cè)流流煙氣的的收集一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)吸煙條條件（一）對(duì)對(duì)吸煙機(jī)機(jī)的要求求（二）大大氣環(huán)境境要求（一）對(duì)對(duì)吸煙機(jī)機(jī)的要求求１.吸煙煙機(jī)壓降降：壓降：煙支抽抽吸時(shí)，，外界1個(gè)大氣氣壓的空空氣流經(jīng)經(jīng)煙支時(shí)時(shí)，由于于燃吸阻阻力而會(huì)會(huì)使卷煙煙氣流的的壓力下下降，壓壓力下降降的程度度就叫壓壓降。吸吸煙機(jī)的的壓降不不超過(guò)300Pa2.抽吸吸頻率和和持續(xù)抽抽吸時(shí)間間每口抽吸吸持續(xù)時(shí)時(shí)間為2.0ｓｓ±0.05抽吸頻率率：每抽吸1口（2ｓ），，停頓58ｓ，，然后再再抽下一一口，也也就是說(shuō)說(shuō)，1min完完成一次次循環(huán)：：包括抽抽吸2ｓｓ，陰燃燃58ｓｓ。3抽吸容容量：在標(biāo)準(zhǔn)的的吸煙環(huán)環(huán)境里，，1KPa降裝裝置，每每口抽吸吸標(biāo)準(zhǔn)容容量為35mL±0.15mL。4抽吸流流量圖：未點(diǎn)燃燃卷煙在在標(biāo)準(zhǔn)吸吸煙機(jī)上上的抽吸吸流量圖圖應(yīng)為鐘鐘形，最最大流量量在8-1（二））大氣氣環(huán)境境要求求1調(diào)節(jié)節(jié)大氣氣：調(diào)節(jié)卷卷煙平平衡的的大氣氣調(diào)節(jié)節(jié)。一一般規(guī)規(guī)定為為：溫溫度：：22±±1℃，濕度度：60±±2％％，大氣壓壓：96±±10KPa（接近近大氣氣壓））2測(cè)試試大氣氣：吸煙機(jī)機(jī)吸煙煙時(shí)的的大氣氣環(huán)境境，即即吸煙煙機(jī)所所在房房間的的大氣氣環(huán)境境。要要求和和調(diào)節(jié)節(jié)卷煙煙平衡衡的調(diào)調(diào)節(jié)大大氣環(huán)環(huán)境相相一致致，但但允許許誤差差范圍圍要大大一些些。22±±2℃，濕度度：60±±5％％。3調(diào)節(jié)節(jié)時(shí)間間：抽吸前前調(diào)節(jié)節(jié)卷煙煙主要要是調(diào)調(diào)節(jié)煙煙支的的平衡衡水分分。一一般48ｈｈ的調(diào)節(jié)節(jié)時(shí)間間足夠夠達(dá)到到水分分平衡衡。平平衡標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：：試樣樣質(zhì)量量3ｈｈ內(nèi)的的相對(duì)對(duì)變化化不大大于0.2％。。二主主流煙煙氣的的收集集(一)劍橋橋?yàn)V片片劍橋?yàn)V濾片（（Cambridgefilter）是是用有有機(jī)黏黏合劑劑（聚聚丙烯烯酸酯酯）固固定起起來(lái)的的玻璃璃纖維維濾片片。在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)吸煙煙條件件下劍劍橋?yàn)V濾片能能保留留99.7%的的煙堿堿。(二)靜電電沉積積器它由一一個(gè)中中心的的正電電極圍圍以圓圓柱形形的負(fù)負(fù)電極極所組組成。。電壓壓可高高達(dá)25kV的的正極極產(chǎn)生生一個(gè)個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)，帶帶電荷荷的煙煙氣氣氣溶膠膠穿過(guò)過(guò)這個(gè)個(gè)電場(chǎng)場(chǎng)，帶帶正電電荷的的微粒粒就被被收集集在負(fù)負(fù)極上上。氣氣相組組分通通過(guò)捕捕集器器需用用其他他方法法加以以收集集。1.卷卷煙嘴嘴；2.中中央電電極（（正極極）；；3.出口口至減減壓區(qū)區(qū)；4.高高壓進(jìn)進(jìn)口（本圖圖選自自第36屆屆化學(xué)學(xué)家研研究討討論會(huì)會(huì)論文文選））（Golay,P.,A.Guardet,andR.Regamey.,1959）(三)噴射射撞擊擊捕集集器這種裝裝置是是根據(jù)據(jù)噴射射撞擊擊原理理工作作的，，煙氣氣氣溶溶膠在在高速速下通通過(guò)微微孔使使其撞撞擊在在距離離很近近的一一塊平平面上上。(四)冷阱阱(五)固體體吸附附劑固體吸附劑捕集的化合物活性炭氣相中的醛類(lèi)，半揮發(fā)物，氧化氮類(lèi)燒堿石棉（NaOH吸在石棉上）氰化氫，硫化氫硅膠氰化氫和醛類(lèi)，煙氣中的羰基化合物ChromosrbG氣相中的醛類(lèi)和腈類(lèi)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)物用于煙煙氣分分析的的固體體吸附附劑(F.Dabe.,andC.R.Green.,1985)(六)溶溶劑捕集集器溶劑捕集集器舉例例(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(lèi)水乙醛亞硫酸氫鹽溶液丙烯醛三側(cè)流流煙氣的的收集(一)收收集裝置置(二)捕捕集裝置置見(jiàn)下圖收集裝置置收集裝置置裝配好的的捕集器器捕捕集集器的切切面圖攪拌式捕捕集器（本圖選選自第36屆國(guó)國(guó)際煙草草化學(xué)家家研究討討論會(huì)論論文選））（Harris,J.L.等等，1978））捕集裝置置第三節(jié)煙煙氣氣氣溶膠的的物理特特性一、粒子子大小(平均直徑徑0.2——0.6μm)某些煙氣氣中的微微粒直徑徑（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)數(shù)濃度在一給定定體積的的氣溶膠膠中的粒粒子數(shù)稱(chēng)稱(chēng)為粒數(shù)數(shù)濃度。。卷煙煙氣氣的平均均粒數(shù)濃濃度為1.33×1010個(gè)/cm3，，這意味著著新鮮的的卷煙煙煙氣粒子子與其最最接近的的粒子間間的平均均距離為為4.2μm，，或者粒粒子與相相鄰粒子子之間的的距離約約為20個(gè)粒子子的直徑徑。三、粒子子電荷煙氣被認(rèn)認(rèn)為是輕輕度帶電電荷的氣氣溶膠，，而從整整體來(lái)說(shuō)說(shuō)是呈電電中性的的。粒子子所帶的的電荷數(shù)數(shù)與粒子子大小和和煙氣的的陳化有有關(guān)。第四節(jié)卷卷煙煙煙氣的主主要化學(xué)學(xué)成分粒相物質(zhì)質(zhì)包括非非揮發(fā)性性和半揮揮發(fā)性物物質(zhì)，一一般稱(chēng)為為總粒相相物（TPM））。因其其含有水水分，也也稱(chēng)為濕濕焦油或或粗焦油油（WPM或CPM））?？偭ＡＯ辔餃p減去其中中的水分分，稱(chēng)為為干粒相相物（DPM））；再減減去其中中的煙堿堿，即為為焦油或或干焦油油（TAR或DRYTAR）。。焦油：卷煙在在特定的的條件下下燃吸后后捕集在在一個(gè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的劍劍橋?yàn)V片片上的主主流煙氣氣部分，，從中減減去水分分和煙堿堿，剩下下的就是是焦油，，單位以以mg/支來(lái)表表示。一、主流流煙氣的的化學(xué)成成分二、氣相相組分的的化學(xué)成成分三、粒相相組分的的化學(xué)成成分三、粒相相組分的的化學(xué)成成分(續(xù)續(xù))四、側(cè)流流煙氣和和主流煙煙氣中化化學(xué)成分分的比較較第五節(jié)煙煙氣化化學(xué)成分分與煙葉葉化學(xué)成成分的的關(guān)系1．煙葉主要要成分在在高溫下下的變化化(1)糖糖類(lèi)除微量的的單糖能能在煙氣氣中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)外，其其余的低低聚糖、、淀粉、、纖維素素、果膠膠質(zhì)等，，大部分分氧化成成二氧化化碳和一一氧化碳碳，小部部分熱解解合成為為醛類(lèi)、、酮類(lèi)、、呋喃、、芳烴、、稠環(huán)芳芳烴等化化合物。。糖類(lèi)還還是煙氣氣中酚類(lèi)類(lèi)的主要要來(lái)源。。(2)含含氮化合合物煙葉中的的蛋白質(zhì)質(zhì)和氨基基酸等含含氮化合合物，高高溫裂解解主要轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為含含氮雜環(huán)環(huán)化合物物如吡啶