曹毅，朱懷遠(yuǎn)，劉獻(xiàn)軍，周瑜，朱瑩，莊亞東，沈曉晨，林煒罡，熊曉敏，朱建華

1 江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，江蘇省南京市夢都路28號 210019；

2 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇省南京市漢口路22號 210093

自成型復(fù)合材料的制備及其對卷煙主流煙氣中巴豆醛的選擇性吸附

曹毅1，朱懷遠(yuǎn)1，劉獻(xiàn)軍1，周瑜2，朱瑩1，莊亞東1，沈曉晨1，林煒罡2，熊曉敏1，朱建華2

1 江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)研發(fā)中心，江蘇省南京市夢都路28號 210019；

2 南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇省南京市漢口路22號 210093

在水熱合成法制備介孔材料的過程中，通過使用醚類物質(zhì)創(chuàng)造微乳環(huán)境，促進(jìn)材料自成型，并在后期添加微孔沸石，制備了具有復(fù)合孔結(jié)構(gòu)的吸附材料CTN/X（X= NaA，NaZSM-5，NaY）?？疾鞆?fù)合材料作為濾嘴添加劑對卷煙主流煙氣中巴豆醛的吸附效果。結(jié)果表明：微乳環(huán)境可以促進(jìn)復(fù)合材料自成型；CTN/NaY樣品的比表面積達(dá)到832 m2/g，而CTN/NaZSM-5的最可幾孔徑達(dá)到4.3 nm。與對照卷煙相比，復(fù)合材料對試驗(yàn)卷煙的焦油和煙堿量改變較小，對主流煙氣中巴豆醛則具有較好的選擇性吸附作用。

自成型；復(fù)合材料；主流煙氣；巴豆醛；選擇性吸附

卷煙煙氣是不斷變化的復(fù)雜化學(xué)體系。目前，研究已證實(shí)的卷煙煙氣中化學(xué)物質(zhì)大約有4000多種，其中約有150多種對人體具有潛在的危害性[1-2]。巴豆醛是卷煙主流煙氣中主要揮發(fā)性羰基化合物之一，該物質(zhì)無色、可燃，對人眼有很強(qiáng)刺激和催淚作用。煙氣中巴豆醛經(jīng)由呼吸道和消化道吸入體內(nèi)，對人體產(chǎn)生一定危害，已被列為卷煙主流煙氣中主要有害物質(zhì)之一[3-5]。

主流煙氣中主要揮發(fā)性羰基化合物的產(chǎn)生既有煙草直接轉(zhuǎn)移的因素[6]，又有煙草燃燒生成的影響[7-8]。目前，行業(yè)內(nèi)針對煙氣羰基化合物的減害技術(shù)主要有配方技術(shù)、輔材技術(shù)和選擇性減害技術(shù)。其中，采用功能化多孔材料作為濾嘴添加劑選擇性去除卷煙煙氣中有害物質(zhì)已成為煙草工業(yè)科技研發(fā)的熱點(diǎn)[9]。然而，現(xiàn)有微孔沸石和介孔材料因其自身?xiàng)l件限制尚難在卷煙工業(yè)中廣泛應(yīng)用[10-13]。因此，研制自成型功能性復(fù)合多孔材料，結(jié)合微孔和介孔材料的特點(diǎn)，就逐步成為新型濾嘴添加劑的研發(fā)熱點(diǎn)[14]。本文以介孔材料MCM-41的合成步驟為基礎(chǔ)，通過添加醚類物質(zhì)創(chuàng)造微乳體系使材料自成型，并在合成過程中添加微孔沸石，制備出一系列微孔-介孔復(fù)合材料。選擇主流煙氣中巴豆醛為靶標(biāo)分子，同時(shí)考察復(fù)合材料對卷煙焦油、煙堿和水分的影響，探討新型復(fù)合材料在卷煙減害降焦中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

巴豆醛的2,4-二硝基苯腙標(biāo)準(zhǔn)品（純度＞99%，美國Chem Service Inc.公司），乙腈（色譜純，TEDIA Company，Inc.）、吡啶（AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司）、高氯酸（AR，上海金鹿化工有限公司）、2,4-二硝基苯肼（AR，日本TCI公司）；超純水（＞18 MΩ，美國Milli-Q公司），十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）（AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司），硅酸四乙酯(TEOS)（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），25 wt%氨水（AR，南京化學(xué)試劑有限公司），乙醚（AR，Alfa Aesar公司），沸石分子篩NaA（Si/Al=1）、NaZSM-5（Si/Al=12.5）和NaY（Si/Al=2.86）（天津南化催化劑有限公司）；LM5+五孔道直線式吸煙機(jī)（德國Brogwaldt kc公司）；Agilent 1100高效液相色譜儀（美國Agilent公司）；色 譜 柱 Acclaim Explosive E2（250 mm×4.6 mm，5 μm，120 ?，美國Dionex公司），預(yù)柱Acclaim Explosive E2（10 mm×4.3 mm，5 μm，120 ?， 美國Dionex公司），Agilent 6890氣相色譜儀，配備氫火焰離子化檢測器（FID）（美國Agilent公司），AL204-IC分析天平（感量0.0001 g，美國METTLER TOLEDO公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合材料的制備

將0.25 g 十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）完全溶解在35 g去離子水中，然后逐步滴加10 g乙醚與1.2 g硅酸四乙酯（TEOS）的混合溶液，并不斷攪拌。稱取50 mg NaA沸石，加入反應(yīng)體系中，充分?jǐn)嚢琛Ｓ?5 wt%的NH3-H2O調(diào)節(jié)該溶液至pH值為11.0。將形成的溶膠轉(zhuǎn)移至密閉容器中，在室溫下攪拌12 h，然后在100 ℃下陳化24 h。過濾反應(yīng)產(chǎn)物，并用去離子水充分洗滌，空氣中干燥至粉末。在550℃下通空氣焙燒5 h，獲得最終復(fù)合材料，記為CTN/NaA。其他復(fù)合材料采用相似的合成步驟，即在初始溶液中分別添加50 mg NaZSM-5沸石或者NaY沸石，經(jīng)過相同反應(yīng)步驟，獲得復(fù)合材料，分別記為CTN/NaZSM-5 和 CTN/NaY[15]。

1.2.2 復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征

復(fù)合材料在X射線衍射儀上測試，Cu靶Kα射線（λ=1.54178），金屬鎳單色片，出射狹縫為0.2 mm，入射狹縫分別為1 mm、2 mm、0.2 mm，射線管電壓40 kV，電流20 mA。

N2吸附-脫附實(shí)驗(yàn)在Micromeritics ASAP2000物理吸附儀上進(jìn)行。樣品在573 K下抽真空活化，BET法測算樣品的比表面積，t-plot方法計(jì)算微孔體積，BJH法分析孔徑分布。

樣品的掃描電鏡實(shí)驗(yàn)采用日立S-4800型高分辨掃描電鏡進(jìn)行測試，儀器加速電壓5 kV，樣品制備成粉末狀放入儀器樣品室中直接觀測。

1.2.3 模擬評價(jià)裝置的設(shè)計(jì)

為了不影響卷煙各項(xiàng)物理指標(biāo)，同時(shí)可以有效評價(jià)復(fù)合材料對卷煙主流煙氣中巴豆醛的去除效果，設(shè)計(jì)了一種簡易評價(jià)裝置，如圖1所示。選擇一內(nèi)部直徑約8 mm的玻璃套管將待測卷煙濾嘴末端緊密插入約4 mm左右（不覆蓋通風(fēng)孔），再將預(yù)先截取好的6 mm長濾嘴插入玻璃管另一端，中間形成約2 mm空隙用于添加一定量的復(fù)合材料（圖1A）。通過該方法制備的試驗(yàn)卷煙直接用吸煙機(jī)進(jìn)行卷煙抽吸，煙氣成分用劍橋?yàn)V片捕集。對照卷煙采用8 mm長濾嘴插入玻璃套管中與待測卷煙濾嘴緊密相接，中間不留空隙（圖1B）。

圖1 模擬評價(jià)裝置示意圖（A.試驗(yàn)卷煙；B.對照卷煙1）Fig.1 Schematic diagram of the simulative evaluation apparatus (A.test cigarette; B.control cigarette1)

1.2.4 復(fù)合材料降低實(shí)際卷煙主流煙氣中巴豆醛的性能測試

卷煙樣品均在GB/T 16447[16]規(guī)定的調(diào)節(jié)大氣中平衡48 h，然后按照重量（平均值±20 mg），吸阻（平均值±50 Pa）選出合適煙支，按照每支卷煙10 mg的添加量，準(zhǔn)確稱取20～40目CTN材料。將卷煙濾嘴取出，截去2 mm濾嘴后將余下部分平均截成兩段，將材料加入濾嘴中部后塞回，制成三明治式復(fù)合濾嘴的實(shí)測卷煙[14,17]；對照卷煙2為直接取出濾嘴后平均截成兩段后塞回的同牌號卷煙。

1.2.5 分析方法

卷煙煙氣煙堿、焦油和水分的測定按照GB/T 19609—2004[18]規(guī)定的方法執(zhí)行。

卷煙主流煙氣中巴豆醛的檢測按照YC/T 254—2008[19]規(guī)定的方法執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的宏觀形貌

圖2為CTN/X樣品合成后的外觀照片，從圖2A中可以看出，通過在合成體系中加入乙醚后，溶液形成微乳環(huán)境，促進(jìn)材料的自成型，得到的樣品為塊狀結(jié)構(gòu)，其大小約在1 mm～5 mm左右（圖2A中標(biāo)尺每格等于1 mm）。這種塊狀結(jié)構(gòu)非常利于后期吸附材料的成型，通過簡單的粉碎過篩處理，即可得到20～40目的小顆粒添加劑（圖2B），其粒徑在1.4 mm～1.8 mm左右。與常規(guī)水熱合成法制備的粉末狀沸石和介孔材料相比，該材料可以避免后期的造粒成型工藝，快速便捷地應(yīng)用于卷煙濾嘴。

圖2 自成型復(fù)合材料的宏觀形貌圖（A.直接合成產(chǎn)物；B.粉碎過篩后的20～40目產(chǎn)品）Fig.2 Photograph of self-modeling composite material (A.synthesized product; B.product with 20-40 mesh)

2.2 復(fù)合材料的SEM形貌

圖3為CTN/X系列樣品的SEM譜圖。由圖3可知，三種復(fù)合材料的介孔載體的微觀形貌為球形顆粒（如圖中綠色圓圈所示），其直徑約為0.2 μm左右，表明乙醚-水微乳環(huán)境有利于介孔載體向球形顆粒生長。當(dāng)合成體系中添加微孔沸石后，沸石片段以不規(guī)則絮狀物形式分散在球形顆粒周圍，說明CTN/X復(fù)合材料在微觀上主要是球形介孔載體和分散在其周圍的沸石片段所形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，NaA沸石和NaY沸石在球形顆粒周圍的分散度較高，而NaZSM-5沸石則在球形顆粒周圍有一定的聚集，形成了較為致密的片狀結(jié)構(gòu)，顆粒間的空隙更小，有利于增加與吸附質(zhì)之間的接觸幾率。

圖3 CTN/X系列樣品的SEM圖（A.CTN/NaA; B.CTN/NaZSM-5; C.CTN/NaY）Fig.3 SEM images of CTN/X samples (A.CTN/NaA; B.CTN/NaZSM-5; C.CTN/NaY)

2.3 復(fù)合材料的XRD衍射譜圖

圖4和圖5為CTN/X系列樣品的廣角和小角XRD譜圖。廣角XRD譜中，復(fù)合材料樣品均在衍射角20?～30?出現(xiàn)無定形SiO2的包峰，這與無定形介孔孔壁的生成有關(guān)。CTN/NaZSM-5樣品在2θ位于 7°～10°、22°～25°處出現(xiàn)明顯的衍射峰，衍射譜圖與ZSM-5結(jié)構(gòu)特征衍射峰相對應(yīng)，說明該樣品在堿性條件下仍有部分ZSM-5結(jié)構(gòu)片段存留在介孔載體孔道中。而CTN/NaA和CTN/NaY樣品的廣角XRD譜中均未出現(xiàn)相應(yīng)微孔沸石的衍射特征峰，可能與微孔沸石的分散度較高有關(guān)，也有可能是樣品在堿性條件下合成，NaA或者NaY的部分外表面或骨架被堿腐蝕所致[20]。小角XRD譜中，CTN/NaY樣品在2.2°左右出現(xiàn)了一個(gè)對應(yīng)于MCM-41的（100）晶面特征峰，但是并未出現(xiàn)（110）、（200）晶面特征衍射峰，表明該材料雖具有六方孔道結(jié)構(gòu)，但其結(jié)晶度和長程有序性較差，其原因可能為存在于介孔結(jié)構(gòu)中的微孔結(jié)構(gòu)破壞了介孔孔道的有序性[21]。

圖4 CTN/X系列樣品的廣角XRD譜圖Fig.4 High-angle XRD patterns of CTN/X samples

圖5 CTN/X系列樣品的小角XRD譜圖Fig.5 Low-angle XRD patterns of CTN/X samples

2.4 復(fù)合材料的比表面積和孔分布表征

圖6為CTN/X系列樣品的N2吸附-脫附等溫線。CTN/NaY樣品具有近似H1型滯后環(huán)的IV型吸附-脫附等溫線，表明其存在介孔，但是因?yàn)闇蟓h(huán)出現(xiàn)在P/P0=0.2～0.4處，說明該材料介孔孔徑較小，可能與NaY沸石片段修飾介孔材料后產(chǎn)生的效果有關(guān)。CTN/NaA和CTN/NaZSM-5的吸附-脫附等溫線與CTN/NaY樣品相比有較大改變，為H4型滯后環(huán)，IV型吸附-脫附等溫線。這一結(jié)果表明這兩個(gè)樣品具有較大的介孔，而且多為狹縫孔。

圖6 CTN/X系列樣品N2吸附-脫附等溫線Fig.6 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of CTN/X samples

表1 CTN/X系列樣品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Tab.1 Structural properties of CTN/X samples

從表1可以看出，在三種復(fù)合材料中CTN/NaY樣品的比表面積最高，達(dá)到832 m2/g。CTN/NaZSM-5的比表面積最低，CTN/NaA居中。與表中三種沸石的比表面積數(shù)據(jù)相比，CTN/NaZSM-5和CTN/NaY樣品的比表面積有所上升，而CTN/NaA則比NaA沸石有所下降。說明沸石品種不同對堿性體系的合成效果有影響，其中NaA沸石被堿液破壞的程度較高，而NaZSM-5和NaY受到的影響相對較小，通過分散在介孔載體上促進(jìn)比表面積的增加。三種復(fù)合材料的孔徑和孔體積的變化趨勢與樣品比表面積相比有所不同。其中，CTN/NaA和CTN/NaZSM-5的孔徑和孔體積均高于介孔材料MCM-41，這與微孔沸石分散在介孔材料表面形成的狹縫孔有關(guān)。CTN/NaY樣品的孔徑和孔體積均小于MCM-41，說明NaY沸石碎片除了分散在介孔載體表面，更有可能對介孔孔道進(jìn)行修飾。

圖7 CTN/X系列樣品的孔徑分布圖Fig.7 Pore size distributions of CTN/X samples

圖7為CTN/X系列樣品的孔徑分布圖。從圖中可以看出，CTN/NaY樣品的最可幾孔徑主要分布在2 nm～3.5 nm之間，同時(shí)10 nm以上的孔徑也有一定分布，但是總量并不多。CTN/NaA和CTN/NaZSM-5樣品的孔徑分布情況較為相似。其中，CTN/NaA樣品在2.5 nm～4.5 nm之間、CTN/NaZSM-5樣品在3 nm～6 nm之間均有一定孔徑分布。同時(shí)，這兩個(gè)樣品的孔徑在8 nm～100 nm之間都有較多分布，分布范圍很廣，說明可以對不同尺寸的客體分子進(jìn)行吸附。

2.5 卷煙主流煙氣中常規(guī)成分的分析

添加CTN/X材料前后卷煙主流煙氣中焦油煙堿等物質(zhì)的分析結(jié)果如表2所示。與對照卷煙相比，濾嘴添加10 mg CTN/NaA材料后，煙氣總粒相物、焦油和煙堿的降幅在2%以內(nèi)，水分降幅約為7.78%。添加CTN/NaZSM-5材料的試驗(yàn)卷煙2其煙氣總粒相物、焦油和煙堿的降幅是三個(gè)樣品中最為明顯的，分別為6.76%、7.56%和4.63%，但是對水分的降幅僅為1.80%。添加CTN/NaY材料對煙氣水分的影響較大，降幅達(dá)到19.16%，這可能與其孔徑分布的特點(diǎn)有關(guān)。CTN/NaY樣品的最可幾孔徑主要集中分布在2 nm～3.5 nm之間，在三個(gè)復(fù)合材料中最小，對于體積較小的水分子有較好的吸附作用，而對體積較大的煙堿以及焦油的影響均沒有醋纖濾棒明顯。

表3所示為添加復(fù)合材料的試驗(yàn)卷煙與對照卷煙煙氣常規(guī)成分之間顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。其中，添加CTN/NaA材料的試驗(yàn)卷煙1與對照卷煙相比，在0.05水平上對煙氣焦油和煙堿的影響無顯著性差異，對總粒相物和水分的影響有顯著性差異；添加CTN/NaZSM-5后，煙氣總粒相物、焦油和煙堿的變化有顯著性差異，而對水分的影響不顯著。添加CTN/NaY材料的試驗(yàn)卷煙3，其對煙氣常規(guī)成分的影響在0.05水平上均有顯著性差異。

表2 添加復(fù)合材料前后卷煙煙氣常規(guī)成分釋放量分析Tab.2 Analysis of conventional ingredients in cigarette smoke by adding composite materials

表3 單因素方差分析多重比較（LSD法）分析結(jié)果Tab.3 Results of ANOVA for multiple comparison (LSD)

2.6 復(fù)合材料對卷煙主流煙氣中巴豆醛的吸附對比

濾嘴添加材料對卷煙主流煙氣中巴豆醛及其余7種羰基化合物釋放量的影響結(jié)果見表4。為便于比較，卷煙原樣為正常煙支卷煙；對照卷煙1按照圖1B制備，即正常煙支后接上8 mm濾嘴；試驗(yàn)卷煙按照圖1A制備，即在正常煙支與6 mm濾嘴之間的2 mm空隙中添加10 mg 20～40目待測材料。與卷煙原樣相比，按照圖1B制備的對照卷煙1，其主流煙氣中巴豆醛釋放量從18.93 μg/支降低至16.08 μg/支，說明增長卷煙濾嘴長度能夠促進(jìn)對煙氣中巴豆醛的過濾作用。

在濾嘴中添加復(fù)合材料。沸石材料的整體效果不顯著，僅NaZSM-5沸石可以降低煙氣中約12%左右的巴豆醛，而NaA和NaY沸石難以進(jìn)一步降低煙氣中巴豆醛的含量；介孔材料MCM-41因?yàn)榭讖竭^大，同樣難以降低煙氣中巴豆醛含量。

當(dāng)濾嘴中添加10 mg CTN/X樣品后，其降低煙氣中巴豆醛的效果與對照卷煙1相比有所改變。CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY對 巴 豆 醛的降低率分別為17.0%、32.0%和32.3%，與微孔沸石和介孔MCM-41材料相比有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，同等條件下CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY三種復(fù)合孔材料對焦油的降幅分別為0.99%、7.56%和-4.52%，可以計(jì)算出三種復(fù)合材料對巴豆醛的選擇性吸附率分別為16.01%、24.4%和36.8%，說明復(fù)合材料可以結(jié)合微孔和介孔材料的優(yōu)勢，克服兩者的不足，實(shí)現(xiàn)對巴豆醛的高效吸附。

在分析濾嘴添加材料對卷煙主流煙氣中巴豆醛的去除效果時(shí)，同時(shí)檢測了其余7種羰基化合物的釋放量，見表4所示。由表4可知，微孔沸石NaA、NaZSM-5和NaY對于降低主流煙氣中8種羰基化合物的效果甚微，介孔分子篩MCM-41對6種羰基化合物有一定去除效果，但是作用仍不明顯。制備的復(fù)合材料對主流煙氣中主要羰基化合物的降低效果有明顯改善，CTN/NaZSM-5和CTN/NaY樣品對巴豆醛和2-丁酮的去除效果較為明顯，其中CTN/NaY樣品對巴豆醛和2-丁酮的降低率分別為32.3%和37.4%。說明復(fù)合材料在去除煙氣巴豆醛上具有一定的優(yōu)勢，能夠彌補(bǔ)微孔沸石和介孔分子篩在這方面的不足。復(fù)合材料CTN/NaY和CTN/NaZSM-5對煙氣中8種羰基化合物的吸附效果有所差異，其中對巴豆醛具有較好的選擇性吸附作用。

表4 不同濾嘴添加材料對卷煙主流煙氣中主要羰基化合物的去除Tab.4 Effect of removing main carbonyl compounds in mainstream cigarette smoke by using composite materials μg/支，%

為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合材料作為濾嘴添加劑降低主流煙氣中巴豆醛的實(shí)際效果，將10 mg 20～40目的CTN/X材料分別加入卷煙濾嘴中段，制成三明治式復(fù)合濾嘴的實(shí)測卷煙。如表5所示，與對照卷煙2相比，濾嘴中添加CTN/NaA、CTN/NaZSM-5和CTN/NaY后，卷煙主流煙氣中巴豆醛的降低率分別為13.5%、25.1%和30.4%。與表4中的模擬煙氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相近。

表5 復(fù)合材料降低實(shí)測卷煙主流煙氣中巴豆醛的效果Tab.5 Real effect of composite materials for removing crotonaldehyde from mainstream cigarette smoke as filter additives

2.7 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性對吸附巴豆醛的影響

為了進(jìn)一步探討復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特性對吸附巴豆醛的影響，通過Gaussian 98計(jì)算軟件，采用密度泛函理論B3LYP方法，在6-31G(d)水平上對巴豆醛分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所得分子優(yōu)化模型如圖8所示。其中右端1號位碳原子與最左端的10號氧原子之間的直線距離約為0.49 nm，吸附材料為了有效吸附巴豆醛分子，其孔徑尺寸應(yīng)該大于或者等于0.49 nm。由表1可知，微孔沸石中NaA沸石的孔徑僅為0.4 nm，顯然難以有效吸附巴豆醛分子；NaZSM-5沸石的孔徑大小為0.5 nm，與巴豆醛分子尺寸最為相近，可以完全容納巴豆醛分子進(jìn)入孔道內(nèi)，但是受限于較小的比表面積和孔體積，因而難以在吸附量上實(shí)現(xiàn)突破。介孔材料MCM-41雖然比表面積和孔體積較大，但是孔徑達(dá)到3.4 nm，相對于尺寸僅為0.49 nm的巴豆醛分子來說，MCM-41的六方孔道顯得過于寬大，進(jìn)入孔道中的巴豆醛分子難以吸附保留，因而MCM-41材料對巴豆醛分子的吸附性能仍然較差。

圖8 巴豆醛分子優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the optimized crotonaldehyde molecular structure

與對照卷煙以及添加微孔沸石或者介孔材料的試驗(yàn)卷煙相比，添加復(fù)合材料CTN/X的試驗(yàn)卷煙主流煙氣中巴豆醛的含量大幅度降低。其中，添加CTN/NaZSM-5或者CTN/NaY材料后，主流煙氣中巴豆醛含量分別下降32.0%和32.3%。這種效果一方面得益于兩種復(fù)合材料的最可幾孔徑達(dá)到4.3 nm和2.7 nm，保證為巴豆醛分子提供必要的傳輸通道，減小了傳質(zhì)限制[22]，同時(shí)促進(jìn)分散在介孔材料上的微孔沸石片段對巴豆醛的吸附去除；另一方面則體現(xiàn)在兩種復(fù)合材料的比表面積和孔體積比相應(yīng)的微孔沸石有較大提升，從而保證復(fù)合材料對巴豆醛的吸附量能夠大幅上升。CTN/NaA材料對煙氣中巴豆醛的吸附效果雖然不及另外兩種復(fù)合材料，但是與NaA沸石相比仍有較大提升，其原因可能是微孔結(jié)構(gòu)的存在破壞了介孔結(jié)構(gòu)的有序性，形成缺陷，這種特殊結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)介孔材料對小分子物質(zhì)的吸附[23]。

3 結(jié)論

針對粉末狀沸石分子篩不利于作為濾嘴添加材料的問題，在合成介孔材料的反應(yīng)體系中，通過使用乙醚創(chuàng)造微乳環(huán)境，促進(jìn)材料自成型，并在合成后期添加沸石分子篩客體材料，制備了一系列尺寸在1 mm～5 mm左右的塊狀復(fù)合材料CTN/X(X=NaA、NaZSM-5、NaY)，有利于工業(yè)化應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，CTN/X系列樣品具有微孔和介孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，比表面積均大于566 m2/g，孔徑分布寬，孔體積均比相應(yīng)微孔沸石大，有利于提升復(fù)合材料對煙氣中巴豆醛的吸附量。

SEM表征結(jié)果顯示，復(fù)合材料的介孔載體的微觀形貌為球狀顆粒，其直徑約為0.2μm左右。沸石片段則以不規(guī)則絮狀物形式分散在球形顆粒周圍。其中，NaA沸石和NaY沸石在球形顆粒周圍的分散度較高，而NaZSM-5沸石則在球形顆粒周圍有一定的聚集，形成了較為致密的片狀結(jié)構(gòu)。

煙氣模擬評價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，添加復(fù)合材料的試驗(yàn)卷煙主流煙氣中巴豆醛的釋放量有明顯降低， CTN/NaSM-5和CTN/NaY對巴豆醛的降低率分別為32.0%和32.3%，其中，CTN/NaY對巴豆醛的選擇性降低率達(dá)到36.8%，均優(yōu)于相應(yīng)的微孔沸石和介孔MCM-41材料。

通過對巴豆醛分子優(yōu)化計(jì)算，孔徑大于等于0.49 nm的吸附材料可以實(shí)現(xiàn)對巴豆醛分子的吸附。復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)微孔沸石片段在介孔材料上的高分散，在減小了對煙氣傳質(zhì)限制的前提下，保證復(fù)合材料對主流煙氣中巴豆醛的高效去除。

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Preparation of self-modeling composite material and its selective adsorption towards crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke

CAO Yi1,ZHU Huaiyuan1,LIU Xianjun1,ZHOU Yu2,ZHU Ying1,
ZHUANG Yadong1,SHEN Xiaochen1,LIN Weigang2,XIONG Xiaomin1,ZHU Jianhua2
1 Research and Development Center,China Tobacco Jiangsu Industrial Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China；
2 College of Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China

Ethyl ether was introduced in hydrothermal synthesis process when mesoporous material was prepared.An emulsion system was formed to promote self-modeling.After adding zeolite fragments into synthetic system,series of self-modeling composite porous materials were prepared which named CTN/X (X=NaA,NaZSM-5,NaY).The adsorptive ability of these composite materials when used as cigarette filter additives was investigated.Crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke was set to be target molecule.Results showed that emulsion system was beneficial for self-modeling.Specific surface area of CTN/NaY reached 832 m2/g,and the most probable pore size of CTN/NaZSM-5 was 4.3 nm.Compared with controls,cigarettes with filters added these composite materials exhibited excellent selectively adsorptive ability to crotonaldehyde in mainstream cigarette smoke,while nicotine and tar level in test cigarette smoke changed a little.When CTN/NaY sample was used as filter additive,crotonaldehyde content in main stream cigarette smoke could be reduced by 30.4%.

self-modeling; composite material; mainstream cigarette smoke; crotonaldehyde; selective adsorption

10.3969/j.issn.1004-5708.2014.06.003

TS411 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-5708（2014）06-0012-09

江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“多孔材料對卷煙煙氣中主要揮發(fā)性羰基化合物的降低研究”（2010-07）

曹毅（1980—），博士，工程師，主要從事煙草化學(xué)研究，Email: caoyi@jszygs.com

莊亞東（1972—），碩士，高級工程師，主要從事煙草化學(xué)研究，Tel: 025-86478512，Email: zhuangyd@jszygs.com

2013-12-11