基于电渗析技术的再造烟叶热解过程与烟气组分的研究

作     者：丁朦朦 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：盛六四

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：造纸法再造烟叶 电渗析 热解行为 碱金属/碱土金属 烟气组分 

摘      要：造纸法再造烟叶因其在提高经济效益、结构强度、燃烧性能、降焦减害等方面均有卓越的优势,已越来越广泛地被世界各地的烟草公司所接受,成为现代卷烟不可或缺的重要组成部分。离子化合物的调控对再造烟叶的感官品质、热解行为、气相产物分布、烟气指标和燃烧特性均起重要作用。烟草中含有大量无机离子,各离子间的相互作用使得单一离子作用机制的研究复杂化,而常用的酸洗方式往往破坏化学组成,导致结果的不准确性。电渗析方法具有高效率、低能耗、持续性好、不引入杂质等特点,因而被应用于脱除烟草浓缩液中的离子化合物,从而尽可能减小其内源离子的干扰。本文在电渗析的研究基础上,通过返添加离子化合物的方式,进一步探究了不同钾盐的作用机制和碱金属及碱土金属的添加量对再造烟叶热解行为和烟气释放量的影响,主要结论有：1.电渗析可以高效快速地脱除烟草浓缩液中的主要离子化合物。在电流为2A,浓缩液稀释2倍和原始pH值条件下,科佳均相膜电渗析装置可以达到最佳脱盐效率,各主要离子化合物脱除率均在90%以上。2.再造烟叶热解过程由水分的挥发、单糖的分解、纤维素等多糖的热解、残炭的氧化和无机盐的分解五个阶段组成。电渗析使再造烟叶氧化热解阶段峰值温度和最大热降解速率及热释放量升高,促进纤维素等多糖的热分解;同时残炭氧化阶段的峰值温度升高,对应的最大热降解速率和热释放量降低,抑制了残炭的氧化反应。电渗析使卷烟主流烟气中CO释放量升高,但氨、TSNA释放量和羰基化合物释放总量显著降低,对卷烟危害性调控具有一定作用。3.有机酸钾与无机酸钾对再造烟叶热解过程、气相产物和烟气组成产生显著影响。钾的添加使多糖氧化热解阶段整体向低温方向移动,降低多糖热解的表观活化能。无机钾改变残炭氧化阶段各特征参数,促进了焦炭的形成,但有机酸钾改变了残炭氧化进程,在高温区出现新的残炭氧化峰,降低了残炭的比表面积并提升了残炭的热稳定性。同时钾盐的化学形态显著影响再造烟叶气相产物的分布和主流烟气组分。钾的添加使CO、HCN、NNK和巴豆醛释放量降低,但Co2释放量增加。4.碱金属对再造烟叶热解行为及烟气组成均有显著影响,且添加量起关键作用。碱金属降低多糖氧化阶段的峰值温度,整体向低温移动,且峰值温度与添加量呈明显负相关性,降低了多糖热解表观活化能。高添加量（≥0.8mmol/g）的碱金属可以改变残炭氧化进程,出现多个残炭氧化峰,主要质量损失和热释放峰向高温方向移动,促进热量分批释放,降低了燃烧锥温度。同时碱金属还可以降低主流烟气中CO释放量。碱土金属对再造烟叶影响不如碱金属显著,但仍可促进多糖的低温分解,同时对成炭机制、残炭量及残炭特性产生影响,提高了残炭稳定性。