廢棄煙頭類物質回收再利用的初步探討

安 靜,劉學芝,余泳昌

(1.河南農業大學機電工程學院,河南鄭州450002;2.河南農業大學煙草學院,河南鄭州450002)

1 引言

煙草主要是由碳水化合物(占40%～50%)羧酸、色素、萜烯類物質、鏈烷烴、類脂物質等組成,同時還有一些生長過程中必需的營養物(如硝酸鹽等)以及某些污染物(如農藥、重金屬元素等)。煙草與別的植物不同之處是所含的萜煥類物質比較豐富,即通常所說的“蠟質”或“尼古丁”。吸煙者吸入香煙過程,是香煙在不完全燃燒過程中發生一系列的熱分解與熱合成的化學反應,形成大量新的物質,其化學成分很復雜,從煙霧中分離出有害成分達3 000余種,其中主要有毒物質為煙堿(C10 H14 N2)、煙焦油、一氧化碳(CO)、氫氰酸(HCN)、氨(NH3)及芳香化合物等一系列有毒物質。煙草點燃的煙霧由2部分組成,其中氣體部分,占92%,包括多量的氧和氮無害氣體和一定量的CO及微量的致癌、促癌、纖毛毒物質。粒相部分占8%,主要為尼古丁和煙焦油。

人們在吸煙的時候,通常只消耗一支香煙的4/5～2/3,而剩余的1/5～1/3則作為垃圾被隨手丟棄。世界衛生組織指出,到2025年,全球煙民人數將升至17億人以上。據悉,在13億中國人口中約有3.5億人是煙民,比美國的總人口還要多,并還在以每年300萬人的速度增長,中國擁有世界上最大的煙草銷售市場,例如2008年,我國共銷費卷煙22 044.4億支(4 408.9萬箱)[1],中國有60%的男性和4%的女性都是煙民,據世界衛生組織公布的數據,中國是世界最大的香煙生產國,煙民平均每人每天吸掉15.8支香煙,高于世界平均水平的13.6支,中國人自己消費世界上1/3的香煙,因此產生的廢棄煙頭數量龐大,亦對環境造成相當大的污染。

2 廢棄煙頭的回收再利用

2.1 煙頭中可回收利用的物質

對煙頭的回收利用主要包括過濾嘴中海綿狀的醋酸纖維,以及所吸附的煙堿、茄尼醇等。醋酸纖維結構式可表示為[2](C6 H 7O2)(OOCCH 3)3n,不易著火,可以用于制造紡織品、煙用濾嘴、片基、塑料制品等,醋酸長絲在化學纖維中酷似真絲,光澤優雅、染色鮮艷、染色牢度強,手感柔軟滑爽、質地輕,回潮率低、彈性好、不易起皺,具有良好的懸垂性、熱塑性、尺寸穩定性,可以廣泛地用來做服裝里子料、閑暇裝、睡衣、內衣等,還可以與維綸、滌綸、錦綸長絲及真絲等復合制成復合絲,用醋酸纖維長絲紡制的紗線和織成的織物具有蠶絲般自然華貴的光澤,手感柔軟滑爽等特性。醋酸短纖制成的無紡布可以用于外科手術包扎,與傷口不粘連,是高級醫療衛生材料。

煙堿又名尼古丁,化學名稱為1-甲基2-(2-吡基)吡咯烷,它能夠對人產生一定的生理刺激作用,是使煙草具有商品價值的主要因素[3]。煙堿廣泛應用于精細化工、制藥、有機合成、國防工業和農業等領域。少量煙堿能刺激人體中樞神經系統,有使人精神安定和抗憂郁作用,對人的緊張情緒具有緩解作用[4],在醫藥上可用于研制治療心血管、皮膚、蛇毒、蟲咬傷和無名腫毒等疾病的藥物;用煙堿制得的檸檬酸煙堿還是生產高級香煙品質改良劑的主要組份;含量40%的煙堿可用來配制專門用于生產糧食、油料、蔬菜、水果等農作物的無殘留毒、無公害的高效殺蟲劑及生物性農藥。據大田試驗證明,用含量在0.75～2.25kg/hm2的硫酸煙堿,稀釋至0.03%～0.10%濃度噴灑,對糧食作物、蔬菜、水果和花卉中的蚜蟲、菜青蟲、梨食心蟲、茶蛾和玉米螟等多種害蟲的殺蟲效果都在90%以上。

茄尼醇(solaneso l)是一種全反式結構的聚戊烯醇,主要是用來合成輔酶Q10和維生素K 2及作為一些抗癌藥物的前體[5],呈白色或淡黃色粉末狀,不溶于水,微溶于甲醇、乙醇,溶于丙酮、氯仿、已烷等,具有抗菌、消炎、治療心血管疾病、抗潰瘍等作用。目前許多發達國家已生產和廣泛應用的輔酶Q10(治療心臟病和保健藥物)均須依賴高純度的茄尼醇原料。

2.2 煙頭可回收利用物質的分離原理及工藝過程

目前我國的煙草廢棄物綜合利用研究則相對滯后,煙頭物質回收再利用的技術還處于研究階段。煙頭中提取煙堿和茄尼醇的工業生產流程可分為3個階段,即煙頭初步處理階段、煙堿提取階段、茄尼醇提取階段。煙頭初步處理階段主要包括煙頭廢棄物的浸泡和浸泡后的固液分離。該階段的設計原理是基于煙堿和茄尼醇在水中的溶解特性,煙堿在水中可以和水以任意比例互溶,而茄尼醇則不溶于水。設計的目的是將煙堿和茄尼醇分別保留在煙頭浸泡后的液體和固體中,這樣就可以對2種物質進行分別提取,從而實現流程中的對2種物質分別進行提取的操作。

煙堿的提取工藝很多,如經典提取法、干蒸餾提取法、離子交換提取法、浸有機溶劑萃取法等,這些方法各有其優缺點[6]。國內外大多采用萃取分離蒸餾法生產天然煙堿[7],其生產工藝過程為原料——稀酸浸漬——堿中和——水蒸汽蒸餾——草酸處理——堿化——成品煙堿,其中水浸有機溶劑萃取法應用較多,它的特點是工藝合理,設備簡單。本文也采取了水浸有機溶劑萃取法,提取方案主要由浸泡、過濾、萃取、蒸發等工藝組成,具體工藝流程如圖1所示。

圖1 煙頭中煙堿回收再利用生產流程圖

由于茄尼醇具有不溶于水,微溶于甲醇、乙醇,溶于丙酮、氯仿、已烷等有機溶劑的特性,工業上大多采用正己烷作為萃取劑提取煙葉中的茄尼醇[8]。在該階段中,具體的提取過程是在從前2個階段中得到的固體分離物和煙渣中加入一定量的溶劑(乙酸、煤油、正己烷、汽油)浸泡約5～6h,過濾,煙渣中再次加入溶劑,再浸泡5～6h,浸提 3次,合并濾液,用水洗濾液3次,有機相經蒸餾,蒸出溶劑(溶劑可回收,回收率通常大于85%),獲得茄尼醇產品(圖2)。

圖2 煙頭中茄尼醇回收再利用生產流程圖

從煙渣中提取醋酸纖維的工藝為先用雙氧水漂白,再用醋酸進行溶脹后在硫酸催化條件下與醋酸酐和醋酸混合液反應制得醋酸纖維素黃色凝膠。加水使醋酸纖維素沉淀出來,再加雙氧水漂白、過濾、干燥。

2.3 廢棄煙頭再利用的效益分析

(1)近年來,隨著煙堿產品的應用領域的迅速擴大,市場上對天然煙堿的需求量也在與日俱增,國際市場上高純度天然煙堿不僅價格居高不下,而且經常有價無貨。目前在國內市場上,含量為98%的天然煙堿的售價已達8萬元/t以上。而在國際市場上,含量為98.5%的高純度天然煙堿的成交價格高達100美元/kg左右。從煙頭中提取煙堿、茄尼醇等物質,獲得符合綠色衛生標準的天然化工原料,為企業脫貧解困提供可持續發展的契機。

(2)意大利國家核能和替代能源局日前發表研究報告說[9],全球一年被丟棄的煙頭約84.5萬t,其中含有約7 800t危險化學物質。全世界一年通過廢煙頭進入自然環境的尼古丁約324t。全球一年被丟棄的煙頭含有約1 800t苯、甲醛、丙酮和甲苯等揮發性物質。報告指出,廢煙頭中對環境危害最大的物質是尼古丁,它具有強殺蟲效果,特別是尼古丁進入自然水體會對水生動物有嚴重損害,同時可能改變土壤結構。另外廢煙頭還含有致癌的焦油、多環芳烴等多種有害物。煙頭的制作材料醋酸纖維不能降解,其中含有危害魚類繁殖的化合物。本文通過對煙頭進行“資源化”利用,可以減輕煙草廢棄物帶來的土壤結構改變的可能性,避免其中有害成分對地下水的污染。

(3)由于煙頭的回收再利用目前還僅處于研究階段,沒有相關成熟的技術,本文中煙頭的回收利用生產工藝的提出,將有效填充這方面的空白,同時對建設資源節約型、環境友好型社會做出一定的貢獻。

3 結語

本文主要討論了煙草的重要成分煙堿、茄尼醇、醋酸纖維的價值和它們在各方面的應用,進而提出并設計了對煙頭中煙堿、茄尼醇、醋酸纖維等物質回收再利用工業化生產的技術及流程。通過浸泡、過濾、萃取、蒸發等工藝從廢棄煙頭中提取煙堿等用作制藥原料。與傳統蒸餾法相比,操作簡單,所需時間較短,應用于生產中可縮短生產周期,減少成本。通過效益分析可知,通過對煙頭進行“資源化”利用,不僅可減少煙頭廢棄物對環境造成的污染,改善人類生活環境,還可以為企業的可持續發展帶來契機。

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[9]范士達.意大利研究報告稱小煙蒂會對環境造成大污染[EB/O L].[2010-02-05].h ttp：//jjckb.xinhuanet.com/gjxw/2010-02/05/content_206654.htm.