濾嘴對卷煙主流煙氣中Cd和Pb截留效率的影響

馬俊　李曉波　郭丁榮　張瑩　馮青　李騰

摘? 要：該文研究了ISO和深度抽吸模式下濾嘴吸阻和長度對主流煙氣中Cd和Pb截留效率的影響。結(jié)果表明：（1）在4.0～4.8kPa范圍內(nèi)，隨濾嘴吸阻的增加，ISO抽吸模式下主流煙氣Cd和Pb的釋放量和濾嘴截留量分別呈現(xiàn)下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率呈現(xiàn)上升的趨勢;深度抽吸模式下主流煙氣Cd和Pb的釋放量呈現(xiàn)下降的趨勢，而濾嘴截留量和截留效率的變化規(guī)律不明顯。（2）在20～30mm范圍內(nèi)，隨濾嘴長度增加，兩種抽吸模式下，主流煙氣Cd和Pb的釋放量和濾嘴截留量分別都呈現(xiàn)下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也都呈現(xiàn)上升的趨勢。因此，適當(dāng)增加濾嘴長度，可在一定程度上降低主流煙氣中Cd和Pb的釋放量，提高濾嘴對主流煙氣中Cd和Pb的截留量及截留效率。

關(guān)鍵詞：濾嘴? 主流煙氣? 截留效率? Cd? Pb

中圖分類號：TS452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）03（c）-0052-04

土壤中的鎘（Cd） 和鉛（Pb）等重金屬元素容易被煙草從土壤中吸收和富集，在抽吸過程中這些重金屬元素可通過主流煙氣進(jìn)入人體并在體內(nèi)蓄積，對人體造成潛在危害。1990年的Hoffmann清單將Cd和Pb等金屬元素列入煙草有害成分清單，美國食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）最近公布的HPHCs清單（Harmful and Potentially Harmful Constituents）中，Cd和Pb兩種元素也在其中[1]。

濾嘴是吸煙者與主流煙氣間的橋梁，可有效地截留煙氣中部分有害成分。目前對卷煙煙氣中重金屬的濾嘴截留效率研究甚少，劉秀彩等人測定了ISO抽吸模式下不同材質(zhì)和長度的濾嘴對卷煙主流煙氣中As、Cd和Pb的截留效率[2]。除了濾嘴材質(zhì)之外，抽吸行為、濾嘴的吸阻和長度等參數(shù)也是影響主流煙氣中重金屬截留效率的重要因素[3]。但是，尚未見測定深度抽吸模式下Cd和Pb濾嘴截留效率的報(bào)道。因此，該文具體考察了不同抽吸模式下濾嘴吸阻和長度對主流煙氣中Cd和Pb截留效率的影響，旨在為降低卷煙煙氣中有害元素和低危害卷煙的設(shè)計(jì)提供參考。

1? 材料與方法

1.1 材料和儀器

濾嘴吸阻和長度參數(shù)變化按照單因素變化設(shè)計(jì)，每個(gè)參數(shù)均設(shè)計(jì)3個(gè)變化水平。通過調(diào)控卷煙材料參數(shù)、煙絲填充值和梗絲質(zhì)量等參數(shù)控制卷煙吸阻。綜合考慮市售卷煙的吸阻分布范圍和實(shí)際加工精度控制水平，設(shè)計(jì)了不同濾嘴吸阻的卷煙樣品，分別編號為A1、A2和A3，對應(yīng)的濾嘴吸阻分別為4.0kPa、4.4kPa和4.8kPa。不同濾嘴長度的卷煙樣品分別編號為B1、B2和B3，對應(yīng)的濾嘴長度分別為20mm、24mm和30mm。

濃硝酸（65%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、過氧化氫（30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、甲醇、硝酸（10%，v/v）均購于默克公司。實(shí)驗(yàn)中使用的超純水（18.2MΩ·cm）由Milli-Q公司超純水機(jī)制備。Cd和Pb環(huán)境混合標(biāo)準(zhǔn)樣品（濃度10mg/L）。

CP224S 電子天平（感量：0.0001 g，Sartorius 公司）;電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）型號為NexION300X（PerkinElmer公司）;微波消解儀型號為MARsX-Press微波消解儀（CEM公司）;RM20H轉(zhuǎn)盤吸煙機(jī)（Borgwaldt公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)卷煙制作

在同一機(jī)臺，分別采用不同吸阻和長度的濾嘴，同一牌號同一批次的卷煙紙、接裝紙、成型紙和煙絲卷制試驗(yàn)卷煙。經(jīng)測試，所制作的卷煙樣品均達(dá)到了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求的精度。

1.2.2 樣品抽吸、捕集和測試

將試制卷煙樣品按照GB/T 16447-2004在相對濕度（60±2）%、溫度（22±1）℃的條件下平衡48h，然后挑選（平均質(zhì)量±0.02g）卷煙樣品作為試驗(yàn)煙支。ISO模式下，用20H型轉(zhuǎn)盤式吸煙機(jī)按照GB/T 16450-2004的規(guī)定條件抽吸卷煙，調(diào)節(jié)吸煙機(jī)參數(shù)，抽吸容量為35±0.3mL，風(fēng)速為200±30mm/s，抽吸間隔60s，抽吸持續(xù)時(shí)間2s，用靜電捕集管捕集主流煙氣中的總粒相物，將裝有20mL HNO3溶液（v/v，10%）的吸收瓶連接于靜電捕集管和抽吸單元之間捕集氣相。每根靜電捕集管和每個(gè)吸收瓶分別捕集20支卷煙樣品的總粒相物和氣相物質(zhì)。深度抽吸模式下，用20H型轉(zhuǎn)盤型吸煙機(jī)按照HealthCanadaOfficialMethodT-115《Determinationoftar，nicotineandcarbonmonoxideinmainstreamtobaccosmoke》的規(guī)定，采用膠帶紙對卷煙試樣濾嘴通風(fēng)孔進(jìn)行100%封閉，并調(diào)節(jié)吸煙機(jī)抽吸參數(shù)，抽吸容量55±0.5mL，風(fēng)速200±30mm/s，抽吸間隔30s，抽吸持續(xù)時(shí)間2s。主流煙氣中的總粒相物和氣相物的捕集方法同ISO模式。按照YC/T 380-2010的測試方法測定卷煙主流煙氣粒相物和氣相物中Cd和Pb含量[4]。每次抽吸結(jié)束后，取下煙蒂，除去煙蒂上殘留的煙灰和煙柱，收集濾嘴。濾嘴消解結(jié)束后，用超純水洗滌、轉(zhuǎn)移至30mL塑料容量瓶中，反復(fù)洗滌消解罐3～4次，洗滌液一并加入定容、搖勻，得濾嘴待測液。每個(gè)樣品平行測定3次，同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)。

1.2.3 濾嘴截留效率

分別測定抽吸前濾嘴中目標(biāo)元素含量A（以ng/支表示），抽吸后濾嘴中目標(biāo)元素含量B（以ng/支表示）， 主流煙氣粒相和氣相中目標(biāo)元素總含量C（以ng/支表示），由此得出主流煙氣目標(biāo)元素的濾嘴截留量效率（RFE， 100%）：RFE = （B-A）/（B-A+C）×100%。

2? 結(jié)果與討論

2.1 濾嘴吸阻對Cd和Pb的截留效率

濾嘴吸阻與抽吸過程中煙支的氣流阻力有關(guān)，影響煙支的燃燒狀態(tài)和性能，進(jìn)而影響煙氣中Cd和Pb的釋放量和濾嘴的截留效率。我們在不同抽吸模式下，對不同吸阻濾嘴的卷煙樣品進(jìn)行抽吸，分別測定Cd和Pb在主流煙氣的釋放量和濾嘴的截留量，并計(jì)算濾嘴的截留效率。

2.1.1 ISO抽吸模式下濾嘴吸阻對Cd和Pb的截留效率

ISO抽吸模式下，不同吸阻濾嘴卷煙的主流煙氣中Cd和Pd的釋放量、濾嘴截留量和相應(yīng)的截留效率如表1所示。

可以看出，在4.0～4.8kPa內(nèi)，隨濾嘴吸阻增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現(xiàn)略微下降的趨勢，分別由122.0ng/支下降至113.5ng/支和由96.4ng/支下降至88.6ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留量都呈現(xiàn)略微上升趨勢，分別由64.5ng/支上升至67.6ng/支和由62.0ng/支上升至65.9ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留效率分別由34.6%和39.1%上升至37.4%和42.6%。因此，適當(dāng)增加濾嘴吸阻，可以降低主流煙氣中Cd和Pb的釋放量、提高濾嘴對Cd和Pb的截留量和截留效率。

2.1.2 深度抽吸模式下濾嘴吸阻對Cd和Pb的截留效率

深度抽吸模式下，不同吸阻濾嘴卷煙的主流煙氣中Cd和Pd的釋放量、濾嘴截留量和相應(yīng)的截留效率如表2所示。

可以看出，相比于ISO模式，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量及濾嘴截留量都有明顯升高。在4.0～4.8kPa內(nèi)，隨濾嘴吸阻增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量呈現(xiàn)略微下降的趨勢，分別為由301.9ng/支下降至283.0ng/支和由158.9ng/支下降至139.8ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留量和截留效率的變化均沒有明顯規(guī)律。

2.2 濾嘴長度對Cd、Pb的截留效率

濾嘴長度直接影響濾嘴對主流煙氣的過濾效果，隨著濾嘴長度的增加，主流煙氣氣溶膠顆粒被濾嘴纖維表面持留或吸附的可能性增強(qiáng)，進(jìn)而影響濾嘴對Cd和Pb的截留效率。我們對不同長度濾嘴的卷煙樣品進(jìn)行抽吸，分別測定Cd和Pb在主流煙氣的釋放量和濾嘴的截留量，并計(jì)算濾嘴的截留效率。

2.2.1 ISO抽吸模式下濾嘴長度對Cd和Pb的截留效率

ISO抽吸模式下，不同長度濾嘴卷煙的主流煙氣中Cd和Pd的釋放量、濾嘴截留量和相應(yīng)的截留效率如表3所示。

可以看出，在20～30mm內(nèi)，隨濾嘴長度增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現(xiàn)下降的趨勢，分別由188.3ng/支下降至152.5ng/支和由68.5ng/支下降至48.0ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留量都呈現(xiàn)上升的趨勢，分別由54.9ng/支上升至66.7ng/支和由31.0ng/支上升至38.0ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留效率分別由22.6%和31.1%上升至30.4%和44.2%。因此，適當(dāng)增加濾嘴長度，可以降低主流煙氣中Cd和Pb的釋放量、提高濾嘴對Cd和Pb的截留量和截留效率。

2.2.2 深度抽吸模式下濾嘴長度對Cd和Pb的截留效率

深度抽吸模式下，不同長度濾嘴卷煙的主流煙氣中Cd和Pd的釋放量、濾嘴截留量和相應(yīng)的截留效率如表4所示。

可以看出，在深度抽吸模式下，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量、濾嘴截留量和截留效率隨濾嘴長度的變化規(guī)律同ISO抽吸模式下的變化規(guī)律一致。具體是在20～30mm內(nèi)，隨濾嘴長度增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現(xiàn)下降的趨勢，分別為由359.6ng/支下降至258.2ng/支和由87.2 ng/支下降至70.0ng/支;Cd和Pb的濾嘴截留量都呈現(xiàn)上升的趨勢，分別為由133.2ng/支上升至149.1ng/支和由48.2 ng/支上升至53.5ng/支。Cd和Pb的濾嘴截留效率都呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，分別為由27.0%和35.6%上升至34.3%和43.3%。因此，適當(dāng)增加濾嘴長度，可以降低主流煙氣中Cd和Pb的釋放量，提高濾嘴對Cd和Pb的截留效率。

3? 結(jié)語

ISO抽吸模式下，隨著濾嘴吸阻的增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量和濾嘴截留量分別呈現(xiàn)下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也呈現(xiàn)上升的趨勢。兩種抽吸模式下，隨著濾嘴長度的增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量和濾嘴截留量分別都呈現(xiàn)下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也都呈現(xiàn)上升的趨勢。因此，適當(dāng)增加濾嘴長度，可在一定程度上提高濾嘴對主流煙氣中Cd和Pb的截留效率，降低卷煙的危害性。

參考文獻(xiàn)

[1] Food and Drug Administration.Federal Register [J]. 2013，77（64）： 20034-20037.

[2] 劉秀彩，徐建榮，余玉梅，等.卷煙主流煙氣中As、Cd、Pb 的濾嘴截留效率測定[J].中國煙草學(xué)報(bào)，2013，19（6）：19-24.

[3] Shepperd C J， St.Charles F K， Lien M， et al.Validation of methods for determining consumer smoked cigarette yields from cigarette filter analysis [J].Beitr?ge zur Tabakforschung International/ Contri Tob Res，2006，22 （3）：177-184.

[4] 全國煙草標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.YC/T 379-2010卷煙主流煙氣中鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定電感耦合等離子體質(zhì)譜法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.