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你了解烟支燃烧的秘密吗?

  卷烟是一种特殊的消费品,其消费形式不是吃,也不是喝,而是通过燃吸来享受其烟气。卷烟的燃烧是一个非常复杂的物理、化学变化过程。

  烟气的形成

  燃烧的烟支是一个复杂的化学体系。据科学研究发现,在烟支点燃的过程中,当温度上升到300℃时,烟丝中的挥发性成分开始挥发而形成烟气;上升到450℃时,烟丝开始焦化;温度上升到600℃时,烟支被点燃而开始燃烧。 

  烟支燃烧有两种形式:一种是抽吸时的燃烧,称为吸燃;另一种是抽吸间隙的燃烧,称为阴燃(亦称为静燃)。抽吸时从卷烟的滤嘴端吸出的烟气称为主流烟气(Mainstream Smoke, 简称MS),抽吸间隙从燃烧端释放出来和透过卷烟纸扩散直接进入环境的烟气称为侧流烟气(Sidestream Smoke,简称SS)。

  烟支燃烧的3个区域

  烟支燃烧时,燃烧的一端呈锥体状。抽吸时,大部分空气从燃烧锥与卷烟纸相接处进入,而锥体的中部则形成一个致密的碳化体,气流不容易通过,锥体中心含氧量很低,以至于燃烧受到限制,造成不完全燃烧。燃烧的烟支根据其温度变化和化学反应不同,可划分成三个不同的区域,即高温燃烧区A(如图)、热解蒸馏区B和低温冷凝区C。

  燃烧区位于烟支的前部,主要由炭化体组成,抽吸时,中心温度最高约825℃~850℃。而卷烟纸燃烧线前方0.2~1.0mm处温度最高可达910℃,这里也是空气进入燃烧区最多的地方。燃烧区的气相温度相对较低,抽吸过程中的温度变化在600℃~700℃之间,抽吸结束后,燃烧区的固相温度在1秒钟内,从900℃以上急剧冷却至600℃。

  一般情况下,燃烧锥表面氧气供应充足,这里发生碳的氧化放热反应,产生的热量被热气流带走,进入热解蒸馏区C。高温燃烧区生成的产物主要是气相物质,如二氧化碳、一氧化碳、水、氢、甲烷等低级烃类化合物和一些自由基,其中一部分产物穿过燃烧的碳扩散到侧流烟气中。

  燃烧锥后面是热解蒸馏区B,燃烧锥中心的热解蒸馏区氧气供应不足,反应是在缺氧状态下进行的。来自高温燃烧区的热气流提供能源,导致了热解蒸馏区的复杂化学变化。烟丝中的许多物质在此进行剧烈复杂的化学反应,烟气中的绝大多数化合物都是在这里形成的。同时,在热气流的作用下,烟丝中的挥发性物质挥发进入烟气流(其中的半挥发性5元和6元环的氮-杂环化合物对卷烟的香味有显著的贡献)。

  热解蒸馏区进行的化学反应大多是吸热反应,烟气流在此被迅速冷却,该区的热气流的温度从800℃降至100℃。 烟草中的萜烯类、植物甾醇类如豆甾醇、石蜡类、糖类、氨基酸类、纤维素类和许多其他成分通过热分解,热合成、干馏、聚合、缩合、自由基等反应形成了挥发性、半挥发性气体,以及液体和固体物质(如焦油)等。

  从热解蒸馏区到烟支的末端称为冷凝过滤区C。在此,烟气的温度由100℃降至室温。烟气中的低挥发性成分随着温度的急剧下降而达到饱和点开始冷凝。这些低挥发性成分除了遇到烟丝后凝聚到烟丝上以外,在气流流动过程中烟气中的低挥发性物质,以碳质燃烧时形成的微小碳粒、有机物的微小碎片、灰分、离子化的分子组成的离子为冷凝核,凝结成更大的颗粒。

  这些颗粒在随烟气流前行的过程中,一部分被烟丝和滤嘴截留,其他的随主流烟气进入人的口腔。 侧流烟气的形成过程 在抽吸间隙的阴燃阶段,卷烟燃烧区附近自然对流的空气向上流动,支持卷烟的燃烧,在烟支内部的热解蒸馏区,形成高浓度的有机蒸气。由于缺少抽吸力的拉动,大部分有机蒸气透过部分降解的卷烟纸迅速扩散到大气中形成了侧流烟气。

  侧流烟气经卷烟纸扩散进入大气以后,温度突然下降,又经过空气稀释后,形成了比主流烟气颗粒更小的气溶胶颗粒。侧流烟气和吸烟者呼出的烟气扩散到空气中,经陈化和稀释后形成了环境烟草烟气(Environmental Tobacco Smoke,简称ETS)。

  烟气的特性

  烟气的粒子特性 新产生的主流烟气气溶胶,每立方厘米含有109~1010个颗粒,粒子的初始直径在0.01~1.0μm 之间分布,随着时间的延长,粒子直径不断增大,烟气在吸烟者口腔内保留10秒后,粒子直径增大至0.1~46μm,平均直径为0.2μm。侧流烟气的粒子分布与主流烟气有所差别,其分布为0.08~1.0μm,平均直径为0.15μm。烟支静燃时每秒钟产生6.3×109个粒子。

  烟气的带电特性 由于高温化学电离作用,卷烟烟气是一种带有微电荷的气溶胶,其中约1/3的粒子带正电荷,1/3的粒子带负电荷,另外1/3为中性粒子,正负电荷数相等。因此,从整体上讲,烟气在电学上是中性的。 烟气的酸碱性 烟支由于燃烧方式不同,产生的主流烟气和侧流烟气的酸碱性也不同。

  一般来说,由阴燃产生的侧流烟气基本上呈碱性,由吸燃产生的主流烟气因烟草原料的不同,有的呈酸性,有的呈碱性,有的呈中性,主要是因原料不同,生成的碱性成分与酸性成分的量也不同。对于各种卷烟类型来说,主流烟气的酸碱度(即pH值)为5.6~6.5,而雪茄烟的主流烟气的pH值为7.5~10.0。

  烟气的动态性质 

    卷烟烟气并不稳定,由于烟气的浓度非常高,其中的颗粒在短时间内会迅速凝聚,新生烟气在半秒钟内颗粒的数量会降至其初始值的四分之一。由于凝聚作用,烟气颗粒迅速增大,除了烟气物理性质迅速发生变化以外,烟气中化合物的浓度也发生变化,如主流烟气中的亚硝酸甲酯,实际上是在新生烟气陈化10秒钟后才出现的。 烟气的组成

  卷烟烟气是由气相物质和粒相物质两部分组成的。

  烟气中的气相物质和粒相物质 通常人们把在室温下能通过剑桥滤片(一种玻璃纤维制成的滤片,它能滤除直径大于0.2μm的微粒,过滤效率可达99%)的烟气部分称为气相物质。气相物质约占烟气总量的92%左右,其中包括空气(约占58%)、过量的氮气(约占15%)、碳氢化合物、有机物的蒸汽、氮氧化合物和一些生物活性物质等。能够被剑桥滤片截流的部分称为粒相物质。

  粒相物质约占烟气总量的不到8%,主要有水、烟碱和焦油。当然,这不是一个能清楚划分的定义,因为一些成分在气相和粒相中都有发现,而且不同的分离技术,得出的结论也不同,如水、亚硝胺等,在气相和粒相物质中都存在。

  烟气中的焦油 卷烟烟气粒相物中除水分和烟碱以外所剩下的部分,称之为焦油。焦油是卷烟烟丝中的有机物质在缺氧条件下不完全燃烧产生的,是由多种烃类及烃的氧化物、硫化物和氮化物等组成的复杂化合物。目前一般认为卷烟烟气中的有害成分主要集中在焦油中。

  据报道,卷烟焦油中99.4%的成分对人体是无害的(这其中又有相当一部分低挥发性成分是卷烟特有香味的来源),仅有0.6%的成分有害人体健康,而在这些有害成分中,0.2%的成分为诱发癌症和可能致癌的成分,0.4%为辅助致癌成分,如3,4-苯并[a]芘等稠环芳烃、芳香胺和亚硝胺等。

  烟气中的半挥发性成分 烟气中除了粒相和气相成分以外,还有一种经常提到的所谓半挥发性成分。半挥发性成分通常是指在室温下能保留在剑桥滤片上,但在一定的温度下(一般在100℃~200℃之间)能从滤片上挥发出而不分解的物质。完整的讲,半挥发性物质是由沸点在70℃~300℃范围内的约300种物质组成,他们中包括了大部分对烟气吸味和香气有贡献的成分。

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