專利名稱：同時降低卷煙中一氧化碳和焦油的催化劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煙草產(chǎn)品的制備技術(shù)，尤其涉及煙草的化學(xué)處理技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，卷煙吸食安全及如何減少其環(huán)境污染問題越來越引起人們的重視。已知煙氣中的一氧化碳(CO)和焦油(Tar)對人體有較大的危害，因此，國內(nèi)外已有不少相關(guān)的降低一氧化碳和焦油的技術(shù)報導(dǎo)。通常情況下，除了提高煙葉自身質(zhì)量和采用優(yōu)選煙葉組合之外，降害的途徑還可歸為物理方法和化學(xué)方法兩大類。物理方法中包括接裝濾嘴，以截留主流煙氣中的總粒相物，從而降低焦油含量；改進(jìn)濾嘴材料，如采用高分子纖維和添加選擇性吸附劑及其它添加劑；還有使用高透氣度卷煙紙，在卷紙中添加助燃劑，以改善煙絲燃燒條件等。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，上述的這些措施并未能使其一氧化碳及焦油(包含尼古丁)等有害物的指標(biāo)降到足夠低的程度，并且由于利用吸附和過濾等手段會改變煙氣的香味和其它特性，因而其應(yīng)用受到一定程度的限制。
化學(xué)方法主要是指利用化學(xué)催化添加劑，來改變煙草抽吸燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)途徑，降低燃燒溫度，促進(jìn)燃燒完全，從而達(dá)到降低煙氣中一氧化碳和焦油含量的目的。此類催化劑有堿金屬羧酸鹽類、金屬類和過渡金屬氧化物類等。U.S.4236,533中使用貴金屬金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt)和二氧化鈰(CeO2)組成的混合催化劑，以降低煙氣中多環(huán)芳烴和尼古丁的含量，但這種催化劑成本高，很難實(shí)際推廣使用。U.S.4317,460中報導(dǎo)了在濾嘴中使用含錫(Sn)氧化物等的催化劑，可使一氧化碳在低溫下氧化成二氧化碳，但未見其對降低焦油有作用的報導(dǎo)。U.S.3943,940和U.S.6153,119中均報導(dǎo)在濾嘴材料中添加氧化劑高錳酸鉀(KMnO4)，但該化學(xué)品不夠穩(wěn)定，尚需添加其它穩(wěn)定劑。此外，國內(nèi)專利中有多篇報導(dǎo)使用植物中藥混合物作為煙絲的固體添加劑或使用其浸液添加到煙絲中，例如CN 1234993A，CN1047198等。但是由于植物中藥的組成較為復(fù)雜，到目前為止大部分中藥的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)并不清楚，因此其篩選的原則缺乏理論依據(jù)，使用起來會帶有一定的盲目性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種利用化學(xué)方法制備的催化劑作為卷煙煙絲的添加劑，來同時降低煙絲燃燒煙氣中一氧化碳和焦油的含量。
本發(fā)明的目的通過以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑，由化學(xué)催化組份與水混合構(gòu)成，所述水為蒸餾水。其特征在于，所述催化劑是由化學(xué)催化組份按以下重量含量配制的總濃度為300～1500克/1000毫升的水溶液，其中所述化學(xué)催化組份分別是硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)，其含量為250～1300克/1000毫升；檸檬酸鉀(K3C6H5O7·H2O)，其含量為20～200克/1000毫升；硝酸鐠(Pr(NO3)4)，其含量為0～250克/1000毫升；雙氧水(H2O2)，其含量為0～2.0克/1000毫升。
制備本發(fā)明所述的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的方法，其特征在于，制備步驟為(1)分別配制各化學(xué)催化組份水溶液用含六個結(jié)晶水的硝酸亞鈰加水配制成濃度為0.2～2.0克/毫升的硝酸亞鈰溶液；用檸檬酸鉀加水配制成濃度為0.08～0.8克/毫升的檸檬酸鉀水溶液；(2)將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的硝酸亞鈰水溶液中，并攪拌溶液直至清澈透明，滴入速度為40～80滴/分鐘；或者先將硝酸亞鈰水溶液和濃度為0.15～0.80克/毫升、pH＝5的硝酸鐠水溶液組成混合水溶液，然后將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的鈰、鐠混合硝酸鹽水溶液中，并攪拌溶液直至清澈透明，滴入速度為40～80滴/分鐘；或者在形成硝酸亞鈰、硝酸鐠和檸檬酸鉀混合水溶液后再滴入濃度為0.02～0.05克/毫升的雙氧水溶液，并攪拌溶液直至清澈透明；(3)加水使其總濃度在300～1500克/1000毫升的范圍內(nèi)，攪拌至溶液清澈透明。
本發(fā)明催化劑的應(yīng)用方法是將上述的化學(xué)催化劑水溶液，按5.00毫升/100克煙絲的比例均勻地噴到煙絲中，即可用以制作卷煙的正常工序中；或者用于雪茄煙的制作中。
檢測技術(shù)表明，現(xiàn)有技術(shù)中的卷煙，正常燃吸時煙支內(nèi)圓柱體中心和氣相溫度可高達(dá)1000℃。煙氣中的有機(jī)物，在如此高溫缺氧條件下的不完全燃燒和干餾則會產(chǎn)生焦油，焦油是多種烴類、烴的氧化物、硫化物和氮化物的復(fù)雜混合物，其中包括有致癌的多環(huán)芳烴；同時，煙絲高溫下的熱分解會產(chǎn)生一氧化碳，因?yàn)楦邷厝毖跸碌牟煌耆紵约案邷叵律傻亩趸己苋菀妆惶歼€原成一氧化碳。本發(fā)明通過所述催化劑中的主要組分硝酸亞鈰、檸檬酸鉀、硝酸鐠及雙氧水等的協(xié)同作用，能夠同時降低主流和支流煙氣中一氧化碳和焦油的含量。其原理是，硝酸亞鈰和硝酸鐠在煙絲燃燒過程中會熱分解生成二氧化鈰(CeO2)和氧化鐠(Pr6O11)，由于CeO2和Pr6O11中晶格氧很活潑，它們在煙絲燃燒的缺氧環(huán)境中，能夠放出大量的“活性氧”，從而提高一氧化碳氧化成二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，使煙氣中一氧化碳的含量大為減少；另一方面，催化劑的加入，建立了催化燃燒的反應(yīng)途徑，使反應(yīng)活化能降低，這不僅降低了卷煙熱解蒸餾區(qū)的溫度，有利于充分燃燒，而且又可同時減少產(chǎn)生干餾產(chǎn)物—焦油的含量。加入檸檬酸鉀，其中的鉀具有助燃作用，有利于減少CO的含量；雙氧水在煙絲燃燒升溫過程中分解，也可以放出“活性氧”，更進(jìn)一步提高一氧化碳氧化成二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。上述四種組份的協(xié)同作用，可以較大幅度地同時降低煙絲燃?xì)庵幸谎趸己徒褂偷暮俊?br> 實(shí)際使用中，也可用去離子水、純凈水等代替蒸餾水，能得到同樣的效果。
本發(fā)明的能同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑，制備工藝簡單方便；穩(wěn)定性好，無需添加其它穩(wěn)定劑，能夠方便地運(yùn)輸或搬運(yùn)；同時由于該催化劑中的主要成分均為我國資源十分豐富的稀土元素，因此成本較低。相比其它有關(guān)的催化劑或添加劑，本發(fā)明具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1.
材料硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)3.24克，檸檬酸鉀(K3C6H5O7·H2O)0.20克，蒸餾水。
按上述的配比材料進(jìn)行配料，用含水硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)配制濃度為0.80克/毫升的水溶液4.05毫升，用檸檬酸鉀(K3C6H5O7·H2O)配制濃度為0.21克/毫升的水溶液0.95毫升。將0.95毫升檸檬酸鉀溶液以40～80滴/分鐘的速度滴入攪拌(人工玻璃棒攪拌，30～80轉(zhuǎn)/分鐘)中的4.05毫升硝酸亞鈰溶液中。攪拌直至溶液清澈透明，即得5.00毫升本發(fā)明的化學(xué)催化劑水溶液。
實(shí)施例2.
材料硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)6.48克，檸檬酸鉀0.20克，蒸餾水。
按上述的配比材料進(jìn)行配料，用含水硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)配制濃度為1.60克/毫升的水溶液4.05毫升，用檸檬酸鉀配制濃度為0.21克/毫升的水溶液0.95毫升。將0.95毫升檸檬酸鉀溶液以40～80滴/分鐘的速度滴入攪拌(人工玻璃棒攪拌，30～80轉(zhuǎn)/分鐘)中的4.05毫升硝酸亞鈰溶液，攪拌直至溶液清澈透明，即得5.00毫升化學(xué)催化劑水溶液。
實(shí)施例3.
材料硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)3.24克，檸檬酸鉀(K3C6H5O7H2O)0.20克，氧化鐠(Pr6O11)0.13克，65～68％濃硝酸(HNO3)0.16毫升，蒸餾水。
按上述的配比材料進(jìn)行配料，用含水硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)配制濃度為1.07克/毫升的水溶液3.03毫升；用檸檬酸鉀配制濃度為0.21克/毫升的水溶液0.95毫升；由氧化鐠(Pr6O11)加濃硝酸(HNO3)配制硝酸鐠溶液，用pH試紙監(jiān)測溶液的酸度，并以微量(0～6.0毫克)的氧化鐠加入溶液以消耗可能過量的酸，使溶液的pH＝5，該硝酸鐠溶液的濃度為0.50克/毫升，體積為0.58毫升。將3.03毫升硝酸亞鈰溶液、0.58毫升硝酸鐠溶液組成混合液，再將0.95毫升檸檬酸鉀溶液以40～80滴/分鐘的速度滴入攪拌(磁力攪拌，100～800轉(zhuǎn)/分鐘)中的混合液，再滴加蒸餾水至溶液體積達(dá)5.00毫升，攪拌直至溶液清澈透明，即得5.00毫升化學(xué)催化劑水溶液。
實(shí)施例4.
材料硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)4.05克，檸檬酸鉀(K3C6H5O7·H2O)0.40克，氧化鐠(Pr6O11)0.20克，雙氧水(H2O2)0.003克，65～68％濃硝酸(HNO3)0.24毫升，蒸餾水。
按上述的配比材料進(jìn)行配料，用含水硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)配制濃度為1.33克/毫升的水溶液3.04毫升；用檸檬酸鉀配制濃度為0.42克/毫升的水溶液0.95毫升；由氧化鐠(Pr6O11)加濃硝酸(HNO3)配制硝酸鐠溶液，用pH試紙監(jiān)測溶液的酸度，并以微量(0～9.0毫克)的氧化鐠加入溶液以消耗可能過量的酸，使溶液的pH＝5，該硝酸鐠溶液的濃度為0.50克/毫升，體積為0.91毫升。將3.04毫升硝酸亞鈰溶液、0.91毫升硝酸鐠溶液組成混合液，再將0.95毫升檸檬酸鉀溶液以40～80滴/分鐘的速度滴入攪拌(磁力攪拌，100～800轉(zhuǎn)/分鐘)中的上述混合液中，滴入濃度為0.03克/毫升的雙氧水溶液0.10毫升，攪拌直至溶液清澈透明，即得5.00毫升化學(xué)催化劑水溶液。
實(shí)施例5.
材料硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)3.24克，檸檬酸鉀(K3C6H5O7·H2O)0.20克，氧化鐠(Pr6O11)0.16克，雙氧水(H2O2)0.003克，65～68％濃硝酸(HNO3)0.19毫升，蒸餾水。
按上述的配比材料進(jìn)行配料，用含水硝酸亞鈰(Ce(NO3)3·6H2O)配制濃度為1.07克/毫升的水溶液3.03毫升；用檸檬酸鉀配制濃度為0.21克/毫升的水溶液0.95毫升；由氧化鐠(Pr6O11)加濃硝酸(HNO3)配制硝酸鐠溶液，用pH試紙監(jiān)測溶液的酸度，并以微量(0～7.0毫克)的氧化鐠加入溶液以消耗可能過量的酸，使溶液的pH＝5，該硝酸鐠溶液的濃度為0.50克/毫升，體積為0.73毫升。由3.03毫升硝酸亞鈰溶液、0.73毫升硝酸鐠溶液組成混合液，將0.95毫升檸檬酸鉀溶液以40～80滴/分鐘的速度滴入攪拌(磁力攪拌，100～800轉(zhuǎn)/分鐘)中的混合液，再滴入濃度為0.03克/毫升的雙氧水溶液0.10毫升，然后滴加蒸餾水至溶液體積達(dá)5.00毫升。攪拌直至溶液清澈透明，即得5.00毫升化學(xué)催化劑水溶液。
分別將實(shí)施例1～5的化學(xué)催化劑5.00毫升水溶液均勻地噴到100克煙絲中，在10～15℃的冷風(fēng)中干燥后，以本領(lǐng)域所屬普通技術(shù)人員均知的方法制成卷煙，然后分別測量卷煙燃燒煙氣中一氧化碳和焦油的含量，測量結(jié)果列在下表1中。測試結(jié)果表明，本發(fā)明的催化劑，能夠同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油的含量。相比之下，實(shí)施例4、實(shí)施例5的降低CO量最好，達(dá)到19％；就降低焦油含量來說，實(shí)施例3的效果最好。
表1實(shí)施例中卷煙煙氣中一氧化碳和焦油量的數(shù)據(jù)實(shí)施例號 CO量(mg)CO降低(％) Tar量(mg) Tar降低(％)113.5(16.5)*18.4 12.5(14.4) 13.1213.8(16.2)14.8 13.1(15.8) 17.3314.8(16.3)8.64 12.5(15.8) 21.1412.8(15.8)19.0 16.0(18.0) 11.1512.8(15.8)19.0 16.1(18.0) 10.6*括號中為同時檢測的未加催化劑的卷煙煙氣中的CO量或焦油量。
權(quán)利要求
1.一種同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑，由化學(xué)催化組份與水混合構(gòu)成，所述水為蒸餾水，其特征在于，所述催化劑是由化學(xué)催化組份按以下重量含量配制的總濃度為300～1500克/1000毫升的水溶液，其中所述化學(xué)催化組份分別是硝酸亞鈰，其含量為250～1300克/1000毫升；檸檬酸鉀，其含量為20～200克/1000毫升；硝酸鐠，其含量為0～250克/1000毫升；雙氧水，其含量為0～2.0克/1000毫升。
2.制備如權(quán)利要求1所述的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的方法，其特征在于，所述制備步驟為(1)分別配制各化學(xué)催化組份水溶液用含六個結(jié)晶水的硝酸亞鈰加水配制成濃度為0.2～2.0克/毫升的硝酸亞鈰溶液；用檸檬酸鉀加水配制成濃度為0.08～0.8克/毫升的檸檬酸鉀水溶液；(2)將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的硝酸亞鈰水溶液中，再攪拌溶液直至清澈透明；(3)加水使其總濃度為300～1500克/1000毫升的范圍內(nèi)，攪拌至溶液清澈透明。
3.如權(quán)利要求2所述的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的制備方法，其特征在于，所述制備步驟(2)是先將硝酸亞鈰水溶液和濃度為0.15～0.80克/毫升、pH＝5的硝酸鐠水溶液組成混合水溶液，然后將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的鈰、鐠混合硝酸鹽水溶液中，再攪拌溶液直至清澈透明。
4.如權(quán)利要求2或3所述的同時降低卷煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的制備方法，其特征在于，所述制備步驟(2)是在形成硝酸亞鈰、硝酸鐠和檸檬酸鉀混合水溶液后再滴入濃度為0.02～0.05克/毫升的雙氧水溶液。
5.如權(quán)利要求2所述的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的制備方法，其特征在于，所述將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的硝酸亞鈰水溶液中的滴入速度為40～80滴/分鐘。
6.如權(quán)利要求3所述的同時降低卷煙煙氣中一氧化碳和焦油含量的催化劑的制備方法，其特征在于，所述將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的鈰、鐠混合硝酸鹽水溶液中的滴入速度為40～80滴/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及煙草產(chǎn)品的制備技術(shù)及化學(xué)處理技術(shù)。所述催化劑是化學(xué)催化組份與水混合構(gòu)成的總濃度為300～1500克/1000毫升的水溶液，其化學(xué)催化組份是硝酸亞鈰、檸檬酸鉀、硝酸鐠、雙氧水，它們在1000毫升溶液中的含量分別為250～1300克、20～200克、0～250克、0～2.0克。制備步驟(1)分別配制各化學(xué)催化組份水溶液用硝酸亞鈰配制成濃度為0.2～2.0克/毫升的硝酸亞鈰溶液；用檸檬酸鉀配制成濃度為0.08～0.8克/毫升的檸檬酸鉀水溶液；(2)將檸檬酸鉀水溶液滴入攪拌中的硝酸亞鈰水溶液中；(3)加水使其總濃度在300～1500克/1000毫升的范圍內(nèi)。本催化劑制備工藝簡便，穩(wěn)定性好，方便運(yùn)輸；其主要成分為資源豐富的稀土元素，成本低。相比其它有關(guān)的催化劑或添加劑，本發(fā)明具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號A24B15/00GK1507817SQ0214858
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月16日
發(fā)明者屠兢, 林培琰, 俞壽明, 伏義路, 汪波, 屠 兢 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)