滤嘴对卷烟主流烟气中Cd和Pb截留效率的影响
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摘 要：该文研究了ISO和深度抽吸模式下滤嘴吸阻和长度对主流烟气中Cd和Pb截留效率的影响。结果表明：（1）在4.0～4.8kPa范围内，随滤嘴吸阻的增加，ISO抽吸模式下主流烟气Cd和Pb的释放量和滤嘴截留量分别呈现下降和上升的趋势，滤嘴截留效率呈现上升的趋势;深度抽吸模式下主流烟气Cd和Pb的释放量呈现下降的趋势，而滤嘴截留量和截留效率的变化规律不明显。（2）在20～30mm范围内，随滤嘴长度增加，两种抽吸模式下，主流烟气Cd和Pb的释放量和滤嘴截留量分别都呈现下降和上升的趋势，滤嘴截留效率也都呈现上升的趋势。因此，适当增加滤嘴长度，可在一定程度上降低主流烟气中Cd和Pb的释放量，提高滤嘴对主流烟气中Cd和Pb的截留量及截留效率。
关键词：滤嘴 主流烟气 截留效率 Cd Pb
中图分类号：TS452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）03（c）-0052-04
土壤中的镉（Cd） 和铅（Pb）等重金属元素容易被烟草从土壤中吸收和富集，在抽吸过程中这些重金属元素可通过主流烟气进入人体并在体内蓄积，对人体造成潜在危害。1990年的Hoffmann清单将Cd和Pb等金属元素列入烟草有害成分清单，美国食品与药品监督管理局（FDA）最近公布的HPHCs清单（Harmful and Potentially Harmful Constituents）中，Cd和Pb两种元素也在其中[1]。
滤嘴是吸烟者与主流烟气间的桥梁，可有效地截留烟气中部分有害成分。目前对卷烟烟气中重金属的滤嘴截留效率研究甚少，刘秀彩等人测定了ISO抽吸模式下不同材质和长度的滤嘴对卷烟主流烟气中As、Cd和Pb的截留效率[2]。除了滤嘴材质之外，抽吸行为、滤嘴的吸阻和长度等参数也是影响主流烟气中重金属截留效率的重要因素[3]。但是，尚未见测定深度抽吸模式下Cd和Pb滤嘴截留效率的报道。因此，该文具体考察了不同抽吸模式下滤嘴吸阻和长度对主流烟气中Cd和Pb截留效率的影响，旨在为降低卷烟烟气中有害元素和低危害卷烟的设计提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料和仪器
滤嘴吸阻和长度参数变化按照单因素变化设计，每个参数均设计3个变化水平。通过调控卷烟材料参数、烟丝填充值和梗丝质量等参数控制卷烟吸阻。综合考虑市售卷烟的吸阻分布范围和实际加工精度控制水平，设计了不同滤嘴吸阻的卷烟样品，分别编号为A1、A2和A3，对应的滤嘴吸阻分别为4.0kPa、4.4kPa和4.8kPa。不同滤嘴长度的卷烟样品分别编号为B1、B2和B3，对应的滤嘴长度分别为20mm、24mm和30mm。
浓硝酸（65%质量分数）、过氧化氢（30%质量分数）、甲醇、硝酸（10%，v/v）均购于默克公司。实验中使用的超纯水（18.2MΩ·cm）由Milli-Q公司超纯水机制备。Cd和Pb环境混合标准样品（浓度10mg/L）。
CP224S 电子天平（感量：0.0001 g，Sartorius 公司）;电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）型号为NexION300X（PerkinElmer公司）;微波消解仪型号为MARsX-Press微波消解仪（CEM公司）;RM20H转盘吸烟机（Borgwaldt公司）。
1.2 方法
1.2.1 试验卷烟制作
在同一机台，分别采用不同吸阻和长度的滤嘴，同一牌号同一批次的卷烟纸、接装纸、成型纸和烟丝卷制试验卷烟。经测试，所制作的卷烟样品均达到了实验设计要求的精度。
1.2.2 样品抽吸、捕集和测试
将试制卷烟样品按照GB/T 16447-2004在相对湿度（60±2）%、温度（22±1）℃的条件下平衡48h，然后挑选（平均质量±0.02g）卷烟样品作为试验烟支。ISO模式下，用20H型转盘式吸烟机按照GB/T 16450-2004的规定条件抽吸卷烟，调节吸烟机参数，抽吸容量为35±0.3mL，风速为200±30mm/s，抽吸间隔60s，抽吸持续时间2s，用静电捕集管捕集主流烟气中的总粒相物，将装有20mL HNO3溶液（v/v，10%）的吸收瓶连接于静电捕集管和抽吸单元之间捕集气相。每根静电捕集管和每个吸收瓶分别捕集20支卷烟样品的总粒相物和气相物質。深度抽吸模式下，用20H型转盘型吸烟机按照HealthCanadaOfficialMethodT-115《Determinationoftar，nicotineandcarbonmonoxideinmainstreamtobaccosmoke》的规定，采用胶带纸对卷烟试样滤嘴通风孔进行100%封闭，并调节吸烟机抽吸参数，抽吸容量55±0.5mL，风速200±30mm/s，抽吸间隔30s，抽吸持续时间2s。主流烟气中的总粒相物和气相物的捕集方法同ISO模式。按照YC/T 380-2010的测试方法测定卷烟主流烟气粒相物和气相物中Cd和Pb含量[4]。每次抽吸结束后，取下烟蒂，除去烟蒂上残留的烟灰和烟柱，收集滤嘴。滤嘴消解结束后，用超纯水洗涤、转移至30mL塑料容量瓶中，反复洗涤消解罐3～4次，洗涤液一并加入定容、摇匀，得滤嘴待测液。每个样品平行测定3次，同时做试剂空白试验。
1.2.3 滤嘴截留效率 分别测定抽吸前滤嘴中目标元素含量A（以ng/支表示），抽吸后滤嘴中目标元素含量B（以ng/支表示）， 主流烟气粒相和气相中目标元素总含量C（以ng/支表示），由此得出主流烟气目标元素的滤嘴截留量效率（RFE， 100%）：RFE = （B-A）/（B-A+C）×100%。
2 结果与讨论
2.1 滤嘴吸阻对Cd和Pb的截留效率
滤嘴吸阻与抽吸过程中烟支的气流阻力有关，影响烟支的燃烧状态和性能，进而影响烟气中Cd和Pb的释放量和滤嘴的截留效率。我们在不同抽吸模式下，对不同吸阻滤嘴的卷烟样品进行抽吸，分别测定Cd和Pb在主流烟气的释放量和滤嘴的截留量，并計算滤嘴的截留效率。
2.1.1 ISO抽吸模式下滤嘴吸阻对Cd和Pb的截留效率
ISO抽吸模式下，不同吸阻滤嘴卷烟的主流烟气中Cd和Pd的释放量、滤嘴截留量和相应的截留效率如表1所示。
可以看出，在4.0～4.8kPa内，随滤嘴吸阻增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量都呈现略微下降的趋势，分别由122.0ng/支下降至113.5ng/支和由96.4ng/支下降至88.6ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留量都呈现略微上升趋势，分别由64.5ng/支上升至67.6ng/支和由62.0ng/支上升至65.9ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留效率分别由34.6%和39.1%上升至37.4%和42.6%。因此，适当增加滤嘴吸阻，可以降低主流烟气中Cd和Pb的释放量、提高滤嘴对Cd和Pb的截留量和截留效率。
2.1.2 深度抽吸模式下滤嘴吸阻对Cd和Pb的截留效率
深度抽吸模式下，不同吸阻滤嘴卷烟的主流烟气中Cd和Pd的释放量、滤嘴截留量和相应的截留效率如表2所示。
可以看出，相比于ISO模式，主流烟气中Cd和Pb的释放量及滤嘴截留量都有明显升高。在4.0～4.8kPa内，随滤嘴吸阻增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量呈现略微下降的趋势，分别为由301.9ng/支下降至283.0ng/支和由158.9ng/支下降至139.8ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留量和截留效率的变化均没有明显规律。
2.2 滤嘴长度对Cd、Pb的截留效率
滤嘴长度直接影响滤嘴对主流烟气的过滤效果，随着滤嘴长度的增加，主流烟气气溶胶颗粒被滤嘴纤维表面持留或吸附的可能性增强，进而影响滤嘴对Cd和Pb的截留效率。我们对不同长度滤嘴的卷烟样品进行抽吸，分别测定Cd和Pb在主流烟气的释放量和滤嘴的截留量，并计算滤嘴的截留效率。
2.2.1 ISO抽吸模式下滤嘴长度对Cd和Pb的截留效率
ISO抽吸模式下，不同长度滤嘴卷烟的主流烟气中Cd和Pd的释放量、滤嘴截留量和相应的截留效率如表3所示。
可以看出，在20～30mm内，随滤嘴长度增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量都呈现下降的趋势，分别由188.3ng/支下降至152.5ng/支和由68.5ng/支下降至48.0ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留量都呈现上升的趋势，分别由54.9ng/支上升至66.7ng/支和由31.0ng/支上升至38.0ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留效率分别由22.6%和31.1%上升至30.4%和44.2%。因此，适当增加滤嘴长度，可以降低主流烟气中Cd和Pb的释放量、提高滤嘴对Cd和Pb的截留量和截留效率。
2.2.2 深度抽吸模式下滤嘴长度对Cd和Pb的截留效率
深度抽吸模式下，不同长度滤嘴卷烟的主流烟气中Cd和Pd的释放量、滤嘴截留量和相应的截留效率如表4所示。
可以看出，在深度抽吸模式下，主流烟气中Cd和Pb的释放量、滤嘴截留量和截留效率随滤嘴长度的变化规律同ISO抽吸模式下的变化规律一致。具体是在20～30mm内，随滤嘴长度增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量都呈现下降的趋势，分别为由359.6ng/支下降至258.2ng/支和由87.2 ng/支下降至70.0ng/支;Cd和Pb的滤嘴截留量都呈现上升的趋势，分别为由133.2ng/支上升至149.1ng/支和由48.2 ng/支上升至53.5ng/支。Cd和Pb的滤嘴截留效率都呈现不断上升的趋势，分别为由27.0%和35.6%上升至34.3%和43.3%。因此，适当增加滤嘴长度，可以降低主流烟气中Cd和Pb的释放量，提高滤嘴对Cd和Pb的截留效率。
3 结语
ISO抽吸模式下，随着滤嘴吸阻的增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量和滤嘴截留量分别呈现下降和上升的趋势，滤嘴截留效率也呈现上升的趋势。两种抽吸模式下，随着滤嘴长度的增加，主流烟气中Cd和Pb的释放量和滤嘴截留量分别都呈现下降和上升的趋势，滤嘴截留效率也都呈现上升的趋势。因此，适当增加滤嘴长度，可在一定程度上提高滤嘴对主流烟气中Cd和Pb的截留效率，降低卷烟的危害性。
参考文献
[1] Food and Drug Administration.Federal Register [J]. 2013，77（64）： 20034-20037.
[2] 刘秀彩，徐建荣，余玉梅，等.卷烟主流烟气中As、Cd、Pb 的滤嘴截留效率测定[J].中国烟草学报，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] 全国烟草标准化技术委员会.YC/T 379-2010卷烟主流烟气中铬、镍、砷、硒、镉、铅的测定电感耦合等离子体质谱法[S].北京：中国标准出版社，2011.
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