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。結果表明：（1）在4.0～4.8kPa范圍內，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下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率呈現上升的趨勢;深度抽吸模式下主流煙氣Cd和Pb的釋放量呈現下降的趨勢，而濾嘴截留量和截留效率的變化規律不明顯。（2）在20～30mm范圍內，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下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也都呈現上升的趨勢。因此，適當增加濾嘴長度，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。

關鍵詞：濾嘴? 主流煙氣? 截留效率? Cd? Pb

中圖分類號：TS452? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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入人體并在體內蓄積，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]。除了濾嘴材質之外，抽吸行為、濾嘴的吸阻和長度等參數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計提供參考。

1? 材料與方法

1.1 材料和儀器

濾嘴吸阻和長度參數變化按照單因素變化設計，每個參數均設計3個變化水平。通過調控卷煙材料參數、煙絲填充值和梗絲質量等參數控制卷煙吸阻。綜合考慮市售卷煙的吸阻分布范圍和實際加工精度控制水平，設計了不同濾嘴吸阻的卷煙樣品，分別編號為A1、A2和A3，對應的濾嘴吸阻分別為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，對應的濾嘴長度分別為20mm、24mm和30mm。

濃硝酸（65%質量分數）、過氧化氫（30%質量分數）、甲醇、硝酸（10%，v/v）均購于默克公司。實驗中使用的超純水（18.2MΩ·cm）由Milli-Q公司超純水機制備。Cd和Pb環境混合標準樣品（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轉盤吸煙機（Borgwaldt公司）。

1.2 方法

1.2.1 試驗卷煙制作

在同一機臺，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卷煙。經測試，所制作的卷煙樣品均達到了實驗設計要求的精度。

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（平均質量±0.02g）卷煙樣品作為試驗煙支。ISO模式下，用20H型轉盤式吸煙機按照GB/T 16450-2004的規定條件抽吸卷煙，調節吸煙機參數，抽吸容量為35±0.3mL，風速為200±30mm/s，抽吸間隔60s，抽吸持續時間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吸收瓶分別捕集20支卷煙樣品的總粒相物和氣相物質。深度抽吸模式下，用20H型轉盤型吸煙機按照HealthCanadaOfficialMethodT-115《Determinationoftar，nicotineandcarbonmonoxideinmainstreamtobaccosmoke》的規定，采用膠帶紙對卷煙試樣濾嘴通風孔進行100%封閉，并調節吸煙機抽吸參數，抽吸容量55±0.5mL，風速200±30mm/s，抽吸間隔30s，抽吸持續時間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。濾嘴消解結束后，用超純水洗滌、轉移至30mL塑料容量瓶中，反復洗滌消解罐3～4次，洗滌液一并加入定容、搖勻，得濾嘴待測液。每個樣品平行測定3次，同時做試劑空白試驗。

1.2.3 濾嘴截留效率

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

2? 結果與討論

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，影響煙支的燃燒狀態和性能，進而影響煙氣中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、濾嘴截留量和相應的截留效率如表1所示。

可以看出，在4.0～4.8kPa內，隨濾嘴吸阻增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現略微下降的趨勢，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，隨濾嘴吸阻增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量呈現略微下降的趨勢，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，進而影響濾嘴對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、濾嘴截留量和相應的截留效率如表3所示。

可以看出，在20～30mm內，隨濾嘴長度增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現下降的趨勢，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律同ISO抽吸模式下的變化規律一致。具體是在20～30mm內，隨濾嘴長度增加，主流煙氣中Cd和Pb的釋放量都呈現下降的趨勢，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下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也呈現上升的趨勢。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下降和上升的趨勢，濾嘴截留效率也都呈現上升的趨勢。因此，適當增加濾嘴長度，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

[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].中國煙草學報，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] 全國煙草標準化技術委員會.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譜法[S].北京：中國標準出版社，2011.