加熱卷煙氣溶膠陳化特性的雙模態(tài)粒徑分布及動(dòng)力學(xué)特性

韓咚林，劉 鍇，梁 坤，湯 磊，史健陽(yáng)，馬道洋，張嘉燁，王學(xué)斌，胡中發(fā)，黃玉川*

1.四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，成都市錦江區(qū)成龍大道一段56號(hào) 610066

2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱能工程系，西安市碑林區(qū)咸寧西路28號(hào) 710049

3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院熱能工程研究所，上海市閔行區(qū)東川路800號(hào) 200240

隨著消費(fèi)者對(duì)吸煙與健康問(wèn)題的日益關(guān)注及公共場(chǎng)所禁煙令實(shí)施范圍的逐步擴(kuò)大，以加熱卷煙為代表的新型煙草制品快速發(fā)展并受到消費(fèi)者的青睞［1-2］。然而，關(guān)于加熱卷煙的研究尚處于起步階段［3-4］，開(kāi)展氣溶膠的基礎(chǔ)理論研究對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)和優(yōu)化具有重要意義。目前，針對(duì)加熱卷煙的研究大多集中在氣溶膠中有害物質(zhì)釋放特性和毒理分析方面。Gonzalez-Suarez 等［5］研究發(fā)現(xiàn)加熱卷煙氣溶膠中有害成分的釋放量較低。另有研究［6-7］表明，Eclipse 的煙氣中致癌物質(zhì)的釋放量比傳統(tǒng)卷煙減少80%，降低了煙草制品對(duì)人體的危害。楊繼等［8］通過(guò)對(duì)加熱卷煙產(chǎn)香材料的熱分析研究表明，在350 ℃時(shí)氣溶膠中的主要檢出物為甘油、丙二醇和煙堿。龔淑果等［9］發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)卷煙，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠中組分的種類也有所下降。可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究均表明加熱卷煙相比于傳統(tǒng)卷煙對(duì)人體危害更小［10-11］。

然而，現(xiàn)有研究對(duì)加熱卷煙氣溶膠的陳化特性關(guān)注不多。氣溶膠粒徑的測(cè)量條件對(duì)測(cè)定結(jié)果影響很大［12-13］；并且在煙氣氣溶膠的收集過(guò)程中，顆粒間的碰撞和凝聚作用影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性［14-15］。目前研究氣溶膠的常用方法主要有顯微鏡觀察法［16］、光散射法［17］和慣性沖擊法［18］等。為了更好地展示出氣溶膠顆粒的粒徑分布特性，利用電子低壓撞擊器（Electrical low-pressure impactor，ELPI）和快速粒徑譜儀進(jìn)行氣溶膠的粒徑分布及濃度測(cè)定更為準(zhǔn)確［19］。司曉喜等［20］在加熱卷煙氣溶膠的測(cè)定中，使用快速粒徑譜儀和模擬循環(huán)吸煙機(jī)，研究了加熱卷煙產(chǎn)生煙氣最初始的氣溶膠理化特性。在實(shí)際抽煙過(guò)程中，氣溶膠顆粒間的碰撞和凝聚是不可避免的，因此本研究中擬針對(duì)經(jīng)歷一定程度上的碰撞和凝聚后的氣溶膠（稱為陳化氣溶膠）進(jìn)行研究分析。除此之外，此前幾乎所有的關(guān)于氣溶膠的特性研究集中在實(shí)驗(yàn)測(cè)定方面，而相關(guān)機(jī)制的研究分析并不多見(jiàn)。為此，利用ELPI 研究了加熱卷煙陳化氣溶膠的特性，并與傳統(tǒng)卷煙進(jìn)行對(duì)比，分析了抽吸間隔時(shí)間、單口抽吸容量和持續(xù)加熱時(shí)間對(duì)加熱卷煙氣溶膠特性的影響，然后采用簡(jiǎn)化后的氣溶膠模型解釋了加熱卷煙形成雙模態(tài)粒徑分布的機(jī)理，旨在為人體實(shí)際抽吸過(guò)程及加熱器具抽吸模式的選擇提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并為后續(xù)陳化氣溶膠動(dòng)力學(xué)特性的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑和儀器

中心針式加熱器具［由四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱四川中煙）提供］。所用煙支包括加熱卷煙（四川中煙“寬窄”EVO 原味濃）、傳統(tǒng)卷煙（四川中煙“嬌子藍(lán)”）。單通道加熱卷煙吸煙機(jī)（英國(guó)Borgwardt K C 公司）；DI-1000 煙氣稀釋器（芬蘭Dekati 公司）。由加熱卷煙吸煙機(jī)進(jìn)行單通道主流煙氣輸送，其中可調(diào)因素包括單支抽吸口數(shù)、抽吸間隔時(shí)間、逐口抽吸容量和單次抽吸時(shí)間等，針對(duì)抽吸間隔、逐口抽吸容量和持續(xù)加熱時(shí)間等因素對(duì)加熱卷煙煙氣中陳化氣溶膠釋放特性的影響進(jìn)行研究，具體抽吸參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加熱卷煙抽吸參數(shù)工況Tab.1 Working conditions and puffing parameters of heated tobacco products

主流煙氣從吸煙機(jī)釋放后，立即由4 L/min 的氮?dú)膺M(jìn)行淬冷稀釋，為了防止煙氣中氣溶膠團(tuán)聚及沉積，進(jìn)一步利用稀釋器進(jìn)行二次稀釋，總稀釋比為640 ∶1。經(jīng)稀釋后的煙氣進(jìn)入ELPI 并將顆粒在粒徑0.007～9.970 μm 范圍內(nèi)分為13 級(jí)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)記錄煙氣中氣溶膠粒數(shù)濃度及粒徑分布。

1.2 方法

“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z陳化動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建過(guò)程及方法如下：加熱卷煙抽吸過(guò)程產(chǎn)生的煙氣主要是由水蒸氣和甘油組成［21-22］，隨煙氣溫度逐漸降低，煙氣中水蒸氣和甘油蒸汽經(jīng)均相成核、冷凝沉積及團(tuán)聚等形成氣溶膠，這是加熱卷煙氣溶膠的主要形成機(jī)理，也是加熱卷煙有別于傳統(tǒng)卷煙無(wú)甘油蒸汽成核的主要特征。該過(guò)程可以通過(guò)氣溶膠通用動(dòng)力學(xué)方程［公式（1）］描述，主要包括均相成核、凝并團(tuán)聚及氣溶膠冷凝/蒸發(fā)等過(guò)程［23］。目前對(duì)于氣溶膠通用動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值求解方法主要包括節(jié)點(diǎn)法［24］、矩方法［25］、蒙特卡洛方法［26］及泰勒展開(kāi)法［27］等方法。本研究中采用節(jié)點(diǎn)法對(duì)氣溶膠通用動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，將氣溶膠顆粒在整個(gè)粒徑范圍（0.1～10 000 nm）進(jìn)行離散化。

式中，v 為氣溶膠體積，m3；n 為體積為v 的氣溶膠的粒數(shù)濃度，個(gè)/m3；t 為時(shí)間，s。

1.2.1 均相成核

隨煙氣溫度逐漸降低，煙氣中水蒸氣或甘油蒸汽在飽和度S≥1.0 時(shí)均相成核并形成臨界直徑為dp*的初始納米顆粒。根據(jù)經(jīng)典成核理論［28-29］，均相成核速率J 可以由公式（2）獲得：

式中，C*為煙氣中水蒸氣或甘油蒸汽分子與形成的初始?xì)馊苣z碰撞速率，s-1；Z 為Zeldovich 非平衡因子；Ne（q*）為平衡時(shí)煙氣中初始納米氣溶膠的粒數(shù)濃度，個(gè)/m3。

因此，煙氣中因均相成核引起的氣溶膠的粒數(shù)濃度變化可以由公式（3）獲得：

式中，δ為狄拉克函數(shù)；v*為初始形成的納米顆粒物的體積，m3。

1.2.2 異相成核

一旦煙氣中初始納米氣溶膠形成后，氣溶膠將進(jìn)一步通過(guò)異相冷凝沉積長(zhǎng)大，氣溶膠表面上單位時(shí)間冷凝沉積的水蒸氣或甘油蒸汽分子體積可根據(jù)公式（4）［30］計(jì)算。

式中，i 表示水蒸氣或甘油蒸汽；dp為顆粒粒徑，m；Di為煙氣中組分i 的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；FD（KnDi）為修正系數(shù)；ρi為組分i 的密度，kg/m3；pi為煙氣中組分i 的分壓，Pa；pis*為顆粒表面組分i 的飽和蒸氣壓，Pa。

1.2.3 凝并團(tuán)聚

當(dāng)煙氣中存在一定數(shù)量的氣溶膠時(shí)，氣溶膠之間會(huì)在布朗作用下相互碰撞并經(jīng)凝并團(tuán)聚形成一個(gè)更大的新的氣溶膠，降低煙氣中氣溶膠濃度。而煙氣中因氣溶膠之間碰撞凝并導(dǎo)致的顆粒物濃度的變化可以由公式（5）獲得［30］：

式中，β為體積分別為v 和v 的兩個(gè)顆粒的碰撞系數(shù)，m3/s。

1.2.4 計(jì)算流程

圖1 為氣溶膠形成及演化的模擬計(jì)算詳細(xì)流程。計(jì)算過(guò)程中，首先確定加熱卷煙產(chǎn)生的煙氣中初始水蒸氣、甘油蒸汽濃度及溫度分布；然后判斷煙氣中水蒸氣或甘油蒸汽飽和度是否大于1，如果飽和度大于1 則開(kāi)始后續(xù)的均相成核、氣溶膠間團(tuán)聚及表面冷凝沉積等計(jì)算，獲得此時(shí)煙氣中氣溶膠的粒數(shù)濃度并更新煙氣中水蒸氣或甘油蒸汽濃度；最后進(jìn)行時(shí)間累加，如果達(dá)到指定時(shí)間則完成整個(gè)計(jì)算，反之則返回繼續(xù)計(jì)算直至達(dá)到指定時(shí)間。

圖1 氣溶膠演化計(jì)算流程Fig.1 Calculation flowchart of an aerosol evolution model

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱卷煙陳化氣溶膠的雙模態(tài)分布特性

首先在工況1#的抽吸模式下，對(duì)比加熱卷煙與傳統(tǒng)卷煙燃燒過(guò)程中陳化氣溶膠的釋放特性，結(jié)果如圖2 所示。傳統(tǒng)卷煙燃燒產(chǎn)生氣溶膠的粒徑分布為肩峰圖，這是由傳統(tǒng)卷煙本身的氣溶膠特性決定的［13］。然而，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒徑分布為雙峰圖（如圖2b 所示），峰值處粒徑分別約為0.15 和0.40 μm。這可能是在初始生成的氣溶膠中存在兩種物性差異顯著的主體組分，加熱揮發(fā)后再冷凝成為氣溶膠的主體，進(jìn)而體現(xiàn)出一定的雙模態(tài)特性。

圖2 傳統(tǒng)卷煙和加熱卷煙逐口氣溶膠的粒徑分布Fig.2 Puff-by-puff particle size distributions of aerosols from traditional cigarettes and heated tobacco products

進(jìn)一步對(duì)比加熱卷煙和傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)生的逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度和平均粒徑，結(jié)果如圖3 所示。由圖3a 可知，除第1 口外，整體上，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度隨抽吸口數(shù)的增加先增加，而后由于加熱停止，氣溶膠的粒數(shù)濃度逐漸減小，該氣溶膠釋放特性表明在加熱時(shí)間內(nèi)加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠濃度不會(huì)衰減，保證了抽吸口感；而傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度整體上隨抽吸口數(shù)的增加先增加后趨于穩(wěn)定。此外，加熱卷煙與傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度數(shù)量級(jí)相同，從側(cè)面反映出加熱卷煙在加熱溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)卷煙的情況下，煙霧量依然可以得到保證。由圖3b 可知，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑在前3 口雖有所波動(dòng)，但整體上較為穩(wěn)定，約為0.15 μm；而傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)生的氣溶膠平均粒徑在前5 口時(shí)隨抽吸口數(shù)序號(hào)的增大而增大，隨后基本維持為0.40 μm，是加熱卷煙產(chǎn)生氣溶膠平均粒徑的3 倍左右。

圖3 加熱卷煙與傳統(tǒng)卷煙的逐口氣溶膠粒數(shù)濃度和平均粒徑Fig.3 Puff-by-puff particle number concentrations（a）and average particle sizes（b）of aerosols from heated tobacco products and traditional cigarettes

2.2 抽吸特性對(duì)加熱卷煙陳化氣溶膠特性的影響

2.2.1 不同抽吸模式的影響

在實(shí)際抽吸過(guò)程中，部分消費(fèi)者會(huì)采用小口快頻率抽吸，而還有部分消費(fèi)者則習(xí)慣單口大容量抽吸，并間隔較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行下一口抽吸，因此有必要進(jìn)一步研究抽吸模式對(duì)加熱卷煙氣溶膠釋放特性的影響。工況1#和2#分別模擬了消費(fèi)者的兩種抽吸習(xí)慣。然而，由于第1 口煙氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受加熱器具啟動(dòng)及環(huán)境因素影響較大，因此在分析整體趨勢(shì)時(shí)以第2 口抽吸作為起點(diǎn)。

在工況2#的大口抽吸模式下，加熱卷煙煙氣釋放過(guò)程中陳化氣溶膠的粒徑分布如圖4 所示。可見(jiàn)，除第1 口外，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠粒徑分布由雙峰圖轉(zhuǎn)為肩峰圖，即第一個(gè)濃度峰值逐漸消失，且不同抽吸口數(shù)下陳化氣溶膠的粒數(shù)濃度峰值處粒徑基本維持不變，約為0.31 μm。在工況1#的抽吸模式下，其中第1口抽吸時(shí)僅在約0.12 μm 時(shí)存在峰值，而在隨后的第2 口抽吸時(shí)在0.12 和0.31 μm 均存在峰值。

圖4 加熱卷煙氣溶膠在工況2#條件下的粒徑分布Fig.4 Particle size distributions of aerosols from heated tobacco products at working condition No.2#

進(jìn)一步對(duì)比兩種抽吸模式下（工況1#和2#）加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度和平均粒徑。由圖5a 可知，在工況1#的小口抽吸模式下，相比于前6 口，之后產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度大幅度下降；而在工況2#的大口抽吸模式下，在第5 口時(shí)氣溶膠的粒數(shù)濃度顯著降低并在第7 口基本為0。這主要是加熱器具本身停止加熱后煙絲中內(nèi)源性和外源性成分不再釋放導(dǎo)致的［31］，可見(jiàn)加熱卷煙及配套器具的整體工作時(shí)長(zhǎng)有待進(jìn)一步提升。在工況1#的小口抽吸模式下逐口加熱卷煙氣溶膠的粒數(shù)濃度約為1.5×108～2.0×108個(gè)/cm3，整根加熱卷煙產(chǎn)生氣溶膠的粒數(shù)總濃度為1.3×109個(gè)/cm3；而在工況2#的大口抽吸模式下逐口加熱卷煙氣溶膠的粒數(shù)濃度約為3.5×108～4.5×108個(gè)/cm3，整根卷煙產(chǎn)生氣溶膠的粒數(shù)總濃度約為1.7×109個(gè)/cm3，是工況1#的小口抽吸模式下的1.3 倍。由圖5b 可知，工況2#的前6 口氣溶膠平均粒徑總體上略大于工況1#，但差距并不顯著。

2.2.2 抽吸間隔時(shí)間的影響

由于小容量抽吸（工況1#）和大容量抽吸（工況2#）兩種模式對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中氣溶膠釋放特性具有顯著的影響（如圖4 和圖5 所示），但無(wú)法分離出抽吸間隔和單口抽吸容量的影響機(jī)制。因此，在保證抽吸口數(shù)、單口抽吸容量和加熱時(shí)間一致的條件下，將抽吸間隔降低至工況2#的一半（工況5#）開(kāi)展氣溶膠釋放特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6 所示。可知，每口氣溶膠的粒徑分布為雙峰圖，均呈雙模態(tài)特性，峰值處粒徑分別約為0.12 和0.31 μm。

圖5 工況1#和工況2#時(shí)加熱卷煙的逐口氣溶膠濃度（a）和平均粒徑（b）Fig.5 Puff-by-puff concentrations（a）and average particle sizes（b）of aerosols from heated tobacco products at working conditions No.1# and No.2#

圖6 加熱卷煙氣溶膠在工況5#時(shí)的粒徑分布Fig.6 Particle size distributions of aerosols from heated tobacco products at working condition No.5#

對(duì)比圖4 和圖6 發(fā)現(xiàn)，在抽吸間隔30 s（工況5#）和抽吸間隔60 s（工況2#）兩種條件下，加熱卷煙抽吸時(shí)產(chǎn)生的氣溶膠釋放特性無(wú)明顯差異。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)比兩種條件下氣溶膠粒數(shù)濃度和平均粒徑（圖7）。當(dāng)抽吸間隔時(shí)間為30 s 時(shí)，逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度基本不變，約為2.0×108～3.0×108個(gè)/cm3；然而當(dāng)抽吸間隔時(shí)間為60 s 時(shí)，前4口氣溶膠的粒數(shù)濃度約為3.5×108～4.5×108個(gè)/cm3，第5 口和第6 口氣溶膠的粒數(shù)濃度大幅度降低。這是由于在較長(zhǎng)抽吸間隔內(nèi)，器具始終處于加熱狀態(tài)，加熱卷煙逐口受熱時(shí)間增加，導(dǎo)致卷煙初期釋放的成分增加，繼而使前幾口氣溶膠釋放量增大，后期由于煙絲氣溶膠釋放量減少并且已停止加熱，致使氣溶膠釋放量降低。但是整支卷煙產(chǎn)生氣溶膠的粒數(shù)總濃度與抽吸間隔60 s 時(shí)的相近，均為1.7×109個(gè)/cm3。通過(guò)對(duì)抽吸間隔和氣溶膠平均粒徑進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)，當(dāng)抽吸間隔分別為60 和30 s 時(shí)，理論上，不同口數(shù)的氣溶膠平均粒徑均值分別為0.200 7 和0.198 2 μm，且顯著性值為0.843；并根據(jù)圖7b 所示，可認(rèn)為兩種抽吸間隔的氣溶膠平均粒徑?jīng)]有顯著差異。

圖7 工況2#和5#時(shí)加熱卷煙的逐口氣溶膠濃度（a）和平均粒徑（b）Fig.7 Puff-by-puff concentrations（a）and average particle sizes（b）of aerosols from heated tobacco products at working conditions No.2# and No.5#

2.2.3 抽吸容量的影響

圖8a 和圖8b 為單口容量分別為35 mL（工況3#）和45 mL（工況4#）時(shí)加熱卷煙逐口氣溶膠粒徑的分布特性。對(duì)比圖6 和圖8 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單口抽吸容量為35 mL 時(shí)，加熱卷煙產(chǎn)生氣溶膠的雙模態(tài)特性最為明顯，當(dāng)單口抽吸容量增大至45和55 mL 時(shí)，第一個(gè)峰逐漸消失，而第二個(gè)峰逐漸增強(qiáng)。這可能是由于單口抽吸容量變大時(shí)造成煙氣中氣溶膠釋放量增加，促使煙氣中氣溶膠顆粒間的碰撞加劇形成較大顆粒。然而，單口抽吸容量的變化對(duì)峰值處粒徑?jīng)]有顯著影響，其中較大粒徑（約0.31 μm）的氣溶膠占主體地位，而較小粒徑（約0.12 μm）的氣溶膠變化較為劇烈，在陳化氣溶膠特性的影響因素中占次要地位。

圖8 加熱卷煙氣溶膠在工況3#和4#時(shí)的粒徑分布Fig.8 Particle size distributions of aerosols from heated tobacco products at working conditions No.3# and No.4#

圖9 為不同單口抽吸容量下加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度和平均粒徑。由圖9a 可知，當(dāng)單口抽吸容量為35 mL 時(shí)，逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度約為1.5×108～2.0×108個(gè)/cm3，整支加熱卷煙產(chǎn)生氣溶膠的粒數(shù)總濃度為1.1×109個(gè)/cm3；當(dāng)單口抽吸容量增加至45 和55 mL 時(shí)，逐口加熱卷煙產(chǎn)生氣溶膠的粒數(shù)濃度增大，約為2.0×108～3.0×108個(gè)/cm3；對(duì)于整支加熱卷煙在同一加熱時(shí)間產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)總濃度，單口抽吸容量為45 和55 mL 時(shí)，粒數(shù)總濃度均約為1.7×109個(gè)/cm3，隨單口抽吸容量的增加，整支卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)總濃度增幅逐漸減緩，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)單口抽吸容量為35 mL 時(shí)，其氣溶膠的粒數(shù)濃度明顯低于后兩者，這表明在實(shí)際抽吸過(guò)程中，小口抽吸會(huì)減少氣溶膠的量；但過(guò)大口的抽吸也不會(huì)顯著增加氣溶膠的量，抽吸時(shí)反而更費(fèi)力。因此，存在最優(yōu)單口抽吸量。由圖9b 可知，在前2 口的對(duì)比中，單口抽吸容量為35 mL 時(shí)氣溶膠的平均粒徑小于后兩者，結(jié)合對(duì)應(yīng)的氣溶膠的粒數(shù)濃度，造成這種現(xiàn)象的原因主要是當(dāng)氣溶膠的粒數(shù)濃度較低時(shí)，其團(tuán)聚作用不明顯，氣溶膠的平均粒徑偏少；除第1 口外，氣溶膠平均粒徑為0.15～0.25 μm。

圖9 在工況3#、4#和5#時(shí)加熱卷煙的逐口氣溶膠濃度（a）和平均粒徑（b）Fig.9 Puff-by-puff concentrations（a）and average particle sizes（b）of aerosols from heated tobacco products at working conditions No.3#，No.4# and No.5#

2.2.4 持續(xù)加熱時(shí)間的影響

通過(guò)對(duì)抽吸間隔時(shí)間的分析可以發(fā)現(xiàn)，抽吸間隔為30 s 時(shí)第6 口氣溶膠的粒數(shù)濃度并無(wú)衰減，說(shuō)明在器具加熱的整個(gè)過(guò)程中，均有穩(wěn)定的氣溶膠產(chǎn)生，因此進(jìn)一步研究了加熱時(shí)間延長(zhǎng)后加熱卷煙抽吸過(guò)程中的氣溶膠釋放特性。圖10 是加熱時(shí)間為400 s 時(shí)（工況6#）逐口氣溶膠的粒徑分布。對(duì)比圖4 和圖10 所示兩種加熱時(shí)間的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與加熱時(shí)間200 s（工況2#）相比，加熱時(shí)間為400 s 時(shí)最大的不同為第5 口和第6 口氣溶膠的粒徑分布沒(méi)有衰減，且峰值處粒徑也沒(méi)有發(fā)生變化。圖11 為兩種加熱時(shí)間下加熱卷煙逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度和平均粒徑。對(duì)于工況2#和6#的前4 口來(lái)說(shuō)，理論上來(lái)講其逐口氣溶膠濃度與平均粒徑無(wú)明顯差異；但從數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)上，工況2#時(shí)所測(cè)工況逐口氣溶膠的粒數(shù)濃度均值為4.0×108個(gè)/cm3，工況6#時(shí)則為4.8×108個(gè)/cm3，其測(cè)量誤差在20%左右；對(duì)于逐口氣溶膠平均粒徑來(lái)說(shuō)，其顯著值（雙側(cè)）為0.660，可認(rèn)為兩個(gè)工況下的氣溶膠平均粒徑無(wú)明顯差異。由圖11a 可知，當(dāng)加熱時(shí)間延長(zhǎng)至400 s 后，逐口的氣溶膠粒數(shù)濃度并未衰減，而是以穩(wěn)定的氣溶膠釋放量持續(xù)釋放。由圖11b 可知，抽吸全過(guò)程中氣溶膠平均粒徑均無(wú)明顯變化。對(duì)不同加熱時(shí)間的氣溶膠平均粒徑進(jìn)行獨(dú)立性檢驗(yàn)，將加熱時(shí)間作為分組變量，其顯著值為0.255，即加熱時(shí)間對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中逐口氣溶膠平均粒徑?jīng)]有顯著影響，其平均粒徑范圍為0.15～0.25 μm。

圖10 加熱卷煙氣溶膠在工況6#時(shí)的粒徑分布Fig.10 Particle size distributions of aerosols from heated tobacco products at working condition No.6#

圖11 工況2#和工況6#時(shí)加熱卷煙的逐口氣溶膠濃度（a）和平均粒徑（b）Fig.11 Puff-by-puff concentrations（a）and average particle sizes（b）of aerosols from heated tobacco products at working conditions No.2# and No.6#

可見(jiàn)，目前器具在200 s 的加熱時(shí)間內(nèi)，加熱卷煙未被充分抽吸。而對(duì)于IQOS 加熱器具來(lái)說(shuō)，其加熱時(shí)間可達(dá)360 s，可以更為有效地抽吸煙支［9］。因此，對(duì)于加熱時(shí)間的設(shè)定，建議根據(jù)所配煙支的氣溶膠粒數(shù)濃度的逐口穩(wěn)定性選擇最優(yōu)持續(xù)加熱時(shí)間。

2.3 加熱卷煙抽吸過(guò)程中“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z演化的動(dòng)力學(xué)分析

考慮到加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠主要是由水蒸氣和甘油組成［21-22］，為了揭示加熱卷煙抽吸過(guò)程中氣溶膠的形成機(jī)制，進(jìn)一步利用簡(jiǎn)化氣溶膠模型研究了陳化時(shí)間和氣溶膠成分（水蒸氣和甘油蒸汽）對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中氣溶膠演化特性的影響。圖12 為氣溶膠中甘油蒸汽和水蒸氣濃度分別為88 和7 400 mL/m3時(shí)且在降溫速率200 K/s下陳化時(shí)間對(duì)氣溶膠粒徑分布的影響。由圖12可以看出，不同陳化時(shí)間下加熱卷煙抽吸過(guò)程中“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z粒徑均呈雙峰分布，其峰值處粒徑在陳化時(shí)間為1 s 時(shí)分別約為0.02 和0.40 μm，并隨陳化時(shí)間的延長(zhǎng)均向大粒徑方向偏移，在陳化時(shí)間為20 s 時(shí)峰值處粒徑分別增大至約0.19 和1.00 μm。而吸煙機(jī)從產(chǎn)生煙氣到取樣點(diǎn)所耗時(shí)間為3～5 s，氣溶膠粒徑分布呈雙模態(tài)，且峰值處粒徑分別約為0.12 和0.31 μm，與陳化時(shí)間5 s 時(shí)的模擬結(jié)果類似，佐證了簡(jiǎn)化氣溶膠模型的準(zhǔn)確和合理性。此外，隨陳化時(shí)間的延長(zhǎng)，煙氣中氣溶膠數(shù)目總濃度顯著降低。這主要是由于延長(zhǎng)陳化時(shí)間促進(jìn)了氣溶膠間凝并團(tuán)聚，使氣溶膠顆粒粒徑增大，但數(shù)目濃度卻降低。

圖12 陳化時(shí)間對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z粒徑分布的影響Fig.12 Effects of aging time on particle size distribution of“vapor-glycerol”binary aerosols from heated tobacco products during puffing

圖13 為陳化時(shí)間為5 s 時(shí)甘油蒸汽濃度對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z粒徑分布的影響。可知，不同甘油蒸汽濃度條件下煙氣中氣溶膠的粒徑分布圖均為雙峰圖，其中第一個(gè)峰值處粒徑及其峰值處濃度均隨甘油蒸汽濃度的升高而增大，并由44 mL/m3時(shí)的0.08 μm 增加至132 mL/m3時(shí)的0.13 μm，但第二個(gè)峰值處粒徑卻基本維持不變。此外，氣溶膠中甘油釋放量則隨粒徑變化呈三段式分布，且氣溶膠中甘油釋放量總體上隨煙氣中甘油蒸汽濃度的增加而升高。在加熱卷煙的實(shí)際抽吸過(guò)程中，由于抽吸時(shí)間的變化，煙氣成分也會(huì)有所改變，其中逐口抽吸的第一口產(chǎn)生的煙氣中甘油釋放量相對(duì)較低但水分相對(duì)較高，感官體驗(yàn)較差，此時(shí)氣溶膠粒徑分布幾乎呈肩峰（圖10），這與甘油濃度降低時(shí)第一個(gè)峰值處粒徑及其峰值處濃度逐漸降低基本吻合。當(dāng)逐口抽吸到第三口后，加熱卷煙產(chǎn)生的煙氣中甘油釋放量有所增加，此時(shí)氣溶膠的粒徑分布為雙峰圖，呈雙模態(tài)特性，與圖13 所示的結(jié)果類似。

圖13 陳化時(shí)間為5 s 時(shí)甘油蒸汽濃度對(duì)加熱卷煙抽吸過(guò)程中“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z粒徑分布的影響Fig.13 Effect of glycerol concentration on particle size distribution of“vapor-glycerol”binary aerosols from heated tobacco products at aging time of 5 s

3 結(jié)論

（1）加熱卷煙陳化氣溶膠在粒徑范圍為0.01～1.00 μm 時(shí)呈雙模態(tài)粒徑分布，其峰值分別約為0.15 和0.40 μm。在標(biāo)準(zhǔn)加熱時(shí)間內(nèi)，加熱卷煙產(chǎn)生的氣溶膠的粒數(shù)濃度范圍在1.3×109～1.7×109個(gè)/cm3之間，氣溶膠平均粒徑處于0.15～0.25 μm 范圍。（2）單口抽吸容量對(duì)陳化氣溶膠的雙模態(tài)粒徑分布影響較大，隨單口抽吸容量的增加，雙峰圖會(huì)逐漸向肩峰圖轉(zhuǎn)變；抽吸間隔與持續(xù)加熱時(shí)間對(duì)雙模態(tài)影響不顯著。三者對(duì)氣溶膠平均粒徑均影響不大。（3）理論計(jì)算結(jié)果表明，加熱卷煙的“水蒸氣-甘油”二元?dú)馊苣z為雙模態(tài)粒徑分布，陳化時(shí)間的延長(zhǎng)使粒徑分布顯著地向大粒徑方向偏移，甘油濃度的增加對(duì)第二個(gè)峰值的影響不顯著，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

致謝

本研究工作得到了四川省新型煙草制品工程技術(shù)研究中心及卷煙減害降焦四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。