過濾介質對艾條燃燒過程有機物組成及分布的影響

【摘 要】 艾草具有重要的藥用價值，并在醫藥領域應用廣泛。然而，艾草燃燒過程中會釋放各種小分子有機物，從而對周圍的人群產生潛在的健康影響。本研究分別選用活性炭、活性氧化鋁、4A分子篩和石英砂4種不同類型的多孔材料作為過濾介質對艾草燃燒過程釋放的煙氣進行吸附凈化，并對過濾前后的煙氣進行有機溶劑洗滌，利用氣相色譜質譜聯用儀對其有機物的組成與分布進行了檢測分析。結果表明，4種過濾介質均能有效減少艾草燃燒煙氣中的有機物含量，對煙氣中可凝性有機物脫除率分別為82.29%、70.83%、88.63%和77.83%，尤其是苯系物的含量大幅降低，從而有望降低艾草燃燒煙氣對周圍環境的污染。

【關鍵詞】 艾條；燃燒；過濾介質；煙氣組分；有機物

【中圖分類號】R284.1

【文獻標志碼】 A 【文章編號】1007-8517（2024）20-0030-08

DOI：10.3969/j.issn.1007-8517.2024.20.zgmzmjyyzz202420008

The Effect of Filter Media on the Composition and Distribution of Organic Matter in the Combustion Process of Moxa Stick

TANG Chunlan1 XU Chuanglong1* SHE Hui2 LYU Peng2*

1.Ningxia Hui Autonomous Region Traditional Chinese Medicine Hospital and Research Institute，Yinchuan 750021，China

2.State Key Laboratory of High-efficiency Utilization of Coal and Green Chemical Engineering Ningxia University School of Chemistry and Chemical Engineering，Yinchuan 750021，China

Abstract：Artemisia argyi has important medicinal value and is widely used in the pharmaceutical field.However，during the combustion process of mugwort，various small molecule organic compounds are released，which can have potential health impacts on the surrounding population.In this study，four different porous materials，activated carbon，activated alumina，4A molecular sieve，and quartz sand，were used as filtration media to filter the smoke released during the combustion process of mugwort.The smoke before and after filtration was washed with organic solvents，and the composition and distribution of organic matter were monitored and analyzed using gas chromatography-mass spectrometry.The results show that all four filter media can effectively reduce the organic matter content in the smoke of mugwort combustion，with tar removal rates of 82.29%，70.83%，88.63% and 77.83%，respectively.Especially，the content of benzene series compounds is significantly reduced，which is expected to reduce the pollution of mugwort combustion smoke to the surrounding environment.

Keywords：Moxa Stick；Combustion；Filter Media；Smoke Components；Organic Compound

艾草作為我國傳統中藥材歷史悠久、用途廣泛、療效肯定，在治病防病中發揮重要作用，而且因其經濟便捷，深受人們喜愛［1］。艾草全株可藥用，其中艾葉使用最為廣泛，將其曬干搗碎制成艾絨再輔以其他藥材可進行艾灸［2-3］。艾灸雖然有許多好處，但艾草燃燒過程中會釋放多環芳烴、甲醛［9］和小顆粒物等物質，對周圍人群產生潛在的健康威脅導致其推廣使用存在局限性［10］。如艾條燃燒時產生的煙霧在高濃度或長時間接觸下可能會導致人患咽喉炎［11］。其次艾條燃燒時可能會產生各種多環化合物容易導致局部空氣質量下降［12］。此外艾灸時產生的煙霧中含有大量顆粒物，研究［13-15］表明PM2.5與心血管疾病及死亡率密切相關。另外由于艾灸往往是在小空間內進行，艾條燃燒時產生的苯系物和甲醛會導致空氣中揮發性有機物的含量急劇上升［16-18］。由于艾草燃燒時還存在許多弊端，很大程度限制了艾灸的廣泛使用。多孔吸附材料由于具有較大的比表面積和豐富的孔隙結構，能夠對氣相中的有機污染物進行吸附脫除，吳錦程等［19］利用不同的有機廢棄物為原料制備了一系列活性炭材料用于甲醛和甲苯的吸附，從而實現了對香煙煙霧、甲醇等有害氣體的吸附凈化。杜婕等［20］研究了活性炭納米纖維對揮發性有機物的吸附性能，發現活性炭納米纖維對苯、甲苯和乙醇蒸氣均具有較好的吸附性能。徐秋健等［21］探究了硅膠、活性氧化鋁和13X分子篩3種吸附材料對苯、甲苯和甲醛的吸附性能參數，發現3種多孔材料均能在一定程度地脫除氣相中的有機污染物。活性炭、分子篩、氧化鋁等多孔材料具有發達的孔洞結構、高比表面積、物理化學性能穩定等優點，可以作為潛在的吸附劑用于煙氣中有機物的吸附脫除。因此，本研究嘗試利用過濾介質對艾草燃燒煙氣進行過濾，并對過濾前后煙氣中的有機物組成及分布進行檢測分析，分析評估不同類型過濾介質艾草燃燒煙氣中有機物的脫除效果，以期降低艾灸過程中艾草燃燒煙氣對周圍環境的影響。

1 原料與試劑

本實驗采用的精品蘄艾艾條，成分為蘄艾艾絨（單條質量在18.5 g）選取于寧夏澤艾生物科技有限公司；煙氣吸收劑二氯甲烷選取于國藥集團化學試劑有限公司，純度為分析純；過濾介質選用上海麥克林生化科技股份有限公司的活性氧化鋁、上海麥克林生化科技股份有限公司的13X分子篩、活性炭和國藥集團化學試劑有限公司的石英砂，純度＞99%。

2 儀器與設備

采用合肥科晶材料技術有限公司的OTF-1200X管式爐進行燃燒處理，用鞏義市英峪博研儀器設備廠的低溫冷卻液循環泵保持萃取劑的恒溫，以鞏義市英峪博研儀器設備廠的恒宏容量100 mL的玻璃回流冷肼對產物進行收集，孟式洗氣瓶進行吸附處理，島津氣相色譜質譜聯用儀GCMS-QP2020NX進行液相分析，使用SH-Rxi-5Sil MS（0.25 mm×30 m×0.25 μm）色譜毛細管柱進行分離，并使用電子電離進行質譜分析。GC的烘箱在50 ℃下保持1 min，然后以15 ℃/min的速率將溫度升高至280 ℃，保持20 min。本研究所使用的質譜儀的離子化方式為電子轟擊離子化，電離電壓為 70 eV，使用全掃描模式，可檢測的物質質荷比范圍為50～500，掃描速度為 3000 amu/s。

3 實驗方法

取一根精品艾條18.5 g置于管式爐中間點燃，持續通入250 mL/min流量的空氣氣氛確保艾條穩定燃燒并將燃燒產物吹掃進入吸附裝置，在回流冷肼中通過-10℃的二氯甲烷溶劑收集煙氣中的有機物。在過濾介質的選取上分別選用活性氧化鋁、13X分子篩、活性炭、石英砂吸附以及空白對比實驗，分析產物的差異性，每次實驗中過濾介質的用量為90 g，空白對照組實驗中沒有放置過濾介質。實驗裝置示意圖如圖1所示。

4 數據處理

使用二氯甲烷將收集到的有機物稀釋至100 mL，取樣進行GC-MS分析。通過峰面積歸一化法分析樣品中各產物的相對含量。再將稀釋后樣品另取1 mL記錄質量，于室溫下防塵靜置6 h，待二氯甲烷揮發后測量質量變化，重復3次取平均值。根據每mL液相含量計算液相總產率。其中空白對照組產生了0.24 g液相產物、活性炭吸附組產生了0.0425 g液相產物、石英砂吸附組產生了0.07 g液相產物、分子篩吸附組產生了0.055 g液相產物、活性氧化鋁吸附組產生了0.0273 g產物。

艾草燃燒煙氣吸收液GC/MS譜圖中的色譜峰根據NIST譜庫（national institute of standards and technology）進行鑒別，采用面積歸一法計算不同類型有機物的相對含量。

有機物脫除率通過以下公式計算

脫除率=ma-m0m0×100%

其中，ma是指經過濾介質過濾后的煙氣中可凝性有機物的產率；m0是指艾草直接燃燒煙氣中可凝性有機物的產率。

5 結果與討論

艾草直接燃燒以及經不同過濾介質過濾后煙氣中可溶于二氯甲烷的有機物樣品如圖2所示，從左至右分別為對照組、活性炭吸附組、石英砂吸附組、活性氧化鋁組、13X分子篩吸附組。可以明顯看出艾草直接燃燒釋放的煙氣中可溶于二氯甲烷有機物樣品，呈現淡黃色，經過濾介質過濾后煙氣中的有機物含量顯著降低，煙氣中可溶于二氯甲烷有機物樣品呈現無色透明。

通過圖3可以得出結論為活性氧化鋁的脫除率最佳，石英砂的脫除率相對較低，4種吸附劑均能有效降低液相產量。

圖4是艾草燃燒煙氣經過濾介質過濾前后有機物的等離子流色譜圖，可以明顯看出艾草燃燒煙氣中含有較多的有機物，艾草在不完全燃燒過程中，艾草中的有機質在高溫下會發生熱解反應，從而釋放出多種有機化合物。陳麗等［21］探究了艾條揮發性組分隨溫度升高釋放規律，發現當溫度較低時，艾條揮發性組分釋放率很低，并隨溫度升高呈顯著增加趨勢，在燃燒條件下，可檢測到大量對人體有害的物質如苯、甲苯、苯酚等，對周圍人群具有潛在的健康影響。經過濾介質過濾后，煙氣中有機物的GC-MS總峰面積顯著降低，表明4種過濾介質均能有效去除艾草燃燒煙氣中的有機物。另外，可以從色譜圖中峰的數量上明顯地看出對照組與活性炭組的產物種類較多。經過GC-MS測量結果分析，從活性炭吸附的液相組分中總共檢測出251種物質，其中含量最高的為甲苯、鄰二甲苯和苯，占液相總產率的25.7%；從分子篩吸附的液相組分中總共檢驗出35種物質，含量最高的甲苯和苯占到液相總產率的54.75%；活性氧化鋁吸附的液相組分中總共檢驗出103種物質，含量最高的甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產率的51.39%；石英砂吸附組的液相組分中總共檢驗出140種物質，甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產率的37.53%；從對照組的液相組分中總共檢驗出302種物質，含量最高的甲苯、鄰二甲苯和苯占液相總產率的15.28%。五組的液相產物均以芳香烴、烯烴、烷烴為主。

從圖5的產物種類分布看，艾草燃燒煙氣中的有機物組成較為復雜，可將其分為醇類化合物、酚類化合物、醛類化合物、酸類化合物、酯類化合物、烴類化合物、呋喃類化合物、酮類化合物、芳香烴化合物、烯烴化合物及其他物質。其中芳香烴的相對含量較高，占比26%；其次是烴類化合物，占比19%。除此之外，酯類化合物、醇類化合物和烯烴化合物的占比也相對較高，分別達到了11%、10%和10%。分子篩做吸附劑脫除的物質種類最多，可以將煙氣中的大部分產物吸附，并且對醇類化合物、烴類化合物具有較好的脫除能力。這可能是由于分子篩具有較大的比表面積和規整的孔道結構，因此對煙氣中的有機物具有較好的吸附效果。黃海鳳等［22］采用不同硅鋁比Y型分子篩為吸附劑，對酮類有機廢氣進行了吸附研究，發現Y型分子篩對酮類有機物均具有較高的吸附容量。竹濤等［23］利用粉煤灰制備的13X分子篩吸附揮發性有機物，發現13X分子篩對揮發性有機物的吸附容量高于活性炭吸附劑，且有機物分子的極性越大，吸附容量越高。活性炭和氧化鋁對甲苯和苯的吸附效果十分明顯，且活性炭吸附效果略高于氧化鋁。對烯烴類的吸附，氧化鋁的吸附效果最好，13X分子篩的吸附效果略低，活性炭的吸附效果一般。另外，可以看出活性炭吸附劑對苯和甲苯的去除效果最好，氧化鋁吸附劑對3-甲基呋喃、乙苯和鄰二甲苯的去除效果最好。表1數據選取了幾種峰面積較高的產物進行對比，可以看出13X分子篩吸附劑對吡啶的吸附效果最佳。不同類型的吸附劑對不同物質的除去效果不同，可以根據對照組產物中有害成分的類型選擇合適的吸附劑定向脫除艾草燃燒煙氣中的有機污染物，使艾灸類療法更為安全。

6 結論

本研究選用4種不同類型的過濾介質對艾條的燃燒煙氣進行過濾，并對過濾前后的煙氣有機物進行了GC-MS檢測分析，探究了不同過濾介質對煙氣中有機物的脫除效果，結果表明4種過濾介質均能有效降低艾草燃燒煙氣中的有機物，降低艾灸過程中煙氣對周圍人群的健康危害。

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（收稿日期：2024-02-03 編輯：陶希睿）

基金項目：2022年寧夏回族自治區重點研發計劃項目（2022BEG03133）。

作者簡介：唐春蘭（1982—），女，漢族，本科，副主任護師，研究方向為中醫傳統護理的臨床研究。E-mail：602988674@qq.com

通信作者：徐創龍（1976—），男，漢族，碩士研究生，副主任醫師，研究方向為常見病的中西醫康復臨床與基礎研究。E-mail：mqxcl@163.com；

呂鵬（1993—），男，漢族，博士研究生，準聘副教授，研究方向為含碳基質熱化學轉化研究。E-mail：lvpeng@nxu.edu.cn