一种通过置换电渗析装置降低烟草主流烟气中亚硝胺释放量的方法

技术领域

本发明涉及一种新型的置换电渗析装置，并将其应用于烟草萃取液的品质控制和主流烟气中烟草特有亚硝胺释放量的调控过程。

背景技术

烟草特有亚硝胺的前体物，如硝酸盐和亚硝酸酸盐，可通过热合成生成亚硝胺。而烟草特有亚硝胺是卷烟烟气的主要有害成分之一，对卷烟产品的危害性指数产生重要影响。烟草中钾含量与燃烧性呈正相关，钾在高温时形成过氧化物，温度降低又分解出氧气，并对其他物质起助燃作用。再造烟叶是一种品质可控的均质烟草，可调可控是造纸法再造烟叶工艺的主要特性。造纸法再造烟叶生成过程中，烟梗和烟末中存在硝酸盐和亚硝酸盐，使得造纸法再造烟叶主流烟气中含有一定量的亚硝胺，降低了产品的品质。因此，保留烟草中钾含量的同时降低造纸法再造烟叶原料中的亚硝胺前体物(硝酸盐和亚硝酸盐)是提升造纸法再造烟叶品质的有效办法。

烟草萃取液是造纸法再造烟叶品质的核心基础，并对再造烟叶品质产生显著影响。随着膜科学与技术的不断发展，各种膜技术、膜过程的出现层出不穷，特别是微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)和电渗析(ED)等技术的日趋成熟，膜法处理物料的过程日益受到人们的青睐。电渗析(ED)作为荷电组分调控的重要技术之一，已成为烟草萃取液品质调控的重要手段。专利CN105481152A报道了用电渗析法连续去除烟草萃取液中氯和硝酸盐的方法，该法虽能去除萃取液中的氯和硝酸盐，但萃取液中的钾离子流失较多。再如专利CN1033302777A、CN103082394A和US4302308A采用电渗析法去除烟草萃取液中的硝酸盐、亚硝酸盐和氯，但这些方法在去除有害离子的同时，都对料液中的有益成分-助燃离子产生不同程度的影响，进而影响燃烧特性和烟气成分的释放。

置换电渗析是一种新型的电渗析系统，可根据物料的处理要求通过改变膜堆中膜的排列方式和选用具有特定分离功能的膜以实现物料中特定离子的选择性分离和去除。然而，目前并没有通过置换电渗析处理烟草萃取液并考察处理对主流烟气中烟草特有亚硝胺释放量影响的报道。

发明内容

为克服现有技术的以上缺陷，本发明构建一种新型置换电渗析装置，并将其用于烟草萃取液的品质调控，旨在对烟草萃取液中的硝酸根和亚硝酸根离子选择性地去除，同时保留其荷正电的有效成分钾离子，从而实现对再造烟叶烟气成分及感官品质的选择性调控。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明首先提供了一种新型置换电渗析装置，所述置换电渗析装置中膜堆的排列方式为：阴极板-阴极室-[阳离子交换膜-淡化室-阴离子交换膜-置换室-阴离子交换膜-浓缩室]n-阳离子交换膜-阳极室-阳极板，n为重复单元数。

进一步地，n为1-1000。

进一步地，所述置换电渗析装置的阳极板和阴极板的材料为耐腐蚀的钛涂钌；相邻离子交换膜之间的隔室(包括所述的淡化室、置换室和浓缩室)均由带有流道和格网的垫片构成，垫片厚度为0.8mm。

本发明还提供了一种通过置换电渗析装置降低烟草主流烟气中亚硝胺释放量的方法，是通过上述的置换电渗析装置实现烟草萃取液中的硝酸根离子和亚硝酸根离子选择性地去除，同时保留其荷正电的有效成分钾离子，进而降低烟草主流烟气中亚硝胺的释放量。具体是按照以下方式进行：

在置换电渗析装置的膜堆中，将烟草萃取液通入置换室，向淡化室通入钾盐溶液，向浓缩室通入盐溶液或去离子水，向阳极室和阴极室通入强电解质溶液；在直流电场的作用下，阳极室中的阳离子通过阳离子交换膜向浓缩室迁移、置换室中的硝酸根离子与亚硝酸根离子通过阴离子交换膜向浓缩室迁移，同时淡化室中的阴离子通过阴离子交换膜向置换室中迁移以补充置换室中被迁移的硝酸根离子与亚硝酸根离子，淡化室中的阳离子K

进一步地，通入淡化室的所述钾盐溶液为硫酸钾、苹果酸钾、乳酸钾、乙酸钾、葡萄糖酸钾或柠檬酸钾溶液中的至少一种，浓度为0.01-1.0mol/L。优选为苹果酸钾溶液或葡萄糖酸钾溶液。

进一步地，所述置换电渗析装置的膜堆中的阳极室和阴极室串联，从而实现阳极液和阴极液中的阳离子总量不变，维持膜堆正常运行。

进一步地，通入阳极室和阴极室的所述强电解质溶液为硫酸钠溶液、硫酸钾溶液、硝酸钠溶液或硝酸钾溶液，浓度为0.01-1.0mol/L。

进一步地：所述置换电渗析装置的膜堆运行时，先将各隔室料液通过蠕动泵循环5-30分钟，排出膜堆中的气泡；运行过程中，通过蠕动泵控制各室溶液流动的线流速为1-10cm/s，避免浓差极化现象发生。运行过程中，可为恒电压或恒电流操作，优选恒电流操作，电流密度为5-30mA/cm

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明利用了一种新型的置换电渗析装置，通过设置膜堆的排布方式可实现烟草萃取液的品质调控，即选择性去除烟草萃取液中的硝酸根和亚硝酸根离子的同时，保留其荷正电的有效成分钾离子，进而实现了主流烟气中烟草特有亚硝胺释放量的大幅降低，并使再造烟叶感官品质有一定的提升。

附图说明

图1为置换电渗析装置的膜堆组件示意图及其烟草萃取液品质调控的原理图。

具体实施方式

以下通过实施例进一步详细说明新型置换电渗析系统在烟草萃取液品质和烟气亚硝胺释放量调控方面的应用。

实施例1

本实施例利用图1所示的置换电渗析装置对烟草萃取液进行处理，所用烟草提取液的初始固形物含量为7％。所用的置换电渗析装置中的膜堆是由两张阳离子交换膜和两张阴离子交换膜加上流道隔网和密封垫片组成，其中两张阴膜夹在两张阳膜之间实现阴离子的选择性置换。单张膜的有效面积为189cm

将烟草萃取液加入到料液贮存罐，利用蠕动泵使得烟草萃取液在置换室与料液贮存罐之间循环流动；淡化室、浓缩室以及极室都使用0.3mol/LK

当实验进行到1h时，取2mL料液贮存罐中的样品；当实验进行到2h时，关闭电源及各腔室溶液蠕动泵，并取2mL料液贮存罐中的样品。利用离子色谱分析置换电渗析实验前及测试1h和2h后的硝酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子的含量，具体结果见表1。由表1中可知，置换电渗析处理1h后，料液中的亚硝酸根离子含量从1872μg/L降低至58μg/L，硝酸根离子含量从4885.8μg/L降低至1589.2μg/L，硝酸根和亚硝酸根离子脱除效果显著，此时测试溶液中的钾离子含量仍保持在较高水平。置换电渗析处理2h后，料液中已检测不出亚硝酸根离子，硝酸根离子含量降低至32.5μg/L，说明通过新型的置换电渗析对烟草萃取液硝酸根和亚硝酸根离子去除性能优异。

表1置换电渗析处理1h和2h后料液中K

以相同规格阴阳离子交换膜的普通电渗析处理为对照，其膜堆构型为：阴极板-阴极室-[阳离子交换膜-淡化室-阴离子交换膜-浓缩室-阳离子交换膜]n-阳极室-阳极板，n为重复单元数，n＝2。淡化室中通入烟草萃取液，浓缩室中通入去离子水，阳极室和阴极室中通入硫酸钾溶液。相同电流密度处理相同时间的硝酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子含量结果见表2。从表2可看出：相同规格的离子膜电渗析处理1h后，料液中硝酸根和亚硝酸根离子均大幅下降，但钾离子大幅下降，降幅达到了58％。

表2普通离子膜电渗析处理1h和2h后料液中K

将对照原液、普通离子膜电渗析处理2h料液、置换电渗析处理2h料液进一步浓缩至40％固形物含量，并模拟造纸法再造烟叶工艺制备成再造烟叶试验样品，经切丝、卷制后制备成烟支样品，供主流烟气分析使用。各样品主流烟气中烟草特有亚硝胺-NNK的释放量结果见表3。从表3中可以看出：置换电渗析处理后主流烟气NNK释放量显著降低，最高降幅达到83.2％，而普通离子膜电渗析处理仅能降低18.7％，这应归咎于助燃离子-钾离子-的大量流失。这说明：较普通电渗析，置换电渗析在降低主流烟气NNK释放量方面具有显著的优势。此外，感官评价结果也显示：置换电渗析处理后，再造烟叶的香气量、香气质以及口腔舒适度较对照和普通离子膜电渗析处理均有一定提升。

表3各再造烟叶主流烟气NNK释放量

实施例2

本实施例利用与实施例1相同的置换电渗析装置对烟草提取液进行处理，膜堆中所使用的阴阳离子交换膜为日本ASTOM公司的AMX和CMX，所用烟草提取液的初始固形物含量为7％。

将烟草萃取液加入到料液贮存罐，利用蠕动泵使得烟草萃取料液在置换室与料液贮存罐之间循环流动；淡化室使用0.3mol/L苹果酸钾溶液，浓缩室以及极室都使用0.3mol/LK

当实验进行到1h时，取2mL料液贮存罐中的样品；当实验进行到2h时，关闭电源及各腔室溶液蠕动泵，并取2mL料液贮存罐中的样品。利用离子色谱分析置换电渗析实验前及处理1h和2h后的硝酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子的含量，具体结果见表4。由表4中可知，置换电渗析处理1h后，料液中的亚硝酸根离子含量从1780μg/L降低至0μg/L，硝酸根离子含量从4536.5ug/L降低至1158.2μg/L，然而钾离子含量不但没有降低，反而有所升高，这将更加有利于再造烟叶燃烧性提高。

表4置换电渗析处理1h和2h后料液中K

以相同规格阴阳离子交换膜的普通电渗析处理为对照，其膜堆构型为：阴极板-阴极室-[阳离子交换膜-淡化室-阴离子交换膜-浓缩室-阳离子交换膜]n-阳极室-阳极板，n为重复单元数，n＝2。淡化室中通入烟草萃取液，浓缩室中通入去离子水，阳极室和阴极室中通入硫酸钾溶液。相同电流密度处理相同时间的硝酸根离子、亚硝酸根离子、钾离子含量结果见表5。从表5可看出：使用ASTOM公司阴阳离子交换膜的普通电渗析处理烟草萃取液2h后，硝酸根离子、亚硝酸根离子大幅降低，但钾离子也显著降低，降幅达88.2％。

表5普通离子膜电渗析处理1h和2h后料液中K

将对照原液、普通离子膜电渗析处理2h料液、置换电渗析处理2h料液进一步浓缩至40％固形物含量，并模拟造纸法再造烟叶工艺制备成再造烟叶试验样品，经切丝、卷制后制备成烟支样品，供主流烟气分析使用。各样品主流烟气中烟草特有亚硝胺-NNK的释放量结果见表6。从表6中可以看出：置换电渗析处理可将主流烟气NNK释放量降低，最高降幅达到85.9％，而普通离子膜电渗析处理仅能降低27.4％，这也应归咎于助燃离子-钾离子-的大量流失。这说明：较普通电渗析，置换电渗析在主流烟气NNK释放量方面具有显著的优势。此外，感官评价结果也显示：置换电渗析处理后，再造烟叶的香气量、香气质以及口腔舒适度较对照和普通离子膜电渗析处理明显提升，且刺激性下降。

表6各再造烟叶主流烟气NNK释放量

以上所述仅为本发明利用该置换电渗析系统以硫酸根/苹果酸根替换硝酸根和亚硝酸根离子的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。