废弃烟头类物质回收再利用的初步探讨

安 静,刘学芝,余泳昌

(1.河南农业大学机电工程学院,河南郑州450002;2.河南农业大学烟草学院,河南郑州450002)

1 引言

烟草主要是由碳水化合物(占40%～50%)羧酸、色素、萜烯类物质、链烷烃、类脂物质等组成,同时还有一些生长过程中必需的营养物(如硝酸盐等)以及某些污染物(如农药、重金属元素等)。烟草与别的植物不同之处是所含的萜焕类物质比较丰富,即通常所说的“蜡质”或“尼古丁”。吸烟者吸入香烟过程,是香烟在不完全燃烧过程中发生一系列的热分解与热合成的化学反应,形成大量新的物质,其化学成分很复杂,从烟雾中分离出有害成分达3 000余种,其中主要有毒物质为烟碱(C10 H14 N2)、烟焦油、一氧化碳(CO)、氢氰酸(HCN)、氨(NH3)及芳香化合物等一系列有毒物质。烟草点燃的烟雾由2部分组成,其中气体部分,占92%,包括多量的氧和氮无害气体和一定量的CO及微量的致癌、促癌、纤毛毒物质。粒相部分占8%,主要为尼古丁和烟焦油。

人们在吸烟的时候,通常只消耗一支香烟的4/5～2/3,而剩余的1/5～1/3则作为垃圾被随手丢弃。世界卫生组织指出,到2025年,全球烟民人数将升至17亿人以上。据悉,在13亿中国人口中约有3.5亿人是烟民,比美国的总人口还要多,并还在以每年300万人的速度增长,中国拥有世界上最大的烟草销售市场,例如2008年,我国共销费卷烟22 044.4亿支(4 408.9万箱)[1],中国有60%的男性和4%的女性都是烟民,据世界卫生组织公布的数据,中国是世界最大的香烟生产国,烟民平均每人每天吸掉15.8支香烟,高于世界平均水平的13.6支,中国人自己消费世界上1/3的香烟,因此产生的废弃烟头数量庞大,亦对环境造成相当大的污染。

2 废弃烟头的回收再利用

2.1 烟头中可回收利用的物质

对烟头的回收利用主要包括过滤嘴中海绵状的醋酸纤维,以及所吸附的烟碱、茄尼醇等。醋酸纤维结构式可表示为[2](C6 H 7O2)(OOCCH 3)3n,不易着火,可以用于制造纺织品、烟用滤嘴、片基、塑料制品等,醋酸长丝在化学纤维中酷似真丝,光泽优雅、染色鲜艳、染色牢度强,手感柔软滑爽、质地轻,回潮率低、弹性好、不易起皱,具有良好的悬垂性、热塑性、尺寸稳定性,可以广泛地用来做服装里子料、闲暇装、睡衣、内衣等,还可以与维纶、涤纶、锦纶长丝及真丝等复合制成复合丝,用醋酸纤维长丝纺制的纱线和织成的织物具有蚕丝般自然华贵的光泽,手感柔软滑爽等特性。醋酸短纤制成的无纺布可以用于外科手术包扎,与伤口不粘连,是高级医疗卫生材料。

烟碱又名尼古丁,化学名称为1-甲基2-(2-吡基)吡咯烷,它能够对人产生一定的生理刺激作用,是使烟草具有商品价值的主要因素[3]。烟碱广泛应用于精细化工、制药、有机合成、国防工业和农业等领域。少量烟碱能刺激人体中枢神经系统,有使人精神安定和抗忧郁作用,对人的紧张情绪具有缓解作用[4],在医药上可用于研制治疗心血管、皮肤、蛇毒、虫咬伤和无名肿毒等疾病的药物;用烟碱制得的柠檬酸烟碱还是生产高级香烟品质改良剂的主要组份;含量40%的烟碱可用来配制专门用于生产粮食、油料、蔬菜、水果等农作物的无残留毒、无公害的高效杀虫剂及生物性农药。据大田试验证明,用含量在0.75～2.25kg/hm2的硫酸烟碱,稀释至0.03%～0.10%浓度喷洒,对粮食作物、蔬菜、水果和花卉中的蚜虫、菜青虫、梨食心虫、茶蛾和玉米螟等多种害虫的杀虫效果都在90%以上。

茄尼醇(solaneso l)是一种全反式结构的聚戊烯醇,主要是用来合成辅酶Q10和维生素K 2及作为一些抗癌药物的前体[5],呈白色或淡黄色粉末状,不溶于水,微溶于甲醇、乙醇,溶于丙酮、氯仿、已烷等,具有抗菌、消炎、治疗心血管疾病、抗溃疡等作用。目前许多发达国家已生产和广泛应用的辅酶Q10(治疗心脏病和保健药物)均须依赖高纯度的茄尼醇原料。

2.2 烟头可回收利用物质的分离原理及工艺过程

目前我国的烟草废弃物综合利用研究则相对滞后,烟头物质回收再利用的技术还处于研究阶段。烟头中提取烟碱和茄尼醇的工业生产流程可分为3个阶段,即烟头初步处理阶段、烟碱提取阶段、茄尼醇提取阶段。烟头初步处理阶段主要包括烟头废弃物的浸泡和浸泡后的固液分离。该阶段的设计原理是基于烟碱和茄尼醇在水中的溶解特性,烟碱在水中可以和水以任意比例互溶,而茄尼醇则不溶于水。设计的目的是将烟碱和茄尼醇分别保留在烟头浸泡后的液体和固体中,这样就可以对2种物质进行分别提取,从而实现流程中的对2种物质分别进行提取的操作。

烟碱的提取工艺很多,如经典提取法、干蒸馏提取法、离子交换提取法、浸有机溶剂萃取法等,这些方法各有其优缺点[6]。国内外大多采用萃取分离蒸馏法生产天然烟碱[7],其生产工艺过程为原料——稀酸浸渍——碱中和——水蒸汽蒸馏——草酸处理——碱化——成品烟碱,其中水浸有机溶剂萃取法应用较多,它的特点是工艺合理,设备简单。本文也采取了水浸有机溶剂萃取法,提取方案主要由浸泡、过滤、萃取、蒸发等工艺组成,具体工艺流程如图1所示。

图1 烟头中烟碱回收再利用生产流程图

由于茄尼醇具有不溶于水,微溶于甲醇、乙醇,溶于丙酮、氯仿、已烷等有机溶剂的特性,工业上大多采用正己烷作为萃取剂提取烟叶中的茄尼醇[8]。在该阶段中,具体的提取过程是在从前2个阶段中得到的固体分离物和烟渣中加入一定量的溶剂(乙酸、煤油、正己烷、汽油)浸泡约5～6h,过滤,烟渣中再次加入溶剂,再浸泡5～6h,浸提 3次,合并滤液,用水洗滤液3次,有机相经蒸馏,蒸出溶剂(溶剂可回收,回收率通常大于85%),获得茄尼醇产品(图2)。

图2 烟头中茄尼醇回收再利用生产流程图

从烟渣中提取醋酸纤维的工艺为先用双氧水漂白,再用醋酸进行溶胀后在硫酸催化条件下与醋酸酐和醋酸混合液反应制得醋酸纤维素黄色凝胶。加水使醋酸纤维素沉淀出来,再加双氧水漂白、过滤、干燥。

2.3 废弃烟头再利用的效益分析

(1)近年来,随着烟碱产品的应用领域的迅速扩大,市场上对天然烟碱的需求量也在与日俱增,国际市场上高纯度天然烟碱不仅价格居高不下,而且经常有价无货。目前在国内市场上,含量为98%的天然烟碱的售价已达8万元/t以上。而在国际市场上,含量为98.5%的高纯度天然烟碱的成交价格高达100美元/kg左右。从烟头中提取烟碱、茄尼醇等物质,获得符合绿色卫生标准的天然化工原料,为企业脱贫解困提供可持续发展的契机。

(2)意大利国家核能和替代能源局日前发表研究报告说[9],全球一年被丢弃的烟头约84.5万t,其中含有约7 800t危险化学物质。全世界一年通过废烟头进入自然环境的尼古丁约324t。全球一年被丢弃的烟头含有约1 800t苯、甲醛、丙酮和甲苯等挥发性物质。报告指出,废烟头中对环境危害最大的物质是尼古丁,它具有强杀虫效果,特别是尼古丁进入自然水体会对水生动物有严重损害,同时可能改变土壤结构。另外废烟头还含有致癌的焦油、多环芳烃等多种有害物。烟头的制作材料醋酸纤维不能降解,其中含有危害鱼类繁殖的化合物。本文通过对烟头进行“资源化”利用,可以减轻烟草废弃物带来的土壤结构改变的可能性,避免其中有害成分对地下水的污染。

(3)由于烟头的回收再利用目前还仅处于研究阶段,没有相关成熟的技术,本文中烟头的回收利用生产工艺的提出,将有效填充这方面的空白,同时对建设资源节约型、环境友好型社会做出一定的贡献。

3 结语

本文主要讨论了烟草的重要成分烟碱、茄尼醇、醋酸纤维的价值和它们在各方面的应用,进而提出并设计了对烟头中烟碱、茄尼醇、醋酸纤维等物质回收再利用工业化生产的技术及流程。通过浸泡、过滤、萃取、蒸发等工艺从废弃烟头中提取烟碱等用作制药原料。与传统蒸馏法相比,操作简单,所需时间较短,应用于生产中可缩短生产周期,减少成本。通过效益分析可知,通过对烟头进行“资源化”利用,不仅可减少烟头废弃物对环境造成的污染,改善人类生活环境,还可以为企业的可持续发展带来契机。

[1]中国卷烟销售公司.2008年重点骨干品牌市场分析[EB/OL].[2009-04-01].h ttp：//www.echinatobacco.com/101588/101728/101734/27705.h tm l.

[2]王文俊,李 胤,门爽,等.三醋酸纤维素的结构与性能研究[J].材料工程,2007(8)：49～50.

[3]朴世领,李树利,金香花.烟草烟碱调控技术研究进展[J].安徽农业科学,2007,35(25)：7873～7874.

[4]Mukhopadhyayi,Chow dhurid k,Bajpayeem,et al.Evaluation of invivo genotoxicityof cyperm ethrinin D rosophilamelanogaster using the alkaline Comet assay[J].Mu tagenesis,2004,19(2)：85～90.

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[8]岑 波,段文贵,赵树凯,等.从废次烟草中提取茄尼醇的新工艺研究[J].广西大学学报,2002(9)：241～242.

[9]范士达.意大利研究报告称小烟蒂会对环境造成大污染[EB/O L].[2010-02-05].h ttp：//jjckb.xinhuanet.com/gjxw/2010-02/05/content_206654.htm.