多孔生物炭对烟用香料吸附性能的影响

2024-04-20朱志扬蔡昊城何沛刘晓敏王家强陈道梅

当代化工研究 2024年6期

＊朱志扬蔡昊城何沛刘晓敏王家强陈道梅*

（1.云南中烟工业有限责任公司技术中心云南省烟草化学重点实验室云南 650231 2.云南大学材料与能源学院云南 650500）

引言

卷烟的香味是评价卷烟质量的一个重要因素，卷烟里添加香料有利于改善卷烟的理化性质、修饰香味、改善吸味及确立产品的风格[1-2]。卷烟加香方法包括直接加香法、吸附剂法、溶剂法及微胶囊法。其中，吸附法具有成本低、效率高、持香、控香能力强的特点得到广泛应用。吸附材料是滤嘴与烟丝加香的技术关键，目前常用的加香吸附剂有沸石分子筛、活性炭、硅铝酸盐及纳米多孔材料等[2-6]。其中，炭材料因其比表面积大、结构稳定性好、价格低廉、吸附性能优良及安全性高等优点成为吸附储香的常用材料[7-12]。

本研究利用橘子皮作为碳源，通过水热碳化、碱刻蚀及高温煅烧制备多孔生物炭，探究其对乙基香兰素和对甲氧基苯甲醛两种香料吸附性能的影响，为开发卷烟调香的吸附剂提供理论指导。

1.实验部分

(1)试剂与仪器

乙基香兰素、对甲氧基苯甲醛（Solarbio）、橘子皮（四川资阳红橘皮）。

X-射线衍射仪（日本理学株式会社）、扫描电子显微镜（美国FEI 公司）、BET 比表面积分析仪（美国麦克仪器公司）。

(2)生物炭的制备

橘子皮切块、洗净、晾干，称取2 g 橘子皮，放入反应釜内衬中，加入60 mL 纯水，200 ℃反应24 h，产物过滤后酒精浸泡18 h，过滤干燥后用氢氧化钾溶液浸泡活化24 h，N2氛围下800 ℃烧2 h，调节pH 至中性，冷冻干燥得到。

(3)标准曲线

分别精准配制20 mg/L 的香料溶液，稀释至不同浓度。用紫外可见分光光度计测定吸光度值，乙基香兰素和对甲氧基苯甲醛检测波长分别为232 nm 和275 nm。

(4)吸附实验

分别配制浓度为100 mg/L 的香料溶液，加入0.03 g 生物炭，超声搅拌15 min，置于恒温水浴摇床中，保持（25±1）℃，搅拌不同时间后吸取5 mL 溶液，过滤，用紫外可见分光光度计测定香料的浓度，计算吸附效率及吸附量。

吸附率η（%）和平衡吸附量qe（mg/g）按照式（1）和式（2）计算。

式中，qe为吸附容量（mg/g）；C0和Ce为香料的初始浓度和平衡浓度（mg/L）；m 为橘子皮生物炭的质量（g）；V 为香料的体积（L）。

2.结果与讨论

(1)材料的表征分析

①粉末X-射线衍射

由图1 可以看出，在2θ=18°～23°之间存在一个宽衍射峰，粉末的晶体结构为非晶态。非晶态的碳-碳键结合的灵活性利于形成多种杂化形式，有利于增强对香料的特异性结合。

图1 多孔生物炭的X 射线衍射图谱

②氮气等温吸附-脱附分析

如图2 为生物炭的氮气吸附/脱附曲线，该曲线属于典型的I 型等温线，表明材料中存在大量微孔结构；吸附和脱附曲线之间存在回滞环，说明存在介孔结构。因此，生物炭具有微-介孔多级孔结构。从内插的孔径分布图可见，炭材料孔径分布较均匀，平均孔径为3.74 nm，其BET 比表面积为1200 m2/g，孔容为0.58 cm³/g，孔尺寸为3.74 nm。

图2 多孔生物炭的氮气吸附脱附曲线及孔径分布图

③SEM 分析

通过扫描电镜分析生物炭的结构（图3），生物炭结构疏松并呈现大小、深浅不一的多级孔结构。

图3 多孔生物炭的扫描电镜图

(2)材料吸附性能及动力学分析

考察时间与吸附量的关系，再利用准一级、准二级动力学吸附速率模型和粒子内部扩散模型（式3～5）对吸附量数据进行动力学拟合，研究生物炭对香炉料的吸附机理。

式中，qe和qt分别为平衡时和t 时刻的吸附容量，mg/g；k1（min-1）、k2（g/（mg·min））和kp（g/（mg/g·min1/2））分别为准一级、准二级速率常数和颗粒内扩散常数；C 为常数。

由图4 可知生物炭对两种香料的最大吸附率分别为84.8%和80.8%。如图5（a）所示，材料对乙基香兰素的最大吸附容量为282.7 mg/g。如图5（b～c）和表1 所示，准二级动力学的R2（0.9999）比准一级动力学的R2（0.882）更高；拟合后计算所得的平衡吸附量（281.2 mg/g）与实验值（282.7 mg/g）相近，说明准二级动力学模型更适合生物炭对乙基香兰素的吸附体系，即从多级控制的化学吸附为主导的吸附过程。而从粒子内部扩散动力学结果（图5d）可以看出，整个曲线呈分段线性关系，表明多个吸附过程影响吸附速率。此外，图中吸附过程中间阶段的直线呈现出较好的线性关系且不经过原点，说明存在外层扩散过程。因此，粒子内部扩散不是唯一的速控步骤，吸附过程仍然有其他的控制步骤参与。综上，生物炭对乙基香兰素的吸附符合准二级吸附动力学模型。