一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器的制作方法

1.本发明涉及烟嘴过滤器技术领域，尤其涉及一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器。


背景技术：

2.虽然香烟自身带有过滤体，但其过滤效果非常有限。香烟过滤嘴的作用是进一步降低香烟中的尼古丁、焦油等对人体危害较大的物质的含量。现有大部分的香烟过滤烟嘴都是采用迷宫结构的方式来分离烟气中的焦油，但是对于尼古丁等有害物质的去除能力却非常有限；而且采用迷宫结构来分离焦油的话，焦油的清理问题也是比较麻烦的工作。或者采用醋酸纤维或聚丙烯作为过滤嘴的材质，其最大功效仅是减少部分焦油，但无法过滤掉烟气成分中的其它有害物质，而且这两种材料制造的过滤嘴本身也可能对人体产生危害。所以即使使用了过滤嘴，同样容易引发肺癌或因吸入其它毒性物质而危害吸烟者的身体健康。
3.据了解，我国是世界头号烟草生产与消费大国，烟民数量约3亿，居全球之冠。全国每年有大约120万人死于因烟草使用和接触二手烟雾而导致的疾病。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少克服上述现有技术的缺点与不足其中之一，提供一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器。本发明目的基于以下技术方案实现：
5.本发明提供了一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器，包括依序连接的进烟段、吸附段和出烟段，所述进烟段用于固定香烟，其内径与香烟过滤嘴的外径相匹配，所述出烟段与吸附段可拆卸地连接，所述吸附段包括第一滤网和容纳腔，所述第一滤网与进烟段连接，所述出烟段上设有第二滤网，所述第二滤网可与第一滤网配合将容纳腔闭合，且所述第一滤网和第二滤网的孔径小于分子筛吸附剂的直径，所述容纳腔用于放置分子筛吸附剂；所述分子筛吸附剂的制备方法包括：使用硅铝比大于400：1的高硅分子筛原粉，加入粘结剂，混合制泥后烧成、制粒得到。
6.本发明采用的材料是分子筛吸附剂，分子筛的主要成分是硅和铝，不但具有良好的吸附功能，而且本身不会对人体产生任何附加伤害。本发明有效利用分子筛材料的多孔结构对有机气体成分的吸附功能，将该材料制成特定规格装载于烟嘴过滤器中，不但对香烟烟气中的有害气体成分处理效果明显，对吸烟者及被动吸烟者的身体健康具有明显的保护作用，而且生产方法简单、经济实用，且不会对人体健康产生二次伤害。由于天然沸石晶体的硅(铝)氧四面体有许多空洞和孔道，其中占据着阳离子和水分子。当经过烘烧使它部分或全部脱水后，其结晶骨架并没有被破坏，而是形成一个个内表面很大的孔穴，可吸附并储存大量分子，因此具有吸附量大和高选择性的特点。采用多晶高硅分子筛原粉，充分利用其优越的多孔性能，以及其高硅铝比，从而达到良好的吸附性和疏水性兼容。粘结剂有利于增加泥料的粘性、利于成型，也确保了坯体的强度，烧制出来的产品强度也得到了大幅度的
提高。
7.本发明所用分子筛吸附材料的优点具体如下：
8.1、吸附量大：沸石分子筛晶体结构内部存在着空洞和孔道，其体积约占沸石分子筛晶体总体积的50％以上，并且沸石分子筛微孔分布均匀，孔径较小，和一般物质的分子尺寸相当，沸石分子筛晶体的内表面比一般颗粒的内表面大，一般固体颗粒每克仅有几平方米的内表面积。而每克沸石分子筛的内表面积可达千余平方米，因此沸石分子筛的吸附量特别大。
9.2、高选择性：沸石分子筛晶体内部的空洞和孔道大小均匀且固定，一般空洞直径在6～15埃。只有直径较小的分子才能通过沸石分子筛孔道进入空洞被吸附，大的分子不能进入空洞被吸附。而硅胶、活性炭等吸附剂由于无均匀固定的孔径且变化较大，无选择吸附和筛分性能。
10.3、有效选择吸附性：因为沸石分子筛铝氧四面体带有一个负电荷，而骨架孔穴中含有阳离子，这样在阳离子的周围便形成了强大的电场，因此沸石的吸附力，不仅有强大的色散力，还有较大的静电力。正是由于这种静电力的关系，使得分子筛对极性、不饱和及易极化分子具有优先的选择吸附作用，对含有极性基团或含有可极化的基因的分子可发生强烈的吸附作用，从而将烟气中的有害物质除去。
11.优选地，所述高硅分子筛原粉包括zsm-5分子筛、hzsm-5分子筛、zsm-11分子筛、13x分子筛、y分子筛、β分子筛中的一种或多种。
12.优选地，所述分子筛吸附剂呈球状颗粒，直径为0.5～3mm。
13.优选地，所述分子筛吸附剂的制备方法中粘结剂的加入量为高硅分子筛的15～30wt％。
14.优选地，所述粘结剂的浓度为10～30wt％。
15.本发明采用低浓度粘结剂，且粘结剂含量较低，不影响吸附剂产品的性能，且能保证坯体的强度，同时烧制出来的产品强度也得到了大幅度的提高。
16.优选地，所述粘结剂包括硅溶胶、铝溶胶、sio
2-al2o3复合溶胶、水玻璃、磷酸、三聚磷酸钠溶液、六偏磷酸钠溶液、磷酸二氢铝溶液、植物胶中的一种或多种。
17.优选地，所述分子筛吸附剂的制备方法中还包括加入海泡石粉、氯化钙、氧化镁、硫酸钡晶须、碳纳米管中的一种或多种作为原料。此时，粘结剂的加入量应为所有原料总质量的15～40wt％。
18.海泡石粉具有很强的吸附能力。海泡石的特殊结构决定了它拥有包括贯穿整个结构的沸石，水通道和孔洞以及大的表面积，它具有截面积为0.36nm
×
1.06nm的管状贯穿通道及高达900m2·
g-1
的理论表面积；在通道和孔洞中可以吸附大量的水或极性物质，包括低极性物质。氯化钙，对重金属具有良好的特异吸附性能。氧化镁，可以改善泥料的致密性和流变性，同时具有高度耐火绝缘性能，也可以作为吸附剂提高分子筛的吸附效果。硫酸钡晶须，不仅具有优异的耐候性和抗老化性，而且能增加分子筛吸附剂的耐磨性和抗冲击强度，显著提高分子筛吸附剂的韧性，利于制粒成型。碳纳米管具有纳米结构、性能稳定、比表面积大的特点，对挥发性有机物具有优异的吸附效果。将氯化钙和高硅复合分子筛原粉、海泡石粉或碳纳米管等复合，不仅提高了对烟气中挥发性有机物的吸附效果，还形成了对重金属的系统吸附作用，对烟气中重金属的吸附去除率达到了99.5％。氧化镁、硫酸钡晶须改善
了分子筛吸附剂的机械性能，有利于其制粒成型。
19.优选地，原料的质量比例为：高硅复合分子筛原粉100份，以及下列物质中的一种或多种：海泡石粉3～8份、氯化钙3～8份、氧化镁3～8份、硫酸钡晶须3～8份、碳纳米管3～10份。
20.优选地，所述分子筛吸附剂的制备方法还包括：将烧成得到的材料置于反应器中，在惰性气体保护下通入吡啶对吸附剂进行疏水处理，反应温度为115～170℃，反应时间1～4h；然后降温至50℃及以下，持续通入惰性气体进行脱附，脱附时间1～2h；最后对所得材料制粒，得到所述分子筛吸附剂。
21.通过对吸附剂蒸熏纯吡啶的方式，使得吸附剂内表面附上一层吡啶膜。利用分子级别纯吡啶的疏水性，使得该种吸附剂材料内表面化学性质、比表面积、孔容积、以及孔径分布发生变化；利用吸附剂内表面裸露的金属离子和有机配体对吡啶的结合强度的不同，通过惰性气体高压脱附的方式，剥离有机配体表面的吡啶膜，恢复吸附剂对气体分子的强吸附能力。采用合适的压强和惰性气体，使得脱附过程中金属离子表面吡啶膜稳定，最后改性得到的分子筛吸附材料能够有效解决由于金属离子的亲水性导致目标气态分子吸附性能下降和内部结构破坏的问题，从而提高有水分子存在下分子筛吸附剂对非极性有机分子的吸附性能，并保持分子筛吸附剂的结构稳定性。
22.优选地，所述疏水处理过程中通入吡啶与惰性气体的质量比为0.1～1：100，所述吡啶与吸附剂的质量比为0.5～1.5：100。
23.优选地，所述惰性气体包括氮气、氦气、氩气中的一种或多种。
24.优选地，所述出烟段的端部设有出烟口。
25.优选地，所述吸附段的长度大于进烟段和出烟段的长度。
26.优选地，所述出烟段与吸附段转动连接或卡接。
27.优选地，所述进烟段包括依序连接且的直径依次减小第一香烟固定位和第二香烟固定位，所述第一滤网与第一香烟固定位和第二香烟固定位的外壁形状相匹配。
28.本发明可至少取得如下有益效果其中之一：
29.本发明利用了分子筛材料的选择吸附功能，将其作为烟嘴过滤材料，本发明的烟嘴过滤器可以直接套在现有香烟的过滤嘴上使用，当吸烟者吸烟时，烟气通过烟嘴过滤器，其烟气中的焦油、尼古丁、苯、醛等有害气体成分将会被该产品中的分子筛所吸附掉，从而被吸入人体的烟气中的有害物质就大大减低。这样既满足了吸烟者的吸烟习惯，又很大程度上减少了因吸烟而给烟民和吸二手烟者带来的身体健康的伤害，并且本发明的材料本身不会对人体产生伤害，因此对吸烟者及被动吸烟者的身体健康具有明显的保护作用。
30.本发明对烟气中的有害物质的吸附效果明显，且价格低廉(一次使用仅0.1～0.2元的成本)，在设计上采用一次性使用产品，操作简便，且经济卫生。本发明的产品市场潜力巨大。
附图说明
31.图1为本发明优选实施例的一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器的结构示意图；
32.图2为本发明优选实施例的另一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器的结构示意
图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明优选实施例中，硅铝比指sio2/al2o3的摩尔比；zsm-5分子筛的硅铝比》400、hzsm-5分子筛的硅铝比》150、zsm-11分子筛的硅铝比》200、13x分子筛的硅铝比》2.8、y分子筛的硅铝比》100、β分子筛的硅铝比》100。
35.实施例1～2中，分子筛吸附剂7的制备方法包括：
36.1)将硅铝比大于400：1的高硅分子筛原粉、磷酸二氢铝溶液混合，制成泥料后通过模具压制成型得到坯体；其中，磷酸二氢铝溶液的加入量为高硅分子筛的25wt％，磷酸二氢铝溶液的浓度为20wt％。
37.2)将坯体干燥后，置于700-800℃下保温2小时烧制而成，然后制粒得到分子筛吸附剂。
38.实施例1
39.如图1所示，本发明的优选实施例，提供了一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器，整体呈圆柱型结构，包括依序连接的进烟段1、吸附段2和出烟段3，其中：进烟段1用于固定香烟，其内径与香烟过滤嘴的外径相匹配，出烟段3与吸附段2可拆卸地连接，方便对分子筛吸附剂7进行更换；吸附段2包括第一滤网4和容纳腔5，第一滤网4与进烟段1连接，出烟段3的一端设有第二滤网6、另一端为烟气出口，第二滤网6可与第一滤网4配合将容纳腔5闭合，容纳腔5用于放置分子筛吸附剂7，且第一滤网4和第二滤网6的孔径小于分子筛吸附剂7的直径，从而将分子筛吸附剂7限制在容纳腔5内；分子筛吸附剂7为多晶相高硅分子筛吸附剂，具体为使用硅铝比大于400：1的高硅分子筛原粉、加入粘结剂，混合制泥后烧成得到的。其中，分子筛吸附剂7呈球状颗粒，直径为0.5～2mm，优选为0.8～1.5mm，高硅分子筛原粉为zsm-5分子筛。
40.其中，出烟段3的端部设有出烟口10，出烟口10的直径约为出烟段3直径的1/4～2/5，优选为3/10。吸附段2的长度大于进烟段1和出烟段3的长度，优选为进烟段1和出烟段3的长度之和。进烟段1的内径可以根据香烟的粗细进行设置，例如设计成标准规格香烟或细规格香烟的直径。
41.其中，出烟段3与吸附段2转动连接，吸附段2的外侧(内侧)和出烟段的内侧(外侧)设有螺纹11，可通过螺纹11将出烟段3拧在吸附段2上；或吸附段2的外侧(内侧)和出烟段3的内侧(外侧)设有相匹配的卡齿12，从而将出烟段3与吸附段2卡接。
42.实施例2
43.如图2所示，本发明的优选实施例，提供了一种新型沸石分子筛吸附剂烟嘴过滤器，整体呈圆柱型结构，包括依序连接的进烟段1、吸附段2和出烟段3，与实施例1的结构基本相似，不同之处在于：进烟段1包括依序连接的第一香烟固定位8和第二香烟固定位9，第第一香烟固定位8的直径大于第二香烟固定位9的直径，第一滤网4与第一香烟固定位8和第
二香烟固定位9的外壁形状相匹配。其中，第一香烟固定位8用于固定标准规格香烟，第二香烟固定位9用于固定细规格香烟。其中，分子筛吸附剂7呈球状颗粒，直径为0.5～3mm，高硅分子筛原粉为zsm-5分子筛、13x分子筛、β分子筛(质量比10：1：1)。
44.本发明的使用过程如下：抽烟时先将出烟段3从吸附段2拧开(或抽离)，将分子筛吸附剂7倒入吸附段2填满，再将出烟段3拧回(或卡入)吸附段2，再将香烟过滤嘴端插入进烟段1即可；吸完香烟后，再将出烟段3从吸附段2拧开(或抽离)，将吸附段2中的分子筛吸附剂7倒出。当进烟段1设有第一香烟固定位8和第二香烟固定位9时，将标准规格香烟的过滤嘴端插入第一香烟固定位8，将细规格香烟的过滤嘴端插入第二香烟固定位9。下次吸烟重复操作即可。本发明中的进烟段1、吸附段2和出烟段3可重复使用，而分子筛吸附剂7为一次性使用；操作简单，又经济实用。
45.实施例3
46.本实施例与实施例1的结构基本相似，不同之处在于分子筛吸附剂7。其中，分子筛吸附剂7的原料包括zsm-5分子筛原粉(硅铝比》400:1)100份、海泡石粉6份、氯化钙5份、氧化镁6份、硫酸钡晶须5份、碳纳米管8份，粘结剂为原料总质量30wt％的磷酸二氢铝溶液(浓度为20wt％)，烧制得到吸附剂后，将所得吸附剂置于管式反应器中，通入氮气将反应器内的空气去除，然后随氮气通入吡啶蒸汽进行疏水处理，其中，吡啶与氮气的质量比为0.75：100，吡啶与吸附剂的质量比为1：100，反应温度为150℃，反应时间2h；然后降温至50℃及以下，持续通入氮气进行脱附，脱附时间1h，然后制粒，得到分子筛吸附剂7。
47.按实施例1和实施例3所得产品对香烟中的有害气体进行吸附，并与传统原材料进行对比，结果列于表1。本发明具体结构为：进烟段1、吸附段2和出烟段3的长度分别为15mm、25mm、10mm，外径均为10mm，出烟口10的直径为3mm，分子筛吸附剂7的直径为1mm。
48.表1
[0049][0050]
由表1中数据可知，本发明的烟嘴过滤器，对烟气中多种有害物质的吸附率大大高于传统材料，吸附效果明显，对吸烟者及被动吸烟者的身体健康具有明显的保护作用，本发明的市场潜力巨大。
[0051]
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。