安 靜,劉學(xué)芝,余泳昌

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南鄭州450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院,河南鄭州450002)

1 引言

煙草主要是由碳水化合物(占40%～50%)羧酸、色素、萜烯類物質(zhì)、鏈烷烴、類脂物質(zhì)等組成,同時(shí)還有一些生長(zhǎng)過(guò)程中必需的營(yíng)養(yǎng)物(如硝酸鹽等)以及某些污染物(如農(nóng)藥、重金屬元素等)。煙草與別的植物不同之處是所含的萜煥類物質(zhì)比較豐富,即通常所說(shuō)的“蠟質(zhì)”或“尼古丁”。吸煙者吸入香煙過(guò)程,是香煙在不完全燃燒過(guò)程中發(fā)生一系列的熱分解與熱合成的化學(xué)反應(yīng),形成大量新的物質(zhì),其化學(xué)成分很復(fù)雜,從煙霧中分離出有害成分達(dá)3 000余種,其中主要有毒物質(zhì)為煙堿(C10 H14 N2)、煙焦油、一氧化碳(CO)、氫氰酸(HCN)、氨(NH3)及芳香化合物等一系列有毒物質(zhì)。煙草點(diǎn)燃的煙霧由2部分組成,其中氣體部分,占92%,包括多量的氧和氮無(wú)害氣體和一定量的CO及微量的致癌、促癌、纖毛毒物質(zhì)。粒相部分占8%,主要為尼古丁和煙焦油。

人們?cè)谖鼰煹臅r(shí)候,通常只消耗一支香煙的4/5～2/3,而剩余的1/5～1/3則作為垃圾被隨手丟棄。世界衛(wèi)生組織指出,到2025年,全球煙民人數(shù)將升至17億人以上。據(jù)悉,在13億中國(guó)人口中約有3.5億人是煙民,比美國(guó)的總?cè)丝谶€要多,并還在以每年300萬(wàn)人的速度增長(zhǎng),中國(guó)擁有世界上最大的煙草銷售市場(chǎng),例如2008年,我國(guó)共銷費(fèi)卷煙22 044.4億支(4 408.9萬(wàn)箱)[1],中國(guó)有60%的男性和4%的女性都是煙民,據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù),中國(guó)是世界最大的香煙生產(chǎn)國(guó),煙民平均每人每天吸掉15.8支香煙,高于世界平均水平的13.6支,中國(guó)人自己消費(fèi)世界上1/3的香煙,因此產(chǎn)生的廢棄煙頭數(shù)量龐大,亦對(duì)環(huán)境造成相當(dāng)大的污染。

2 廢棄煙頭的回收再利用

2.1 煙頭中可回收利用的物質(zhì)

對(duì)煙頭的回收利用主要包括過(guò)濾嘴中海綿狀的醋酸纖維,以及所吸附的煙堿、茄尼醇等。醋酸纖維結(jié)構(gòu)式可表示為[2](C6 H 7O2)(OOCCH 3)3n,不易著火,可以用于制造紡織品、煙用濾嘴、片基、塑料制品等,醋酸長(zhǎng)絲在化學(xué)纖維中酷似真絲,光澤優(yōu)雅、染色鮮艷、染色牢度強(qiáng),手感柔軟滑爽、質(zhì)地輕,回潮率低、彈性好、不易起皺,具有良好的懸垂性、熱塑性、尺寸穩(wěn)定性,可以廣泛地用來(lái)做服裝里子料、閑暇裝、睡衣、內(nèi)衣等,還可以與維綸、滌綸、錦綸長(zhǎng)絲及真絲等復(fù)合制成復(fù)合絲,用醋酸纖維長(zhǎng)絲紡制的紗線和織成的織物具有蠶絲般自然華貴的光澤,手感柔軟滑爽等特性。醋酸短纖制成的無(wú)紡布可以用于外科手術(shù)包扎,與傷口不粘連,是高級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生材料。

煙堿又名尼古丁,化學(xué)名稱為1-甲基2-(2-吡基)吡咯烷,它能夠?qū)θ水a(chǎn)生一定的生理刺激作用,是使煙草具有商品價(jià)值的主要因素[3]。煙堿廣泛應(yīng)用于精細(xì)化工、制藥、有機(jī)合成、國(guó)防工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。少量煙堿能刺激人體中樞神經(jīng)系統(tǒng),有使人精神安定和抗憂郁作用,對(duì)人的緊張情緒具有緩解作用[4],在醫(yī)藥上可用于研制治療心血管、皮膚、蛇毒、蟲咬傷和無(wú)名腫毒等疾病的藥物;用煙堿制得的檸檬酸煙堿還是生產(chǎn)高級(jí)香煙品質(zhì)改良劑的主要組份;含量40%的煙堿可用來(lái)配制專門用于生產(chǎn)糧食、油料、蔬菜、水果等農(nóng)作物的無(wú)殘留毒、無(wú)公害的高效殺蟲劑及生物性農(nóng)藥。據(jù)大田試驗(yàn)證明,用含量在0.75～2.25kg/hm2的硫酸煙堿,稀釋至0.03%～0.10%濃度噴灑,對(duì)糧食作物、蔬菜、水果和花卉中的蚜蟲、菜青蟲、梨食心蟲、茶蛾和玉米螟等多種害蟲的殺蟲效果都在90%以上。

茄尼醇(solaneso l)是一種全反式結(jié)構(gòu)的聚戊烯醇,主要是用來(lái)合成輔酶Q10和維生素K 2及作為一些抗癌藥物的前體[5],呈白色或淡黃色粉末狀,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、治療心血管疾病、抗?jié)兊茸饔?。目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家已生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用的輔酶Q10(治療心臟病和保健藥物)均須依賴高純度的茄尼醇原料。

2.2 煙頭可回收利用物質(zhì)的分離原理及工藝過(guò)程

目前我國(guó)的煙草廢棄物綜合利用研究則相對(duì)滯后,煙頭物質(zhì)回收再利用的技術(shù)還處于研究階段。煙頭中提取煙堿和茄尼醇的工業(yè)生產(chǎn)流程可分為3個(gè)階段,即煙頭初步處理階段、煙堿提取階段、茄尼醇提取階段。煙頭初步處理階段主要包括煙頭廢棄物的浸泡和浸泡后的固液分離。該階段的設(shè)計(jì)原理是基于煙堿和茄尼醇在水中的溶解特性,煙堿在水中可以和水以任意比例互溶,而茄尼醇則不溶于水。設(shè)計(jì)的目的是將煙堿和茄尼醇分別保留在煙頭浸泡后的液體和固體中,這樣就可以對(duì)2種物質(zhì)進(jìn)行分別提取,從而實(shí)現(xiàn)流程中的對(duì)2種物質(zhì)分別進(jìn)行提取的操作。

煙堿的提取工藝很多,如經(jīng)典提取法、干蒸餾提取法、離子交換提取法、浸有機(jī)溶劑萃取法等,這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)[6]。國(guó)內(nèi)外大多采用萃取分離蒸餾法生產(chǎn)天然煙堿[7],其生產(chǎn)工藝過(guò)程為原料——稀酸浸漬——堿中和——水蒸汽蒸餾——草酸處理——堿化——成品煙堿,其中水浸有機(jī)溶劑萃取法應(yīng)用較多,它的特點(diǎn)是工藝合理,設(shè)備簡(jiǎn)單。本文也采取了水浸有機(jī)溶劑萃取法,提取方案主要由浸泡、過(guò)濾、萃取、蒸發(fā)等工藝組成,具體工藝流程如圖1所示。

圖1 煙頭中煙堿回收再利用生產(chǎn)流程圖

由于茄尼醇具有不溶于水,微溶于甲醇、乙醇,溶于丙酮、氯仿、已烷等有機(jī)溶劑的特性,工業(yè)上大多采用正己烷作為萃取劑提取煙葉中的茄尼醇[8]。在該階段中,具體的提取過(guò)程是在從前2個(gè)階段中得到的固體分離物和煙渣中加入一定量的溶劑(乙酸、煤油、正己烷、汽油)浸泡約5～6h,過(guò)濾,煙渣中再次加入溶劑,再浸泡5～6h,浸提 3次,合并濾液,用水洗濾液3次,有機(jī)相經(jīng)蒸餾,蒸出溶劑(溶劑可回收,回收率通常大于85%),獲得茄尼醇產(chǎn)品(圖2)。

圖2 煙頭中茄尼醇回收再利用生產(chǎn)流程圖

從煙渣中提取醋酸纖維的工藝為先用雙氧水漂白,再用醋酸進(jìn)行溶脹后在硫酸催化條件下與醋酸酐和醋酸混合液反應(yīng)制得醋酸纖維素黃色凝膠。加水使醋酸纖維素沉淀出來(lái),再加雙氧水漂白、過(guò)濾、干燥。

2.3 廢棄煙頭再利用的效益分析

(1)近年來(lái),隨著煙堿產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大,市場(chǎng)上對(duì)天然煙堿的需求量也在與日俱增,國(guó)際市場(chǎng)上高純度天然煙堿不僅價(jià)格居高不下,而且經(jīng)常有價(jià)無(wú)貨。目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上,含量為98%的天然煙堿的售價(jià)已達(dá)8萬(wàn)元/t以上。而在國(guó)際市場(chǎng)上,含量為98.5%的高純度天然煙堿的成交價(jià)格高達(dá)100美元/kg左右。從煙頭中提取煙堿、茄尼醇等物質(zhì),獲得符合綠色衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的天然化工原料,為企業(yè)脫貧解困提供可持續(xù)發(fā)展的契機(jī)。

(2)意大利國(guó)家核能和替代能源局日前發(fā)表研究報(bào)告說(shuō)[9],全球一年被丟棄的煙頭約84.5萬(wàn)t,其中含有約7 800t危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)。全世界一年通過(guò)廢煙頭進(jìn)入自然環(huán)境的尼古丁約324t。全球一年被丟棄的煙頭含有約1 800t苯、甲醛、丙酮和甲苯等揮發(fā)性物質(zhì)。報(bào)告指出,廢煙頭中對(duì)環(huán)境危害最大的物質(zhì)是尼古丁,它具有強(qiáng)殺蟲效果,特別是尼古丁進(jìn)入自然水體會(huì)對(duì)水生動(dòng)物有嚴(yán)重?fù)p害,同時(shí)可能改變土壤結(jié)構(gòu)。另外廢煙頭還含有致癌的焦油、多環(huán)芳烴等多種有害物。煙頭的制作材料醋酸纖維不能降解,其中含有危害魚類繁殖的化合物。本文通過(guò)對(duì)煙頭進(jìn)行“資源化”利用,可以減輕煙草廢棄物帶來(lái)的土壤結(jié)構(gòu)改變的可能性,避免其中有害成分對(duì)地下水的污染。

(3)由于煙頭的回收再利用目前還僅處于研究階段,沒(méi)有相關(guān)成熟的技術(shù),本文中煙頭的回收利用生產(chǎn)工藝的提出,將有效填充這方面的空白,同時(shí)對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)做出一定的貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要討論了煙草的重要成分煙堿、茄尼醇、醋酸纖維的價(jià)值和它們?cè)诟鞣矫娴膽?yīng)用,進(jìn)而提出并設(shè)計(jì)了對(duì)煙頭中煙堿、茄尼醇、醋酸纖維等物質(zhì)回收再利用工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)及流程。通過(guò)浸泡、過(guò)濾、萃取、蒸發(fā)等工藝從廢棄煙頭中提取煙堿等用作制藥原料。與傳統(tǒng)蒸餾法相比,操作簡(jiǎn)單,所需時(shí)間較短,應(yīng)用于生產(chǎn)中可縮短生產(chǎn)周期,減少成本。通過(guò)效益分析可知,通過(guò)對(duì)煙頭進(jìn)行“資源化”利用,不僅可減少煙頭廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染,改善人類生活環(huán)境,還可以為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)契機(jī)。

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