王金棒，邱紀(jì)青，汪志波，張仕華，鄭路，洪群業(yè)，劉亞麗，薛飛

1.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，河南 鄭州 450001;2.中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所，甘肅 蘭州 730000

0 引言

煙蒂又稱煙頭、煙屁股，是卷煙燃吸結(jié)束后的剩余部分，包括濾嘴、殘留的未燃燒煙支段和煙灰，本文所述煙蒂的綜合利用主要指濾嘴部分的再利用.卷煙濾嘴由成型紙和接裝紙包裹醋酸纖維制成，主要作用是通過(guò)物理過(guò)程減少煙支燃吸產(chǎn)生的部分焦油及有害成分，從而降低吸煙引起的健康風(fēng)險(xiǎn).由此可見(jiàn)，燃吸后的煙蒂，其組成不僅包含濾嘴原有的組成成分(接裝紙、成型紙和醋酸纖維)，還含有截留的部分煙氣物質(zhì)，如焦油、煙堿等，其中對(duì)環(huán)境影響較大的主要是醋酸纖維絲束和截留的煙氣有害成分[1].

煙蒂等廢棄物數(shù)量龐大，其產(chǎn)生量與煙支消費(fèi)量呈正比，每年全球煙支消費(fèi)約5.5萬(wàn)億支[2]，可產(chǎn)生煙蒂約7.67×105t[3].煙蒂中的醋酸纖維是木漿纖維素與醋酐在催化劑作用下反應(yīng)得到的醋酸酯化產(chǎn)物，是一種人造纖維，根據(jù)纖維素中羥基取代度的不同分為二醋酸纖維和三醋酸纖維，通常多指二醋酸纖維[4].雖然醋酸纖維具有一定的光降解性[5]，但由于乙?；拇嬖?，其生物可降解能力較弱[6-7]，分解周期長(zhǎng)達(dá)7.5～14.0 a[8-9].此外，煙蒂所截留的氣溶膠含有的多種化學(xué)成分(如煙堿、重金屬等)會(huì)轉(zhuǎn)移至環(huán)境中，對(duì)土壤、水體、生物等產(chǎn)生不良影響[10-14].

煙蒂綜合利用具有重要意義，但國(guó)內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究及產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)相對(duì)較少.本文擬基于煙蒂的組成特點(diǎn)，從煙蒂整體材料應(yīng)用于建筑材料、碳材料、濾嘴所吸附化學(xué)成分、醋酸纖維再利用等4個(gè)方面，對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，旨在通過(guò)深入分析和研判國(guó)內(nèi)外煙蒂綜合利用的科技發(fā)展態(tài)勢(shì)，推進(jìn)煙支廢棄物資源化再利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙贏.

1 煙蒂在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 制備輕質(zhì)黏土磚

作為可燃的碳基原料，早在2010年研究人員就對(duì)煙蒂在輕質(zhì)黏土磚制備中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，實(shí)驗(yàn)室報(bào)道中，僅需干燥和殺菌處理即可使用[15-17].A.Mohajerani等[18]預(yù)測(cè)，在黏土磚中添加1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的煙蒂，只需全球磚產(chǎn)量的2.5%即可消耗掉所有的煙蒂.輕質(zhì)黏土磚的性能(如密度、熱導(dǎo)率、抗壓強(qiáng)度等)主要受煙蒂添加量和升溫速率兩個(gè)因素的影響，且均隨著煙蒂添加量的增加或升溫速率的升高而下降[15-17,19-22].在環(huán)境污染控制和節(jié)能方面，A.A.Kadir等[21]研究顯示，在燒制過(guò)程中氣體污染物的排放受升溫速率的影響最為顯著，當(dāng)升溫速率從0.7 ℃/min增加到10 ℃/min時(shí)，CO、CO2、Cl2和NO的釋放量可分別降低81%、29%、93%和65%，但HCN的釋放量約增加38%.另外，輕質(zhì)黏土磚中重金屬的浸出量遠(yuǎn)低于可接受的監(jiān)管限量值[23].在能量消耗方面，鑒于煙蒂較高的熱值，添加5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煙蒂可節(jié)省近60%的燒制能量[15-18,24].雖然目前相關(guān)研究主要關(guān)注的是磚的性能及對(duì)環(huán)境的影響等方面，但已有成果顯示，在滿足黏土磚使用要求的前提下，輕質(zhì)黏土磚是煙蒂規(guī)?；玫囊环N有效途徑.

1.2 制備瀝青混凝土

纖維材料對(duì)瀝青混合料的有效改性[25]，為煙蒂應(yīng)用于瀝青混凝土的制備提供了可能，使用前也僅需干燥和殺菌即可.2017年，A.Mohajerani等[26-27]分別考查了熱瀝青或石蠟封裝的煙蒂對(duì)瀝青混凝土機(jī)械性能和體積性能的影響，采用瀝青封裝法，摻配10 kg/m3或15 kg/m3的煙蒂可以滿足各種荷載道路的使用要求，而采用石蠟封裝法僅能滿足低荷載道路的使用要求.2020年，M.T.Rahman等[28]研究顯示，在瀝青中摻配0.3%的煙蒂能夠顯著改善瀝青混凝土的物理性能和流變性能，其功能與原生纖維素相似.另外，由于煙蒂改性瀝青混凝土體積密度小、空隙多，用作路基材料還可緩解城市的“熱島”問(wèn)題.基于前期封裝法在混凝土制備方面的工作[26-27]，M.T.Rahman等[29-30]還研究了瀝青封裝煙蒂后在瀝青瑪蹄脂碎石中的應(yīng)用，結(jié)果顯示，添加1%和2%的煙蒂能改善產(chǎn)品的馬歇爾穩(wěn)定性(Marshall stability)和彈性模量，且煙蒂瀝青封裝法能夠顯著降低重金屬的滲出率.

1.3 制備吸音/吸波材料

煙蒂中醋酸纖維素的多孔特性為其在吸音材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使用前僅需干燥處理即可.2017年，V.G.Escobar等[31-32]研究表明，煙蒂對(duì)高頻率(>2000 Hz)聲波的吸收系數(shù)相對(duì)較高(0.8～0.9)，且最大吸收系數(shù)頻率與材料的空隙呈正比，與厚度呈反比，在同等厚度條件下，煙蒂的吸音效果優(yōu)于玻璃棉或玻璃纖維等其他商用材料[33].當(dāng)音頻高于煙蒂的最大吸收頻率時(shí)，吸音效果不受煙絲殘留、接裝紙、煙蒂長(zhǎng)短等因素的影響[32].

在電磁波吸收方面，前處理中需要去除包裝紙，并清洗醋酸纖維素濾材.C.H.Wang等[34]將煙蒂浸漬氧化石墨烯后，經(jīng)高溫炭化得到了石墨烯包覆的碳纖維(CF@G)氣凝膠，其抗壓強(qiáng)度(0.07 MPa)遠(yuǎn)高于單獨(dú)的石墨烯氣凝膠，在14.6 GHz時(shí)對(duì)電磁波的吸收能力為-30.53 dB.另外，在CF@G表面包裹聚吡咯材料還可以進(jìn)一步提升其對(duì)電磁波的吸收性能，在7.9 GHz時(shí)吸收能力達(dá)-45.12 dB.

綜上所述，煙蒂應(yīng)用于建材領(lǐng)域的最大優(yōu)勢(shì)是原料可規(guī)?；幚?，無(wú)需特殊前處理，可操作性強(qiáng)，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高且產(chǎn)品的附加值低.在制備輕質(zhì)磚方面，煙蒂主要起“孔導(dǎo)向劑”作用，在滿足使用要求的同時(shí)，質(zhì)輕、隔熱是其產(chǎn)品特色.在制備瀝青混凝土方面，煙蒂主要作為骨料使用，對(duì)于改善瀝青的物理和流變性能效果顯著，產(chǎn)品具有密度小、多空隙等特點(diǎn).在制備吸音/吸波材料方面，煙蒂對(duì)頻率高于2000 Hz的噪聲吸收效果優(yōu)于玻璃棉等商用材料，由煙蒂制備的CF@G氣凝膠對(duì)電磁波也具有良好的吸收性能.

2 煙蒂在碳材料領(lǐng)域的應(yīng)用

煙蒂的碳含量適中(11%)、灰分低(0.096%)，在制備碳材料方面具有明顯的原料組成優(yōu)勢(shì).目前,關(guān)于煙蒂基碳材料的研究主要集中在制備吸附材料、電化學(xué)儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域.

2.1 制備吸附材料

高吸附量碳材料的開(kāi)發(fā)對(duì)于環(huán)境污染治理、氣體儲(chǔ)存等具有重要意義.S.Kagawa等[35]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙蒂含水率為200%時(shí)，高溫炭化所得碳材料的比表面積最高，為556 m2/g，對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量為58 mg/g.H.H.C.Lima等[36]將煙蒂水熱炭化、NaOH溶液低溫活化，盡管碳材料BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面積很小(<4 m2/g)，但在堿性環(huán)境(pH=11)中，其對(duì)亞甲基藍(lán)的最大單程吸附量可達(dá)635 mg/g，主要?dú)w因于該方法所得碳材料在堿性條件下表面富含負(fù)電官能團(tuán).

在重金屬吸附方面，張星等[37]以煙蒂為原料，經(jīng)炭化、活化制備活性炭，該材料對(duì)水溶液中Pb2+的吸附效果顯著，2 min后即達(dá)到吸附平衡，最大吸附量為148 mg/g.S.M.Soltani等[38]采用HNO3對(duì)炭化煙蒂改性，pHPZC明顯降低(3.6 vs 4.8)，在pH=5的環(huán)境中對(duì)Pb2+的吸附量可達(dá)66 mg/g.D.D.Pu等[39]采用磷酸處理煙蒂基碳材料，加強(qiáng)了其對(duì)水溶液中放射性核素(鈾)的選擇性吸附，吸附量(106 mg/g)是改性前的3.4倍.L.X.Li等[40]采用K2CO3和尿素對(duì)煙蒂進(jìn)行共活化，制備了高比表面積(2068 m2/g)的氮摻雜碳材料，其對(duì)洛沙酮的最大吸附量可達(dá)697 mg/g.S.Kagawa等[35]借助水的活化作用，所得碳材料對(duì)碘元素的吸附量可達(dá)552 mg/g.H.X.Sun等[41]采用KOH活化法制備的碳材料在80 ℃時(shí)對(duì)碘蒸氣的吸附量可以達(dá)到其自身質(zhì)量的262%.

在有機(jī)染料等的吸附方面，A.B.Chen等[42]以煙蒂為碳基質(zhì)支架，采用溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)自組裝(EISA)方法制備了有序介孔的碳材料，該材料對(duì)水溶液中苯酚的吸附量為261.7 mg/g.A.Gupta等[43]以Nb2O5、Mg粉、廢棄煙蒂分別為鈮源、還原劑和碳源，經(jīng)高溫炭化、酸洗制得NbC/C納米復(fù)合材料，該材料對(duì)水溶液中亞甲基藍(lán)等有機(jī)染料具有優(yōu)異的光催化降解性能.Q.L.Zhang等[44]分別以煙蒂和硝酸鐵為碳源和氧化劑，浸漬干燥后直接在管式爐中碳化得到多孔C/Fe3O4復(fù)合物，600 ℃所得材料的比表面積最大(90 m2/g)，對(duì)水溶液中甲基橙的最大吸附量為102.04 mg/g.呂莎[45]將煙蒂與FeCl3共溶于丙酮中，在氨水作用下高溫制備出Fe0/C復(fù)合材料，可顯著降解地下水中的氯代有機(jī)污染物，120 h的降解率高達(dá)98%.

在亞硝胺吸附方面，S.H.Li等[46]將煙蒂和金屬鹽溶于乙酸中，而后經(jīng)高溫炭化制得具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，當(dāng)金屬鹽為Fe(NO3)3·9H2O時(shí)，所得材料對(duì)煙草提取液中的煙草特有亞硝胺(TSNAs)具有較強(qiáng)的吸附能力，吸附效率達(dá)39%，該復(fù)合材料還具有優(yōu)異的磁分離性能.Y.K.Zhang等[47]將煙蒂和Al(NO3)3·9H2O、Fe(C2H3O2)2分別作為碳源和孔導(dǎo)向劑溶于乙酸中，干燥后直接炭化得到雙氧化物改性碳材料，相比于NaZSM-5和活性炭，所得材料對(duì)煙草提取液中TSNAs和水相中的Pb2+具有更加優(yōu)異的吸附性能，當(dāng)固液比為0.2時(shí)，TSNAs的吸附率為41%，Pb2+的吸附量為153 mg/g，且該材料對(duì)NNK還具有一定的催化降解性能.

在氣體分子(CO2、H2、CH4、揮發(fā)性有機(jī)物VOCs等)捕獲或儲(chǔ)存等方面，H.X.Sun等[41]將煙蒂經(jīng)炭化、活化制備了微孔占70%的高比表面積碳材料(2751 m2/g)，室溫常壓下對(duì)CO2的吸附量達(dá)6.0 mmol/g.A.B.Chen等[42]將煙蒂作為碳基質(zhì)支架，輔助于可溶性酚醛樹(shù)脂(碳源)和三嵌段共聚物F127(介孔模板)，采用EISA方法制備了有序介孔多孔碳材料，在室溫和100 kPa條件下，其對(duì)CO2的吸附量為2.48 mmol/g.T.S.Blankenship等[48]將煙蒂經(jīng)水熱炭化、活化制備出超高比表面積多孔碳材料(4300 m2/g)，其富含含氧官能團(tuán)，對(duì)H2的存儲(chǔ)性能顯著，在-196 ℃和2～4 MPa條件下，H2的儲(chǔ)量可達(dá)9.4%～11.2%.在VOCs吸附材料制備方面，W.J.Zhu等[49]將煙蒂經(jīng)水熱碳化后，分別采用浸漬法、研磨法使之與活化劑KOH均勻混合，再經(jīng)高溫炭化，得到具有高比表面積的多孔碳材料(3088 m2/g)，在25 ℃和P/P0=0.6的條件下，該材料對(duì)苯和甲苯的最大吸附量分別為1 268.1 mg/g和1 181.6 mg/g.

2.2 制備電化學(xué)儲(chǔ)能材料

在超級(jí)電容器電極材料制備方面，L.X.Li等[40]以煙蒂為原料，采用K2CO3活化法制備出高比表面積碳材料(2145 m2/g)，其比表面積約是煙蒂直接熱解制備碳材料(536 m2/g)的4倍，將其用于超級(jí)電容器，比電容為125.5 F/g;在煙蒂炭化過(guò)程中添加尿素，可制備氮摻雜多孔碳材料，BET比表面積變化不大(2068 m2/g)，比電容可提高至199 F/g.M.Lee等[50]將煙蒂分別在Ar和NH3氣氛下高溫炭化，分別制備出具有微/介孔結(jié)構(gòu)的碳材料和氮摻雜碳材料，比表面積分別為573 m2/g和1634 m2/g，受益于氮摻雜、微/介孔結(jié)構(gòu)、高比表面積等因素，后者表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，比電容為153.8 F/g.Y.L.Cheng等[51]將吸附尿素后的煙蒂直接高溫炭化制備出氮摻雜多孔碳材料，條件優(yōu)化后，在750 ℃條件下所制備的碳材料BET比表面積最高(734 m2/g)，且具有最高的比電容(152 F/g).Q.Meng等[52]將煙蒂經(jīng)水熱炭化、KOH高溫活化制備出多孔碳材料(1350 m2/g)，在此基礎(chǔ)上，以尿素為氮源，再次經(jīng)水熱炭化制備出氮摻雜多孔碳材料，比表面積提升至1633 m2/g，并且富含氮元素和含氧官能團(tuán)，應(yīng)用于超級(jí)電容器，比電容高達(dá)330 F/g.此外，在煙蒂表面生長(zhǎng)含氮聚合物，再經(jīng)炭化也可制備出氮摻雜碳材料，Q.C.Xiong等[53]首先在煙蒂表面原位生長(zhǎng)聚吡咯，而后經(jīng)KOH活化制備出高比表面積(3420 m2/g)氮摻雜多孔碳，比電容高達(dá)263 F/g.在碳材料與過(guò)渡金屬氮化物復(fù)合方面，可利用各自的優(yōu)點(diǎn)提高材料的整體電容.Y.Q.Wang等[54]在煙蒂上負(fù)載NH4VO3，而后在體積比為40∶60的N2和NH3氣氛下高溫炭化，制得具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的CF@VN雜化復(fù)合材料，比電容為104 F/g.

在電池電極材料制備方面，C.Y.Yu等[55]將煙蒂經(jīng)高溫炭化、HCl清洗制得氮摻雜多孔碳材料，BET比表面積為1285 m2/g，作為鋰離子電池陽(yáng)極材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在電能為25 mA/g時(shí)經(jīng)100次循環(huán)其可逆放電比容量為528 mAh/g.H.Y.Hou等[56]將煙蒂直接炭化制備出氮摻雜多孔碳材料，并將其用作鈉離子電池的陽(yáng)極材料，研究表明，700 ℃條件下炭化得到氮摻雜碳材料具有更大的層間距、更多氮含量和更無(wú)序的微觀結(jié)構(gòu)，使其具有更高的Na儲(chǔ)存性能，在25 mA/g經(jīng)2000次循環(huán)其可逆放電比容量為300 mAh/g.H.B.Xu等[57]將煙蒂浸漬氧化石墨烯懸浮液，而后炭化得到石墨烯包覆的多孔碳材料，再通過(guò)熔融擴(kuò)散法負(fù)載硫單質(zhì)，將其應(yīng)用于鋰硫電池，在電池容量為0.2 C時(shí)經(jīng)200次循環(huán)其可逆放電比容量仍高達(dá)1010 mAh/g.

2.3 其他應(yīng)用

煙蒂衍生的碳材料還可以用作催化劑的載體，以及傳感器、熒光膜等領(lǐng)域[58-61].G.P.Kim等[58]將煙蒂在NH3氣氛下高溫炭化制備出氮摻雜多級(jí)孔碳材料(2148 m2/g)，經(jīng)浸漬改性負(fù)載高分散Pt催化劑，比商用的Pt/C催化劑具有更高的ORR活性和耐久性.鑒于碳材料的多孔結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電率的特性，碳材料在吸附大分子和傳導(dǎo)電化學(xué)信號(hào)方面也具有一定優(yōu)勢(shì).S.Bilge等[59]將煙蒂經(jīng)水熱炭化、KOH活化制得多孔碳材料，并將其作為傳感材料對(duì)玻璃電極進(jìn)行修飾，可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品中降壓藥物(群多普利)快速、靈敏的測(cè)定.R.Bandi等[60]采用40%H2SO4對(duì)煙蒂進(jìn)行水熱處理，制得了具有高熒光性能的水溶性N,S-共摻雜碳點(diǎn)，作為無(wú)標(biāo)記納米探針，可實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe3+和抗壞血酸的“on-off-on”的順序檢測(cè)，具有優(yōu)異的選擇性和靈敏度，檢測(cè)限分別為0.13 μM和0.2 μM，也可用于真實(shí)水樣和生物基質(zhì)中相應(yīng)目標(biāo)物的測(cè)定.另外，在金屬氧化物催化劑制備方面，煙蒂還能作為燒失性載體使用，通過(guò)燃燒法制備納米材料.與傳統(tǒng)燃燒法所用液體有機(jī)燃料(甘氨酸，尿素或檸檬酸)不同，Z.J.Zhou等[61]先采用煙蒂等體積浸漬亞硝酸錳溶液，而后分別在陰燃和明火燃燒條件下分別制備出具有相同尺寸(40～50 nm)的MnOx材料，二者氧化還原性能相近，但陰燃條件下所得材料的孔隙度更好，可用于NO的選擇性還原.

綜上所述，煙蒂應(yīng)用于碳材料的制備領(lǐng)域，方法比較成熟，主要用于環(huán)境污染物的選擇性吸附；作為儲(chǔ)存材料，可用于存儲(chǔ)CO2和H2等氣體.在電化學(xué)領(lǐng)域，主要是制備氮摻雜碳材料，用于超級(jí)電容器、鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池等儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換器件.從終端使用對(duì)象看，由煙蒂制備功能碳材料的附加值相對(duì)較高.相比于其他自然來(lái)源的碳材料前驅(qū)體(煤、石油或生物質(zhì)等)，煙蒂中醋酸纖維素的結(jié)構(gòu)及成分相對(duì)單一，所制備材料在產(chǎn)品均一性方面具有一定的優(yōu)勢(shì).

3 煙蒂中所吸附化學(xué)成分的綜合利用

除了醋酸纖維等固態(tài)主體材料，在卷煙燃吸過(guò)程中所截留的煙堿、焦油等化學(xué)成分也是煙蒂中重要的組分.目前，有關(guān)吸附截留化學(xué)成分的綜合利用主要有提取化工原料、作為金屬腐蝕抑制劑、殺蟲(chóng)劑使用等方面.

3.1 提取化工原料

在化工原料單體方面，2012年，黃登峰[62]以煙蒂為原料，采用溶劑萃取和色譜提純法得到8個(gè)單體化合物，基于在不同溶劑中溶解性的差異，分離得到1.4%煙堿、4.3%茄尼醇粗品、0.8%三醋酸甘油酯和17.7%醋酸纖維素(基于煙蒂質(zhì)量).其中，煙堿和茄尼醇屬于煙氣截留物，作為綠色農(nóng)藥和醫(yī)藥重要的化工中間體，附加值相對(duì)較高，是單體化學(xué)品制備的重要方向，但單體化學(xué)品的分離及純化則較為困難，提取過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步評(píng)估.

相較于單體化學(xué)品，煙蒂提取物(混合物)的制備過(guò)程則相對(duì)簡(jiǎn)單，卷煙燃吸特征香料的制備是其綜合利用的一個(gè)重要方向.內(nèi)蒙古昆明卷煙有限責(zé)任公司[63]基于有機(jī)溶劑，分別采用直接或超高壓、超聲波、微波輔助的溶劑提取，以及超臨界CO2等方法提取煙蒂中的致香成分，經(jīng)分離、濃縮得到焦油提取物，可添加到煙草制品中.但煙蒂截留物中還存在外源性農(nóng)藥殘留及其裂解物、重金屬元素等其他有害或潛在有害組分，如何選擇性去除這些有害成分，國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有研究還沒(méi)有涉及.

3.2 制備金屬腐蝕抑制劑

關(guān)于煙草成分用于金屬防腐的研究由來(lái)已久，早在20世紀(jì)40—60年代，人們就發(fā)現(xiàn)煙草中的煙堿及其相關(guān)物(如煙酸、煙酰胺等)等單體在抑制金屬腐蝕方面效果顯著，也報(bào)道了諸如鋁及其合金[64]、低碳鋼[65]、熱浸鍍Zn和Zn-Al合金鍍層[66]等材料在鹽酸溶液,以及銅在K2S2O8溶液中在煙堿及其相關(guān)物單體存在下的耐腐蝕特性研究[67]等內(nèi)容.至21世紀(jì)前后，金屬腐蝕抑制劑的開(kāi)發(fā)才逐步過(guò)渡到以煙草提取物為主要活性組分的混合物[68-70]，其機(jī)理主要是含氮、氧或硫的有機(jī)物可吸附在金屬表面形成一層保護(hù)薄膜[71-72].

煙蒂中同樣存在這些活性組分，為煙蒂在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了啟示.針對(duì)采油工程酸化工序?qū)υO(shè)備的腐蝕性問(wèn)題，J.Zhao等[73]研究發(fā)現(xiàn)，在90 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%和15%的HCl溶液中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的煙蒂浸提液條件下，對(duì)N80鋼材的腐蝕性可分別降低94.6%和91.7%.基于生物堿或芳香胺易于氧化的特性[74]，J.Zhao等[75]通過(guò)在煙蒂浸提時(shí)鼓入空氣制備出氧化態(tài)水提物，浸提液中有機(jī)物種類明顯增多，對(duì)N80鋼材腐蝕的抑制率從84.6%提高到92.9%.在銅離子與煙蒂浸提液在抑制金屬腐蝕中的協(xié)同作用方面，J.T.Zhang等[76]研究發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的煙蒂浸提液在N80鋼材表面所形成的薄膜保護(hù)層并不致密，在酸性介質(zhì)中依舊存在點(diǎn)蝕現(xiàn)象，為此，在提取液中加入CuCl，能夠增強(qiáng)膜層的致密性，進(jìn)而提升抗腐蝕能力，抑制效率可提高至95.3%，研究認(rèn)為水提液中的有機(jī)物與CuCl所形成的配合物是性能提升的關(guān)鍵原因.

綜上可知，煙蒂浸提物在金屬防腐方面效果顯著，相比其他無(wú)機(jī)抑制劑(如鉻酸鹽、鉛等)，具有低毒、環(huán)境友好等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

3.3 制備殺蟲(chóng)劑

煙草淋洗物對(duì)水生環(huán)境中水蚤、細(xì)菌、魚等生物具有急性毒性[77]，受此啟發(fā)，鑒于幼齡期蚊蟲(chóng)也主要生存在水生環(huán)境中，H.Dieng等[78-80]將煙蒂水浸提物用于蚊媒登革熱疾病的預(yù)防控制，研究發(fā)現(xiàn)，煙蒂水浸提物不僅對(duì)妊娠雌性伊蚊具有吸引力，且對(duì)幼蟲(chóng)具有顯著的殺害效果，尤其是在幼蟲(chóng)發(fā)育早期或當(dāng)浸提物有效成分濃度較高的條件下，幼蟲(chóng)的致死率更高.這種效應(yīng)對(duì)雌性幼蟲(chóng)的影響更為顯著，相比對(duì)照組，每100 mL去離子水浸提1個(gè)煙蒂的效果更好[80].可見(jiàn)，煙蒂水提物不僅具有引誘劑功能，對(duì)幼蟲(chóng)的毒性也使其為蚊蟲(chóng)類環(huán)境友好型殺蟲(chóng)劑的開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路.除了水提物的直接利用外，K.Murugan等[81]研究還發(fā)現(xiàn)，以煙蒂水提物為還原劑，室溫下可將AgNO3還原成Ag納米顆粒，所制備納米材料對(duì)幼齡和成年期蚊蟲(chóng)也具有優(yōu)異的毒性效應(yīng).

綜上所述，煙蒂浸提物中化學(xué)成分綜合利用的相關(guān)研究雖然不多，且主要集中在煙蒂水提物作為金屬腐蝕抑制劑使用，但相比于其他傳統(tǒng)抑制劑，防腐效果更顯著.另外，煙蒂水提物在蚊媒登革熱疾病的預(yù)防控制方面的應(yīng)用，無(wú)論是煙蒂水提物還是其介導(dǎo)的Ag納米顆粒材料，均對(duì)幼齡期蚊蟲(chóng)表現(xiàn)出較高的致死率.在化工原料或香料提取方面的研究?jī)H停留在初步探索階段，尚缺乏系統(tǒng)的研究.

4 醋酸纖維素和纖維素的再利用

4.1 制備改性材料

對(duì)于煙蒂的固相部分，無(wú)論是制備建材還是碳材料，煙蒂只起到“犧牲劑”的作用，即綜合利用后材料的本體發(fā)生了根本性改變，或燒失或轉(zhuǎn)變?yōu)樘?迄今為止，以煙蒂為原料進(jìn)行醋酸纖維素直接回收或應(yīng)用的文獻(xiàn)相對(duì)較少，可能是受成本、效率等因素的綜合影響所致.

在納米晶纖維素的制備及應(yīng)用方面，S.A.Ogundare等[82]先用水、乙醇和次氯酸鈉對(duì)煙蒂進(jìn)行處理，而后在NaOH的乙醇溶液中水解除去乙酰基團(tuán)，再經(jīng)H2SO4水解得到納米晶纖維素，具有針狀結(jié)構(gòu)，其收率、尺寸和結(jié)晶度分別為29.4%、143 nm×8 nm和94.5%.E.A.Danso等[83]采用熱堿法對(duì)煙蒂進(jìn)行水解制得納米纖維，而后經(jīng)磷酸處理得到帶負(fù)電荷的吸附劑，強(qiáng)化了對(duì)雙氯芬酸的吸附，最大吸附量可達(dá)107.9 mg/g;同時(shí)采用H2SO4進(jìn)一步酸解，制備了纖維素納米晶.昆明理工大學(xué)[84]將煙蒂中醋酸纖維素堿水解后，依次經(jīng)高碘酸選擇性氧化、乙酰肼基三甲基氯化銨醚化改性，得到具有水溶性的陽(yáng)離子纖維素醚化物，可作為低毒絮凝劑，用于循環(huán)水、給水和廢水的處理，能有效降低水的濁度.

在醋酸纖維素納米薄膜制備方面，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)[85]以煙蒂、殘次卷煙濾嘴或廢棄醋酸纖維為原料，經(jīng)梳理、鋪層和熱壓定形，得到醋酸纖維納米濾布，可用于對(duì)養(yǎng)殖廢水的凈化處理.F.D.Arroyo等[86]以煙蒂為原料，對(duì)比研究了酸水解和靜電紡絲兩種技術(shù)所得到的醋酸纖維素納米薄膜，結(jié)果顯示，兩種方法均可制備厚度為0.017～1.5 μm、直徑為25～82 nm的醋酸纖維納米薄膜，其中，酸水解法所得材料具有更高的結(jié)晶度和機(jī)械性能，但工藝更復(fù)雜、成本也更高.

在作為催化劑載體方面，M.Dorosti等[87]將煙蒂清洗后用作載體，以NaBH4為還原劑在其表面原位生成Pd納米顆粒，應(yīng)用于電解池，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)地下水中Cr6+的還原、Cr3+的沉淀和消毒，對(duì)Cr6+的去除率高達(dá)99.7%.Z.T.Xie等[88]將煙蒂清洗干燥后，先采用NaOH的甲醇溶液將其去乙?；蠼柚w維素的自身還原性，采用HAuCl4在其表面負(fù)載金納米顆粒，所得材料可用作連續(xù)流反應(yīng)器，高效降解甲基藍(lán)或甲基橙等含亞硝基的有機(jī)染料.H.X.Sun等[89]研究發(fā)現(xiàn)，在煙蒂表面涂覆一層還原石墨烯，所得材料具有超親水性、熱導(dǎo)率低、光吸收范圍寬等特點(diǎn)，可用作光熱轉(zhuǎn)化器來(lái)產(chǎn)生“太陽(yáng)能蒸汽”，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)94%.

在造紙技術(shù)方面，作為制漿原料，M.B.H.Teixeira等[90]開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)將廢棄煙蒂回收用于纖維素紙漿生產(chǎn)的技術(shù).研究顯示，采用堿煮(1 mol/L NaOH)處理廢棄煙頭，能夠明顯提升原料的打漿度(46oSR)，所得紙片的牽引指數(shù)、抗張強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度顯著提升，單獨(dú)或摻配到其他原料中可用于紙張的生產(chǎn).

4.2 制備電化學(xué)材料

在鋰離子電池新型隔膜材料開(kāi)發(fā)方面，F(xiàn).L.Huang等[91]從煙蒂中分離出醋酸纖維后，采用靜電紡絲技術(shù)，以醋酸纖維為核、PVDF-HFP為殼共軸擠出制備了核殼復(fù)合納米纖維材料，干燥后經(jīng)LiOH溶液水解制得纖維素/PVDF-HFP隔膜材料.用該膜材料組裝的電池在儲(chǔ)能、循環(huán)穩(wěn)定性及速率性能等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于現(xiàn)有商用膜材料.

4.3 制備油水分離材料

煙蒂中醋酸纖維素不僅具有兩親性，還具有多孔性，因而，作為吸附分離材料在油水分離方面具有一定的應(yīng)用前景.目前在材料制備方面主要有兩種方法，一種是直接使用，即通過(guò)靜電紡絲法將醋酸纖維素負(fù)載到網(wǎng)格上；另一種是對(duì)其表面進(jìn)行改性，如通過(guò)化學(xué)鍵合硅烷化試劑或在其表面通過(guò)氫鍵鍵合聚多巴胺等后使用.

在直接應(yīng)用方面，2019年，W.M.Liu等[92]將煙蒂中的醋酸纖維分離、清洗后，分散到DMF和丙酮的混合分散液中，然后經(jīng)靜電紡絲將其涂覆在篩網(wǎng)上，得到納米纖維膜材料.使用前只需用水或油進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕就可以分別實(shí)現(xiàn)膜材料水下超疏油性和油下超疏水性的調(diào)變，實(shí)現(xiàn)按需分離各種不混溶的油/水混合物或乳液，油水分離效率高(99.9%以上)、循環(huán)穩(wěn)定性好.

在直接硅烷化改性方面，2015年，C.Liu等[93]和Q.C.Xiong等[94]將煙蒂清洗后，通過(guò)液相改性法在其表面沉積十八烷基三氯硅烷(OTS)或OTS與甲基三甲氧基硅烷(MTMS)混合試劑，所制備材料對(duì)水-油混合物具有優(yōu)異的分離性能，且具有良好的彈性和循環(huán)穩(wěn)定性.除了上述直接硅烷化改性法外，對(duì)煙蒂中醋酸纖維進(jìn)行堿洗預(yù)處理可進(jìn)一步提高其表面的粗糙度，進(jìn)而可提高改性材料的油水分離效果.J.F.Ou等[95]、A.O.Ifelebuegu等[96]先將煙蒂在NaOH溶液中進(jìn)行部分水解，再分別采用液相法或氣相法在其表面進(jìn)行有機(jī)硅烷改性，對(duì)油品的吸附效果優(yōu)于商用的聚丙烯吸附劑，吸附量可達(dá)自身質(zhì)量的16～26倍.Y.N.Liu等[97]開(kāi)發(fā)了一種不同于硅烷化改性的綠色便捷的改性方法，采用潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)策略，由煙蒂制備出疏水親油材料，即通過(guò)其與親水性的聚多巴胺的氫鍵作用，“消耗”煙蒂表面的親水基團(tuán)，所得到的改性膜材料或吸附劑對(duì)油/水不混溶或乳化液體系的除油率可達(dá)99.77%，且具有良好的耐久性和穩(wěn)定性.

綜上所述，煙蒂中醋酸纖維的資源化利用途徑相對(duì)豐富，且主要用作纖維素及其改性材料，一方面，可通過(guò)納米晶纖維素或醋酸纖維素納米薄膜的制備或改性用于水的凈化處理；另一方面，可通過(guò)直接成膜或表面硅烷化或通過(guò)氫鍵，采用聚多巴胺改性用于油-水混合物的高效分離等.在造紙及電化學(xué)材料領(lǐng)域的研究相對(duì)偏少.

5 結(jié)論與展望

整體來(lái)看，煙蒂資源化利用的研究范圍主要基于廢棄煙蒂的組成——醋酸纖維和煙氣截留物，以醋酸纖維的再利用為主，涉及建筑材料、碳材料的制備、醋酸纖維的分離提取和改性等.煙蒂在用于制備建筑材料時(shí)，最大優(yōu)勢(shì)是煙蒂可規(guī)?；幚恚饕闷渥鳛椤翱讓?dǎo)向劑”作用，所制備的產(chǎn)品不僅密度低而且還具有多孔性，質(zhì)輕、隔熱是其產(chǎn)品特色.煙蒂用于制備碳材料的研究相對(duì)較多，制備方法相對(duì)比較成熟，主要用于環(huán)境污染物的選擇性吸附、氣體儲(chǔ)存材料、儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換器件等，制備電化學(xué)材料是煙蒂高值化利用的重要途徑.對(duì)于煙蒂所吸附的化學(xué)成分的綜合利用，以混合物為主，可提取化工原料用于卷煙特征香料，也可以用于金屬腐蝕抑制劑、殺蟲(chóng)劑等，而在化學(xué)品單體方面研究相對(duì)較少，值得指出的是,煙蒂水提物作為金屬腐蝕抑制劑使用時(shí)防腐效果顯著.煙蒂中醋酸纖維素的資源化利用主要在環(huán)保領(lǐng)域，通過(guò)成膜或表面硅烷化或鍵合聚多巴胺改性用于油水分離或水體的凈化等.

煙蒂可資源化利用的方向相對(duì)較多，現(xiàn)有研究均處于實(shí)驗(yàn)探索階段，距離技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化尚存在一定距離，煙蒂的有效收集是影響產(chǎn)業(yè)化步伐的關(guān)鍵因素.為更好地促進(jìn)該領(lǐng)域的科技成果轉(zhuǎn)化，有效緩解煙蒂造成的環(huán)境污染問(wèn)題，提出如下建議：1)探索利于煙蒂收集的相關(guān)措施，如完善吸煙區(qū)、滅煙處等基礎(chǔ)設(shè)施的布局，同時(shí)還要提高卷煙消費(fèi)者的環(huán)保意識(shí)等.2)對(duì)現(xiàn)有的研究方向從“成本-環(huán)境-效益”三方面進(jìn)行綜合評(píng)估.積極引導(dǎo)開(kāi)展環(huán)境友好且在產(chǎn)品鏈上具有較高附加值項(xiàng)目的相關(guān)研究(基礎(chǔ)研究和工程化研究)，有效縮短科學(xué)與技術(shù)、技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化之間的轉(zhuǎn)化周期.3)除現(xiàn)有濾材外，在滿足過(guò)濾功能和存儲(chǔ)穩(wěn)定性的前提下，紙質(zhì)、聚乳酸及其改性物等可降解濾材和可重復(fù)使用濾嘴(含外置濾嘴)的開(kāi)發(fā)也是一個(gè)重要的研究方向.