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THz | 太赫兹技术在烟草化学及生产领域的应用

发布时间: 2020-10-21 08:59 来源:青岛青源峰达太赫兹科技有限公司


导语:在中国,什么公司最赚钱,是我们所熟知的腾讯、阿里巴巴这样的新兴互联网巨头,还是中石油、工商银行这样的大型传统国企,都不是,这些看似巨无霸的企业,在中国烟草总公司面前,都被衬托的无比渺小。中国烟草总公司到底有多么挣钱,根据2017年《财富中国》的数据,烟草总公司一年的利润破万亿,一家可以直接挑战四大行 + 两桶油。


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目前烟叶质量评级鉴定人工主观性强、危害性大


烟草是一种重要的经济作物,也是研究的最多的植物之一。目前烟草的外观质量、评吸质量和香型是评价烟叶质量的重要指标。其中烟叶外观质量主要依据分级因素来衡量;烟叶评吸质量和香型则靠评吸确定。因此,总体的评判基本上停留于人工主观判定的水平。


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▲ 某卷烟感官质量评吸竞赛


但是感官评吸鉴定经验性和技术性强,难免存在主观性和随意性,并且烟叶中的有害成分对评吸员的健康也会造成威胁。所以,利用光学等技术探究并实现客观公正的机器分级方法是目前人们的迫切需求。



太赫兹射线在烟草化学中的应用


烟草作为尖端的研究材料和工具,可以借助于太赫兹时域光谱系统,采用无损分析和高分辨成像,进行分子以上层次的研究。 借助于THz技术,如果了解构象与功能之间的关系,可以帮助对烟叶在生长发育及调制过程中的化学成分的变化进行检测,对酶的特性和作用机制进行无损伤地跟踪测定,指导烟草生产、调制与初加工管理,提高烟叶和卷烟的品质。同时,了解了细胞内含物类型及细胞壁物质的结合方式,以便将作为优质烟草多余的物质、有更大实用价值的物质提取出来。这样不仅可以大大促进烟草化学的发展,而且也扩展了THz技术在生物学领域的应用,同时还可以推动对人们对生命科学在分子以上层次的研究。


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太赫兹技术在烟叶香型分类中的应用


通过利用太赫兹时域光谱系统对烟叶样本在太赫兹波段的透射谱进行分析比较,以期通过不同香型烟叶的吸收系数和折射率太赫兹相应曲线,进行客观的分类


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▲ 不同质量分数不同厚度的3种香型烟叶样本

样品压片中烟丝与聚乙烯占比分别为5%、15%、30%、60%

黄鹤楼(浓香型)、云烟(中间型)、玉溪(清香型)

(从左到右)


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▲ 3种烟叶不同质量分数样品与参考光波的时域信号谱


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▲ 3种烟叶不同质量分数样品吸收系数谱

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▲ 3种烟叶不同质量分数样品折射率谱线


通过探测不同香型烟叶样品的太赫兹时域光谱,计算得到其在太赫兹波段的吸收系数曲线和折射率曲线进行比较,探索利用太赫兹技术进行烟叶等级自动分级的可行性。实验中选取3种象形的烟叶样品进行探究与验证,结果表明3种烟叶样本在太赫兹波段的吸收系数与烟叶香型浓郁程度成正相关性,折射率与香型浓郁程度成负相关性,并且两者都存在着明显的频率相关性。研究表明,使用太赫兹时域光谱技术进行烟叶分级检测具有可行性,且简单易操作,绿色环保,能有效避免烟叶质量评价中主观性的影响,为太赫兹技术在烟叶分级中的研究探索了道路。


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太赫兹在研究烟梗对烟草品质的影响中的应用


烟梗是卷烟企业的主要废弃物之一,占烟叶总量的30%左右。一些烟梗经过氟利昂或液体二氧化碳膨胀后作为填料添加到卷烟产品中,以降低焦油的含量与成本,从而提高卷烟产品的质量。但烟梗添加用量只能占烟叶总量的5%左右,超过10%,则烟梗燃烧产生的烟气会带来许多不良影响,诸如香气不足、吃味平淡,并且烟梗中木质素燃烧产生的杂气太重导致强烈的咳呛等,因此,大量的烟梗作为废料被抛弃,这不仅造成环境污染,也浪费了资源。


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▲ 不同等级的香烟烟丝中含有不同含量的烟梗成分


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▲ 醇烟梗和水烟梗时域信号谱和频域信号谱


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▲ 醇烟梗和水烟梗的太赫兹折射率和吸收系数谱


通过对醇烟梗和水烟梗的太赫兹波谱分析表明,两者的折射率和吸收系数存在较大差别,主要原因是木质素的含量不同。由于太赫兹射线对元素组成的变化非常敏感,元素含量微小的变化可以引起太赫兹谱较大的变化,因此,它可以用来研究烟梗中分子或高分子的振动,从而通过检测卷烟产品的太赫兹吸收变化情况来监控卷烟产品的质量。


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太赫兹检测技术在过滤嘴爆珠香烟生产中的应用


“爆珠滤棒香烟”是当今流行广泛的一种功能型滤棒香烟。爆珠烟是指在香烟过滤嘴的中心有一颗圆珠,这种香烟在使用过程中,可以捏破爆珠,爆珠内的液体可以使香烟在吸取过程中产生香气,使吸烟者得到更为舒适的体验。


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然而,爆珠滤棒在成型及复合生产过程中,会产生诸多质量缺陷的次品,譬如:多珠、少珠、相位偏差、珠直径偏差等问题。在滤棒复合过程中也存在长度不准、排列错误、拼接缝隙、混料、珠有无、珠破损等问题。对爆珠滤棒次品进行筛选和剔除是提高香烟滤棒产品质量的重要生产环节。


目前,较为传统的爆珠检测方法为灯箱法,在实际检测时,先利用强背光照射过滤棒,然后通过人眼观察爆珠的位置、缺失和破损情况。该方法存在较多问题,比如:效率低、对检测人员的视觉影响大、检测速度慢、准确性低等。与此同时,灯箱法无法对于爆珠具体偏移量进行计算,对破损情况也无法做出有效评估。


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通过太赫兹时域光谱系统,对比预检测过滤棒与爆珠完好的过滤棒上的反射曲线即可准确且高效地判断出预检测过滤棒中有无爆珠、爆珠是否破损、爆珠相对于原位置是否出现轴向偏离或径向偏离及爆珠的偏移量,可有效评估预检测过滤棒内爆珠的破损情况,并大大减小了爆珠检测的误报率。



太赫兹技术在烟草行业的展望


近年来,THz光谱系统得到重要的进展,其应用领域也在进一步扩展,逐步从实验室走向工业应用。随着大功率的THz光源的开发以及灵敏度的提高,为烟草化学提供了一个新的研究工具,THz技术应用于烟草生产加工领域成为现实,以促成生产出低焦油、低危害、高安全的卷烟产品,更大限度地满足人们的需要。接下来一段时间,THz技术将成为烟草行业研究的热点。



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