Активированный уголь для курительных изделий
Изобретение относится к активированному углю, подходящему для курительных изделий, к фильтрам, содержащим такой активированный уголь, и соответствующим курительным изделиям. Курительное изделие содержит курительный материал и материал на основе активированного угля, расположенный ниже курительного материала, при этом материал на основе активированного угля имеет отношение объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или менее, где материал на основе активированного угля содержит поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или менее, как определено посредством термопрограммированной десорбции. Способ включает обеспечение материала на основе активированного угля, имеющего отношение объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или менее и содержащего поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или менее, как определено посредством термопрограммированной десорбции; обеспечение фильтрующего материала для применения в курительном изделии и объединение материала на основе активированного угля и фильтрующего материала с образованием фильтра для курительного изделия. Техническим результатом изобретения является использование активированного угля в фильтрах курительных изделий, где активированный уголь является более эффективным для удаления по меньшей мере выбранных составляющих дыма, чем существующий активированный уголь, который применяли или предлагали для применения в курительных изделиях. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Настоящее раскрытие относится к активированному углю, подходящему для курительных изделий, к фильтрам, содержащим такой активированный уголь, и соответствующим курительным изделиям.
Сгораемые курительные изделия, такие как сигареты, обычно содержат измельченный табак (обычно в виде резаного наполнителя), окруженный бумажной оберткой, образующий табачный стержень. Для использования сигареты курильщик поджигает один конец сигареты, и табачный стержень начинает гореть. Затем курильщик поглощает вдыхаемый дым, затягиваясь с противоположного конца или конца сигареты, подносимого ко рту, который обычно содержит фильтр. Фильтр расположен для улавливания некоторых составляющих вдыхаемого дыма до того, как вдыхаемый дым доставляется курильщику, и может содержать активированный уголь для адсорбции составляющих дыма.
Поры в активированном угле для применения в курительных изделиях были охарактеризованы как микропористого типа (2 нм или меньше) или мезопористого типа (от 2 нм до 50 нм), при этом в отчетах предполагается, что увеличение отношения мезопор к микропорам может быть преимущественным для адсорбции составляющих дыма. В последнее время было описано подмножество микропор, называемых узкими микропорами. Узкие микропоры имеют размер 0,7 нм или меньше. Существуют предположения, что для оптимизации способности к адсорбции активированного угля в отношении летучих органических загрязнений в потоке газов технологических производств при низких концентрациях объем узких микропор следует максимизировать.
Одной из целей настоящего изобретения является использование активированного угля в фильтрах курительных изделий, где активированный уголь является более эффективным для удаления по меньшей мере выбранных составляющих дыма, чем существующий активированный уголь, который применяли или предлагали для применения в курительных изделиях. Другие цели настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники после прочтения и осознания настоящего раскрытия, которое включает формулу изобретения, следующую далее, и сопутствующие графические материалы.
В аспектах настоящего изобретения курительное изделие содержит курительный материал и материал на основе активированного угля, расположенный ниже курительного материала. Материал на основе активированного угля характеризуется отношением объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или меньше и содержит поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или меньше, что определено с помощью термопрограммированной десорбции.
В аспектах настоящего изобретения способ включает (i) обеспечение материала на основе активированного угля, характеризующегося отношением объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или меньше и содержащего поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или меньше, что определено с помощью термопрограммированной десорбции; (ii) обеспечение фильтрующего материала для применения в курительном изделии и (iii) объединение материала на основе активированного угля и фильтрующего материала с образованием фильтра для курительного изделия.
Различные аспекты фильтров и курительных изделий согласно настоящему изобретению могут обладать одним или более преимуществами в сравнении с доступными в настоящее время фильтром и курительными изделиями. Например, улучшенная эффективность активированного угля для удаления по меньшей мере выбранных составляющих дыма может обеспечивать сниженное потребление материала на основе активированного угля, снижая таким образом расходы на производство. Применение меньшего количества материала на основе активированного угля также может приводить к меньшему прорыву частиц. В качестве дополнительного примера, селективная адсорбция составляющих дыма может приводить к улучшенному сеансу курения. Например, усиленный запах может возникать в результате удаления подлежащих селективной адсорбции составляющих, а не всех составляющих, в том числе составляющих запаха. Дополнительные преимущества одного или более аспектов фильтров и курительных изделий, описанных в данном документе, будут очевидны специалистам в данной области техники после прочтения и осознания настоящего раскрытия.
Активированный уголь представляет собой общий термин, используемый для описания семейства углеродсодержащих адсорбентов с сильно развитой внутренней пористой структурой. Активированный уголь может быть получен из углеродсодержащего исходного материала, такого как древесина, бурый уголь, каменный уголь, шелуха или скорлупа кокосовых орехов, торф, смола, полимеры, целлюлозные волокна, полимерные волокна и т. п. Активированный уголь может быть получен любым подходящим способом, таким как физическая активация или химическая активация. При физической активации исходный материал перерабатывают в активированный уголь с помощью горячих газов посредством карбонизации, активации/окисления или карбонизации и активации/окисления. Способ карбонизации включает пиролиз исходного материала при высоких температурах, как правило, в диапазоне от приблизительно 600°C до приблизительно 900°C при отсутствии кислорода. Активация/окисление включает воздействие на карбонизированный материал окисляющих атмосфер, таких как пар, диоксид углерода или кислород, при температурах выше 250°C. Температуры для активации/окисления, как правило, находятся в диапазоне от приблизительно 600°C до приблизительно 1200°C.
Химическая активация включает пропитывание необработанного исходного материала определенными химическими веществами, такими как кислота, основание или соль, такими как фосфорная кислота, гидроксид калия, гидроксид натрия, хлорид кальция или хлорид цинка. Необработанные материалы затем карбонизируют при температурах, как правило, более низких, чем для карбонизации при физической активации. Например, температуры для карбонизации при химической активации могут находиться в диапазоне от приблизительно 450°C до приблизительно 900°C. Карбонизацию и активацию могут осуществлять одновременно.
Для целей настоящего раскрытия углеродсодержащий исходный материал может быть активирован любым подходящим способом. Например, способ активации может включать химическую активацию, которая может предусматривать более короткое время активации и более низкие температуры по сравнению с физической активацией. В качестве альтернативы, может быть использована физическая активация.
Размер пор и характеристики поверхности могут изменяться в соответствии с хорошо известными методиками, которые могут оказывать отрицательное влияние на эффективность, с которой активированный уголь может удалять выбранные составляющие дыма, такие как 1,2-пропадиен, 1,3-бутадиен, изопрен, бензол, 1,2-пентадиен, 1,3-циклопентадиен, 2,4-гексадиен, 1,3-циклогексадиен, метил-1,3-циклопентадиен, бензол, толуол, п-ксилол, м-ксилол, o-ксилол, стирол (винилбензол), 1-метилпиррол, формальдегид, ацетальдегид, акролеин, пропиональдегид, изобутиральдегид, 2-метилизовалеральдегид, ацетон, метилвинилкетон, диацетил, метилэтилкетон, метилпропилкетон, метил-2-фурилкетон, цианистый водород и акрилонитрил. Активированный уголь для применения в фильтрах и курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно эффективно удаляет бензол, акролеин или как бензол, так и акролеин, но также может эффективно удалять одно или более других составляющих дыма.
Активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно характеризуется отношением объема мезопор к общему объему пор приблизительно 10% или меньше. Мезопоры представляют собой поры, характеризующиеся размером от 2 нанометров до 50 нанометров. Более предпочтительно отношение объема мезопор к общему объему пор составляет приблизительно 5% или меньше.
Активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно характеризуется отношением объема микропор к общему объему пор приблизительно 90% или больше. Микропоры представляют собой поры, характеризующиеся размером 2 нанометра или меньше. Более предпочтительно отношение объема микропор к общему объему пор составляет приблизительно 95% или больше. Еще более предпочтительно отношение объема микропор к общему объему пор составляет приблизительно 96% или больше или приблизительно 98% или больше.
Активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно характеризуется отношением количества узких микропор к общему количеству микропор приблизительно 0,9 или меньше. Узкие микропоры представляют собой поры, характеризующиеся размером 0,7 нанометров или меньше. Более предпочтительно отношение количества узких микропор к общему количеству микропор составляет приблизительно 0,85 или меньше. Еще более предпочтительно отношение количества узких микропор к общему количеству микропор составляет приблизительно 0,8 или меньше. Даже более предпочтительно отношение количества узких микропор к общему количеству микропор составляет приблизительно 0,75 или меньше.
Активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно характеризуется концентрацией поверхностного кислорода приблизительно 5000 микромоль на грамм или меньше. Более предпочтительно концентрация поверхностного кислорода составляет приблизительно 4000 микромоль на грамм или меньше. Еще более предпочтительно концентрация поверхностного кислорода составляет приблизительно 3000 микромоль на грамм или меньше. Даже более предпочтительно концентрация поверхностного кислорода составляет приблизительно 2000 микромоль на грамм или меньше.
Активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно имеет удельную площадь поверхности (по BET) приблизительно 1100 м2/г или больше. Как правило, активированный уголь будет характеризоваться величиной по BET приблизительно 2500 м2/г или меньше. Предпочтительно активированный уголь характеризуется величиной по BET приблизительно 1600 м2/г.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению характеризуется отношением объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,75 или меньше и характеризуется отношением общего объема микропор к общему объему пор приблизительно 0,9 или больше. В таких вариантах осуществления активированный уголь может характеризоваться любой подходящей величиной по BET, которая часто может составлять менее приблизительно 2500 м2/г. Предпочтительно величина по BET составляет приблизительно 1100 м2/г или больше. Предпочтительно величиной по BET составляет приблизительно 1600 м2/г.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению характеризуется концентрацией поверхностного кислорода приблизительно 2000 микромоль на грамм или меньше и характеризуется отношением общего объема микропор к общему объему пор приблизительно 0,95 или больше. В таких вариантах осуществления активированный уголь может характеризоваться любой подходящей величиной по BET, которая часто может составлять менее приблизительно 2500 м2/г. Предпочтительно величина по BET составляет приблизительно 1100 м2/г или больше. Предпочтительно величиной по BET составляет приблизительно 1600 м2/г.
В некоторых предпочтительных вариантах осуществления активированный уголь для применения в фильтрах или курительных изделиях по настоящему изобретению характеризуется отношением объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,75 или меньше; характеризуется концентрацией поверхностного кислорода приблизительно 2000 микромоль на грамм или меньше и характеризуется отношением общего объема микропор к общему объему пор приблизительно 0,95 или больше. В таких вариантах осуществления активированный уголь может характеризоваться любой подходящей величиной по BET, которая часто может составлять менее приблизительно 2500 м2/г. Предпочтительно величина по BET составляет приблизительно 1100 м2/г или больше. Предпочтительно величиной по BET составляет приблизительно 1600 м2/г.
Как обсуждалось выше, возможность регуляции распределения пор по размерам и характеристик поверхности, таких как концентрация поверхностного кислорода, для активированного угля хорошо известны из уровня техники. См., например, (i) WO 2010/103323 A1 под названием METHODS FOR INCREASING MESOPORES INTO MICROPOROUS CARBON; (ii) Lillo-Rodenas et al. (2005), Behaviour of activated carbons with different pore size distributions and surface oxygen groups for benzene and toluene adsorption at low concentrations, Carbon 43: 1758 1767; и (iii) Romero-Anaya, et al. (2010), Spherical activated carbon for low concentration toluene adsorption, Carbon 48:2625 2633. Как правило, распределение пор по размерам и характеристики поверхности могут быть легко изменены посредством регулирования активирующей атмосферы (например, O2, CO2 или пара), а также времени и температуры активации. Дополнительную обработку, например, в инертной атмосфере, можно осуществлять для изменения содержания поверхностного кислорода без изменения пористости. Специалист в данной области техники может легко регулировать параметры активации с получением активированного угля для применения в фильтрах и курительных изделиях по настоящему изобретению. Для сравнения активированный уголь может быть получен, как описано в разделе примеров, представленных ниже, или модифицирован на основании процедур, представленных в разделе примеров, как требуется для получения подходящего материала на основе активированного угля.
Распределение пор по размерам может быть определено любым подходящим способом. Например, объем микропор может быть рассчитан по изотермам адсорбции N2 при -196°C с использованием уравнения Дубинина-Радушкевича, как изложено, например, в Gregg SJ, Sing KSW; Adsorption, Surface Science and Porosity; Academic Press, New York, 1982. Объем узких микропор может быть рассчитан из адсорбции CO2 при 0°C, как описано в (i) Cazorla-Amoros et al, Langmuir 1996; 12:2820 24; (ii) Cazorla-Amoros et al, Langmuir 1998; 14:4589 96; и (iii) Cazorla-Amoros et al, Usefulness of CO2 adsorpotion at 273K for the characterization of porous carbons. Carbon 2004; 42:1233 42. Общий объем пор может быть определен, например, с помощью изотермы N2 при -196°C с расчетом адсорбированного объема азота при P/P0=0,95 согласно способу Gregg SJ, Sing KSW. Adsorption, Surface Science and Porosity. Academic Press, New York, 1982. В качестве сравнения, общий объем пор, объем микропор и объем узких микропор могут быть определены, как описано ниже в разделе примеров.
Сразу после определения общего объема пор, объема микропор и объема узких микропор легко могут быть рассчитаны отношение объема узких микропор к общему объему микропор, отношение общего объема микропор к общему объему пор и т. п.
Концентрация поверхностного кислорода может быть определена любым подходящим способом. В качестве примера, концентрация поверхностного кислорода может быть определена посредством экспериментов по термопрограммированной десорбции (TPD) с использованием, например, дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) -термогравиметрического анализатора (TGA), соединенного с масс-спектрометром, как описано, например, в (i) Roman-Martinez et al. (1993), TPD and TPR characterization of carbonaceous supports and Pt/C catalysts, Carbon 31:894 902; (ii) Otake Y. and Jenkins R.G. (1993), Characterization of oxygen-containing surface complexes created on microporious carbon by air and nitric acid treatment, Carbon 31:109 21; и (iii) Zielge et al. (1996), Surface oxidized carbon fibers: I. Surface structure and chemistry, Carbon 34:983 98. В таких экспериментах по TPD 10-миллиграммовый образец активированного угля можно нагревать до 950°C со скоростью нагрева 20°C/минута в атмосфере гелия при расходе 100 миллилитров/минута.
Активированный уголь может быть расположен в фильтре для курительного изделия любым подходящим образом. Например, активированный уголь может быть смешан с волокнистым фильтрующим материалом, расположен в пустом пространстве в фильтре или в комбинации, т. е. смешан с волокнистым фильтрующим материалом и расположен в пустом пространстве в фильтре.
В некоторых вариантах осуществления активированный уголь предусмотрен в фильтре в конфигурации «штранг-пространство-штранг», где активированный уголь присутствует в пустом пространстве между двумя секциями материала штранга фильтра. Штранги секций фильтра в конфигурации «штранг-пространство-штранг» предпочтительно представляют собой штранги из ацетатцеллюлозного волокна. В вариантах осуществления активированный уголь предусмотрен в конфигурации «уголь в волокне». Волокно предпочтительно представляет собой ацетатцеллюлозное волокно. Независимо от конфигурации фильтра может быть желательным включение секции белого ацетатцеллюлозного волокна в подносимый ко рту конец фильтра с эстетической целью или для удовлетворения ожиданий потребителя.
В аспектах настоящего изобретения фильтр курительного изделия или фильтр для курительного изделия включает активированный уголь, описанный в данном документе. Фильтр может включать фильтрующий материал, такой как ацетатцеллюлозное волокно. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления активированный уголь предусмотрен в или на ацетатцеллюлозном волокне. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления фильтр включает первый и второй элементы на основе ацетатцеллюлозного волокна, и материал на основе активированного угля расположен между первым и вторым элементами на основе ацетатцеллюлозного волокна в конфигурации «штранг-пространство-штранг». В некоторых конфигурациях «штранг-пространство-штранг» активированный уголь может быть предусмотрен в или на одном или обоих из первого и второго элемента на основе ацетатцеллюлозного волокна.
Любое подходящее курительное изделие может включать фильтр, содержащий активированный уголь, как описано в настоящем раскрытии, где фильтр расположен ниже курительного материала. Термин «расположенный ниже» обозначает относительные положения элементов курительного изделия, описанных относительно направления вдыхаемого дыма, когда он втягивается из курительного материала в полость рта потребителя.
Термин «курительное изделие» включает сигареты, сигары, сигариллы и другие изделия, в которых курительный материал, такой как табак, поджигается и сжигается для получения дыма. Термин «курительное изделие» также включает изделия, в которых курительный материал не сжигается, такие как, но без ограничения, курительные изделия, в которых курительная композиция нагревается прямо или косвенно, или курительные изделия, в которых используются поток воздуха или химическая реакция при наличии или при отсутствии источника тепла для доставки никотина или других материалов из курительного материала.
Используемый в данном документе термин «дым» используется для описания аэрозоля, образуемого курительным изделием. Аэрозоль, образуемый курительным изделием, может представлять собой, например, дым, образуемый сгораемыми курительными изделиями, такими как сигареты, или аэрозоли, образуемые несгораемыми курительными изделиями, такими как нагреваемые курительные изделия или ненагреваемые курительные изделия.
Активированный уголь для применения в фильтрах и курительных изделиях по настоящему изобретению предпочтительно удаляет одно или более составляющих из дыма, когда курительное изделие применяется потребителем для курения. Активированный уголь может удалять одно или более составляющих из дыма посредством любого подходящего механизма, такого как связывание, адсорбция, адсорбция или подобные. Предпочтительно активированный уголь для применения в фильтрах и курительных изделиях по настоящему изобретению удаляет бензол, акролеин или как бензол, так и акролеин.
Все научные и технические термины, используемые в данном документе, имеют значения, обычно используемые в данной области техники, если не указано иное. Приводимые в данном документе определения предназначены для облегчения понимания некоторых терминов, часто используемых в данном документе.
Используемые в данном документе формы единственного числа включают варианты осуществления со ссылками на множественное число, если из содержания явно не следует иное.
Используемый в данном документе союз «или» обычно используется в своем значении, включающем «и/или», если из содержания явно не следует иное. Термин «и/или» означает один или все из перечисленных элементов или комбинацию любых двух или более из перечисленных элементов.
Используемые в данном документе выражения «иметь», «имеющий», «включать», «включающий», «содержать», «содержащий» или им подобные используются в своем широком смысле и в целом означают «включая, но без ограничения». Следует понимать, что выражения «состоящий фактически из», «состоящий из» и т. п. относятся к категории «содержащий» и т. п.
Слова «предпочтительный» и «предпочтительно» относятся к вариантам осуществления настоящего изобретения, которые могут дать определенные преимущества при определенных обстоятельствах. Тем не менее, другие варианты осуществления могут также быть предпочтительными при тех же или других обстоятельствах. Кроме того, перечисление одного или более предпочтительных вариантов осуществления не подразумевает, что другие варианты осуществления не являются пригодными, и не предназначено для исключения других вариантов осуществления из объема настоящего раскрытия, включая формулу изобретения.
ФИГ. 1 2 представляют собой схематические виды в перспективе вариантов осуществления частично развернутых курительных изделий Курительные изделия, изображенные на ФИГ. 1 2, иллюстрируют варианты осуществления курительных изделий или компонентов курительных изделий, описанных выше. Графические материалы не обязательно выполнены в масштабе и представлены для целей иллюстрации, а не для ограничения. На графических материалах изображен один или более аспектов, описанных в данном раскрытии. Тем не менее, следует понимать, что другие аспекты, не изображенные на графических материалах, попадают в рамки объема и сущности настоящего раскрытия.
Ссылаясь на ФИГ. 1, на ней изображено курительное изделие 10, в данном случае сигарета. Курительное изделие 10 содержит стержень 20, такой как табачный стержень, и фильтр 30 на конце, подносимом ко рту. Фильтр 30 включает сегмент 32 на конце, подносимом ко рту, такой как сегмент белого ацетатцеллюлозного волокна, и расположенный выше сегмента 34 угля в волокне. Сегменты 32 и 34 фильтра представлены как разделенные с иллюстративной целью, но могут быть примыкающими. Аналогично, сегмент 34 фильтра и стержень 20 представлены как разделенные с иллюстративной целью, но могут быть примыкающими. Представленное курительное изделие 10 содержит фицеллу 60, сигаретную бумагу 40 и ободковую бумагу 50. В изображенном варианте осуществления фицелла 60 окружает по меньшей мере часть фильтра 30. Сигаретная бумага 40 окружает по меньшей мере часть стержня 20. Ободковая бумага 50 или другая подходящая обертка окружает фицеллу 60 и часть сигаретной бумаги 40, что общеизвестно из уровня техники.
На ФИГ. 2 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором фильтр 30 находится в конфигурации «штранг 32-пространство 37-штранг 35». Активированный уголь (не показан) может занимать пустое пространство 37 между штрангами 32 и 35 фильтра. На ФИГ. 2 сегмент 35 фильтра и стержень 20 представлены как разделенные для целей иллюстрации, но могут быть примыкающими. На ФИГ. 2 компоненты, обозначенные такими же номерами, что и компоненты, изображенные на ФИГ. 1, являются такими же, что и компоненты, обсуждаемые относительно ФИГ. 1 выше, или аналогичными им. Для тех компонентов, которые конкретно не обсуждаются относительно ФИГ. 2, имеется в виду обсуждение выше относительно ФИГ. 1.
Неограничивающие примеры, иллюстрирующие активированный уголь, как описано выше, а также фильтры и курительные изделия, содержащие такой активированный уголь, описаны ниже.
Примеры
В следующих примерах описано определение свойств активированного угля, полученного из различных источников, и функционирование некоторых видов активированного угля в фильтрах курительных изделий.
Активированный уголь получали следующим образом. Коммерческий сферический активированный уголь, выступающий в качестве предшественника (полученного из полимера), предоставленного Gun-Ei, выбирали в качестве исходного материала. С целью дополнительного развития его пористости образцы активированного угля получали путем физической активации посредством CO2 с использованием экспериментальной процедуры, описанной в Romero-Anaya, et al. (2010), Carbon 48:2625 2633. Для физической активации посредством CO2 применяли горизонтальную кварцевую печную трубу длиной 2 м и 0,7 м в диаметре и предшественник помещали в тигель. Для получения образцов 2-6 применяли поток CO2 с расходом 80 мл/мин, нагревание при 10°C/мин. от комнатной температуры до 880°C и периоды времени активации 3, 5, 10, 15 и 20 часов. Номенклатуру данных образцов выбирали в соответствии со степенью активации. Также выбирали и исследовали сферический коммерческий активированный уголь, предоставленный Gun-Ei, образец 7.
Коммерческий гранулированный активированный уголь от MeadWestvaco (WVA1100), образец 11, выбирали в качестве гранулированного материала. Несколько тепловых обработок в инертной атмосфере осуществляли для данного образца с целью изменения его химических свойств поверхности и более подробного исследования влияния данного параметра на характеристики данных образцов относительно применения курительного изделия, поскольку было доказано, что химические свойства поверхности оказывают важное влияние на адсорбцию многих органических соединений. Тепловые обработки осуществляли в атмосфере азота с применением расхода 100 мл/мин. не более чем для трех различных максимальных температур, 300, 600 и 900°C, которые поддерживали в течение одного часа. Стадию охлаждения осуществляли в том же потоке азота.
Чтобы удостовериться в том, что в ходе данных обработок пористость, по сути, не изменялась, были охарактеризованы как структурные свойства, так и химические свойства поверхности подвергнутых тепловой обработке образцов активированного угля. Исходный WVA1100 будет называться образцом 11, при этом подвергнутые тепловой обработке образцы называются образцами 12 14, где число обозначает максимальную температуру тепловой обработки в инертной атмосфере.
Характеристики активированного угля можно анализировать с помощью обычных способов определения общего объема пор, общего объема микропор и объема узких пор. Образцы характеризовали следующим образом. Определение свойств всех образцов осуществляли с применением адсорбции азота (N2) при -196°C и адсорбции CO2 при 0°C в титровальном устройстве Autosorb-6B от Quantachrome. Перед проведением анализа образцы дегазировали при 250°C в течение 4 часов. Уравнение BET применяли для данных адсорбции азота с получением кажущейся площади поверхности по BET (SBET) (Linares-Solano et al., Tanso 1998; 185:316-325). Уравнение Дубинина-Радушкевича для данных адсорбции азота с целью определения общего объема микропор (пор с размером < 2 нм) V-DR-N2 и общего объема пор (V N2 при P/P0=0,95). Уравнение Дубинина-Радушкевича применяли для изотерм адсорбции диоксида углерода с целью определения объемов узких микропор V-DR-CO2 (пор с размером < 0,7 нм).
Содержание поверхностного кислорода на поверхности активированного угля можно определять посредством термопрограммированной десорбции (TPD) в стандартных условиях. Содержание поверхностного кислорода в образцах определяли следующим образом. Эксперименты TPD выполняли на оборудовании для дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и термогравиметрического анализа (TGA) (TA Instruments, SDT 2960 Simultaneous), соединенных с масс-спектрометром (Balzers, OmniStar) для определения химических свойств поверхности кислорода во всех образцах, включая измерение содержания воды, монооксида углерода, диоксида углерода в инертной атмосфере. См., например, (i) Roman-Martinez et al. (1993), TPD and TPR characterization of carbonaceous supports and Pt/C catalysts, Carbon 31:894 902; (ii) Otake Y. and Jenkins R.G. (1993), Characterization of oxygen-containing surface complexes created on microporious carbon by air and nitric acid treatment, Carbon 31:109 21; и (iii) Zielge et al. (1996), Surface oxidized carbon fibers: I. Surface structure and chemistry, Carbon 34:983 98. В данных экспериментах 10 мг образца нагревали до 950°C (скорость нагрева 20°C/мин.) в атмосфере гелия с расходом 100 мл/мин.
Плотность слоя образцов активированного угля (также называемую объемной, насыпной или кажущейся плотностью) можно определять как вес пористого твердого материала на объем. Данный объем включает объем пор, как открытых, так и закрытых, и объем пространства между частицами твердого вещества. Данную величину измеряли с применением экспериментальной процедуры, подобной процедуре, описанной в способе D2854-89 ASTM (Romero-Anaya et al., Carbon 2010; 48:2625 2633). В данном случае измерение плотности осуществляли с 0,5 г образца с использованием 10 мл измерительного цилиндра.
Опытные образцы сигарет получали следующим образом.
Фильтр в конфигурации «штранг-пространство-штранг» с 11-мм ацетатцеллюлозными штрангами и 5-мм полостью регулировали до 54 мм в длину табачного стержня с постоянным весом табака (приблизительно 600 мг) и прикрепляли с помощью ободковой бумаги. Полость заполняли соответственно 165 мг, 127 мг, 100 мг, 70 мг, 55 мг, 40 мг и 30 мг образцов 1 7 и соответствующим количеством непористого материала, такого как целлюлозные шарики, с целью достижения полного заполнения полости. Поверхность по BET, доступную для адсорбции, в каждом фильтре поддерживали при значении около 67 м2 от образца 2 до образца 7. Сигареты разрабатывали таким образом, чтобы поддерживать постоянный перепад давления в случае невентилируемых сигарет при приблизительно 140 мм водн.ст.
В таблице 2 были добавлены 60 мг образцов 11, 12 и 13 и 75 мг образца 14 с получением приблизительно 108 м2.
Фильтры эталонных сигарет содержали только непористый материал в полости.
Сигареты курили следуя методике, описанной в официальном способе WHO TobLabNet SOP01: «Стандартный порядок действий для интенсивного курения сигареты». Способ адаптировали для курения 10 палочек на каждый образец.
Количество бензола и акролеина измеряли исходя из анализа сигаретного дыма и % снижения рассчитывали из сигарет, не содержащих образцы активированного угля. Для курительного изделия с использованием образца 14 применяли 75 мг активированного угля для компенсации меньшей поверхности по BET и меньшего объема пор (см. таблицу 2).
Ниже в таблице 1 представлены результаты определения свойств для образцов 1 8, и в таблице 2 ниже представлены результаты определения свойств образцов 11 14.
| Таблица 1 Определение свойств образцов 1 8 |
|||||||
| Активированный уголь | Общая поверх-ность по BET (м2/г) |
Объем мезопор Vмезо (см3/г) | Общий объем микропор VDR N2 (см3/г) | Объем узких микропор VDR CO2 (см3/г) | Отношение объем узких микропор (VDRCO2)/ общий объем микропор (VDRN2) |
Отношение объем микропор/ общий объем пор (VDRN2/ (VDRN2+Vмезо)) |
Плотность слоя (г·см-3) |
| ОБРАЗЕЦ 1 | 200 | нет данных | нет данных | нет данных | нет данных | нет данных | 0,85 |
| ОБРАЗЕЦ 2 | 521 | нет данных | нет данных | нет данных | нет данных | нет данных | 0,8 |
| ОБРАЗЕЦ 3 | 671 | 0,02 | 0,33 | 0,32 | 0,97 | 0,94 | 0,76 |
| ОБРАЗЕЦ 4 | 950 | 0,02 | 0,47 | 0,42 | 0,89 | 0,96 | 0,67 |
| ОБРАЗЕЦ 5 | 1227 | 0,02 | 0,6 | 0,5 | 0,83 | 0,97 | 0,62 |
| ОБРАЗЕЦ 6 | 1597 | 0,03 | 0,76 | 0,55 | 0,72 | 0,96 | 0,53 |
| ОБРАЗЕЦ 7 | 2152 | 0,06 | 0,86 | 0,62 | 0,72 | 0,93 | 0,45 |
| ОБРАЗЕЦ 8 | 2018 | 0,05 | 0,93 | 0,65 | 0,70 | 0,95 | 0,42 |
| H2O мкмоль г-1 | CO мкмоль г-1 | CO2 мкмоль г-1 | O общий мкмоль г-1 | ||||
| ОБРАЗЕЦ 1 | 2693 | 1485 | 730 | 5638 | |||
| ОБРАЗЕЦ 2 | 2378 | 1550 | 393 | 4714 | |||
| ОБРАЗЕЦ 3 | 1684 | 1387 | 166 | 3403 | |||
| ОБРАЗЕЦ 4 | 338 | 645 | 184 | 1351 |
|
Таблица 2
Определение свойств образцов 11 14 |
||||||||
| Активированный уголь | Величина по BET (м2/г) | Vмезо (см3/г) | VDR N2 (см3/г) | Общий объем пор (см3/г) |
VDR CO2 (см3/г) | (VDRCO2)/ (VDRN2) |
VDRN2/ (VDRN2+Vмезо) |
Плотность слоя (г·см-3) |
| ОБРАЗЕЦ 11 | 1796 | 0,42 | 0,72 | 1,14 | 0,34 | 0,47 | 0,63 | 0,29 |
| ОБРАЗЕЦ 12 | 1785 | 0,43 | 0,72 | 1,15 | 0,35 | 0,49 | 0,63 | 0,27 |
| ОБРАЗЕЦ 13 | 1785 | 0,43 | 0,72 | 1,15 | 0,34 | 0,47 | 0,63 | 0,25 |
| ОБРАЗЕЦ 14 | 1479 | 0,29 | 0,6 | 0,89 | 0,31 | 0,52 | 0,67 | 0,28 |
| H2O мкмоль г-1 | CO мкмоль г-1 | CO2 мкмоль г-1 | O общий мкмоль г-1 | |||||
| ОБРАЗЕЦ 11 | 2693 | 1485 | 730 | 5638 | ||||
| ОБРАЗЕЦ 12 | 2378 | 1550 | 393 | 4714 | ||||
| ОБРАЗЕЦ 13 | 1684 | 1387 | 166 | 3403 | ||||
| ОБРАЗЕЦ 14 | 338 | 645 | 184 | 1351 |
ФИГ. 3 представляет собой график изотерм N2 при -196°C образцов 1 7.
ФИГ. 4 представляет собой график снижения содержания бензола в процентах (относительно сигареты без активированного угля) для сигарет, содержащих активированный уголь, для каждого из образцов 1 7.
ФИГ. 5 представляет собой график снижения содержания акролеина в процентах (относительно сигареты без активированного угля) для сигарет, содержащих активированный уголь, для каждого из образцов 1 7.
ФИГ. 6 представляет собой график снижения содержания бензола в процентах (относительно сигареты без активированного угля) для сигарет, содержащих активированный уголь, для каждого из образцов 11 14.
ФИГ. 7 представляет собой график снижения содержания акролеина в процентах (относительно сигареты без активированного угля) для сигарет, содержащих активированный уголь, для каждого из образцов 11 14.
Как правило, результаты, помимо прочего, указывают на то, что (i) уменьшенное отношение объема узких микропор к общему объему микропор повышает адсорбцию бензола и акролеина; (ii) увеличенное отношение общего объема микропор к общему объему пор повышает адсорбцию бензола и акролеина; и (iii) уменьшенная концентрация поверхностного кислорода обеспечивает в результате повышенную адсорбцию бензола и акролеина.
В качестве примера и со ссылкой на ФИГ. 4 5 и таблицу 1, снижение содержания бензола в процентах и снижение содержания акролеина в процентах увеличивается от образца 3 к образцу 4 с увеличением доли узких микропор. Следует отметить, что на ФИГ. 5 снижение акролеина в процентах в образце 7 меньше, чем в образце 6, несмотря на наличие большей величины по BET. Не ограничиваясь какой-либо теорией, считается, что более низкое отношение объема микропор к общему объему пор для образца 7 относительно образца 6 (0,93 против 0,96) может быть фактором уменьшенного снижения содержания акролеина в образце 7.
Ссылаясь на ФИГ 6 7 и таблицу 2, повышенное снижение содержания бензола и акролеина в процентах наблюдали при снижении содержания поверхностного кислорода в процентах (от образца 11 к образцу 14).
1. Курительное изделие, содержащее:
курительный материал и
материал на основе активированного угля, расположенный ниже курительного материала, при этом материал на основе активированного угля имеет отношение объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или менее, где материал на основе активированного угля содержит поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или менее, как определено посредством термопрограммированной десорбции.
2. Курительное изделие по п. 1, где материал на основе активированного угля имеет отношение объема узких микропор к общему объему микропор 0,8 или менее.
3. Курительное изделие по п. 1 или 2, где материал на основе активированного угля имеет площадь поверхности по BET приблизительно 1100 м2/г или более.
4. Курительное изделие по п. 1 или 2, где материал на основе активированного угля имеет площадь поверхности по BET приблизительно 1600 м2/г.
5. Курительное изделие по любому из предыдущих пунктов, где материал на основе активированного угля имеет отношение общего объема микропор к общему объему пор приблизительно 0,9 или более.
6. Курительное изделие по любому из предыдущих пунктов, где материал на основе активированного угля имеет отношение общего объема микропор к общему объему пор приблизительно 0,95 или более.
7. Курительное изделие по любому из предыдущих пунктов, где материал на основе активированного угля содержит поверхностный кислород при концентрации приблизительно 3000 микромоль на грамм или менее, как определено посредством термопрограммированной десорбции.
8. Курительное изделие по любому из предыдущих пунктов, где концентрация поверхностного кислорода определена посредством нагревания активированного угля до 950°C со скоростью 20°C/мин в атмосфере гелия при расходе 100 мл/мин.
9. Курительное изделие по любому из предыдущих пунктов, где материал на основе активированного угля присутствует в фильтре курительного изделия.
10. Курительное изделие по п. 9, где фильтр содержит ацетатцеллюлозное волокно.
11. Курительное изделие по п. 10, где активированный уголь включен в или на ацетатцеллюлозное волокно.
12. Курительное изделие по п. 10, где фильтр содержит первый и второй элементы на основе ацетатцеллюлозного волокна, и где материал на основе активированного угля расположен между первым и вторым элементами на основе ацетатцеллюлозного волокна.
13. Способ, включающий:
обеспечение материала на основе активированного угля, имеющего отношение объема узких микропор к общему объему микропор приблизительно 0,9 или менее и содержащего поверхностный кислород при концентрации приблизительно 5000 микромоль на грамм или менее, как определено посредством термопрограммированной десорбции;
обеспечение фильтрующего материала для применения в курительном изделии и
объединение материала на основе активированного угля и фильтрующего материала с образованием фильтра для курительного изделия.
14. Способ по п. 13, дополнительно включающий включение фильтра в состав курительного изделия.
