Использование активных углей в сигаретных фильтрах

В настоящее время установлено, что в табаке содержатся несколько сотен различных веществ, концентрация которых, естественно, зависит от сорта табака и условий курения. По разным причинам длительное время делаются попытки изме­нить содержание отдельных компонентов, не оказывая замет­ного воздействия на аромат табака. Смолистые и высококипящие компоненты можно удалить на механических фильтрах из целлюлозы и ацетата целлюлозы, тогда как концентрацию легколетучих токсичных веществ типа формальдегиды (т. кип. ;21°С), акролеина (т. кип. 52 °С) или цианистого водорода (т. кип. 26 °С) таким способом снизить невозможно.

Уже много лет определенные марки активного угля исполь­зуются для снаряжения угольных фильтров, позволяющих из­менять вид и количество парообразующих компонентов сигарет­ного дыма. Обычно в мундштук сигареты помещается фильтр, содержащий около 75 мг зерненого активного угля, целлюлозу и ацетат целлюлозы.

Таблица 1. Действие активного угля в сигаретных фильтрах

Вещество, входящее в состав	Количество на сигарету, мкг	Удерживание, % (масс.)
		свежий активный уголь (1,8% воды)	- активный уголь после хранения (15,5% воды)
Метанол	90-	180	88
Ацетальдегид	720-	1300	83
Ацетонитрил	140	92	64
Ацетон	360-	560	86
Изопрен	500-	600	90
Метилэтилкетон	80-	25	88
Бензол	12-	48	86
Толуол	46-	164	87

В табл. 1 приведены типичные летучие компоненты сига­ретного дыма [21], удерживаемые на фильтрах с активным углем. В первой колонке представлены средние значения кон­центраций этих компонентов на одну сигарету, взятые из ли­тературы [22]. Удерживающая способность определялась на свежем угле, а также на активном угле, который выдерживался в условиях, типичных для хранения сигарет (21 °С, относитель­ная влажность воздуха 60 %) в течение нескольких месяцев.

О специфическом действии активного угля на некоторые летучие соединения можно судить по результатам Бэггета [23], который сравнивал действие ацетата целлюлозы в чис­том виде, после пропитки глицерином и в комбинации со 100 мг активного угля на сигарету (табл. 2).

Интересно, что активность углей снижается с увеличением размера молекул компонентов дыма. Однако причиной являет­ся не слабая адсорбционная способность этих углей, а затрудненная массопередача в мезо- и микропорах, поскольку время, в течение которого возможна адсорбция компонентов дыма, составляет только около 15 мс.⁸[8]

Таблица 2. Действие активного угля в сигаретных фильтрах

Вещество, входящее в состав		Ацетат целлюлозы	Добавки
			Ацетат целлюлозы с глицерином	Ацетат целлюлозы со 100мг активного угля
Название	Температура кипения
Бензол	80	20	22	67
Толуол	111	31	33	64
м- и а-Ксилолы	139	—	20	52
Стирол	146	—	28	49
Кумол	152	52	73	82
Бензальдегид	179	13	7	43
Индол	253	65	83	88
а-Крезол	201	61	67	59
Метилиндол	266	50	63	33
Нафталин	218	50	50	45

Влияние распределения пор по размерам становится очевид­ным при сравнении удерживающей способности по конденсату и никотину для фильтра, содержа­щего 100 мг чистого угля на сигарету (рис. 4). Сравнива­лись 2 типа активного угля: тонкопористый уголь с удельной поверхностью около 1200 м2/г (рис. 4, а) и крупнопористый с удельной поверхностью около 900 м2/г (рис. 4,6). Каж­дая навеска фильтра окуривалась трижды и измерялась удер­живающая способность угля на сигарету. При почти равной исходной поглощающей способности обоих видов угля у тон­копористого угля адсорбционная емкость по никотину и кон­денсату снижается в одинаковой степени. Крупнопористый уголь, напротив, лучше поглощает конденсат (смолистые вещества) и отличается меньшей удерживающей способностью по нико­тину. Модификации используемых активных углей позволяют изменять удерживающую способность сигаретных фильтров. То же относится и к фильтрующим патронам, которые встав­ляются в дымовой канал курительной трубки. Такие фильтры чаще всего содержат около 1 г активного угля и используются от 1 до 3 раз.

Табак/актибный уголь, г/100мг

Рис. 12.4. Удерживающая способность тонкопористого (а) и крупнопористою (ff) актив­ного угля по отношению ккомпонентам табачного дыма в зависимости от распределения пор угля по размерам:

1 — конденсат; 2— никотин.

Для повышения эффективности сорбции токсических и канцерогенных продуктов пирролиза табака к волокнистой основе фильтра, выполненного из ацетатных или целлюлозосодержащих волокон, добавляют 20-30 мг гранулированного сорбента. Сорбент представляет собой гранулы искусственных или природных цеолитов, импрегнированных кремнийорганическим мономером N,N'-бис (3-триэтоксисилилпропил) тиокарбамидом. [9]⁹

Для адсорбции вредных веществ, содержащихся в сигаретном дыме, применяются активированные угли, в том числе со специальным импрегнированием. Короткое время контакта, небольшой размер фильтров и чрезвычайно высокие требования к чистоте (не должно образовываться пыли) обуславливают необходимость применения чрезвычайно мелкозернистых активированных углей с очень высокой прочностью на истирание. Для этих целей хорошо подходит активированный уголь на основе скорлупы кокосового ореха с различной зернистостью, например: табл. 3[¹⁰]

Марка угля	Прочность, %	Удельная поверхность, м2/г	Размер гранул, мм
Алькарбон U 50	>98%	1200	0.6-2.3
Алькарбон K 60	>98%	1200	0.212-0.6
Silcarbon C46	>97%	1300	1.5-2.5
Silcarbon K1840	>96%	1100	0.425-1.0