Использование диоксида титана в сигаретных фильтрах

Исследователи из Китая впервые продемонстрировали, что наноматериалы, полученные из диоксида титана (TiO2) могут использоваться в сигаретных фильтрах, существенно понижая количество вдыхаемых курильщиками вредных веществ.

По словам исследователей, наноматериалы на основе диоксида титана являются менее дорогой и менее опасной альтернативой наноматериалов на основе углерода, новые фильтры также могут найти применение в разработке новых противогазов и систем очистки воздуха.

Фильтр может понизить содержание ряда токсичных и канцерогенных компонентов табачного дыма, вдыхаемых курильщиком, включая смолы, никотин, аммиак и циановодород.

Миндэн Вэй с соавторами обнаружил, что нанотрубки и нанолисты из оксида титана(IV) могут применяться для фильтрования табачного дыма. Исследователь отмечает, что наноматериалы на основе TiO2 существенно понижают содержание в табачном дыме как смолы, никотин, аммиак, циановодород, некоторые соединения карбонильной и фенольной структуры.

Вей утверждает, что наноматериалы из TiO2 будут дешевле других материалов подобного рода. Это обуславливается тем, что их достаточно просто получить в мягких условиях из оксида титана(IV). Поскольку TiO2 уже нашел широкое применение во многих товарах – солнцезащитных кремах, косметике и продуктах питания, исследователь уверен, что содержащие диоксид титана сигаретные фильтры не будут опасны для здоровья курильщиков.

Исследователи синтезировали нанолисты и нанотрубки из TiO2 стандартными способами, после чего поместили их в «гильзы» для сигаретных фильтров. С помощью системы «автоматический курильщик», ионной хроматографии и высокоэффективной жидкостной хроматографии исследователи измерили количество различных химических соединений, задержанных фильтром. Было обнаружено, что в качестве фильтрующей системы нанотрубки из TiO2 в два раза эффективнее нанолистов.

Исследователи полагают, что различная сорбционная способность определяется строением материалов – нанотрубки со стоят из многослойных кристаллических стенок, напоминающих хроматографическую колонку, в то время как у нанолистов обычная слоистая структура. На внутренней поверхности нанотрубок из TiO2 содержится большое количество ионов H+, и, когда по нанотрубкам идет сигаретный дым, происходит химическая адсорбция аммиака, гидрохинона катехина и фенолов за счет взаимодействия с H+. [¹¹]

Использование углеродных нанортубок в сигаретных фильтрах

Вещества категории "нано", то есть с частицами менее 100 нм, сегодня представлены техническим углеродом (сажа) и кремнегелем ("белая сажа"). Объемы производства других наноматериалов несопоставимо ниже. Но сейчас ситуация меняется, на рынок вышли углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных (геометрически похожих на пчелиные соты) графитовых плоскостей.

Углеродные микротрубки были запатентованы в конце XIX века, а нанотрубки впервые получены в московском Институте физической химии в 1950-х годах, затем в Японии в 1970-х и, наконец, "открыты" в Японии в 1991 году. С тех пор интерес к трубкам неуклонно рос.

Связь атомов углерода друг с другом в нанотрубках имеет рекордную прочность. Модуль Юнга (величина размерности давления, характеризующая сопротивление вещества растяжению или сжатию) нанотрубок более 1 ТПа (около 1 млн атмосфер — выше, чем у алмаза). Теплопроводность нанотрубок в восемь раз выше, чем у меди, а электропроводность не подчиняется закону Ома. Плотность тока в трубках может в тысячу раз превышать плотность, при которой медный провод взрывается.

Китайские исследователи показали, что эффективно поглощать вредные вещества, образующиеся при курении, могут углеродные нанотрубки[¹²] (они уже хорошо зарекомендовали себя для удаления фтора, свинца, кадмия из растворов - Углеродные нанотрубки удаляют из воды свинец. В экспериментах использовали оксидированные трубки, полученные при каталитическом пиролизе пропилена и обработанные в концентрированной азотной кислоте. Их сравнивали со стандартными сорбентами - цеолитом NaY и активированным углем.

Все сорбенты были помещены в фильтрующий мундштук сигарет. Процесс «курения» проводили автоматически в стандартных условиях. Главный поток дыма проходил через сорбенты, затем конденсат собирали на фильтрах и взвешивали. Анализ на никотин и смолу проводили методами газовой хроматографии и масс-спектрометрии.[¹³] О-УНТ оказались наиболее эффективными сорбентами никотина (до 0.56 мг/сигарета) и смолы (до 13 мг/сигарета), несмотря на то, что их удельная поверхность гораздо меньше, чем у цеолита или активированного угля.

На рис.1 приведены ТЕМ-изображения углеродных нанотрубок до и после адсорбции. Искривленные О-УНТ длиной от сотен нанометров до микрон образуют агрегированные поры размером 3-40нм, которые подходят для сорбции всех типов молекул табачного дыма. Обработка азотной кислотой приводит к открытию нанотрубок, благодаря чему они используются как контейнеры, внутренние каналы и межслоевые пространства которых заполняются никотином и смолой (см. рис.2). Часть вредных веществ адсорбируется на внутренней поверхности стенок УНТ, многие соединения (главным образом, полициклические ароматические углеводороды) сорбируется или конденсируется на внешней поверхности, как видно на рис. 1b.

Цеолит же, прекрасно сорбирующий молекулы нафталина и антрацена (их размер 0.73 нм), малоэффективен против никотина (0.78 нм) и многих компонентов смолы. У активированного угля размеры пор больше, чем у цеолита, но меньше, чем у нанотрубок, соответственно и по эффективности он находится между ними: цеолит задерживает 8.2% никотина и 41.3% смолы, активированный уголь - 34.5 и 60.6, а нанотрубки - 50.9 и 81.3.

Цеолит, имеющий размеры пор 0.74нм, может эффективно сорбировать молекулы нафталина, антрацена, имеющие размер 0.73нм, и некоторые другие, но практически не снижает содержание никотина (молекулярный размер 0.78нм) и ряда других компонентов смолы, имеющих молекулярный размер более 0.9 нм. Размеры пор и удельная поверхность активированного угля больше, чем у цеолита, и, соответственно, эффективность удаления никотина и смолы выше, но, тем не менее, гораздо ниже, чем для О-УНТ (см. таблицу 2). По мнению авторов, важную роль в повышении эффективности может играть капиллярная конденсация некоторых компонентов в УНТ[¹⁴].

Оптимальное количество О-УНТ в фильтре сигареты для наиболее эффективного удаления и никотина, и смолы по оценкам авторов [1] равно 20-30мг.

Таблица 2. Сравнение сорбционных характеристик О-УНТ, цеолита и активированного угля

Сорбент	М0(мг/сигарета)	Мникотина (мг/сигарета)	ηникотина(%)	Мсмолы (мг/сигарета)	ηсмолы(%)
Без сорбента	0	1.1		16.0
Цеолит NaY	50.5	1.01	8.2	9.4	41.3
Активированный уголь	50.5	0.72	34.5	6.3	60.6
О-УНТ	50.5	0.54	50.9	3.0	81.3

М0 – масса сорбента в одной сигарете, Мникотина и Мсмолы – масса никотина и смолы в табачном дыме после сорбента, ηникотина и ηсмолы – эффективность удаления никотина и смолы сорбентом для одной сигареты.