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		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.

Заключение

Известные в настоящее время фильтры для сигарет, выполненные из волокон органического полимера, например, ацетатного, целлюлозного или ацетат-целлюлозного, не достаточно эффективно сорбируют содержащиеся в табачном дыме токсические вещества, такие как окись углерода, нитрозамины и полициклические ароматические углеводороды. Известны различные фильтры, уменьшающие содержание токсических веществ в табачном дыме, выполненные из ацетатного или целлюлозсодержащего волокна с нанесенными на него веществами, обладающими адсорбционными свойствами, или пропитанного этими веществами. В качестве таких веществ могут использоваться простые вещества типа растворимых в воде солей двухвалентных металлов (например, ацетат железа, ацетат меди, сульфат цинка и т.д.), легко связывающих никотин[[15]] и органических кислот (таких как L-аскорбиновая, лимонная и др.), связывающих содержащиеся в табачном дыме альдегиды[[16]]. Адсорбирующие вещества, входящие в состав табачных фильтров, могут быть сложными синтетическими веществами или веществами природного происхождения. В качестве примера можно привести пропитку целлюлозных фильтров растворимыми в воде или в органических растворителях полимерами (полиакрилат натрия, полиакрилат аммония), введение в состав фильтров гранул полисахаридов для снижения мутагенного эффекта конденсата табачного дыма и наконец использование аминокислот и их производных (метионин,5-метилцистеин, цистеин, лизин, аргинин, орнитин и др.) для связывания низкомолекулярных альдегидов и введение в состав фильтра пуринов (1,3,7,9-тетраметилтиомочевины, аденина, гуанина, ксантина, гипоксантина, кофеина, теофилина) для связывания ароматических углеводородов. В состав фильтров могут входить в качестве адсорбентов и биологические объекты. Например, мицеллий Polyporaceae bacidiomycetes[[17]] и водоросли хлорелла и спирулина в сочетании с активированным углем[[18]] используются для модификации фильтров сигарет, повышая эффективность сорбции ароматических углеводородов. В настоящее время для изготовления фильтров сигарет все большее распространение получают импрегнированные адсорбенты. Наиболее популярны пористые алюмосиликаты, к которым относятся и цеолиты. В качестве носителей импрегнированных адсорбентов, используемых в фильтрах сигарет, часто применяют силикагель. Так, швейцарская фирма "Лоран" использует трехсекционный фильтр, две крайние секции которого изготовлены из ацетатцеллюлозы, а средняя представляет собой композицию крупинок силикагеля (от 30 до 99% композиции) и частиц бетонита, кизельгура, магнезита или каолина (от 70 до 1% композиции). Фильтры задерживают до 52% конденсата табачного дыма. Известен также фильтр на основе силикагеля, импрегнированный перманганатами натрия и кальция (5-40% от веса композиции). Фильтр эффективен в детоксикации окиси азота, содержащейся в табачном дыме. В качестве носителей в импрегнированных адсорбентах, используемых в фильтрах сигарет, служат коллоидный алюминий или коллоидный кремний. Известен также фильтр, где используется способность коллоидного алюминия и коллоидного кремния приобретать положительный заряд (pH дыма 3-6) в условиях прокуривания. Это позволяет задерживать отрицательно заряженные частицы дыма.

Однако по прежнему самой лучшей защитой от всех компонентов табачного дыма является отсутствие зажженной сигареты.

Список литературы

1 Татьяна Мисевра. Газета "Табачный Магазин" №7(28) июль 2004

2 ГОСТ Р 51976-2002. Сигареты. Определение содержания влажного и не содержащего никотин сухого конденсата (смолы) в дыме сигарет спомощью лабораторной курительной машины. М.: Изд-во стандартов, 2003

3 История сигаретных фильтров. Электронный ресурс.// сайт osigaretah.ru

4 Нанотехнологии в табачной сфере. Электронный журнал// Читай.net 08.05.2011

5 Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Ленинград, Химия, 1980 г.

6 Воронков М.Г.; Жигачева И.В.; Евсеенко Л.С.; Бурлакова Е.Б.; Синельников Л.Я.; Подчайнов С.Ф.Пат. 2113810 от 10.09.1996

7 Донау Карбон. Импрегнированные и не импрегнированные активированные угли специального применения. 2011г

8 Zhigang Chen, Lisha Zhang et al. // Appl. Surf. Sci. 2006. V.252. P.2933-2937

9 Chem. Commun., 2011, DOI: 10.1039/c1cc10794a

10 ПерсТ 2003, 10, вып.11

11 ПерсТ,2002, 9, вып.3, с.3; вып.18

12 US Pat. N 4.397.321, кл. A 2418 15/28,9.08. 1983

13 US Pat. N 5.076.294, кл. A 24 D 3/00, 31.12. 1991

14 US Pat. N 4.735.218, кл. A 24 D 3/08, 5.04. 1988

15 US Pat. N 4.756.319, кл. A 24 D 3/14, 12.07. 1988

[1] Татьяна Мисевра. Газета "Табачный Магазин" №7(28) июль 2004

[2] ГОСТ Р 51976-2002. Сигареты. Определение содержания влажного и не содержащего никотин сухого конденсата (смолы) в дыме сигарет спомощью лабораторной курительной машиныТекст. Введ. 2004-0101. - М.: Изд-во стандартов, 2003

[3] Васюсина, Т.В. Об актуализации стандартов на методы испытаний табачных изделий. Партнеры и конкуренты -2003. -№4. С. 25-28.

[4] Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Ленинград, Химия, 1980 г.

[5] История сигаретных фильтров. Электронный ресурс.// сайт osigaretah.ru

[6]Нанотехнологии в табачной сфере. Электронный журнал// Читай.net 08.05.2011

[7] Ассортимент супертонких фильтров Super Slim. Компания Filtrona Filter Products

[8] Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Ленинград, Химия, 1980 г.

[9] Воронков М.Г.; Жигачева И.В.; Евсеенко Л.С.; Бурлакова Е.Б.; Синельников Л.Я.; Подчайнов С.Ф.Пат. 2113810 Дата подачи заявки: 10.09.1996

[10] Донау Карбон. Импрегнированные и не импрегнированные активированные угли специального применения. 2011г

[11] Chem. Commun., 2011, DOI: 10.1039/c1cc10794a

[12] Zhigang Chen, Lisha Zhang et al. // Appl. Surf. Sci. 2006. V.252. P.2933-2937

[13] ПерсТ,2002, 9, вып.3, с.3; вып.18, с.6

[14] ПерсТ 2003, 10, вып.11, с.5

[15] US Pat. N 4.397.321, кл. A 2418 15/28,9.08. 1983

[16] US Pat. N 5.076.294, кл. A 24 D 3/00, 31.12. 1991

[17] US Pat. N 4.735.218, кл. A 24 D 3/08, 5.04. 1988

[18] US Pat. N 4.756.319, кл. A 24 D 3/14, 12.07. 1988

Дата добавления: 2015-09-05