ФИЛЬТР ДЛЯ СИГАРЕТ Российский патент 1994 года по МПК A24D3/14 

Изобретение относится к табачной промышленности и может найти применение при изготовлении сигарет с фильтром.

Известные фильтры представляют собой волокнистую структуру с применением древесного угля.

Недостатком этих фильтров является то, что они не исключают полностью вредного воздействия целого ряда компонентов табачного дыма.

Известны различные фильтры для курительных изделий, в частности для сигарет, уменьшающих токсическое действие табачного дыма.

Для этого используются фильтрующие устройства, основу которых, как правило, составляет ацетатное, целлюлозное или ацетат-целлюлозное волокно с нанесенными на него веществами, обладающими адсорбционные свойства или пропитанное этими веществами.

В качестве таковых используются активированный уголь, неорганические и органические соли меркаптоалкансульфоновых кислот общей формулы HSXSO₃H(X= (CH₂)_n, n = 2-6, цистеин и ацетилцистеин, фталоцианины.

Недостатком этих фильтров является то, что спектр веществ, поглощаемых этими фильтрами, во всех случаях ограничен, а сами фильтры при нагревании могут деградировать с образованием токсичных соединений.

Так, например, при использовании фталоциана в качестве сорбента могут образовываться следующие продукты распада - органические цианиды, аммиак, производные бензола и т. д.

Известен фильтр для сигарет, выполненный из пористого гидроксиапатита (природного происхождения или полученного путем осаждения).

Гидроксиапатит представляет собой материал с размерами частиц 5 - 20 мк, использующихся в количестве 0,1 - 20% от веса табака и может быть представлен формулой
3[Ca₃(PO₄)₂] M(OH)₂, где М - катион кальция, стронция или олова.

В основном применяются гидроксиапатиты, в которых М - катион представлен кальцием, так как этот материал нетоксичен и высокоэффективен.

Фильтр из гидроксиапатита производится в сочетании с волокнистым материалом или активным углем и может быть выполнен в виде таблетки, гильзы, мундштука и т. д.

Достоинства этого фильтра для сигарет заключаются в некотором повышении эффективности поглощения вредных веществ.

Недостатком этого фильтра является то, что он не поглощает из табачного дыма широкий ассортимент канцерогенных и токсичных веществ.

Известен фильтр, содержащий основу из ацетатного, целлюлозного или ацетат-целлюлозного волокна, включающего адсорбирующее средство, представляющее собой комплекс соли железа с органическими низкомолекулярными лигандами, при этом адсорбирующее средство в качестве соли железа содержит соли двухвалентного железа, а в качестве лигандов алкильные производные дитиокарбамата натрия, при этом содержание адсорбирующего средства составляет 3,6 - 13 мас. % фильтрующего волокна, соль двухвалентного железа выбирают из ряда FeSO₄, FeCl₂, Fe(NO₃)₂, в качестве алкильных производных дитиокарбамата натрия фильтр содержит диметилдитиокарбамат или диэтилдитиокарбамат.

Недостатком этого фильтра является ограниченный ассортимент поглощаемых веществ, в частности, поглощая из табачного дыма оксид азота, он не снижает содержание таких канцерогенных веществ как многоядерные ароматические углеводороды (пирен, бенз, перилен, дибенз) и нитрозоамины, а также микроэлементов, таких как магний, стронций, медь, свинец, мышьяк, кадмий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, обладающих также токсическим и канцерогенным действием.

Известен ацетат-целлюлозный фильтр, содержащий в качестве адсорбирующего средства 10% триацетин.

Данный фильтр селективно поглощает канцерогенные N-нитрозосоединения; N-нитрозодиметилаламин до 75% , N-нитрозодиэтиламин до 50% , N-нитрозопирролидин до 74% , смолу до 35% , никотин до 28% .

Недостатком этого фильтра является то, что он практически не поглощает бенз[a] пирен и канцерогенные металлы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является фильтр для сигарет, выполненный из волокон органического полимера, пропитанного органическим средством, представляющим собой кремнийорганический мономер N, N'-бис(3-триэтоксисилилпропил) - тиокарбамид (C₂H₅O)₃Si (CH₂)₃NH-C(S)-NH(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃, количество которого составляет 6 - 15,3 мас. % от массы волокон.

Положительным качеством этого фильтра является то, что он позволяет улавливать канцерогенные и токсичные вещества, а именно канцерогенные металлы, N-нитрозосоединения и бенз[a] пирен лучше, чем известные сигаретные фильтры.

Прототипом является фильтр для сигарет, состоящий из отдельных частей, выполненных из волокон органического полимера, и размещенного между этими частями адсорбирующего средства.

Недостатком фильтра является то, что он по поглощению окиси углерода, никотина и смолы не отличается от известных сигаретных фильтров.

Кроме того, он недостаточно полно улавливает N-нитрозосоединения.

Все перечисленные выше сигаретные фильтры в целом не снижают содержание канцерогенных соединений в главной струе табачного дыма более чем на 50% , при этом каждый из известных фильтров способен снижать содержание только определенного класса химических соединений, обладающих канцерогенными и токсическими свойствами.

Поэтому весьма актуальна задача разработки фильтра для сигарет, который бы снижал уровень содержания канцерогенного бенз[a] пирена, канцерогенных металлов и летучих нитрозосоединений, а также окиси углерода, смолы и никотина в главной струе табачного дыма, что позволило бы снизить риск заболевания раком в связи с курением.

Целью предлагаемого изобретения является повышение степени очистки главной струи табачного дыма от окиси углерода, смолы, никотина, канцерогенного бенз[a] пирена, канцерогенных металлов и летучих N-нитрозосоединений.

Цель достигается за счет того, что в фильтре для сигарет, состоящем из отдельных частей c адсорбирующим средством, между ними выполненном из волокон органического полимера, например, из целлюлозного, ацетат-целлюлозного или ацетатного волокна, в качестве адсорбирующего средства, содержащий лигнин, пропитанный кремнийорганическим мономером N, N'-бис(3-триэтоксисилилпропил)-тиокарбамид (C₂H₅O)₃Si(CH₂)₃NH-C(S)--NH(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃, количество лигнина определяется по формуле:
G = 0,31˙ D² ˙L, где G - вес лигнина, мг;
D - диаметр сигаретного фильтра, мм;
L - длина фильтра, заполняемая лигнином, равна 2,5 мм ±0,5 мм, лигнин и кремнийорганический мономер в адсорбирующем средстве находятся в соотношении 100 : 6,38.

Под лигнином, одним из основных структурных компонентов растений, особенно древесины, в настоящее время понимают природные полимерные продукты, образующиеся в результате дегидрогенизации трех основных предшественников: кониферилового, синалового и п-кумарового спиртов. Феруловая и кофейная кислоты являются структурными элементами лигнина. Структура лигнина, получаемого путем механического размола, практически не содержит измененных элементов и наиболее соответствует лигнину в его природном состоянии.

Вес лигнина (G) вычисляется из соотношения
G = L·g, где π = 3,14;
D - диаметр сигаретного фильтра, в данном случае равный 9 мм;
g - удельный вес лигнина, равный 0,39 мг/мм³;
L - длина фильтра, заполняемая лигнином, равна в данном случае 2 мм.

Учитывая, что постоянная величина, равная 0,31, а L D переменные, то приходим к формуле для определения G, представленной выше. Практически вес лигнина в одном сигаретном фильтре может колебаться от 44 до 66 мг. Например, при весе (G) лигнина равном 50 мг вес пропитывающего мономера составляет около 3,13 мг. Для приготовления раствора мономера используют органический растворитель Н-ГЕКСАН (C₆^чH₁₄- чистый), ТУ6-09-3375-78.

Лигнин пропитывается этим мономером в соотношении 100: 6,38.

Предложенный фильтр для сигарет конструктивно может быть выполнен известными технологическими способами, которые используются при изготовлении комбинированных сигаретных фильтров.

Для примера рассмотрим комбинированный сигаретный фильтр длиной 18 мм, состоящий из двух частей, выполненных из целлюлозного и ацетатного волокна, между которыми помещается адсорбирующее средство (лигнин пропитанный мономером). Подготовку сигарет с фильтрами к анализам на никотин, смолу и окись углерода проводили по методикам, описанным Международной организацией по стандартам (ISO, Geneva). Сигареты прокуривали согласно стандартам ISO при следующих условиях: все сигареты перед анализом были кондиционированы в течение 48 ч при 22^оС и относительной влажности 60% и прокуривали на 20-позиционном роторном курильщике-автомате фирмы "BORGWALDT" RM20/SC (ФРГ) при объеме затяжки равном 35 мл, длительности затяжки - 2 с, частоте - одной затяжки в 1 мин на один фильтр типа "Кембридж", применяемый для проведения химических анализов табачных изделий.

При определении бенз[a] пирена использовали конденсат от пяти прокуренных через "кембриджский" фильтр сигарет, который экстрагировали бензолом на ультразвуковой бане в течение 30 мин дважды. Полученный экстракт упаривали на роторном испарителе до 5 мл при 35^оС, далее 1 мл использовали для тонкослойной хроматографии с незакрепленным слоем окиси алюминия 2 степени по Брокману в системе гексан-бензол. После развития хроматограммы выделяли зону свечения бенз[a] пирена под ультрафиолетовой лампой и в полученной фракции определяли бенз[a] пирен на спектрофлуориметре Hitacni-850 (Япония) при температуре жидкого азота.

При определении канцерогенных летучих N-нитрозосоединений дым от 50 сигарет пропускали через две последовательно соединенные жидкостные ловушки с цитратно-фосфатным буфером (рН 4,5), содержащим 20 миллимоль (мМ) аскорбиновой кислоты. Поглотительный раствор экстрагировали хлористым метиленом (CH₂Cl₂), отделяли воду и экстракт 1 раз, далее экстрагировали 50 мл двумолярным раствором щелочи (2М NaOH) и доводили до объема 5 мл на водяной бане под током азота. Полученный раствор анализировали на газовом хроматографе "Цвет" с детектором термальной энергии ТЕА 502А (США), специфичным для летучих N-нитрозосоединений.

Анализ проводили при следующих условиях: температура колонки - 150^оС, испарителя 225^оС, пиролизатора 470^оС. Колонка - стеклянная соответственно с длиной 2,5 м и диаметром 4 мм, заполненная "Carbowax" 20М + 2% раствором щелочи (КОН), газ-носитель - аргон, скорость потока - 40 мл/мин.

При определении металлов дым от пяти сигарет прокуривали через "кембриджский" фильтр и экстрагировали на ультразвуковой бане. Полученный экстракт фильтровали через пористый керамический фильтр-воронку, затем омывали 2 раза 5 мл 5-нормальной (5N) азотной кислоты. Чистый и цельный экстракт, включая объем промывки, переливали в колбу Кьелдаля и упаривали нагреванием до влажных солей. Остаток разбавляли до 15 мл деионизированной водой и готовый раствор анализировали на плазменно-эмиссионном спектрометре JV-48 (фирма Jobin-Ivon, Франция).

Сигареты для проведения экспериментов отбирались из одной партии по весу 933 ±20 мг.

В табл. 1 приводятся результаты испытаний комбинированного сигаретного фильтра, содержащего 50 мг лигнина, обработанного (пропитанного) мономером. При этом фильтр А был обработан однопроцентным раствором мономера, фильтр В - 3,0% , а фильтр С - 5% (растворитель Н-ГЕКСАН - чистый).

Поглотительная способность фильтра (% ) вычисляется по формуле
100% , где А - абсолютная разница между контрольным и опытным (Б) значением.

Из результатов анализов видно (табл. 1), что более приемлемым оказался фильтр С, как по способности поглощать смолу, никотин и окись углерода, так и по способности поглощать бенз[a] пирен.

Эффективность поглощения никотина составляет 50% , смолы 42% , бенз[a] пирена 68,7% .

Результаты испытаний фильтра С на поглотительную способность металлов приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что фильтр С эффективно поглощает канцерогенные металлы:
никель (64,7% ), хром (80% ),
кадмий (68,6% ), свинец (57,4% ).

Результаты испытаний фильтра С на поглотительную способность по канцерогенным летучим N-нитрозосоединениям приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что фильтр С эффективно поглощает канцерогенные летучие N-нитрозосоединения по отношению к контрольному фильтру (N-нитрозодиметиламин 92,9% , N-нитрозопирролидин 76,9% ).

Высокая поглотительная и селективная способность лигнина к исследованным химическим соединениям объясняется его особенностями химической и физической структуры, а также самим механизмом фильтрации табачного дыма.

Обычно считается, что в процессе фильтрации дыма участвуют два основных механизма: диффузия и прямое улавливание частиц дыма, размер которых находится в диапазоне 0,1 - 1,0 мкм.

Окись углерода, канцерогенные летучие N-нитрозосоединения находятся в дыме в состоянии газовой фазы и поэтому взаимодействуют со структурными элементами лигнина феруловой и кофейными кислотами, которые обладают высокой способностью ингибировать образование и реакцию нитрозирования, что и видно из табл. 3.

С другой стороны, имея большую поглотительную поверхность, лигнин эффективно поглощает ионы металлов, которые осаждаются на частичках дыма, поглощаемых прямым улавливанием частиц. Так как лигнин твердый сорбент, то он создает падение давления, что, в свою очередь, увеличивает удаление смол из главной струи табачного дыма. Предлагаемый фильтр для сигарет, по сравнению со всеми известными фильтрами, эффективно поглощает окись углерода (6,25% ), смолу (42% ), никотин 50% , бенз[a] пирен (68,7% ), канцерогенные металлы (никель - 64,7% , хром - 80% , кадмий - 68,6% , свинец - 57,4% ) и летучие N-нитрозосоединения (N-нитрозодиметиламин - 92,9% , N-нитрозопирролидин - 76,9% ).

Таким образом, данный фильтр позволяет снизить риск заболевания раком в связи с курением сигарет. Достоинством предложенного фильтра является и то, что технология его изготовления довольно проста (не требуется пропитка волокна фильтра), используются известные технологические приемы, что приводит к снижению стоимости сигарет.

Кроме того, улучшаются вкусовые качества сигарет.

Так как лигнин и кремнийорганический мономер в адсорбирующем средстве находятся в соотношении 100: 6,38 (на сигарету берется всего около 6,3 мас. % от массы лигнина), то расход мономера (по сравнению с прототипом) снижается в среднем в два раза, что также значительно снижает стоимость сигарет. (56) Патент Швейцарии N 526928, кл. A 24 C 5/48, 1972.

Использование: в табачной промышленности и может найти применение при изготовлении сигарет с фильтром. Сущность изобретения: фильтр для сигарет состоит из отдельных частей, выполненных из волокон органического полимера, Между этими частями размещено адсорбирующее средство, представляющее собой лигнин, пропитанный кремнийорганическим мономером. 1 з. п. ф - лы, 3 табл.

ФИЛЬТР ДЛЯ СИГАРЕТ, состоящий из отдельных частей, выполненных из волокон органического полимера, и размещенного между этими частями адсорбирующего средства, отличающийся тем, что адсорбирующее средство представляет собой лигнин, пропитанный кремнийорганическим мономером N, N'-бис(3-триоэтоксисилилпропилтиокарбамид) (C₂H₅O)₃Si(CH₂)₃NH-C(S)- -NH(CH₂)₃Si(OC₂H₅)₃.