An Improved Theoretical Model of Cigarette Smoke Filtration across Mono-Segment Cellulose Acetate Filters

Summary An improved theoretical model was presented to predict the filtration efficiency of cigarette filters. Filtration equations of single fibers considering the interference of neighboring fibers were applied in the model. Cellulose acetate fibers in cigarette filters were approximated as cylinders. The fiber size was adjusted by its size projected on the flow field. The solid fraction of fibers in cigarette filters was recalculated using the size of the virtual cylinders. The varying flow velocity during smoking was taken into account when calculating the filtration efficiency. The effective hydrodynamic particle diameter of cigarette smoke was estimated to be 0.44 μm by the difference of filtration efficiencies under ISO and Health Canada Intense (HCI) smoking regimes. Filtration contributions due to diffusion, interception and inertial impaction were 62%, 32% and 6%, respectively, at a flow velocity of 0.38 m/s for particles of 0.44 μm diameter. The effect of inertial impaction was insignificant but not negligible under ISO smoking regime. The measured and predicted efficiencies of two cigarette samples were compared and satisfactory agreement was obtained. [Beitr. Tabakforsch. Int. 26 (2015) 232-240] Zusammenfassung Es wurde ein verbessertes theoretisches Modell zur Vorhersage der Filtrationseffizienz von Zigarettenfiltern vorgestellt. In diesem Modell wurden Filtrationsgleichungen von Einzelfasern unter Berücksichtigung der Interferenz benachbarter Fasern angewendet. Celluloseacetatfasern in Zigarettenfiltern wurden als Zylinder modelliert. Die Fasergröße wurde entsprechend ihrer im Flussfeld projizierten Größe angepasst. Die solide Fraktion von Fasern in Zigarettenfiltern wurde mithilfe der Größe der virtuellen Zylinder neu berechnet. Die veränderliche Strömungsgeschwindigkeit beim Rauchen wurde bei der Berechnung der Filtrationseffizienz berücksichtigt. Der effektive hydrodynamische Partikeldurchmesser von Zigarettenrauch wurde anhand der Differenz von Filtrationseffizienzen nach den Rauchprotokollen der ISO und Health Canada Intense (HCI) auf 0,44 μm geschätzt. Filtrationsbeiträge aufgrund von Diffusion, Interzeption und trägheitsbedingter Ablagerung betrugen jeweils 62%, 32% bzw. 6% bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,38 m/s für Partikel mit 0,44 μ Durchmesser. Die Wirkung der trägheitsbedingten Ablagerung nach dem ISORauchprotokoll war unbedeutend, aber nicht vernachlässig- bar. Die gemessenen und vorhergesagten Effizienzen von zwei Zigarettenproben wurden verglichen und eine zufriedenstellende Übereinstimmung festgestellt. [Beitr. Tabakforsch. Int. 26 (2015) 232-240] Resume Un modèle théorique amélioré fut présenté en vue de prédire l’efficacité de filtration des filtres à cigarettes. Dans ce modèle, des équations de filtration pour les fibres simples furent utilisées qui tiennent compte de l’interférence des fibres adjacentes. Les fibres en acétate de cellulose contenues dans les filtres à cigarettes furent considérées comme des cylindres. La taille de la fibre fut ajustée selon sa taille projetée sur le champ de propagation. La fraction solide des fibres contenues dans les filtres à cigarettes fut recalculée en utilisant la taille des cylindres virtuels. Les variations de la vitesse de filtration lors de l'usage du tabac furent intégrées lors du calcul de l’efficacité de filtration. Le diamètre hydrodynamique effectif des particules de fumée de cigarette fut estimé à une valeur de 0,44 μm au regard de la différence des efficacités de filtration selon les paramètres de fumage énoncés par le Health Canada Intense (HCI) et l’ISO. Les contributions à la filtration causées par la diffusion, l’interception et l'impact par inertie s’élevèrent à respectivement 62%, 32% et 6%, pour une vitesse de propagation de 0,38 m/s pour des particules de 0,44 μm de diamètre. L’effet de l'impact par inertie fut insignifiant mais considéré comme non négligeable conformément aux paramètres de fumage de l’ISO. Les efficacités mesurées et prédites de deux échantillons de cigarettes furent comparées et une concordance satisfaisante fut obtenue. [Beitr. Tabakforsch. Int. 26 (2015) 232-240]