Электронная система подачи пара
STEAM SUPPLY ELECTRONIC SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электронным системам подачи пара, таким как электронные системы доставки никотина (например, электронные сигареты).
Уровень техники изобретения
Электронные системы подачи пара, такие как электронные сигареты, обычно содержат резервуар для жидкости, которая должна быть превращена в пар, обычно для никотина. Когда пользователь затягивается из устройства, нагреватель активируется для испарения небольшого количества жидкости, которое, соответственно, вдыхается пользователем.
Использование электронных сигарет в Великобритании быстро растет, и было подсчитано, что сейчас в Великобритании их использует свыше одного миллиона человек.
В процессе работы электронных систем подачи пара нагреватель может нагревать жидкость, подлежащую испарению, в такой степени, что за счет нагревания образуются некоторые нежелательные примеси. Например, жидкость может быть нагрета в такой степени, что могут образоваться нежелательные альдегидные соединения. Такие соединения могут влиять на вкус вдыхаемого пара.
Сущность изобретения
В одном аспекте предлагается электронная система подачи пара, включающая в себя:
- испаритель для испарения жидкости для вдыхания пользователем электронной системы подачи пара;
- источник питания, содержащий элемент питания или батарею для подачи энергии в испаритель; и
- фильтр для фильтрования испарившейся жидкости до вдыхания пользователем электронной системы подачи пара,
при этом фильтр может частично или полностью удалять из пара один или большее число альдегидов, присутствующих в паре.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что альдегиды, которые являются нежелательными, по меньшей мере, из-за вкуса, который они могут придавать пару, могут образовываться при нагревании подлежащей испарению жидкости. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что альдегиды имеют, в частности, тенденцию к образованию в системах подачи пара, таких как электронные сигареты, и это особенно случается перед концом использования системы обеспечения пара. Ближе к концу использования системы, когда количество жидкости, присутствующее в устройстве, становится низким, нагреватель может приходить в контакт с относительно малым количеством жидкости и нагревать жидкость до температуры, которая выше, чем обычная температура во время большей части работы устройства. Эта проблема уникальна для электронных систем подачи пара, содержащих нагревательный элемент. Обеспечение фильтра, который может частично или полностью удалять из пара один или большее число альдегидов, присутствующих в паре, направлено на решение этой проблемы.
То обстоятельство, что могут быть предусмотрены фильтры, которые удаляют альдегиды из пара электронных систем подачи пара, было неожиданным, по меньшей мере, потому, что наблюдаемый в таких системах подачи пара поток воздуха сильно отличается от потока воздуха, наблюдаемого в системах, где ранее использовались аналогичные фильтры, как например, в сгорающих табачных продуктах. Кроме того, число затяжек, приходящееся на одну электронную систему подачи пара, такую как электронная сигарета, может достигать 250 или 300. В отличие от этого, число затяжек, приходящееся на одну сгорающую сигарету, обычно составляет менее 10.
Для удобства эти и другие аспекты настоящего изобретения будут далее обсуждаться в разделах с соответствующими заголовками. Тем не менее, обсуждения, представленные в каждом разделе, не обязательно ограничиваются каждым конкретным разделом.
Подробное описание
Как описано выше, настоящее изобретение относится к электронной системе подачи пара, такой как электронная сигарета. В нижеследующем описании используется термин «электронная сигарета», однако данный термин может использоваться взаимозаменяемо с термином «электронная система подачи пара».
Как описано в данном документе, фильтр, используемый в настоящем изобретении, может частично или полностью удалять из пара один или большее число альдегидов, присутствующих в паре. В одном аспекте фильтр частично или полностью удаляет по меньшей мере один альдегид, присутствующий в паре. В одном аспекте фильтр частично или полностью удаляет по меньшей мере два альдегида, присутствующих в паре. В одном аспекте фильтр частично или полностью удаляет по меньшей мере три альдегида, присутствующих в паре. В одном аспекте фильтр частично или полностью удаляет каждый альдегид, присутствующий в паре.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, когда альдегиды образуются в электронной системе подачи пара, часть альдегидов присутствует в дисперсной фазе и часть альдегидов присутствует в паровой фазе. Фильтр по настоящему изобретению служит для селективного удаления альдегидов из паровой фазы, и целью фильтра является не удалять альдегиды из дисперсной фазы. В настоящем описании (если не утверждается иное) все ссылки на удаление альдегидов из паровой фазы относятся только к удалению альдегидов, находящихся в паровой фазе, а не к удалению каких-либо альдегидов, находящихся в дисперсной фазе. Как будет понятно специалисту в данной области, дисперсная фаза может переноситься паровой фазой. Ссылки в настоящем описании на удаление определенных количеств альдегида из паровой фазы основаны (если не утверждается иное) на количестве альдегида в паровой фазе и не относятся или не включают в себя количество альдегида, присутствующее в дисперсной фазе, независимо от того, переносится ли данная дисперсная фаза паровой фазой.
Под термином «частичное удаление» подразумевается, что во время вдыхания пара через фильтр по меньшей мере часть альдегида удаляется. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 10% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 20% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 30% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 40% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 50% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 60% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 70% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 80% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте термин «частичное удаление» означает, что по меньшей мере 90% масс. альдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром.
Желательно, чтобы фильтр настоящего изобретения оставался активным на протяжении значительного числа применений. Желательно, чтобы фильтр настоящего изобретения оставался активным на протяжении большого числа затяжек, для обеспечения которых предназначена электронная сигарета. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 30% масс. одного или большего числа альдегидов, присутствующих в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 40% масс. одного или большего числа альдегидов, присутствующих в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 50% масс. одного или большего числа альдегидов, присутствующих в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 60% масс. одного или большего числа альдегидов, присутствующих в паре, удаляется из пара фильтром.
В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 30% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 40% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 50% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 30 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 60% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром.
В одном аспекте после того, как 100 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 20% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 100 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 30% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 100 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 40% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 100 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 50% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 100 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 60% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром.
В одном аспекте после того, как 250 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 20% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 250 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 30% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 250 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 40% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 250 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 50% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 250 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 60% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром.
В одном аспекте после того, как 300 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 20% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 300 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 30% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 300 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 40% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 300 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 50% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром. В одном аспекте после того, как 300 затяжек пара прошло через фильтр, по меньшей мере 60% масс. формальдегида, присутствующего в паре, удаляется из пара фильтром.
Природа удаляемых из пара альдегидов может зависеть от испаряемой жидкости. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара один или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара два или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара три или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара четыре или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара пять или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара каждый альдегид из ацетальдегида, акролеина, бутиральдегида, кротонового альдегида, формальдегида и пропионового альдегида.
В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере один или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина и формальдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара два или большее число альдегидов, выбранных из ацетальдегида, акролеина и формальдегида. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара каждый альдегид из ацетальдегида, акролеина и формальдегида.
В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере формальдегид. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере ацетальдегид. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере акролеин. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере ацетальдегид и формальдегид. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере акролеин и формальдегид.
«Ключевым» альдегидом, удаляемым из пара, является формальдегид. В одном аспекте пар содержит и фильтр может частично или полностью удалять из пара по меньшей мере формальдегид. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 10% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 20% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 30% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 40% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 50% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 60% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 70% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 80% масс. формальдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте пар содержит формальдегид, и фильтр может удалять из пара по меньшей мере 90% масс. формальдегида, присутствующего в паре.
Фильтр может частично или полностью удалять из пара один или большее число альдегидов, присутствующих в паре. Как будет понятно специалисту в данной области техники, эффективность фильтра будет зависеть от степени, до которой он уже отфильтровал альдегид из пара. Удаление может осуществляться любым известным способом, с помощью которого материал фильтра может удалять компонент из пара. Обычно фильтр адсорбирует один или большее число альдегидов или фильтр вступает в реакцию с одним или большим числом альдегидов. В одном аспекте фильтр адсорбирует один или большее число альдегидов. Как будет понятно специалисту в данной области техники, в данном контексте адсорбция представляет собой адгезию к поверхности материала фильтра альдегида, присутствующего в паре. В одном аспекте фильтр вступает в реакцию с одним или большим числом альдегидов. В процессе, известном как хемосорбция, будет образовываться связь между альдегидом и материалом фильтра. В типичном и предпочтительном аспекте фильтр содержит функциональную аминогруппу. Когда функциональная аминогруппа вступает в реакцию с альдегидом, она образует имин.
В одном аспекте фильтр физически адсорбирует один или большее число альдегидов. В данном аспекте фильтр может быть выбран из любых подходящих адсорбирующих материалов. В данном аспекте фильтр предпочтительно содержит или является активированным углем (AC).
В одном аспекте фильтр вступает в реакцию с альдегидами. В этом аспекте фильтр может быть выбран из любых подходящих материалов, которые могут вступать в реакцию с одним или большим числом альдегидов. Как отмечалось выше, предпочтительно это достигается за счет выбора фильтра, содержащего или несущего функциональную аминогруппу, которая вступает в реакцию с альдегидом. В одном аспекте фильтр представляет собой смолу, имеющую полиаминовые группы, связанные со сшитой полистирольной матрицей. Предпочтительно реакционно-способный материал фильтра является ионообменной смолой.
Ионообменные смолы являются сильно ионными, ковалентно-сшитыми, нерастворимыми полиэлектролитами. Они часто поставляются в виде пористых шариков или гранул, имеющих высокое отношение площади поверхности к объему, максимально повышающее скорость ионного обмена и общую емкость ионного обмена. Они могут быть точно разработаны таким образом, чтобы иметь определенную пористость и химию поверхности (т.е. поверхностные функциональные группы для ионного обмена), - эти признаки способствуют селективному и эффективному ионному обмену. Они могут быть получены с помощью сшивания молекул полимера. В некоторых случаях они могут быть получены с помощью сшивания полистирола с использованием сшивающего агента, дивинилбензола.
Композиция настоящего изобретения может содержать любую ионообменную смолу, при условии, что она подходит для включения в электронную сигарету. В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может содержать шарики ионообменной смолы. В этих вариантах осуществления шарики могут иметь любой подходящий размер (т.е. диаметр) и любое подходящее распределение размеров. В некоторых вариантах осуществления шарики могут иметь средний диаметр от примерно 20 мкм до примерно 1200 мкм, от примерно 100 мкм до примерно 1100 мкм, от примерно 200 мкм до примерно 1000 мкм, от примерно 300 мкм до примерно 900 мкм, от примерно 400 мкм до примерно 800 мкм, от примерно 500 мкм до примерно 700 мкм или примерно 600 мкм.
В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может содержать пористые шарики ионообменной смолы. В этих вариантах осуществления шарики могут иметь любую подходящую пористость. Пористость шариков может быть точно предусмотрена с помощью регулирования условий, используемых при синтезе смолы, таких как концентрация сшивающего агента. Пористость шариков может влиять на отношение площади поверхности к объему смолы. Ионообменная смола может иметь любое подходящее отношение площади поверхности к объему, хотя в некоторых вариантах осуществления может быть целесообразно максимально увеличить отношение площади поверхности к объему для максимального увеличения скорости и емкости ионного обмена.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может иметь удельную поверхность по методу БЭТ примерно 10-300 м/г. В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может иметь удельную поверхность по методу БЭТ от примерно 15 м/г до примерно 250 м/г, от примерно 20 м/г до примерно 200 м/г, от примерно 25 м/г до примерно 150 м/г, от примерно 30 м/г до примерно 100 м/г, от примерно 35 м/г до примерно 80 м/г, от примерно 40 м/г до примерно 60 м/г, от примерно 45 м/г до примерно 55 м/г или примерно 50 м/г.
В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может иметь массовую плотность от примерно 0,1 г/см до примерно 1 г/см. В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может иметь массовую плотность от примерно 0,1 г/см до примерно 0,9 г/см, от примерно 0,2 г/см до примерно 0,8 г/см, от примерно 0,3 г/см до примерно 0,7 г/см, от примерно 0,4 г/см до примерно 0,6 г/см или примерно 0,5 г/см.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может иметь общую емкость обмена от примерно 0,5 мэкв./см до примерно 20 мэкв./см. В некоторых вариантах осуществления может быть целесообразно максимально увеличить общую емкость обмена для максимального увеличения количества ионов, которые могут быть адсорбированы из пара. В некоторых вариантах осуществления смола может иметь общую емкость обмена от примерно 0,1 мэкв./см до примерно 18 мэкв./см, от примерно 0,5 мэкв./см до примерно 15 мэкв./см, или от примерно 0,7 мэкв./см до примерно 10 мэкв./см. В некоторых вариантах осуществления общая емкость обмена смолы составляет от примерно 0,5 мэкв./см до примерно 2 мэкв./см.
Фильтр может присутствовать в любом подходящем количестве, чтобы обеспечить требуемую степень фильтрации. В некоторых вариантах осуществления фильтр присутствует в количестве от 10 мг до 100 мг, например, в количестве от 20 мг до 80 мг, например, в количестве от 30 мг до 70 мг, например, в количестве от 30 мг до 50 мг, например, в количестве от 40 мг до 70 мг, например, в количестве от 50 мг до 70 мг. В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола присутствует в количестве от 10 мг до 100 мг, например, в количестве от 20 мг до 80 мг, например, в количестве от 30 мг до 70 мг, например, в количестве от 30 мг до 50 мг, например, в количестве от 40 мг до 70 мг, например, в количестве от 50 мг до 70 мг.
В некоторых вариантах осуществления ионообменная смола может содержать функциональную группу одного типа. В других вариантах осуществления она может содержать функциональные группы двух или большего числа типов. Имея функциональную группу одного типа можно сделать смолу более селективной при ионном обмене и в результате адсорбировать более узкий диапазон ионных соединений. Имея функциональные группы двух или более типов можно сделать смолу менее селективной при ионном обмене и в результате адсорбировать более широкий диапазон ионных соединений.
Функциональные группы смолы могут быть анионными, катионными и/или нейтральными. В некоторых вариантах осуществления они могут подходить для удаления одного или большего числа соединений из пара. В некоторых вариантах осуществления они могут подходить для удаления одного или большего числа соединений из пара, которые являются нежелательными для вдыхания человеком. Они, конечно, подходят для удаления из пара таких альдегидов, как формальдегид, акролеин и ацетальдегид.

В некоторых вариантах осуществления, композиция изобретения содержит ионообменную смолу Diaion CR20. В некоторых вариантах осуществления композиция изобретения содержит ионообменную смолу XORBEX. Химические свойства поверхности и пористость этих смол делает их исключительно эффективными для селективной адсорбции соединений из пара.

Может быть выгодно, чтобы композиция изобретения содержала смолу Diaion CR20. Смола Diaion CR20 представляет собой смолу, имеющую полиаминовые группы, связанные со сшитой полистирольной матрицей. Смолы Diaion CR20 ранее использовались в сгорающих табачных продуктах, таких как папиросы, поскольку они могут эффективным и селективным образом удалять соединения с помощью ионного обмена. Они имеют функциональные аминогруппы с высоким сродством к альдегидам и цианидам. Таким образом, они могут селективно удалять компоненты, которые являются нежелательными для вдыхания человеком, такие как формальдегид, акролеин и ацетальдегид.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что использование фильтра, выполненного из смолы, имеющей полиаминовые группы, связанные со сшитой полистирольной матрицей, такой как смола Diaion CR20, является особенно предпочтительным из-за большого количества применений, во время которых адсорбируются альдегиды, и, в частности, большого количества применений, во время которых адсорбируется формальдегид. Долговечность таких смол, особенно в отношении формальдегида, является чрезвычайно полезной в области электронных сигарет, и в известном уровне техники ничего не сообщается о таких преимуществах.

3
3

3
В вариантах осуществления, в которых композиция изобретения содержит смолу Diaion CR20, смола Diaion CR20 может иметь любые подходящие свойства. В некоторых вариантах осуществления смола Diaion CR20 может содержать шарики со средним диаметром от примерно 500 мкм до примерно 700 мкм, плотностью от примерно 0,4 г/см до примерно 0,6 г/см и общей емкостью обмена от примерно 0,5 мэкв./см до примерно 2 мэкв./см. В некоторых вариантах осуществления смола Diaion CR20 может содержать шарики со средним диаметром примерно 600 мкм, плотностью примерно 0,5 г/см и общей емкостью обмена примерно 1 мэкв./см.
2
2
3
3
В некоторых вариантах осуществления фильтр представляет собой или содержит ионообменную смолу, имеющую одно или более из следующих свойств: средний диаметр шарика от примерно 20 мкм до примерно 1200 мкм; удельную поверхность по методу БЭТ от примерно 10 м/г до примерно 300 м/г; массовую плотность от примерно 0,1 г/см до примерно 1 г/см; и общую емкость обмена от примерно 0,5 мэкв./см до примерно 2 мэкв/см.
Настоящее изобретение теперь будет описано со ссылкой на следующий неограничивающий пример.
Пример
Целью настоящего исследования было изучить материал фильтра, который может по-прежнему проявлять некоторую эффективность фильтрации при использовании для многократных затяжек. Шарики синтетического AC (Blücher GmbH), которые оказались исключительно эффективным фильтром, и CR20 (Mitsubishi Chemical Company), который является селективным и очень эффективным в отношении альдегидов (и особенно формальдегида), были выбраны в качестве предпочтительных адсорбентов [Branton et al. Adsorption Sci. & Technology, 29, 117-138 (2011), Branton et al. Chem.Central. 5:15 (2011)].
Экспериментальная часть
Активированный уголь получали от Blücher GmbH. CR20 получали от Mitsubishi Chemical Company. Характеристики материалов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики добавок фильтра
Адсорбент
AC
CR20
Форма частиц
сферические
сферические
Средний размер частиц (мм)
0,40
0,60
Насыпная плотность (г/см<sup>3</sup>)
0,37
0,64
*Площадь поверхности (м<sup>2</sup>/г)
1660 (микро/мезо/макропористая)
44 (макропористая)
*Общий объем пор (см<sup>3</sup>/г)
0,94
0,08
Химия поверхности
-
Функциональные аминогруппы
*На основе адсорбции азота при 77 К
В фильтр отвешивали заданную массу добавки (60-150 мг). Каждое применение включало шесть затяжек, что эквивалентно выкуриванию одной табачной сигареты.
Выбранные альдегиды определяли в режиме реального времени с помощью время-пролетной масс-спектрометрии (TOF-MS) (ацетальдегид, 1,3-бутадиен, ацетон, изопрен, МЕК, бензол, толуол) и ВЭЖХ (ацетальдегид, ацетон, акролеин, бутиральдегид, кротоновый альдегид, формальдегид, МЕК, пропионовый альдегид). Выход альдегида определяли для всего аэрозоля (паровая+дисперсная фазы). Известно, что 70% формальдегида присутствует в паровой фазе, селективная фильтрация формальдегида (или любого соединения) в дисперсной фазе является крайне маловероятной и, таким образом, селективное снижение в 70% является вероятным максимумом. В противоположность этому, другие альдегиды, такие как ацетальдегид, присутствуют по существу исключительно в паровой фазе, и, таким образом, 100% селективное удаление является теоретически возможным.
Образцы AC также оценивали с помощью анализатора Rubotherm InfraSorp (Fraunhoffer Institute, Дрезден, Германия), который позволяет тестировать материал (как чистый, так и до этого контактировавший с альдегидами) на его адсорбционные характеристики.
Н-бутан использовали в качестве испытательного адсорбируемого газа. Требуемая величина образца была только 200 мг, и 20 образцов могло быть протестировано за 2 часа.
Результаты и обсуждение
На фиг. 1 (i)-(v) показана эффективность фильтрации в зависимости от частоты применения при использовании 60 мг и 150 мг шариков активированного угля в фильтре, оценивавшаяся с помощью методов анализа TOF-MS и ВЭЖХ, и для 60 мг CR20, оценивавшаяся ВЭЖХ.
Несмотря на использование разных методов анализа для определения альдегидов, как видно из чертежей, между двумя методами существует хорошее соответствие. Эффективность фильтрации различается для разных альдегидов, т.е. каждый из альдегидов имеет различный профиль прохождения. Например, повторное использование AC 8 раз приводит к падению эффективности фильтрации:
80→20% для ацетона & 90→40% для кротонового альдегида при использовании 60 мг AC и
90→60% для ацетона & 90→70% для кротонового альдегида при использовании 150 мг AC.
CR20 является превосходным фильтром для формальдегида. Даже при использовании только 60 мг в фильтре эффективность фильтрации не падает существенно на протяжении 5 применений (30 затяжек).
С помощью измерения теплоты адсорбции (при использовании н-бутана) было обнаружено, что существует тренд в отношении эффективности фильтрации материала фильтра.
На фиг. 2 показан термический эффект использования AC, который применялся 5 раз (150 мг в фильтре) и «чистого» AC после воздействия газа н-бутана.
Чем больше площадь пика над осью y, тем сильнее адсорбция (больше потери тепла). Это подразумевает большую доступную площадь поверхности и, таким образом, большую эффективность фильтрации. Чем больше площадь пика ниже оси y, тем сильнее десорбция (большее увеличение количества тепла), и, таким образом, поры частично заполнены, что подразумевает меньшую доступную площадь поверхности и более низкую эффективность фильтрации (а также более сильный запах в результате десорбции летучих соединений).
Площади пиков (нормированные по массе) для адсорбции и десорбции и отношение десорбции к адсорбции приводятся в таблице 2 для AC.
Таблица 2. Площади пиков адсорбции-десорбции для AC
AC
Площадь пика адсорбции(усл. единицы)
Площадь пика десорбции(усл. единицы)
Отношение десорбция:адсорбция
Чистый
13,6
0
0
Применялся 1 раз
6,4
-1,2
-0,2
Применялся 2 раза
3,8
-2,4
-0,6
Применялся 3 раза
2,3
-5,6
-2,4
Применялся 5 раз
1,5
-9,4
-6,5
Как можно видеть из таблицы 2, площадь пика адсорбции падает с повышением числа применений, в то время как площадь пика десорбции увеличивается.
Изучали продувку сухим воздухом при комнатной температуре, чтобы увидеть, можно ли регенерировать поверхность AC.
Существует значительная потеря адсорбционной способности АС (для бутана), примерно на 90% после 5 повторных применений.
Процентное содержание центров адсорбции на АС для бутана перед и после продувки обобщено ниже:
<u>Чистый</u>
<u>применялся 1 раз</u>
<u>применялся 2 раза</u>
<u>применялся 3 раза</u>
<u>применялся 5 раз</u>
100%
46→83%
27→55%
16→48%
11→35%
Выше показано, что после однократного применения количество доступных центров адсорбции падает до 46%. С помощью продувки сухим воздухом при комнатной температуре количество доступных центров адсорбции может быть увеличено до 83% (чрезвычайно сложно десорбировать летучие соединения из самых мелких пор без использования нагревания и вакуума, так что 100% регенерация на практике вряд ли осуществима).
После двух применений количество доступных центров адсорбции падает до 27%. С помощью продувки сухим воздухом при комнатной температуре количество доступных центров адсорбции может быть увеличено до 55% и т.д.
Выводы
Активированный уголь (60-150 мг) может быть повторно использован по меньшей мере 5 раз при сохранении некоторой повышенной фильтрации.
CR20 (60 мг) может быть повторно использован по меньшей мере 5 раз без существенной потери эффективности фильтрации формальдегида.
Активность AC может быть (частично) регенерирована с помощью продувки сухим воздухом.
Различные модификации и варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области без отступления от объема и существа изобретения. Хотя изобретение было описано в связи с конкретными предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что заявленное изобретение не должно быть неоправданно ограничено этими конкретными вариантами осуществления. В самом деле, различные модификации описанных способов осуществления настоящего изобретения, которые ясны специалистам-химикам или специалистам в смежных областях техники, также находятся в рамках следующей формулы изобретения.