Фильтр для сигарет
CIGARETTE FILTER

Изобретение относиться к области очистки табачного дыма от канцерогенных и токсических веществ и может быть использовано в табачной промышленности при изготовлении фильтров для сигарет и мундштуков.
Известно использование в сигаретных фильтрах добавок цеолита для связывания компонентов табачного дыма. С помощью цеолитов (NaY, ZSM-5 и NaA) осуществляли адсорбцию N-нитрозамина и N-нитрозодиметиламина и N-нитрозопирролидина в газовой фазе. Адсорбция протекает строго количественно (без десорбции или деструкции канцерогенов) при температуре до 270°С. Тем самым исследована возможность добавки цеолита к сигаретам. Показано, что при таких добавках органолептика и физические свойства сигарет не меняются, одновременно с этим количество вредных нитрозаминов резко снижается, что оздоровляет процесс курения (Селективная сорбция цеолитов N-нитрозаминов в табачной промышленности: научное издание /Jian-hua Zhu (et al.)/ Changde shifan xueyuan xuebao. Ziran kexue ban. - 2002. - Vol. 14, №4., c. 24-29).
Известен сигаретный фильтр (патент US 6848450, МПК A24D 3/16; B01D 39/02; B01D 39/06, опубл. 01.02.2005), содержащий реагент металла, который селективно связывает газовый компонент табачного дыма. Реагент металла содержит группы переходных металлов нанометрического и микрометрического размера или сплав, содержащий переходные металлы. Переходный металл может быть сгруппирован в интерметаллид, например алюминид титана или алюминид железа. Группы металлов можно объединять с носителем, например силикагелем, пористым углем или цеолитом. Реагент металла способен удалять газовый компонент, селективно соединяясь с ненасыщенными углеводородами, например 1,3-бутадиеном. Связывание может происходить за счет присоединения атома металла по С-Н или С-С связи газового компонента.
Недостатком данного сигаретного фильтра является то, что размер пор цеолита меньше аэрозольных частиц табачного дыма и не улавливается, например, нитрозамины.
Известен фильтр для курительных изделий (патент ЕР 1238594, МПК A24D 3/14; A24D 3/16; A24F 7/04, опубл. 11.09.2002). Предлагается фильтр цилиндрической формы для курительных изделий и составы, содержащие антиоксидант и минеральные вещества и используемые в сигаретах, сигарах и трубках. Фильтр содержит несколько антиоксидантов в качестве поглотителей свободных радикалов и минеральные вещества, способные удалять большое количество потенциально вредных веществ из табачного дыма без заметного удаления влаги и ухудшения ощущений от курения. Используемые антиоксиданты включают такие соединения, как аскорбиновая кислота, бутилпарабен, лимонная кислота, L-глутатион, мелатонин, резвератрол, селен и/или его производные, убихиноны или зеленый чай. Минеральные вещества включают активированный уголь, клиноптилолит (цеолит), хлорид меди и намагниченный феррит. Антиоксиданты и минеральные вещества, оказывающие синергетическое действие, добавляют в волокнистую основу в 2 этапа.
2+
2+
2+
2+
Известен способ изготовления фильтра для табачного дыма (патент RU 2123271, МПК A24D 3/14, опубл. 20.12.1998). Способ относится к обогащению обычно применяемых фильтров биологическими веществами с ионами металлов Fe, Cu, Mg, образующими комплексные соединения с порфириновым кольцом, а также ионами Fe, стерео специфически связанными с белковыми молекулами либо раздельно, либо в сочетаниях между собой. Такое обогащение обычных фильтров указанными биологическими веществами не вносит изменений ни в физические свойства сигаретного дыма (запах, вкус и внешний вид), ни в физические свойства самого фильтра. При изготовлении такого фильтра предусмотрена пропитка обычного фильтра для табачного дыма одним или несколькими биологическими веществами. Фильтр обеспечит задержание вредных соединений, содержащихся в сигарете, до вдыхания курильщиком табачного дыма.
Известен сигаретный фильтр (патент RU 2363360, МПК A24D 3/06, опубл. 10.08.2009), который содержит фильтрующий стержень из пучка волокон, через который проходит сигаретный дым; тонкий порошок с большим коэффициентом площади поверхности, который является примешанным и распределенным в пучке волокон; и молекулу двухнитевой ДНК, прикрепленную к внешней поверхности тонкого порошка с большим коэффициентом площади поверхности, причем вредные вещества, такие как бензо(а)пирен, содержащиеся в сигаретном дыме, удаляются интеркалированием (внедрением) в молекулу двухнитевой ДНК. Техническим результатом изобретения является создание сигаретного фильтра, который не ухудшает характерный аромат сигареты и воздухопроницаемость фильтра при курении, и в то же время может эффективно удалять вредные вещества, такие как пирен, которые образуются при курении сигареты.
Недостатком этих сигаретных фильтров является то, что недостаточно полно удаляются вредные вещества, содержащиеся в табачном дыме.
Известны материалы адсорбентов (патент RU 2633273, МПК A24D 3/16, опубл. 11.10.2017), которые содержат пористый носитель и материал добавки. Материал адсорбента содержит материал пористого носителя, имеющий поры с диаметром, меньшим чем 20 нм, и несущий частицы добавки на своей внешней поверхности, причем частицы добавки и имеют диаметр, больший чем 20 нм, причем указанные частицы добавки не расположены во внутренней структуре материала пористого носителя.
Известен фильтр для сигарет (патент RU 2113810, МПК A24D 3/14, опубл. 27.06.1998). Для повышения эффективности сорбции токсических и канцерогенных продуктов пирролиза табака к волокнистой основе фильтра, выполненного из ацетатных или целлюлозосодержащих волокон, добавляют 20-30 мг гранулированного сорбента. Сорбент представляет собой гранулы искусственных или природных цеолитов, импрегнированных кремнийорганическим мономером /N, N'-бис (3-триэтоксисилилпропил) тиокарбамидом.
Недостатком фильтров с добавлением адсорбентов является то, что фильтры недостаточно удаляют вредные смолообразные продукты, которые забивают поры пористого носителя смолообразными соединениями.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является фильтрующий материал, в котором используются цеолиты с размером частиц несколько микронов (патент ЕР 1317886, МПК A24D 3/16, B01D 39/00, B01D 71/02, опубл. 11.06.2003). Предложено применение цеолитов с размером частиц 0,2-0,5 мкм (200-500 нм) в качестве фильтрующего материала, наносимого в количестве до 11,3 мг на фильтры из целлюлозно-ацетатного волокна, бумаги и т.п. При добавлении к цеолитам, находящимся на фильтре, до 25 мкг Se улучшаются абсорбционные свойства фильтров. Такой фильтрующий материал может быть использован при изготовлении сигарет.
Недостатком этого фильтра является то, что недостаточно полно удаляются вредные вещества.
Задачей изобретения является создание сигаретного фильтра, который максимально удаляет вредные вещества в сигаретном дыме, не ухудшая качество сигарет.
Поставленная задача решается с помощью фильтра для сигарет, включающего фильтрующий материал, наноразмерный цеолит, добавку.
Фильтр содержит цеолит с размером частиц менее 200 нм в количестве от 5 до 90 мас. % от общей массы фильтра и в качестве добавки включает соединения группы порфирина до 10 мас. %.
Предпочтительно в качестве соединений группы порфирина используют соединения природного или синтетического происхождения.
Предпочтительно в качестве магнийсодержащего порфирина используют хлорофилл.
Предпочтительно фильтр содержит наноразмерный цеолит в количестве от 5 до 30 мас. %.
Предпочтительно фильтр содержит частицы цеолита с размером 40-70 нм.
Предпочтительно в качестве цеолита используют клиноптилолит.
Предпочтительно фильтр включает дополнительно вещества, придающие аромат, лекарственные вещества.
Предпочтительно фильтр в качестве фильтрующего материала содержит, по меньшей мере, один из материалов, выбранных из следующей группы: целлюлоза, производные целлюлозы, ацетат целлюлозы, полимеры, полиолефины, полипропилен, полиэтилен, полиэфир.
Предлагаемый фильтр максимально устраняет вредное влияние сигаретного дыма на здоровье человека. Фильтр для сигарет имеет такое строение, которое обеспечивает поглощение комплексов тяжелых металлов, жиров, органических смол, углеводородов, окислов азота и других вредных веществ. Эти вещества, как известно, могут являться причиной возникновения тяжелых заболеваний, в том числе онкологических.
Предлагаемый фильтр для сигарет состоит из фильтрующего материала, цеолита с размером частиц менее 200 нм и порфиринов. В качестве добавки фильтр содержит соединения группы порфирина природного и синтетического происхождения, предпочтительно использование магнийсодержащих порфиринов.
В качестве фильтрующего материала целесообразно использовать целлюлозу и ее производные.
В качестве цеолитов в предлагаемом изобретении могут использоваться цеолиты со средним размером пор 0,45-0,60 нм, например цеолит ZSM-5, или крупнопористые цеолиты (например, фожазиты), со средним размером пор 0,6-1,0 нм. Предпочтительно предлагается использовать магнийсодержащие цеолиты.
2
2
3
2
2
2
2
3
Предпочтительно использование клиноптилолита - природного цеолита с уникальными характеристиками. Его химическая структура может быть классифицирована как гидратированный алюмосиликат, состоящий из SiO, АlO, CaO, MgO, ТiO, NaO, KO, FeO, МnО, расположенных в соединительной структуре решетки. Расположение этих элементов в кристалле цеолита приводит к образованию сотового каркаса с согласованными диаметрами соединительных каналов, размер которых варьируется от 22,5 до 5,0 ангстрем.
В качестве цеолитов возможно применение других известных цеолитов, используемых для приготовления фильтров, например, фильтр может содержать NaX, и/или NaA или смесь различных цеолитов.
После механохимической активации, которой подвергаются цеолиты в роторно-диспергирующих устройствах до размера частиц менее 200 нм, у цеолитов появляются новые свойства, увеличивается поверхность, размер пор, гибкость каркаса и адсорбирующая способность. Кроме того, нами было найдено, что после проведения механохимической обработки цеолитов, у них увеличивается способность замены катионов.
При проведении механохимической активации до размера частиц 10-70 нм было обнаружено максимальное поглощение никотина, что позволяет, изменяя размеры частиц цеолита, изготавливать фильтры с избирательным количеством пропускаемых веществ.
Однако чрезмерное уменьшение содержания никотина в дыме сигарет (до 0,5-0,6 мг) в большинстве случаев приводит к увеличению числа выкуриваемых сигарет (Freedman S, Fleatcher C.M. // Brit Med-Joninal. - 1976, №12, p. 1427-1430).
В предлагаемом решении через фильтр проходит часть «алкалоидов с никотиноподобным действием». К таким соединениям никотинового типа, относятся цитизин, лобелии гидрохлорид, котинин, миозмин, анабазин, анатабин, норникотин, бета-никотирин, бета-норникотирин и N-окиси никотина и другие.
Предлагаемый фильтр может быть использован для выпуска сигарет с уменьшенным содержанием никотина, но с увеличенным содержанием лекарственных веществ, замещающих никотин, например, анабазин.
Особенностью разработанного фильтра для сигарет является то, что задерживая и поглощая вредные вещества, он может избирательно пропускать необходимую часть никотина и анабазина, т.е. тех соединений, которые обусловливают курение. По оценкам экспертов, органолептические свойства сигаретного дыма (вкус) после данного фильтра неотличимы от обычных сигарет.
Порфирины представляют собой циклические соединения, образованные четырьмя пиррольными кольцами, связанными между собой метенильными мостиками. Характерным свойством порфиринов является их способность образовывать комплексы с ионами металлов, связывающимися с атомами азота пиррольных колец. Примерами служат железопорфирины, в частности гем, входящий в состав гемоглобина, магнийсодержащий порфирин-хлорофилл - пигмент растений, участвующих в фотосинтезе.
Возможно использование порфиринов как природного происхождения, так и полученных искусственным путем. Один из способов выделения хлорофилла следующий: экстрагент - 2 процентный водный NaOH, соотношение сырья и экстрагента 1:10 (хвоя лиственных растений), сырье измельчают до размера частиц от 0,1-2,0 мм, температура экстракции 100°С. Получают водорастворимые производные хлорофилла необходимой концентрации. Выделенную суспензию хлорофилла наносят на цеолит или фильтрующий материал с проведением последующей обработки сушкой.
Предпочтительно использование хлорофилла, хлорофиллина, как доступных соединений.
Хлорофилл, составляющий основу действия нового фильтра для сигарет, имеет структуру порфиринового комплекса, сходного со структурой гема крови, входящего в состав гемоглобина. Хлорофилл, так же как и гем крови, обладает сильным абсорбирующим действием к кровяным ядам. Реакции замещения центрального иона магния на ионы тяжелых металлов позволяют нейтрализовать их канцерогенное действие. Реакции замещения порфиринового кольца терпенами и олиготерпенами, содержащимся в аэрозолях смол табачного дыма заметно снижают содержание смолообразных компонентов на выходе фильтра. Окислы азота, серы и моноксид углерода, как более сильные лиганды, взаимодействуют непосредственно с центральным ионом магния. Развитая структура поверхности кристалла хлорофилла способствует эффективной адсорбции аэрозолей, смол.
Таким образом, порфирины, совместно с активированными частицами цеолита, предлагаемые для получения фильтра для сигарет, способствуют наиболее полному улавливанию тяжелых металлов, жиров. Окислы азота, серы и моноксида углерода взаимодействуют непосредственно, например, с центральным ионом магния.
x
Смолообразные органические вещества СО, NO комплексуются как с магнием, так и с поглощенными тяжелыми металлами, и в итоге обеспечивается большая поглощающая способность предложенного фильтра для сигарет.Степень поглощения тяжелых металлов достигает 95-100%.
Фильтр для сигарет получают различными способами (смешение исходных веществ, распыление, пропитка и др.).
По одному из вариантов, соединения порфирина могут быть прикреплены с помощью химических взаимодействий с тонким порошком цеолита, имеющего большую поверхность после размола. Затем цеолит с соединениями порфирина смешивают с фильтрующим материалом.
По другому варианту, механохимически активированный цеолит соединяют путем равномерного нанесения на фильтрующий материал и затем наносят на фильтрующий материал, включающий цеолит, необходимое количество порфиринов.
Частицы цеолита обеспечивают закрепление их на фильтрующем материале.
Механохимически активированные цеолиты при размоле до размера частиц менее 200 нм изменяют пористую структуру и делают ее более гибкой, что увеличивает адсорбционные и абсорбционные свойства предлагаемых фильтров.
Фильтр, кроме того, сохраняет в дыме достаточное количество добавок, придающих дыму вкус и аромат, достаточное количество никотина и сохраняет в основном привлекательные свойства сигарет.
Предпочтительно, вещества придающие аромат, лекарственные вещества добавляют в фильтрующий материал или цеолит. Возможно добавление этих веществ в табак.
Техническим результатом предлагаемого решения является создание сигаретного фильтра, который максимально удаляет вредные вещества в сигаретном дыме, не ухудшая качество сигарет.
Особенностью данных сигаретных фильтров является высокая эффективность поглощения микроэлементов, содержащихся в табачном дыме, таких как кальций, стронций, медь, свинец, мышьяк, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, обладающих токсическим и канцерогенным действием.
Подготовку табачных фильтров к анализам на никотин, смолу и окись углерода проводили по методикам, описанным Международной организацией по стандартам (JSO, Geneva).
Для улавливания летучих нитрозаминов в главной струе дыма сигарет сигареты с предлагаемыми фильтрами прокуривали согласно требованиям стандартов международной организации по стандартизации ИСО в жидкостные ловушки с цитратно-фосфатным буфером.
Содержание нитрозаминов определяли на газовом хроматографе. Данные показаны в таблице 3.
Степень улавливания никотина, смолы и окиси углерода предлагаемыми фильтрами определяли, прокуривая сигареты согласно требованиям ИСО на стандартный кембриджский фильтр, содержимое которого элюировали в этиловый спирт. Данные показаны в таблице 2.
Для определения полициклических ароматических углеводородов предлагаемыми фильтрами сигареты прокуривали согласно требованиям ИСО на стандартный кембриджский фильтр. Полученный конденсат экстрагировали бензолом. Содержание полициклических ароматических углеводородов определяли методом хроматографии.
Данные в таблице 4 показывают, что предлагаемый фильтр наиболее эффективно улавливает полициклические ароматические углеводороды из табачного дыма.
Содержание никотина в элюате определяли спектрофотометрически. Содержание смолы определяли расчетным методом по разнице между количеством сухого конденсата и никотина. Определение окиси углерода проводили на газоанализаторе спектрофотометрическим методом.
Для определения металлов в главной струе табачного дыма сигареты прокуривали согласно требованиям ИСО на кембриджский фильтр, конденсат экстрагировали азотной кислотой и определяли концентрацию металлов плазменно-эмиссионным спектрофотометром. Данные приведены в таблице 5.
Размер частиц цеолита определяли лазерным анализатором SALD-7500.
Величину адсорбции пигмента (порфирина) определяли спектрофотометрически по разности концентраций в исходном и равновесном растворе с использованием спектрофотометра СФ-10.
В таблице 1 приведены данные о составе фильтра, в примерах вес фильтра в сигарете составляет 0,16 г.
Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.
Пример 1
В качестве фильтрующего материала используют пучок волокон, образованный из ацетата целлюлозы.
Сначала наносят на тонкий порошок цеолита (клиноптилолита) 8 мас. % хлорофилла. Цеолит пропитывают раствором хлорофилла и сушат.
Полученный порошок цеолита примешивают в пучок волокон фильтрующего материала.
Пример 2
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и в качестве фильтрующего материала содержит целлюлозное волокно, смесь цеолитов пропитывают медьсодержащим порфирином - хлорофиллином.
Пример 3
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и в качестве фильтрующего материала содержит поливинилацетат, который пропитывают комплексом порфирина с железом с одновременным введением алкалоида с никотиноподобным действием - анабазина в количестве 0,6 мг/сиг.
Пример 4
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и в качестве фильтрующего материала используют полиэфирное волокно и пропитывают цеолит железосодержащим протопорфирином.
Пример 5
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и используют цеолит ZSM-5, на который наносят магнийсодержащий растительный хлорофилл в смеси с настоем листьев и цветов иван-чая.
Пример 6
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и в качестве фильтрующего материала содержит ацетатное волокно и используют цеолит - фожазит.
Пример 7
Аналогичен примеру 1, только отличается составом фильтра и используют смесь магнийсодержащего хлорофилла и медьсодержащего порфирина.
Пример 8
Приготовлен по прототипу.
Из примеров следует, что полученные таким путем сигаретные фильтры эффективно поглощают из табачного дыма широкий спектр канцерогенных и токсичных веществ, а так же низшие оксиды азота и углерода. Значительно снижается содержание в табачном дыме таких канцерогенных веществ, как многоядерные ароматические углеводороды и нитрозамины, содержание которых в табачном дыме уменьшается на 80-95%. Разработанный сигаретный фильтр имеет высокую эффективность поглощения микроэлементов, содержащихся в табачном дыме, таких как кальций, стронций, медь, цинк, свинец, мышьяк, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, обладающих токсическим и канцерогенным действием.
* - количество анабазина составляет 0,6 мг/сиг.