Tabakrauchfilter
Die Erfindung betrifft ein Tabakrauchfilter, das ein Adsorbens enthält. Bis jetzt werden die Filter für Zigaretten-, Zigarren- und Pfeifentabakrauch überwiegend aus Papier, Cellulose oder ihren Acetaten, gegebenenfalls aus gekrepptem Material, hergestellt.
Im Zuge der weiteren Entwicklung wurden Filter hergestellt, die Silicagel oder Aktivkohle enthielten. Bei einer bekannten Variante dieser Filter sind drei Kammern vorgesehen, wobei die mittlere Kammer granuliertes Adsorbens, d. h. Aktivkohle oder Silicagel, enthält, während die Seitenkammern Papiercellulose oder Acetatcellulose als Filtermaterial enthalten.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass keiner der bisher bekannten Tabakrauchfilter die Filtrierungswirksam keit aufweist, die mit dem erfindungsgemässen Filter erzielbar ist. Das erfindungsgemässe Tabakrauchfilter ist dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorbens min destens zum Teil aus Silicagel besteht, das eine Korn grösse von 10 Mikron bis 3 mm aufweist und 0,2-80 % eingebaute Aktivkohle enthält.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform enthält das körnige Adsorbens 5-15 %, insbesondere 10 % Aktivkohle und 8-12 %, insbesondere 10 tO Wasser.
Durch Benutzung der Filterfüllung aus Silicagel mit eingebauter Aktivkohle, welche nach dem schweizerischen Patent Nr. 499 460 vorzugsweise hergestellt wird, lässt sich die Wirkung des Filters durch die homogene Vereinigung der beiden Filterkomponenten, d. h.
des Silicagels und der Aktivkohle, beträchtlich erhöhen.
Die überraschenden Vorteile des erfindungsgemässen Filters sind aus den folgenden zwei Tabellen ersichtlich.
In der Tabelle I werden verglichen: die Adsorption des Wasserextraktes von Tabakrauch aus der Zigarette ohne Filter, die Adsorption des Wasserextraktes vom Tabakrauch, welcher durch Cellulosefilter durchgegangen ist, und schliesslich die Adsorption des durch Zigarettenfilter durchgegangenen Rauches, bei dessen Herstellung Silicagel mit eingebauter Aktivkohle verwendet wurde. In der Tabelle II wird dann analog die Filterwirkung des Silicagels und der Aktivkohle der Wirkung des Silicagels mit eingebauter Aktivkohle gegenübergestellt.
Zu den Versuchsrauchen der Zigaretten wurde der Apparat nach J. Traube (USA Patent Nr. 1 826 331) verwendet. Der Zigarettenrauch aus fünf Zigaretten wurde mit der Geschwindigkeit von hundertzwanzig Zügen pro Minute durch 20 ml Wasser durchgesaugt, wobei eine Zigarette 8 min geraucht wurde. Die so erhaltene Wasserlösung wurde im Verhältnis 1 :100 (Tabelle I) oder 1:10 (Tabelle II) mit Wasser verdünnt und die Absorption der durchgegangenen Produkte des Rauches bei bestimmten Wellenlängen gemessen. Zum Rauchen wurden verschieden zubereitete Hülsen verwendet. Die Gesamtlänge der Zigarette war 7 cm, davon die Länge des Mundstückes 3 cm und die Länge der Tabaksäule 4 cm. Als Tabak wurde der bulgarische Zigarettentabak (Norm. Nr. 569 550) verwendet.
Bei den Versuchen mit den Adsorbentien wurde der 14 mm lange Hülsentampon halbiert und zwischen die beiden Hälften das Adsorbens in Menge von 0,21 bis 0,23 g eingesetzt. Man verwendete Silicagel in Körnung von 0,2 bis 0,5 mm, Aktivkohle granuliert in Korngrösse von 0,5 mm und Silicagel mit eingebauter Aktivkohle in Körnung 0,2 bis 0,5 mm. Vom Tabak wurden 0,45 bis 0,58 g gebraucht. Aus den Experimenten resultieft, dass der Zellulose-Filter allein nicht genügt, alle in Wasser unlöslichen Produkte aufzufangen, so dass die Flüssigkeit nach dem Durchperlen des Rauches gelblich und trüb ist. Dagegen gewinnt man bei der Anwendung der Kombination des Zellulose-Filters mit den Adsorbentien eine klare Flüssigkeit, die leicht gelblich oder farblos ist.
Die niedrigsten Adsorptionswerte, d. h. der niedrigste Gehalt an den im Wasser löslichen schädlichen Stoffen, wurde jedoch nur bei Benutzung des Silicagels mit eingebauter Aktivkohle festgestellt. Zwecks Vergleichung sind Werte angeführt, welche bei dem Gebrauch der Zigarette ohne Filter und mit Filter (Tabelle 1) und bei der Anwendung vom Silicagel allein und Aktivkohle allein (Tabelle 2), gewonnen wurden.
Tabelle I
Adsorption des wässerigen Auszuges von Tabakrauch nach Durchgang durch Zellulose-Füter und durch Filter nach der Erfindung
Zu dem Experiment wurden je 5 Zigaretten verwendet, und zwar a) ohne Filter b) mit Zellulose-Filter c) mit Dreikammer-Filter, wobei die Randkammern aus Zellulose hergestellt wurden und die mittlere
Kammer mit Silicagel (98 %) mit eingebauter Ak tivkohle (2%) gefüllt wurde. Der Wassergesamtin halt des Füllkörpers = 10 %.
Absorption des wässrigen Auszuges der durch gegangenen Rauchprodukte
Verdünnung der Lösung 1:100 (nm) Zigarette Zigarette mit Filter ohne Filter b) c) a) aus Zellulose gemäss der Erfindung
215 0,705 0,326 0,083
220 0,670 0,297 0,075
225 0,554 0,264 0,062
230 0,489 0,235 0,055
235 0,439 0,214 0,048
240 0,411 0,201 0,046
245 0,398 0,195 0,043
250 0,395 0,193 0,041
260 0,386 0,187 0,037
270 0,340 0,160 0,031
280 0,283 0,135 0,028
Der Rauch wurde durch 20 ml Wasser geleitet und die gewonnenen Lösungen a) und b) mussten durch Filtrierung von den unlöslichen Verunreinigungen befreit werden; im Falle c) wurde ohne Filtration eine klare Lösung gewonnen. Die Adsorption wurde nach der Verdünnung der Lösungen im Verhältnis 1:100 gemessen.
Aus der Tabelle 1 geht hervor, dass der Filter bei der Anwendung des Silicagels mit eingebauter Aktivkohle (Kolonne c) bedeutend wirksamer ist als der Cellulose-Filter (Kolonne 6).
Tabelle 2
Absorption des Wasserauszuges von Tabakrauch nach dem Durchgang durch Silicagel, durch Aktivkohle und durch Silicagel mit eingebauter Aktivkohle
Zum Versuch wurden je 5 Zigaretten mit Dreikammer-Filter verwendet, wobei die Randkammern die Zellulosefüllung hatten und die mittlere Kammer die Füllung von Silicagel für chromatographische Zwecke hatte. Wassergehalt in der Füllung 10% (Kolonne d).
Die Füllung von granulierter Aktivkohle ohne Wasser (Kolonne e) und schliesslich die Füllung von Silicagel mit 10 S eingebauter Aktivkohle, Wassergehalt in der Füllung 10 3S (Kolonne f).
Absorption des Wasserauszuges der durch den Filter durchgegangenen Produkte des Rauches der verdünnten Lösung 1:10 (nm) Zigarette mit Filter d) e) f) aus Silikagel aus Aktivkohle gemäss der Erfindung
215 0,380 0,282 0,153
220 0,372 0,258 0,131
225 0,329 0,238 0,119
230 0,285 0,220 0,108
235 0,255 0,210 0,105
240 0,230 0,200 0,099
250 0,211 0,182 0,090
260 0,197 0,163 0,082
270 0,165 0,128 0,063
280 0,138 0,106 0,056
Der Rauch wurde durch 20 ml Wasser geleitet.
Die Absorption wurde nach der Verdünnung der Lösung im Verhältnis 1 : 10 gemessen.
Aus der Tabelle 2 geht hervor, dass der erfindungsgemässe Filter bei Verwendung von Silicagel mit eingebauter Aktivkohle die Mindestmenge der durch Filter durchgehenden und im Wasser absorbierten Produkten aufweist.
Aus den durchgeführten Experimenten geht hervor, dass bei den erfindungsgemässen Filtern, d. h. solchen, bei welchen Silicagel mit eingebauter Aktivkohle verwendet wurde, im Vergleich mit den bis jetzt gebräuchlichen Filtern eine Herabsetzung der schädlichen Stoffe in dem eingeatmeten Tabakrauch erzielt wird, ohne dass das Aroma des Tabakrauchs und seine Stimu lationswirkung verlorengeht.
Bei fortgesetzter Forschung wurde festgestellt, dass die Wirkung des Filters gegen Tabakrauch weiter beträchtlich erhöht werden kann, wenn in eine oder in beide Komponenten, insbesondere die Aktivkohle, zwecks Erhöhung der spezifischen Wirksamkeit Eisen oder Zinkoxyd in einer Menge von 1 bis 25 % pro verwendetes Adsorbens imprägniert wird.
Gemäss bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können in dem Silicagel neben der Aktivkohle weitere Stoffe mit Absorptions- oder Adsorptionseigenschaften vorhanden sein, z. B. Aluminiumoxyd oder Ionenaustauscher auf der Basis der synthetischen Harze in Menge von 1-25 X pro verwendetes Adsorbens.
Ein höherer Gehalt an Aktivkohle und ihre even- tuelle Imprägnierung bringen eine Verbesserung der Sorptionseigenschaften mit sich.
Das Filter, welches eine grössere Menge von der im Silicagel eingebauter Aktivkohle einschliesst, hält mehr von den unerwünschten im Tabakrauch enthaltenen Stoffen auf. Zum Beispiel fängt das Filter, das 53 C eingebaute Aktivkohle enthält, sogar um 20 % mehr der unerwünschten Stoffe der im Wasser löslichen Stoffe auf, als das Filter mit einem Gehalt von 15 % Aktivkohle.
Bei höherem oder niedrigerem Aktivkohlegehait im Silicagel erreicht das Adsorbens nicht das Maximum seiner Kapazität. Trotzdem ist seine Wirksamkeit immer noch beträchtlich besser als die Sorptionswirkung der Aktivkohle oder des Silicagels allein.
Die Menge der im Silicagel eingebauten Aktivkohle kann bei diversen Tabaksorten unter Beibehaltung der hohen Sorption von schädlichen Stoffen die Geschmackseigenschaften des einzuatmenden Rauches günstig beeinflussen.
Bei der Herstellung von neuen Filtertypen wird das Adsorbens direkt der Masse des Trägers zugesetzt, z. B. bei der Herstellung des zur Filtererzeugung bestimmten Papieres, oder es wird der geeignete Träger gleichmässig mit dem Adsorbens durchgesetzt, z. B.
bei faseriger Cellulose.
Diese Bearbeitungsarten haben gewisse Vorteile. In erster Linie müssen geringere Ansprüche an die Festigkeit des Adsorbens gestellt werden. Weiter entfällt die Notwendigkeit der Benutzung eines Bindemittels beim Auftragen des Adsorbens auf einen passenden Träger.
Das Tabakrauchfilter kann man auch dadurch vervollkommnen, dass es aus zwei oder mehr Bestandteilen zusammengesetzt wird. Das Filter besteht dann aus zwei oder mehr Teilen von verschiedenem Material.
Für das Filter in Form austauschbarer Einlagen hat sich als Füllung das grobkörnige Sorbens mit einer Korngrösse von 0,5 bis 3 mm und mit 0,2 bis 20% eingebauter Aktivkohle bewährt. Das Adsorbens dieser Korngrösse wird durch einen kleinen Strömungswiderstand gekennzeichnet und ist demzufolge für die Verwendung in Zigaretten- und Zigarrenspitzen geeignet.
Das Adsorbens von 1 bis 3 mm Korngrösse und mit 3 % Aktivkohle und 17 % feinpulverigen Aluminiumoxyd-Gehalt, hat sehr grosse Adsorptionseigenschaften. Seine Farbe ist hellgrau.
Es ist deshalb möglich, die Aufnahme der schädlichen Stoffe aus dem Tabakrauch durch fortschrei- tendes Dunklerwerden des Adsorbens zu verfolgen.
Es ist möglich, den Moment abzuschätzen, wann die durchsichtige Einlage mit der Filterfüllung ausgetauscht werden muss.
In einigen Fällen kann man eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des filtrierten Tabakrauches dadurch erzielen, dass man Pulveraktivkohle von einer Korngrösse bis zu 0,2 mm verwendet, die mit passen- den Stoffen imprägniert ist, z. B. mit Eisen- oder Zinkoxyden, welche zur Erhöhung der spezifischen Wirksamkeit des Sorbens dienen. Die Menge des Imprägnationsstoffes ist in Grenzen von 1 bis 15 % am wirksamsten.
Günstige Sorptionseigenschaften werden durch Mischung von imprägnierter und unimprägnierter Aktivkohle, welche zusammen in das Silicagel eingebaut wird, erzielt. Diese Mischung der Aktivkohle im Verhältnis 1 : 1 vermindert den Gehalt an Zyan- und Schwefelverbindungen in dem filtrierten Tabakrauch beträchtlich.
Mit Vorteil kann man bei der Herstellung des Silicagels durch Fällung von Kieselsäure-Sol, das durch Ionenaustausch hergestellt wurde, beim Rühren geeignete pulverige, unlösliche Stoffe mit chemischen oder katalytischen Wirkungen zu der Aktivkohle mi sohlen, und zwar in Mengen von 1 bis 25 %. Einen günstigen Einfluss auf die Zusammensetzung des Tabakrauches hat eine Mischung von Aktivkohle mit 3 % des Pulver-Aluminiumoxyds oder mit lonenaus- tauschern auf Basis der synthetischen Harze. In beiden Fällen werden die Geschmackseigenschaften des filtrierten Tabakrauches verbessert.
Im folgenden werden an Hand von Beispielen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Beispiel 1
Das Papiermundstück wird an der Tabaksäule mit einem 7 mm hohen Cellulosetampon verschlossen. In den Hohlraum wird dann das Silicagel mit 10 % eingebauter Aktivkohle und einem Gesamtgehalt von 10 % Wasser und einer Körnung von 0,2 bis 0,5 mm in einer Menge von 0,21 bis 0,22 g eingeschüttet. Die Hülse wird schliesslich mit einem zweiten gleichfalls 7 mm hohen Cellulosetampon verschlossen, wodurch ein hochwirksames Dreikammer-Filter entsteht.
Beispiel 2
Auf einen Filterpapierbogen wird eine dünne Schicht der wässerigen Suspension von Silicagel mit 10% eingebauter Aktivkohle von 10 bis 30 Cmt Körnung und des geeigneten Bindemittels aufgetragen. Das Papier mit der aufgetragenen dünnen Schicht wird bei 1200 C getrocknet. Die Dicke der endgültigen Adsorbens-Schicht soll 0,1 mm betragen. Aus dem mit der Adsorbens-Schicht versehenen Papier werden dann in üblicher Weise Stäbchen geformt, welche in das Papiermundstück der Hülse hineingelegt werden.
Dadurch entstehen hochwirksame Einkammerfilter.
Beispiel 3
In eine für Zigarettenfilter geeignete Papiermasse werden im Laufe des Herstellungsprozesses 10 % Adsorbens, dessen Körnung 10-100 ju beträgt, eingearbeitet.
Das Adsorbens enthält 45 % Aktivkohle.
Beispiel 4
In die Papiermasse für Tabakrauchfilter werden 35 % Adsorbens gegeben, Korngrösse 10-150 ,um. Das Adsorbens enthält 22 % Aktivkohle.
Beispiel 5
Vor der endgültigen Verarbeitung zu Filtern wird zu der Viskose 5 % Adsorbens gegeben und gleichmässig verteilt. Die Korngrösse des Adsorbens beträgt 10 bis 50,mm. Das Adsorbens enthält 26 % Aktivkohle.
Beispiel 6
In 10 Liter Kieselsäure-Hydrosol, welches durch Ionenaustausch hergestellt wurde, werden beim intensiven Mischen 30 g mit Eisen- und Zinkoxyden imprägnierter und 40 g unimprägnierter Aktivkohle zugegeben. Zur Gel-Bindung wird 1 Liter 10 % ige Lösung eines anorganischen Salzes, z. B. Eisensulfat, verwendet. Weiter wird in üblicher Weise vorgegangen.
Beispiel 7
In Kieselsäure-Hydrosol, welches vor der Fällung in der im Beispiel 6 beschriebenen Art hergestellt wurde, wird beim Mischen 15% Aktivkohle und 3 % Zinkoxyd zugegeben.
Beispiel 8
In Kieselsäure-Hydrosol, welches vor der Fällung in der im Beispiel 6 beschriebenen Art hergestellt wurde, wird beim Mischen 30% Aktivkohle und 5 % pulverigen Polyamid-Ionenaustauscher zugegeben.