CH646185A5 - Filtermaterial. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filtermaterial zur Reinigung mindestens überwiegend gasförmiger Medien unter Entfernung mindestens einer schädlichen Substanz. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Filter, in denen solche Filtermaterialien vorhanden sind, und auf die Verwendung des Filtermaterials.

In den letzten Jahren sind zum Filtern von Tabakrauch und anderen praktisch vollständig gasförmigen Medien eine grosse Anzahl unterschiedlicher Filterkonstruktionen und Filtermaterialien vorgeschlagen worden.

Ein Ziel bei der Zigarettenherstellung ist es, sicherzustellen, dass derjenige Anteil des Zigarettenrauches, der inhaliert wird, bestimmte schädliche Substanzen unterhalb optimaler Grenzwerte aufweist, was beispielsweise Teer, Nikotin und Kohlenmonoxyd betrifft. Dieses Erfordernis hat zu grossen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Zigaretten geführt, da beispielsweise die Konzentration von Teer, Nikotin und Kohlenmonoxyd von vielen Faktoren abhängig ist, insbesondere der Auswahl des Rohtabaks, der Herkunft des Tabaks, dessen Lagerbedingungen usw. Die Schwierigkeit wird weiterhin dadurch gesteigert, dass man die verschiedenen Faktoren in Betracht ziehen muss, welche verschiedene Tabakernten im gleichen Gebiet beeinflussen, was insbesondere für den Cadmiumgehalt gilt. Ausserdem soll daran erinnert werden, dass Zigarettenrauch bestimmte Aromastoffe in geeigneten Mengen und Proportionen enthalten soll und ausserdem dem Raucher gewisse Annehmlichkeiten bieten soll, nachdem der Rauch durch ein Filter hindurchgegangen ist.

Die bisher zur Abscheidung schädlicher Substanzen aus Tabakrauch hergestellten Filermaterialien können noch lange nicht befriedigen. Dies ist verständlich, wenn man die unterschiedlichen Filterbedingungen, beispielsweise bei der Filterung von Tabakrauch in Betracht zieht. Tabakrauch ist ein Aerosol, welches IO3 bis 1010Teilchen im cm3 enthält, wobei der Teilchendurchmesser zwischen unter 0,1 um bis zu 1 p,m schwankt und der mittlere Durchmesser der Teilchen in den meisten Fällen 0,5 bis 0,6 [im beträgt. Die Teilchenphase, welche im Rauch vorhanden ist, macht etwa 5 bis 10 Gew.% des Rauches aus, während die übrigen 90 bis 95 Gew.% des Rauches aus einer Gasphase bestehen, die insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd enthält. Die Geschwindigkeit des Rauches, der durch ein Zigarettenfilter strömt, kann bis zu etwa 35 cm/s betragen, und demgemäss beläuft sich die Verweilzeit des Rauches, während derer er in Berührung mit dem Filtermaterial ist, nur auf die Grössenordnung von 0,04 Sekunden, und zwar im Falle eines Zigarettenfilters normaler Länge. Die Temperatur des Zigarettenrauches, der das Filter erreicht, steigt nach Massgabe des Abbrennens der Zigarette an, und zwar von etwa Zimmertemperatur bis auf 75 bis 90°C.

Moderne Filtermaterialien für Tabak weisen normalerweise ein gasdurchlässiges organisches Material, überwiegend Celluloseacetatfasern, oder Aktivkohle auf.

Auch werden Kombinationen dieser Stoffe häufig eingesetzt. Bei Verwendung üblicher organischer Filtermaterialien werden die im Tabakrauch enthaltenen Teilchen durch überwiegend mechanische Vorgänge abgeschieden, da die Filtermaterialien nicht in der Lage sind, schädliche Substanzen zu entfernen, welche als Gas vorliegen.

Demgemäss arbeiten die aus Celluloseesterfasern bestehenden Filter im allgemeinen dadurch, dass sie einen Teil des teilchenförmigen Materials, welches im Rauch suspendiert ist, abfangen, während der Rauch zwischen den Fasern hindurchgeht. Eine Kräuselung oder analoge Deformation der Fasern im Filter dient zur Erhöhung der Oberfläche der Fasern, die in Berührung mit dem Rauch steht. Demgemäss scheiden solche Filter, die nur aus diesen Fasern bestehen, aus dem Tabakrauch keine merklichen Mengen an unerwünschten Komponenten in der Gasphase ab.

Damit die Fasern in grösserem Ausmass teilchenförmige Materialien abscheiden können, hat man schon verschiedene Substanzen auf die synthetischen Fasern in den Filtern aufgebracht.

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Die in dieser Richtung gehenden Versuche haben jedoch den erwünschten Effekt nicht erbracht.

Die Verwendung von Filtermaterialien, welche Aktivkohle enthalten, ergibt bestimmte Vorteile, da Aktivkohle in der Lage ist, schädliche, gasförmige Substanzen zu adsorbieren. Ein Nachteil von Aktivkohlefiltern ist jedoch deren geringe Selektivität; dies bedeutet, dass solche Filter aus der Gasphase auch Aromastoffe und Nikotinverbindungen adsorbieren, d.h. Verbindungen, welche ein Raucher im Rauch schätzt und welche zu einem erhöhten Tabak- oder Zigarettenverbrauch führen. Demgemäss muss die Menge von Aktivkohle beispielsweise in einem Zigarettenfilter begrenzt werden, und demgemäss wird auch die Kapazität des Filters bezüglich seiner Fähigkeit, andere unerwünschte Bestandteile im Tabakrauch zu adsorbieren, vermindert.

Es ist zugegebenermassen möglich, durch Vergrösserung der Menge an Aktivkohle in Zigarettenfiltern ausreichende Mengen an bestimmten schädlichen Substanzen zu entfernen, obschon gleichzeitig der Druckverlust im Filter erhöht wird, hauptsächlich wegen der taschenartigen Poren der Aktivkohle. Gleichzeitig wird aber die Rauchphase durch einen Geschmack nach Kohlenstoff verunreinigt.

Ausser den bisher beschriebenen Filtern wurden noch andere Filter zur Reinigung von Tabakrauch und andere Zwecke vorgeschlagen, und zwar für gasförmige Medien oder solche die nur geringe Anteile anderer Phasen enthalten, bei denen als aktive Medien organische Substanzen eingesetzt werden, beispielsweise Metallverbindungen und/oder organische Salze. Diese Medien wirken entweder selbst als Filtermaterial oder sind mit Trägermaterialien verbunden, beispielsweise Aktivkohle, verschiedenen Arten von Fasern, Cellulose, Cellulosederivaten usw. Diese Filterkonstruktionen und Filtermaterialien haben jedoch keinen grossen Erfolg gehabt, da sie bei der vorliegenden kurzen Berührungszeit zwischen Filtermaterial und Strömungsmedium ausserordentlich aktiv sein müssen, und da der Raum zum Einbau des Filtermaterials begrenzt ist, insbesondere beim Beispiel von Zigarettenfiltern.

Ein wichtiger Nachteil der bisher benutzten Filteranordnungen und Filtersubstanzen ist der, dass ihre aktive spezifische Oberfläche für einen hohen Filtereffekt nicht gross genug ist und gleichzeitig diese Flächen nicht zur Aufnahme aktiver Stoffe ausreichen. Demgemäss sind Versuche unternommen worden, um die Filterwirkung dieser Substanzen zu vergrössern. Diese Versuche führten zur Verwendung u.a. sogenannter Plastizide zur Vereinigung von Celluloseacetat-fasern oder zur Verbindung unterschiedlicher Faserstruktureinheiten zu einem Netzwerk. Diese Versuche sind nicht erfolgreich gewesen, denn im besten Falle erhielt man ein grobes Netzwerk aus kleinen dreidimensionalen Flächen, d.h. überwiegende Verbindungen zwischen einzelnen Fasern.

Behandelt man beispielsweise Cellulose oder Cellulose-schaum derart, dass eine wässrige Aufschlämmung von Cel-lulosefasern entsteht, und diese dann mit einem wasserfesten Polymerisatfilm, so ist es möglich, eine Art dreidimensionales Raum-Netzwerk zu erhalten, welches jedoch keine vorher bestimmbaren dreidimensionalen Höhlungen aufweist, sondern stattdessen ein Spektrum von Höhlungen und Ziwschenräumen verschiedener Grössen, die nicht mit Poren ähnlicher Grösse verglichen werden können, die sich gleichförmig von einer Oberfläche zur anderen erstrecken.

Was man jedoch in Wirklichkeit benötigt und was die vorliegende Erfindung im Grunde charakterisiert, sind Vernetzungsbindungen zwischen polymerisierten Molekülen oder Molekularstrukturen, so dass man eine hochwirksame kapillare netzwerkähnliche Matrix erhält, die so hergestellt ist,

dass die Möglichkeit besteht, die dreidimensionale Struktur des kapillaren Netzwerkes in der Matrix (ihr Kapillarsystem)

vorher festzulegen, indem man den Grad der Vernetzung geeignet wählt.

Die Erfindung hat sich demgemäss zur Aufgabe gestellt, ein neues und vorteilhaftes Filtermaterial bereitzustellen, welches die Nachteile bekannter Filtermaterialien beseitigt.

Erfindungsgemäss wird nun ein Filtermaterial zur Entfernung mindestens einer schädlichen Substanz aus einem zumindest überwiegend gasförmigen Medium vorgeschlagen, insbesondere aus Tabakrauch und insbesondere zur Entfernung von Cadmiumverbindungen und/oder Kohlenmonoxyd, dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Grundlage mindestens einer vernetzten Polyhexose der Gruppe Cellulose, Stärke, Inulin, Dextran vorliegt, welche in einem geregelten Ausmass quellbar ist und als dreidimensionales mikroporöses Netzwerk durchgehende Poren aufweist, die durch die vernetzte Polyhexose-Molekülstruktur gebildet sind und in gleichmässiger Verteilung mindestens ein Mittel enthalten, welches dazu befähigt ist, die genannte Substanz praktisch vollständig selektiv aus dem Medium abzuscheiden, wenn es das Filter passiert.

Die vorstehend besprochenen und noch weitere andere Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Filtermaterial beseitigt, weil die Erfindung ein wirksames, billiges Filtermaterial vorschlägt, welches in industriellem Massstab leicht hergestellt werden kann und welches eine poröse Grundstruktur mit offenen, durchgehenden Poren besitzt, in welcher und auf welcher reaktive oder katalytisch reaktive Substanzen wie aktive Metalle oder Verbindungen und/oder organische Verbindungen und auch andere Substanzen wie Menthol oder therapeutsich wirksame Stoffe, welche dem filtrierten hindurchgehenden Medium zugegeben werden sollen, auf überraschende Weise einfache und genau reproduzierbare Art gleichförmig verteilt werden können. Durch die Erfindung wird es also möglich, dem Rauch zusätzlich erwünschte Substanzen zuzugeben, beispielsweise Aromastoffe, und die Zusammensetzung des Rauches bezüglich seines Geschmackes entsprechend einzustellen.

Die aktive Substanz oder die aktiven Substanzen können auf beliebige Weise an den Träger gebunden werden, und zwar entweder vor, während oder nach der Vernetzungsreaktion, bei welcher eines oder mehrere Vernetzungsmittel eingesetzt werden, beispielsweise bifunktionelle Verbindungen wie Epichlorhydrin, Dichlorhydrin, Diepoxybutan usw., oder aber die Vernetzung wird durch Ionenstrahlung bewirkt. Die aktive Substanz oder die Substanzen gibt man zweckmässig in einer Menge von 2 bis 50%, vorzugsweise 5 bis 35%, bezogen auf das Gewicht des Filtermaterials zu, und diese Verbindungen werden dann chemisch mit der Substanz des Trägermaterials verbunden beispielsweise an anionische Gruppen der Trägersubstanz oder deren Ausgangsmaterialien, oder sie können durch Imprägnierung in das Trägermaterial eingebracht werden. Kombinationen dieser genannten Methoden sind ebenfalls möglich. Die Porengrösse und alle anderen Eigenschaften können auf beliebige Werte eingestellt werden oder aber auf einen optimalen Wert bezüglich der Menge an aktiver Substanz, die dem Filtermaterial zuzugeben ist, und in bezug auf diejenigen Bedingungen, unter denen das Filtermaterial verwendet wird, indem man geeignete Ausgangsmaterialien einsetzt und das Ausmass der Vernetzung geeignet wählt.

Das vernetzte polymere Material besteht aus einem vernetzten Polymer, welches Hydroxylgruppen enthält, nämlich einer vernetzten Polyhexose oder einem vernetzten Polyhexo-sederivat. Die Polyhexose ist eine solche aus der Gruppe Cellulose, Stärke, Inulin, Dextran oder Gemischen dieser Poly-hexosen.

Die Metalle, die erfindungsgemäss hauptsächlich in Frage kommen, sind Ca, Mg, Ba, Fe, Al, Cu und die Übergangsme-

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talle insbeonsdere die Übergangsmetalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Mo und Pd, wobei das oder die Metalle im Filtermaterial zunächst im Hinblick auf die selektiven Eigenschaften der verlangten Filtrierung gewählt werden. Ausser den genannten Metallen kommen gleicherweise auch deren Verbindungen in Frage. Es können Metalle oder Metallverbindungen gewählt werden, die keine katalytische Wirkung auf spezielle schädliche Verbindungen im zu filtrierenden Medium ausüben, derart, dass diese schädlichen Verbindungen zersetzt oder in weniger schädliche oder unschädliche Verbindungen überführt werden. Unter solchen schädlichen Substanzen, die in Tabakrauch vorhanden sind, seien insbesondere Kohlenmonoxyd und Cyanwasserstoff sowie krebserzeugende Substanzen wie Phenol, Catechin, Resorcin und Benzpyren genannt.

Ein erfindungsgemässes Fitlermaterial, welches ganz besonders zur Entfernung cadmiumhaltiger Verbindungen aus praktisch vollständig gasförmigen Medien geeignet ist, insbesondere aus Tabakrauch, weist als aktive Substanz mindestens eine Calciumverbindung auf, zweckmässig in Form eines freien anorganischen Calciumsalzes, wobei aber auch das Calcium chemisch an anionische Gruppen der skelettför-migen Trägersubstanz aus dem vernetzten Polymer gebunden sein kann, beispielsweise an Carboxylgruppen, Sulfonsäure-gruppen oder Phosphorsäuregruppen. Die Menge an Calcium im Filtermaterial kann mit Vorteil 2,5 bis 25 Gew.% des Filtermaterials betragen.

Ein erfindungsgemässes Filtermaterial mit der Fähigkeit, Kohlenmonoxyd in praktsich ausschliesslich gasförmigen Medien unschädlich zu machen, insbesondere in Tabakrauch, weist vorteilhafterweise Eisen und/oder Kupfer in oxydierter Form oder als Chloride auf, und das Kohlenmonoxyd im Medium, das durch das Filtermaterial strömt, wird dabei zu Kohlendioxyd oxydiert.

Vorzugsweise weist ein erfindungsgemässes Fitlermaterial zum Filtern von Tabakrauch sowohl Calciumverbindungen als auch Eisen- und/oder Kupferverbindungen auf, wobei der Gehalt an Eisen und/oder Kupfer vorzugsweise ein Zehntel des Calciumgehaltes übersteigt.

Vorzugsweise befindet sich das Filtermaterial in Teilchenform, insbesondere kugeligen Körnern und Granulaten, welche beispielsweise die Form von Kugeln oder Zylindern mit einer grössten Ausdehnung von 0,005 bis 3 mm haben, wodurch die Herstellung eines Filters aus diesem Filtermaterial oder eines solchen, welches das Material enthält, mit einem gewünschten, vorbestimmbaren Widerstand gegenüber der Strömung erleichtert wird, indem Form und Grösse der Körner geeignet gewählt werden.

Das erfindungsgemässe Filtermaterial kann in Kombination oder Gemisch mit anderen Materialien eingesetzt werden, welche normalerweise als Filtermaterial gebraucht oder brauchbar sind. Beispielsweise kann das erfindungsgemässe Filtermaterial mit Teilchen oder Körnchen eines Filtermaterials kombiniert oder gemischt werden, welche nur aus einem vernetzten polymeren, porösen Material bestehen und/oder mit Teilchen oder Körnchen von Aktivkohle, von aktivierter Kohle, welche man durch Pyrolyse und Aktivierung eines zuvor beschriebenen Filtermaterials mit aktiven Substanzen erhält. Die genannten Zusätze können zur Vervollständigung der Eigenschaften des Fitlermaterials gewählt werden, beispielsweise zur Einstellung der gesamten Adsorptionsfähigkeit des Filtermaterials und dessen hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften. Diese letzteren Eigenschaften können aber auch durch geeignete Auswahl der Zusammensetzung der Trägersubstanz geändert bzw. eingestellt werden.

Der Hauptzweck des Filters oder Filtersystems gemäss

Erfindung, welches zur Behandlung von gasförmigen Medien und insbesondere zur Behandlung von Aerosolen geeignet ist, vorzugsweise innerhalb des begrenzten Volumens eines Zigarettenfilters, besteht aus folgenden Eigenschaften des Filters:

1. Die Entfernung schädlicher Substanzen aus dem Rauch;

2. die Entfernung entscheidender Mengen teerartiger Bestandteile aus dem Rauch;

3. die Entfernung bestimmter Mengen von Alkaloiden aus dem Rauch;

4. die Entfernung von Substanzen aus der Gasphase des Rauches, welche auf die Schleimhäute, Bronchen bzw. Lungen einen Reiz ausüben; und

5. die Aufrechterhaltung ausreichender Mengen von Aromastoffen im Rauch, zweckmässig verbunden mit der Verbesserung der Geschmackseigenschaften im Rauch.

Diese wichtigsten Ziele der Erfindung werden gemäss folgender Angaben erfüllt:

Die teerähnlichen und teilchenförmigen Bestandteile des Rauches werden entfernt, weil eine grosse Oberfläche vorhanden ist, gegen welche diese Bestandteile aufschlagen können. Bisher bekannte Filterkonstruktionen haben diese Eigenschaften nicht im erwünschten Masse, wenn sie bezüglich Druckverlust mit den neuen Filtern verglichen werden. Zugegebenermassen besitzt die Mehrzahl bekannter Aktivkohlefilter eine ausreichend grosse Filterfläche, aber weil sich die meisten Poren der Kohleteilchen nicht von einer Oberfläche zur anderen erstrecken, wie es erwünscht ist, sondern blind im Innern der Teilchen enden, ist ein grosser Teil der filternden Fläche relativ inaktiv.

Das erfindungsgemässe Filtermaterial weist eine Anzahl ganz überraschender positiver Effekte auf, die auf die Tatsache zurückgehen, dass das Trägermaterial Mittel enthält, welche Absorption und/oder Adsorption erzeugen und eine Anzahl von gasförmigen Substanzen mit Reizwirkung entfernen. Das Filter kann Tenside aufweisen, die bei der Entfernung giftiger Substanzen aus dem Rauch mithelfen. Alka-loide und andere Bestandteile können durch eine geeignete chemische Reaktion mit Substanzen entfernt werden, die sich im Filter befinden, wobei diese Substanzen sich chemisch mit den Alkaloiden und den anderen Komponenten unter Bildung von Verbindungen vereinigen, die in der Filterstruktur verbleiben. Es ist als besonders zweckmässig gefunden worden, die Oberfläche körniger Teilchen mit einer geeigneten Oberflächenmembran zu versehen, beispielsweise mit Celluloseacetat oder ähnlichen Stoffen.

Solche Membranen verhindern, dass grosse Moleküle oder feinste Partikel des zu filtrierenden Mediums die Filterporen vorzeitig verstopfen; sie werden oberflächlich abgefangen, und kleine Schadstoffmoleküle werden kaum behindert. Auch ist die Reinigung solcher oberflächenbehandelter körniger Teilchen einfacher.

Spezielle Selektiveigenschaften können auch dadurch erhalten werden, dass man einen bestimmten Prozentsatz der Teilchen oder Körnchen des Filtermaterials oder der Additive des Filtermaterials mit einer halbdurchlässigen Schicht aus organischem Material beschichtet, beispielsweise mit einer Schicht aus Celluloseacetat.

Es ist bekannt, dass die Reizwirkung des Zigarettenrauches auf Schleimhäute mindestens teilweise auf die Anwesenheit von Verbindungen wie Aldehyden, Sulfiden, Cyanwasserstoff usw. in der Gasphase zurückzuführen ist. Das erfindungsgemässe Filter entfernt beträchtliche Mengen dieser Verbindungen. Phenol und Säuren, die im Tabakrauch

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bekanntlich vorhanden sind und die mit Recht als schädlich bezeichnet werden, werden ebenfalls in beträchtlichen Mengen entfernt.

Das erfindungsgemässe Filter enthält ein wirksames Mittel zur physikalischen und chemischen Behandlung von Rauch, worunter auch die Einstellung des pH durch Entfernung von sauren Komponenten fällt, und zur Bindung und Entfernung schädlicher Substanzen. Eine wichtige Eigenschaft in dieser Beziehung ist diejenige, dass erfindungsgemäss die Konzentration der aktiven Substanzen und deren gegenseitige Mengenverhältnisse in der Filtermatrix in weiten Grenzen geändert werden können.

Die Herstellung eines erfindungsgemässen Filtermaterials soll nun in den folgenden Beispielen beschrieben werden.

Beispiel 1

Ein Filtermaterial mit der Fähigkeit, Cadmium aus Tabakrauch zu entfernen, wurde folgendermassen hergestellt:

100 g getrocknetes vernetztes Chromatographiegel mit einer Teilchengrösse in trockenem Zustand zwischen 0,5 und 0,75 mm und einer maximalen Quellbarkeit von 5 ml/g wurde durch sorgfältiges Umrühren dieses Gels in 700 ml destilliertem Wasser bei einer Temperatur von 30°C aufgeschlämmt, und dann liess man die Aufschlämmung 5 Stunden lang stehen. Das überstehende Wasser (etwa 500 ml) wurde dann dekantiert, und eine gleiche Volumenmenge 10%iger Calciumchloridlösung wurde zugegeben. Das Gel wurde dann zusammen mit der zugegebenen Calciumchloridlösung sorgfältig zwei Stunden lang umgerührt und dann eine Stunde lang stehen gelassen, damit sich das Gel absetzen konnte. Die überstehende Lösung wurde dann abgegossen, wonach die abgesetzten Gelteilchen abfiltriert und getrocknet wurden, und zwar zunächst 24 Stunden lang bei einer Temperatur von 50°C und dann zehn Stunden lang bei 75°C, schliesslich weitere 10 Stunden bei einer Temperatur von 85°C. Dann wurden die Gelteilchen in einen Büchnertrichter gebracht und eine Stunde lang bei einer Temperatur von 40°C unter vermindertem Druck nachgetrocknet. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Kornform sich nicht wesentlich geändert hatte, während die Quellbarkeit von ursprünglich 5 ml/g auf etwa 2 ml/g zurückgegangen war.

Beispiel 2

Verschiedene andere vernetzte Gele in Form von Teilchen mit etwa der gleichen Teilchengrösse wie das in Beispiel 1 verwendete Gel, jedoch mit einer maximalen Quellbarkeit zwischen etwa 5 und etwa 20 ml/g wurden nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 behandelt. Nach dieser Behandlung ging deren Quellbarkeit um etwa 50 bis 60% zurück.

Andere Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unten aufgeführt. Zur Untersuchung dieses Filtermaterials auf seine Fähigkeit, Cadmium aus Zigarettenrauch zu entfernen, wurden folgende Versuche unternommen.

1000 ml Erde wurden in mehrere Kunststofftöpfe gefüllt. Radioaktives Cd105 wurde in Form des Chlorids dem Erdboden in jedem Topf zugegeben, und zwar in Mengen,

welche etwa 50 Mikrocurie entsprachen. In jedem Topf wurden zwei Tabakpflanzen (Virginia) aus Samen etwa 4 bis 6 Monate in einem Laboratoriums-Gewächshaus gezüchtet. Das verbrauchte Wasser wurde von Zeit zu Zeit durch Begiessen der Töpfe auf ihr ursprüngliches Gewicht ergänzt. Verschiedene Teile der Tabakpflanzen wurden dann getrennt geerntet und an der Luft getrocknet. Der Tabak mit radioaktivem Cdl"') wurde nun mit handelsüblichem Tabak im Verhältnis 1:10 gemischt, und aus dieser Mischung wurden Zigaretten hergestellt und entweder mit handelsüblichen Cellulo-

seacetatfiltern in einem Gewicht von etwa 200 mg oder mit Filtern von etwa demselben Gewicht, jedoch aus einem vernetzten! Polyhexosederivat, dem CaiHPCUnach dergleichen Arbeitsweise wie in Beispiel 1 beschrieben ist, versehen. Die maximale Quellbarkeit dieses Filtermaterials belief sich auf etwa 4 ml/g. Nun wurde die Radioaktivität solcher Zigaretten gemessen und die Zigaretten dann geraucht, und zwar sämtliche auf gleiche Weise, in einer Rauchmaschine. Die Menge an Rauch, die nicht durch das Filter hindurchging, betrug schätzungsweise etwa 30 bis 35%. Die Radioaktivität der Filter in den gerauchten Zigaretten wurde dann mit einem Isotopenzähler nach Wellcrystal gemessen. Die Ergebnisse der Messungen gehen aus Tabelle 1 und 2 hervor, bei denen die Radioaktivitätswerte Mittelwerte dreier Analysen sind, und in denen Nettozählungen diejenigen Impulse bedeuten, die gemessen wurden und von denen die Impulse der normalen Radioaktivität abgezogen worden waren.

Tabelle 1

Radioaktivität von fünf

Radioaktivität im Celluloseacetatfilter

Cd""-haltigen Zigaretten nach dem Rauchen (Nettozählungen

(Nettoimpulse pro 100 sec.)

pro 100 sec.)

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(Umgebungsradioaktivität: 620±30 Impulse/100 sec.)

Tabelle 2

Radioaktivität von fünf

Radioaktivität im Filter gemäss

Cd'09-haltigen Zigaretten

Erfindung nach dem Rauchen

(Nettozählungen pro 100 sec.)

(Nettozählungen pro 100 sec.)

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(Umgebungsradioaktivität 678+37 Impulse/100 sec.)

Die Menge an Rauch, die im Nebenstrom verloren ging, etwa 30 bis 35 Volumprozent, wurde nicht analysiert, und zur Berechnung der gesamten Wirksamkeit dieser Filterkonstruktion ist es natürlich notwendig, die Zusammensetzung in diesem Nebenstrom zu analysieren.

Die in Tabelle 1 und 2 angegebenen Resultate zeigen, dass das Celluloseacetatfilter bezüglich der Adsorption von Cadmium praktisch unwirksam ist, während das calciumhaltige Filtermaterial eine hohe Wirksamkeit besitzt. Die Menge an Cadmium im Nebenstrom wurde nicht gemessen, kann aber aus den Ergebnissen anderer Untersuchungen berechnet werden, indem nämlich diese Menge mindestens etwa 30% beträgt.

In Übereinstimmung mit einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können die Filtereigenschaften und Durchflusseigenschaften der neuen Filtersubstanz weiter verbessert werden, indem man zum Trägermaterial oder den daraus gebildeten Teilchen beispielsweise (NH-^CCh in wässriger Lösung in geeigneter Konzentration zugibt oder das Trägermaterial damit tränkt und (NH4):COj und NH4HCO3 bei der Herstellung beispielsweise durch geregelte s

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Wärmebehandlung wieder entfernt. Nach dieser Arbeitsweise verlassen NHj, H2O und CO2 die Körnchen in Gasbzw. Dampfform, wodurch diese ausserordentlich porös werden und sich Körnchen bilden, die ausserordentlich gute Gasdurchlässigkeitseigenschaften aufweisen, während sich ihre Filtrationswirkung kaum ändert. Es ist weiterhin möglich, andere Salze und Verbindungen zu verwenden, beispielsweise Ammoniumcarbonat (NH2COONH4), Ammoniumphosphat ((NH4)H:P04), usw. Durch solches Tränken und durch Auswahl geeigneter, leicht flüchtiger Verbindungen ist es möglich, Filterkörnchen mit einer grossen und auf vorbestimmbare Weise intern veränderlicher Raumstruktur zu erzeugen. Bei Verwendung der Ammoniumcarbonate ist es beispielsweise möglich, den Temperaturgradienten und den Druck während der Wärmebehandlung zu ändern, und durch kontrollierte Gasentwicklung ist es möglich, die Porosität und demgemäss die Gasdurchlässigkeit des Filtermaterials bis zu 200% zu erhöhen.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Filtersubstanz weiterhin dadurch aus, dass sie eine Trägersubstanz aus einem vernetzten Polymer aufweist, die einen niedrigen Druckverlust und eine grosse und wirksame Filterfläche zur Aufnahme katalytisch aktiver Redoxsysteme, d.h. Reduktions-Oxydations-Systeme enthält. Das katalytisch aktive Redoxsystem kann beispielsweise Eisen- und Kupferverbindungen enthalten.

Beispiel 3

Zu vernetzten Gelen der in Beispielen 1 und 2 beschriebenen Art wurden Eisen- und/oder Kupferverbindungen in solchen Mengen zugegeben, dass Eisen und/oder Kupfer in katalytisch aktiver Form, 15 Gew.% des Calciumgehaltes des fertiggestellten Filtermaterials ausmachten.

Untersuchungen an Zigarettenrauch aus den Zigaretten gemäss Tabellen 1 und 2, durch dieses Filtermaterial gefiltert, zeigten eine Abnahme des Kohlenmonoxydgehaltes im Rauch um 50 bis 55% im Mittel im Vergleich zum Kohlenmonoxydgehalt im Rauch aus Zigaretten mit Cellulo-seacetatfiltern. Praktisch die gleichen Resultate wurden erhalten, wenn im erfindungsgemässen Filtermaterial kein Calcium enthalten war.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung bringt man in das vernetzte poröse polymere Material eine bestimmte Anzahl von Sulfhydrylgruppen, wobei das Ausgangsmaterial beispielsweise Stärke, Cellulose, Dextran und/oder deren an Hydroxylgruppen alkylierte oder ver-esterte Derivate sind. Diese Ausführungsform wird in den folgenden Beispielen beschrieben. Mit Hilfe der Sulfhydrylgruppen ist es möglich, bestimmte Skelettverbindungen an das Filtermaterial zu binden, die wiederum in der Lage sind, schädliche Bestandteile beispielsweise im Zigarettenrauch abzuscheiden und zu binden, der durch das Filtermaterial strömt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche einen überraschend hohen Filtereffekt ergibt, wird die vernetzte Filtersubstanz beispielsweise durch 2-Hydroxyalkylgruppen oder andere Gruppen substituiert, die dazu befähigt sind, den lipophilen Charakter des erhaltenen Filtermaterials zu erhöhen, und man erhält ein Filtermaterial mit guten allgemeinen Filtereigenschaften, niedrigem Druckverlust und einem grösseren lipophilen Charakter, der die Fähigkeit des Filtermaterials steigert, hydrophobe Verbindungen beispielsweise aus Zigarettenrauch aufzunehmen, der durch das Filtermaterial hindurchgeht.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bringt man in die Filtersubstanz des Filters, die in Form von Körnchen mit einer mittleren Teilchengrösse zwischen 50 und 500 um, vorzugsweise etwa 100 bis 300 um vorliegt, ein Trinatriumorthophosphat, indem man die Körnchen in einer wässrigen Lösung von Trinatriumorthophosphat bei einer Temperatur von 20°C aufschlämmt und dann die Körnchen trocknet und sie mit einer Raucherware vereinigt. Diese Ausführungsform hat erstaunlich gute Ergebnisse bei der Entfernung von Säuren und Phenolverbindungen aus Zigarettenrauch ergeben.

Beispiel 4

Zigarettenfilter in einer Länge von 15 mm mit einem Gewicht von etwa 200 mg und bestehend aus gleichen Teilen von Celluloseacetatstrang und einer teilchenfcrmigen Filtersubstanz gemäss Erfindung, welche zuvor mit Trinatriumorthophosphat gesättigt war, wurden hergestellt und an Versuchszigaretten angebracht. Diese wurden in einer Rauchmaschine geraucht, wobei zwei Züge mit einer Dauer von zwei Sekunden in jeder Minute ausgeführt wurden. Das Rauchvolumen jedes Zuges betrug etwa 35 ml. Die Menge an flüchtigen Phenolen, die diese Art Filter aus dem Rauch ausscheidet, der durch das Filter hindurchgeht, wurde ausgerechnet und mit der Menge an Phenolen verglichen, die durch Filter entfernt werden, welche lediglich aus etwa 200 mg Celluloseacetatstrang bestehen, wenn man ähnliche Zigaretten auf die gleiche Weise raucht. Durch die Filter, welche das genannte Trinatriumorthophosphat enthalten, wird die Abscheidung von Phenolen um 35 bis 44% verbessert.

Indem es nun möglich ist, die Menge an Aktivsubstanz im vernetzten Material vor Herstellung des Filters zu garantieren und zu regeln, in dem die Aktivverbindung gleichförmig verteilt ist, erzielt man nunmehr Filtereffekte, die bisher nicht erreichbar waren. Die Aktivsubstanz kann ausserdem Alkaliverbindungen und Erdalkaliverbindungen enthalten, welche fähig sind, die Menge an schädlichen Substanzen und insbesondere die Gesamtmenge an Teer beispielsweise in Zigarettenrauch zu vermindern.

Gemäss einer .weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der vernetzte Träger des Filters beispielsweise durch eine Aromasubstanz oder andere erwünschte Additive substituiert, beispielsweise mittels eines Einschlusskomplexes, der eine Trägergruppe und/oder eine Trägerverbindung und/ oder einen Aromastoff enthält und der den zugegebenen Aromastoff während des Rauchens, wenn der Tabakrauch durch das Filter hindurchströmt, nach und nach freisetzt.

Zweckmässig beträgt die Teilchengrösse des teilchenför-migen, erfindungsgemässen Filtermaterials für den grössten Teil der Teilchen 10 bis 800 [im, insbesondere vorwiegend zwischen 50 und 400 um. Es wurde gefunden, dass eine Teilchengrösse zwischen 50 und 300 [im die besten Ergebnisse liefert, obschon, abhängig von den Mengenverhältnissen zwischen möglichen zusätzlichen Komponenten, Abweichungen von diesen Werten erwünscht sein können, beispielsweise bei der Anwesenheit von Aktivkohle und Cellulosacetatfasern. In bestimmten Filterkonstruktionen wurden demgemäss Teilchengrössen von 0,1 bis 2 mm als geeignet befunden.

Die modifizierbare Trägermatrix der Erfindung besteht aus einem vernetzten polymeren Trägermaterial in Form einer kontrolliert quellbaren Matrix, welche ein vorbestimmt dimensioniertes und gleichförmig verteiltes offenporiges kapillares Porensystem in einem dreidimensionalen Netzwerk darstellt, wobei sich die Poren von einer Fläche zur anderen erstrecken und die Quellbarkeit der Trägermatrix veränderlich sein kann, beispielsweise in den Grenzen von 2 bis 50 ml, vorzugsweise 3 bis 20 ml pro g trockener Filtermasse, und wobei diese Filtermasse zusammen mit minde6

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stens einer aktiven Substanz verwendet wird, welche gleichförmig in der Matrix verteilt ist und das Ganze zum Filtern gasförmiger Medien dient.

Die Erfindung ist durch die angegebenen Beispiele nicht begrenzt, sondern kann sich innerhalb des Definitionsbereiches der Ansprüche bewegen. Beispielsweise kann das Filtermaterial mit Zusätzen versehen werden, welche das pH des

Mediums verändern, das durch das Filter strömt, bis ein erwünschter Wert erreicht ist.

Ein wichtiger Gesichtspunkt in diesem Zusammenhang ist die Tatsache, dass die Erfindung eine grosse Veränderlich-5 keit, insbesondere bezüglich der Konzentration und den gegenseitigen Mengenverhältnissen von aktiven Substanzen im Filtermaterial, gestattet.

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Claims (11)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Filtermaterial zur Entfernung mindestens einer schädlichen Substanz aus einem zumindest überwiegend gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Grundlage mindestens einer vernetzten Polyhexose der Gruppe Cellulose, Stärke, Inulin, Dextran vorliegt, welche in einem geregelten Ausmass quellbar ist und als dreidimensionales mikroporöses Netzwerk durchgehende Poren aufweist, die durch die vernetzte Polyhexose-Molekülstruktur gebildet sind und in gleichmässiger Verteilung mindestens ein Mittel enthalten, welches dazu befähigt ist, die genannte Substanz praktisch vollständig selektiv aus dem Medium abzuscheiden, wenn es das Filter passiert.
2. 2. Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Netzwerk in einer Flüssigkeit quellbar ist, die in dem Medium, welches zu filtrieren ist, ebenfalls in flüssiger Form oder in Dampfform vorhanden ist.
3. 3. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel mindestens ein Metall ausgewählt aus Ca, Mg, Ba, Al, Cu, den Übergangsmetallen und den Alkalimetallen enthält.
4. 4. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, insbesondere zur Entfernung cadmiumhaltiger Verbindungen aus einem im wesentlichen gasförmigen Medium, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel mindestens eine Calciumver-bindung enthält, zweckmässigerweise in Form eines freien anorganischen Calciumsalzes.
5. 5. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel Eisen und/oder Kupfer in katalytisch aktiven Gruppen in einem Reduktions-Oxydations-System enthält.
6. 6. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form diskreter Teilchen oder Körnchen vorliegt, deren Poren gleichmässig in den Teilchen oder Körnchen verteilt sind und sich durch diese hindurch von einer zur anderen Oberfläche erstrecken.
7. 7. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm weitere Teilchen oder Körnchen eines porösen Materials kombiniert oder vermischt sind, welche nur aus einem vernetzten Polymer bestehen.
8. 8. Filtermaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit ihm Teilchen oder Körnchen aus Aktivkohle kombiniert oder vermischt sind, wobei diese Aktivkohle aus den durch Pyrolyse und Aktivierung der in einem der Ansprüche 1 bis 6 definierten Materialien besteht.
9. 9. Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein bestimmter Prozentsatz der Teilchen oder Körnchen mit einer halbdurchlässigen Schicht aus einem organischen Material überzogen ist, beispielsweise einer Schicht aus Celluloseacetat.
10. 10. Filter, insbesondere zum Filtern von Tabakrauch, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Filtermaterial nach Anspruch 1 enthält.
11. 11. Verwendung des Filtermaterials nach Anspruch 1 zum Filtern von mindestens überwiegend gasförmigen Medien.