DE2604994C3

DE2604994C3 - Filtermaterial für Tabakrauch

Info

Publication number: DE2604994C3
Application number: DE2604994A
Authority: DE
Inventors: Norman B. Rainer; Peter Allen Wilson
Original assignee: Philip Morris USA Inc
Current assignee: Philip Morris Products Inc
Priority date: 1975-02-10
Filing date: 1976-02-09
Publication date: 1978-10-26
Also published as: DE2604994B2; US3957059A; DE2604994A1; SU738495A3; GB1513612A; JPS51104671A; JPS5646821B2; CH603216A5; AU1069376A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial für Tabak- J5 rauch aus aktiviertem Aluminiumoxid, das mit Natriumpermanganat imprägniert ist, wobei das Aluminiumoxid eine Oberfläche von mindestens etwa 100 m²/g und Porenvolumen von mindestens etwa 0,2 cm-Vg hat und das Natriumpermanganat in einer Menge von etwa 5 bis 30% vom Gewicht des Filtermaterials vorliegt.

Aus einem in Raucherzeugnissen, wie Zigaretten, Pfeifen und Zigarren, eingesetzten Tabakprodukt erzeugter Tabakrauch stellt im wesentlichen ein Aerosol von Tröpfchen und/oder Partikeln von 4> Material dar, welches in einer Gasphase suspendiert ist. Das Tabakprodukt kann in Form von geschnittenem Tabak oder des ganzen Tabakblatts oder in Form zerkleinerten Tabaks mit einem Bindemittel oder in anderen Formen vorliegen. Die suspendierten Tropfchen und/oder Partikel werden als Partikelgesamtphase (TPM) des Rauchs bezeichnet. Diese Phase kann aus dem Rauchstrom teilweise durch Filtereinrichtungen entfernt werden, die an dem Raucherzeugnis angebracht werden und eine mechanische Abfangung und Feststellung des suspendierten Materials ergeben. Wenn eine vollständige Entfernung der Phase gewünscht wird, kann ein Cambridge-Standardfilterbausch verwendet werden, der von einer 1 mm dicken, kreisförmigen Matte von 45 mm Durchmesser gebildet w> wird, die aus Glasfasern extrem geringen Durchmessers hergestellt ist. Der Anteil des Rauchs, der bei Standardprüfbedingungen den Cambridge-Filterbausch passiert, wird als Gasphase des Rauchs bezeichnet.

Die Partikelgesamtphase· wie auch die Gasphase-An- &> teile des Tabakrauchs setzen sich aus einer komplexen Mischung von Komponenten zusammen, die vereint den Geschmack und das Aroma bilden, die sich beim Rauchen eines Tabakprodukts ergeben. Ein Teil der Gasphase-Bestandteile, wie Stickoxide, schaden Geschmack und Aroma.

Verschiedene bekannte Mittel zur Entfernung von Gasphase-Komponenten aus Zigarettenrauch bestehen aus einer Schicht aktiven Kornmaterials in einer Kammer eines Zigarettenfilters, die der Rauch passiert Die in dieser Beziehung gebräuchlichsten körnigen Filtermaterialien sind Kieselgel und Aktivkohle. Diese Materialien vermögen zwar gewisse Gasphase-Komponenten zu entfernen, ergeben aber keine Entfernung von Stickoxid.

Körnige Filtermaterialien zur Entfernung von Stickstoffoxiden, wie NO und NO2, aus Zigarettenrauch sind auch in der US-PS 33 90 688 beschrieben, wobei auf Aluminiumoxid abgeschiedenes Natriumchlorit eingesetzt wird, und in der US-PS 34 34 479, in der auf verschiedene, feste Unterlagen abgeschiedene Permanganate beschrieben sind. Auch Silberpermap.j-jnat ist zur Entfernung von Stickstoffoxiden genannt worden.

Das Natriumchlorit nach US-PS 33 90 688 entfernt zwar Stickstoffoxide, gibt aber an den Rauch in unerwünschter Weise Chlor ab. Die Materialien nach US-PS 34 34 479 ergeben, wenn sie frisch zubereitet sind, eine Entfernung eines Teils der Stickstoffoxide aus Zigarettenrauch, aber die Aktivität der Materialien vermindert sich mit dem Altwerden und bei Einwirkung von Feuchtigkeit so rasch, daß die Materialien völlig ineffektiv und dementsprechend für einen technischen Einsatz nicht brauchbar sind. Silberpermanganat ist zwar an sich wirksam, aber für einen Einsatz in Filtern für Tabakerzeugnisse zu kostspielig.

Nach ihrer Herstellung werden Raucherzeugnisse wie Zigaretten in einer im allgemeinen undurchlässigen Umhüllung abgepackt, um die Frische des Erzeugnisses zu bewahren, insbesondere für die Reihe von Monaten, die verstreichen können, bevor die Verpackung den Verbraucher erreicht. In der dicht verschlossenen Packung liegt eingeschlossen ein hoher Gehalt an Wasserdampf und flüchtigen organischen Verbindungen vor, die sich aus Tabakerzeugnissen ergeben. Vor der Öffnung durch den Endverbraucher kann die Packung Temperaturen im Bereich von etwa — 1 bis +49°C ausgesetzt sein. Bei solchen Verpackungs- und Lagerungsbedingungen verlieren viele anfänglich im Sinne der Rauchfilterung aktive Materialien ihre gesamte Aktivität. So zeigen Versuchsergebnisse bei bekannten Filtermaterialien (einschließlich jener der US-PS 34 34 479), bei denen allein Permanganate auf Aluminiumoxid eingesetzt werden, nach Lagerung in Gegenwart der flüchtigen Komponenten eines Tabakprodukts und/oder von Feuchtigkeit keine Entfernung von Oxiden des Stickstoffs. Diese bekannten Materialien haben keine Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid bei Raumtemperatur ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filtermaterial für Tabakrauch zur Verfügung zu stellen, das Stickstoffoxide aus Tabakrauch selbst nach langer Lagerung in einer dicht verschlossenen Packung, in der sich aus einem Tabakprodukl entwickelnde, flüchtige organische Verbindungen und/oder Feuchtigkeit eingeschlossen sind, zu entfernen vermag.

Gegenstand der Erfindung ist ein Filtermaterial für Tabakrauch aus aktiviertem Aluminiumoxid, das mit Natriumpermanganat imprägniert ist, wobei das Aluminiumoxid eine Oberfläche von mindestens etwa 10Om-Vg und ein Porenvolumen von mindestens etwa 0.2cm'/g hat und das Nalriumpermanganat in einer

Menge von etwa 5 bis 30% vom Gewicht des Filtermaterials vorliegt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß neben dem Natriumpermanganat eine basische Natriumverbindung in einer solchen Menge vorliegt, dsß das Molverhältnis der basischen Natriumverbindung zu dem Natriumpermanganat etwa 1 :0,5 bis 1 :20 beträgt, das Filtermaterial einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 5 bis 30%, bezogen auf sein Gewicht, hat und daß das Aluminiumoxid weniger als etwa 6 Gew.-% an Siliciumdioxid, bezogen auf das Aluminiumoxid, enthält

Das Filtermateria! der Erfindung weist eine ausgezeichnete Befähigung zur NO*-Entfernung auf, die selbst bei langzeitiger Lagerung in einer dicht verschlossenen Packung erhalten bleibt Außerdem bewirkt das erfindungsgemäße Filtermaterial die Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid bei Raumtemperatur.

Das Filtermaterial der Erfindung kann durch Aufbringen einer wäßrigen Lösung, die Natriumpermanganat und eine basische Natriumverbindung enthält, auf Aluminiumoxidkörc^r mit den erwähnten Eigenschaften und Trocknen iies erhaltenen Produktes auf den erforderlichen Feuchtigkeitsgehalt hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Filtermaterial besitzt vorzugsweise eine Korngröße von 2,38 mm oder darunter und ist insbesondere nicht feiner als etwa 0,149 mm. Das Filtermaterial enthält ferner vorzugsweise etwa 25 bis 50 Gew.-% Aktivkohle, wobei das Kohfekorn insbesondere feiner als das aktivierte Aluminiumoxid ist.

Es wurde gefunden, daß von all den wasserlöslichen Permanganatsalzen nur Natriumpermanganat die Anforderungen der vorliegenden Erfindung erfüllt. Am praxisgerechtesten ist eine Konzentration des Natriumpermanganats in der auf das Alum-.iiumoxid aufgebrachten, wäßrigen Lösung im Bereich von etwa 10 Gew.-% bis zur Sättigung. Das f-ilterr aterial enthält vorzugsweise etwa 10 bis 20 Gew.-% Natriumpermanganat.

Zu basischen Natriumverbindungen für die Zwecke der Erfindung gehören Natriumhydroxid, Natriumcarbonate, Natriumphosphate, Natriumborate und dergleichen wie auch Mischungen derselben. Bei Molverhältnissen der basischen Natriumverbindung zum Natriumpermanganal von weniger als etwa 1 :20 zeigt das Filtermaterial bei Lagerung in einer dicht verschlossenen Verpackung, die flüchtige organische Verbindungen aus Tabakprodukten und/oder Feuchtigkeit enthält, einen raschen und wesentlichen Aktivitätsverlust. Bei Verhältnissen von über 1 :0,5 vermindert sich das Vermögen des Filtermaterials zur Entfernung von Stickstoffoxiden. Das erwähnte Molverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von 1 :0,5 bis 1 :20.

Das Aluminiumoxid ist das sogenannte »aktivierte« Aluminiumoxid, das durch Erhitzen von Aluminiumoxidhydraten von genügender Dauer und bei gelenkter Temperatur entsprechend der Abtreibung des größten Teiles des Hydratwassers derail, daß sich eine maximale Oberflächt· ergibt, erhalten wird. Das Aluminiumoxid hat vorzugsweise eine Oberfläche bis zu etwa 400 m²/g und ein Porenvolumen bis zu etwa 0,8cmVg. Wie sich gezeigt hat, erfüllt das Filtermaterial bei Oberflächen von unter etwa 10Om²Zg oder bei Porenvölumina νοη unter etwa 0.2cmVg die Funktion der Entfernung von Stickstoffoxiden aus Tabakrauch nicht. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche des Aluminiumoxids nach der BET-Gasadsorptionsmethode bestimmt (wie von S. B r u η a u c r, P. H. E m m e 11 und E. T c 11 e r in ). Am. Chem. Soc, 60,309-16[1938], »The Adsorption of Gases in Multimolecular Layers«, beschrieben). Bei dieser Methode erfolgt die Messung der Stickstoffmenge, die erforderlich ist, um die gesamte Innen- und Außenoberfläcbe einer gründlich entgasten Aluminiumoxidprobe mit einer Schicht einmolekularer Dicke zu bedecken.

Das Porenvolumen der Alumiuiumoxidkörner wird nach der Quecksilber-Helium-Methode bestimmt. Dabei wird ein Kolben exakten Volumens mit dem zu

ίο prüfenden Material gefüllt und evakuiert und dann viiil Helium gesättigt, wobei das Helium nicht nur den Außenleerraum zwischen den Feststoffteilchen füllt, sondern auch alle Innenporenräume bis herab auf etwa 10 A Durchmesser. Diese Heliummenge wird gemessen und aus dem Kolben evakuiert, den man dann mit Quecksilber füllt Da Quecksilber in Hohlräume von unter 100 000 Ä Durchmesser bei Atmosphärendruck nicht eindringt, gibt das Quecksilber lediglich den Außenleerraum wieder. Die Differenz zwischen dem Heliumvolumen und dem Quecksilbervolumen ist gleich dem Porenvolumen in dem Aluminiumoxid einschließlich aller Poren bis herab auf einen Durchmesser von etwa 10Ä.
Ein ausgesprochen überraschendes Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Erkenntnis, daß das Aluminiumoxid kein akzeptables Material bildet, wenn sein Gehalt an Siliciumdioxid, bezogen auf das Aluminiumoxid, Werte w^:« mehr als etwa 6% erreicht. Für den Einsatz bei der praktischen Durchführung der

jo Erfindung bevorzugt wird Aluminiumoxid, das weniger als etwa 2 Gew.-% Siliciumdioxid, bezogen auf das Aluminiumoxid, enthält. Der vorliegende Punkt ist ganz wesentlich, da bei den meisten Methoden zur Erzeugung von Aluminiumoxid Siliciumdioxid entweder auf Grund seiner Assoziation mit den Ausgangsmaterialien, aus denen das Aluminiumoxid hergestellt wird, oder auf Grund eines gezielten Zusatzes zur Verfestigung des anfallenden Aluminiumoxids vorliegt. Die kritische nachteilige Auswirkung von Siliciumdioxid auf die Bildung eines Filtermaterials, das Stickstoffoxide zu entfernen vermag, ist der US 34 34 479 fremd; nach dieser Patentschrift ist Kieselgel als Trägermaterial Aluminiumoxid äquivalent.

Das Aluminiumoxid wird in Form von Körnern mit einer Korngröße von etwa 2,38 mm oder darunter, vorzugsweise nicht feiner als 0,149 mm (etwa 8 bis etwa 100 Maschen nach der US-Siebreihe, ASTM-Prüfnorm E-II-61) eingesetzt. Die Korngröße liegt für Zigarettenfilter vorzugsweise im Bereich von 2,00 bis etwa

so 0,177 mm (10 bis etwa 60 Maschen) und in besonders bevorzugter Weise von etwa 0,84 bis 0,250 mm (etwa 20 bis etwa 60 Maschen). Bei diesen Korngrößenangaben besagt der Bereich jeweils, daß das Korngut ein Sieb mit der genannten größeren lichten Maschenweite (kleineren Siebnummer) passiert und von dem Sieb mit der genannten kleineren Maschenweite (höheren Siebnummer) zurückgehalten wird. Korngut mit einer Korngröße von weniger als etwa 0,149 mm führt im allgemeinen zu einem relativ hohen Zugwiderstand in der Zigarette.

μ Bei Korngut mit einer Korngröße von über etwa 238 mm ist die Wirksamkeit, mit der Stickstoffoxide entfernt werden, herabgesetzt.

Nach der Imprägnierung des Aluminiumoxids mit der Natriumpermanganatlösung wird von den Körnern

»>5 Wasser abgedampft. Die Abdampfung wird bei Temperaturen unter etwa 120°C durchgeführt, vorzugsweise bei Temperaturen von etwa 0 bis 50°C. Die Abdampfung kann mit Hilfe eines Vakuums oder eines

Stroms trocknen, interten Gases, wie Stickstoff, durchgeführt werden. Die Trocknung erfolgt so weit, daß das Korngnt etwa 5 bis 30 Gew.-% Wasser, bezogen auf das imprägnierte Aluminiumoxid, behält. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Durchführung einer exzessiven Trocknung, insbesondere bei Vakuumbedingungen, das Produkt seine Befähigung zur Entfernung von Stickstoffoxiden aus Tabakrauch verliert.

Ohne die Erfindung auf eine Theorie zu beschränken, wird angenommen, daß das Filiermaterial gemäß der Erfindung durch Oxidation des NO im Zigarettenrauch zu NO2 und Absorption des gebildeten NO2 wirkt. Eine typische, etwa 1 g Mischtabak enthaltende Zigarette kann beim Rauchen in der Standardweise entsprechend der Erzielung von etwa 9 Zügen etwa 300 bis 400 Mikrogramm Stickstoffoxide in der Rauch-Gasphase abgeben (infrarotanalytisch bestimmt). Frisch gebildeter Tabakrauch enthält Stickoxid (NO). In dem Zeitraum jedoch, der zum Sammeln und Analysieren des Rauchs benötigt wird, reagiert das NO in einem gewissen Grad mit in dem Rauch vorliegendem Sauerstoff zur Bildung von NO2, das wiederum einer partiellen Dimerisation zur Bildung von N2O4 unterliegt Der Gesamtbetrag solcher Stickstoffoxide wird aus Zweckmäßigkeitsgründen allgemein als NO₁ bezeichnet

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind Stickstoffoxid-Bestimmungen bei Zigarettenrauch durch Infrarotanalyse durchgeführt worden, die einen für alle Stickstoffoxide (NO₁) repräsentativen Wert liefert, wie auch nach Methoden der UV-Spektroskopie, mit denen NO direkt bestimmt wird, bevor es zur Bildung anderer Stickstoffoxide mit Sauerstoff in Wechselwirkung tritt Beide Methoder, haben ergeben, daß das Filtermaterial gemäß der Erfindung den Gehalt an NOj, von Tabakrauch um etwa 30 bis 80% zu vermindern vermag, und zwar selbst nach langzeitiger Lagerung des Filtermaterial in einer dicht verschlossenen Zigarettenpackung. Ein Grad der NO,-Verminderung von unter etwa 30% wäre nicht als sehr signifikant zu betrachten, und Verminderungen von über etwa 80% würden andere Rauchkomponenten nachteilig beeinflussen und zu einer unerwünschten Veränderung der subjektiv wahrgenommenen Rauchqualitäten führen.

Es wurde gefunden, daß sich die Lagerungsbeständigkeit des aktiven Korngutes und seine Wirksamkeit zur NO,-Entfernung noch steigern läßt, indem man das Korngut mit Aktivkohlekörnern vermischt Die Aktivkohle hierzu ist Kohlenstoff einer im allgemeinen für Gasadsorptionszwecke verwendeten Art mit einer Oberfläche im Bereich von mindestens etwa 800 m^z/g bis zu derart hohen Werten wie etwa 1600 m²/g. Das Kohlekorngut wird vorzugsweise in einer solchen Menge eingesetzt, daß es etwa 25 bis 50% vom Gewicht der Gesamtmischung bildet. Die Korngröße des Kohlenstoffs kann derjenigen des Aluminiumoxids vergleichbar sein. Da der Kohlenstoff aber eine geringere Dichte als Aluminiumoxid hat, werden Kohlenstoffkörner bevorzugt, die feiner als die Aluminiumoxidkörner sind, um gravimelrische Sedimentations- und Trenneffekte zu minimieren.

Die mit der Mischung von Kohlenstoffkorn und Filtermaterial erhaltenen, verbesserten Ergebnisse sind im Hinblick auf den genau gegenteiligen Effekt, der in US-PS 34 34 479 beschrieben ist, besonders überraschend.

Das Filtermaterial kann — sei es als solches oder ^;m Gemisch mit Kohlekorn — als Schicht oder Bett in einem Raum zwischen Pfropfen einer CelluJoseaceiat-Standardfilterstange eingesetzt werden. Der Filieraufbau wird dann an einen zylindrischen Tabakkörper anstoßend angeordnet, wobei man das Filter mit einer Papierumhüllung an der Tabakstange befestigen kann. Andererseits kann das Filtermaterial auch von dem rauchbaren Tabakerzeugnis trennbar angeordnet sein, wie in Form einer Filtereinheit, die sich für den Einsali, in einem Zigaretten- oder Zigarrenhalter eignet In ähnlicher Weise kann eine Filtereinrichtung mit dem Material gemäß der Erfindung in zweckentsprechender Weise im Stiel einer Tabakpfeife eingefügt werden. Bei allen solchen Filterkonfigurationen (mit Aluminium-Korngrößen im Bereich von etwa 238 bis 0,149, vorzugsweise 2,00 bis 0,177 mm) hat das kornhaltige Filter einen bevorzugten Zugwidersland (RTD) von unter etwa 7,6 cm Wassersäule, bestimmt bei einer Luftströmungsgeschwindigkeit von 1050cmVMin. Ein akzeptabler Zugwiderstand und eine akzeptable NO,- Entfernung lassen sich unter Einsatz von etwa 100 bis 400 mg Filtermaterial gemäß der Erfindung in der genannten Korngröße erreichen.

Ein weiterer Vorteil des FiltermaUrrials gemäß der Erfindung ist die weiter gefundene Befähigung des Materials, CO bei Raumtemperatur (2 Γ C) zi' CO₂ zu oxidieren. Zum Beispiel zeigt sich beim Hindurchleiten eine'; künstlichen Gasgemisches, das aus 2,46% CO, 13,7% O₂, 556% CO₂ und 7828% N₂ besteht bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 40 cmVMin. durch eine 25 mm lange Schicht von Körnern des Filtermaterials mit einer Korngröße von 0,42 bis 0,577 mm (40/80 Maschen) in einem Glasrohr von 7 mm Innendurchmesser, daß für einen beträchtlichen Zeitraum eine im wesentlichen vollständige Entfernung des CO erfolgt

j5 Materialien des Standes der Technik mit auf einem festen Träger als Unterlage abgeschiedenen Permanganaten der Alkali- oder Erdalkalimetalle zeigen keine Befähigung zur Entfernung von CO bei den oben beschriebenen Bedingungen, es sei denn, daß Edelme tall-Katalysatoren anwesend sind.

Durch Einsatz des Filtermaterials gemäß der Erfindung in Röhrchen von 25 bis 75 mm Länge, die in i-igarettenfilterhaltern eingesetzt werden, läßt sich die Entfernung von Kohlenmonoxid aus dem Tabakrauch erreichen. Dieses Ergebnis ist besonders erzielbar, wenn die Röhrchen während Lagerung abgeschlossen sind und unmittelbar vordem Einsatz geöffnet werden.

Während mit Aluminiumoxid, das mit Permanganai und einer basischen Lösung imprägniert ist. im Gemisch mit Kohlenstoffkorn synergistische Effekte erhalten werden, können bei dem Filtermaterial mit Vorteil auch andere komförmige Materialien Verwendung finden. Solche anderen Materialien, z. B. Kieselgel, künstliche Polymere, Cellulose, poröse Stoffe, die aktive Substan zen (ragen, und andere, allgemein in der Zigaretten- filtertechnik bekannte Materialien, können dazu verwendet werden, um andere Komponenter des Rauchs selektiv zu absorbieren, und in Kombination mit dein Filtermaterial können auch Aroma- bzw. Geschmacks-

bo stoffe eingesetzt werden.

Die folgende.1 Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Es wurde eine Lösung aus 25 g NaMnO«, 2,5 g NaOH und 100 ml destilliertem Wasser angesetzt. 50 g handelsübliches Aluminiumoxid mit einer Korngröße

von 0,59 bis 0,297 mm und einer Oberfläche von 19OmVg, einem Porenvolumen von O.25cm'/g, einem Siliciumdioxidgehalt von 0,1% und einer Korngröße von 0,59 bis 0,297 mm (30 bis 50 Maschen) wurden in einen mit einer Platte aus gefrittetem Glas versehenen Filtertrichter eingegeben, in den die obige Lösung so eingegossen wurde, daß das Aluminiumoxid in ihr untergetaucht war. Nach einer Eintauchzeit von etwa 5 Minuten bei Raumtemperatur (2I°C) wurde an den Trichterboden ein Vakuum angelegt und hierdurch die Lösung durch die Glasplatte hindurch entfernt. Das erhaltene, lösungsimprägnierle Aluminiumoxidkorn wurde in einen Vakuumofen gegeben und bei 35°C auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 15% getrocknet. Das anfallende Filtermaterial enthielt 12 Gew.-% Natriumpermanganat.

Zur Bestimmung der genauen Permanganatmenge auf den Aluminiumoxidkörnern wurde eine sorgfältig ausgewogene Menge des Filtermaterials in ein Becherglas Wasser gegeben und mit 0,1 molarer Oxalsäure in saurer Lösung bei 60⁰C auf den farblosen Endpunkt titriert. Die Titrationsreaktion entspricht der Gleichung:

5C₂O₄ +2 MnO₄-+ 16 H"

Zur Vereinigung mit einer Zigarette wurde aus dem Filtermaterial ein Zigarettenfilter hergestellt, indem 400 mg des Filtermaterials in einen 10-mm-Raum zwischen zwei 5 mm langen Cclluloseacetat-Filterpfropfen in einem Papierröhrchen von 8 mm Durchmesser eingegeben wurden. Die 5-mm-Pfropfen von je etwa 30.5 mg Gewicht wurden von einer Celluioseacetat-Filterstange erhalten, die aus einem 40 000-den-Kabel hergestellt war, das Fäden von Y-förmigem Querschnitt mit einem Einzelfadentiter von 8 den enthielt. Dieser Filteraufbau ergab bei Prüfung bei einer Luftströmungsgeschwindigkeit von 1050 cmVMinute einen Zugwiderstand von 6,4 cm Wassersäule. Das Filter wurde mittels einer Papieriiberhülle an eine 85 mm lange Bezugszigarette (»University of Kentucky IRl«. beschrieben in der von dieser Universität veröffentlichten Forschungsmitteilung »The Reference Cigarette«. 29. August 1964) angesetzt. Die Zigarette-Filter-Gesamtkombination hatte einen Zugwiderstand von 12.7 cm Wassersäule bei einer Luftströmungsgeschwindigkeit von 1050 cmVMinute.

Die Zigaretten wurden dann in eine Standardpackung für 20 Zigaretten eingegeben, die aus einer Innenlage aus metallisiertem Folienpapier, einem mit Ton und Bindemittel beschichteten Umhüllungspapier und einer Außenhülle aus 0,02 mm dicker Polypropylenfolie bestand, welch letztgenannte durch Heißsiegelung an sich selbst auf ihrem gesamten Rand verschlossen war. Die durch Heißsiegeln verschlossene Packung wurde Lagerungs- und Alterungs-Schnellprüfzyklen durchlaufen gelassen und hierzu zuerst vier Tage in eine Umluftkammer von 43°C und 15% relativer Feuchte und dann sieben Tage in eine Umluftkammer von 32°C und 85% relativer Feuchte eingegeben, worauf der Zyklus einmal wiederholt wurde. Wie sich gezeigt hat, wird mit dieser beschleunigten Alterung eine Simulierung des Lagerungsveriaufs von Zigaretten bei extrem ungünstigen Bedingungen erhalten.

Die auf diese Weise Lagerungs- und Alterungs-Schnellzyklen unterworfenen, mit dem Filtermaterial vereinigten Zigaretten wurden wie folgt geprüft:

a) Zwei der den obigen Lagerungs- und Alterungs-Schnellprüfzyklen unterworfenen Zigaretten wurden

gleichzeitig auf einer elektrischen Rauchmaschine geraucht, die durch die angezündete Zigarette Luft in Zügen von 2 Sekunden Dauer mit 35 crnVZug bei Pausen statischen Brennens zwischen den Zügen von 60 Sekunden Dauer hindurchsaugte. Der Rauch von 8 Zügen wurde zur Entfernung der Partikelgesamtphase durch einen Cambridge-Filterbausch geleitet. Die anfallende Rauch-Gasphase wurde durch einen gewöhnlichen Verteiler vereinigt und in einer zuvor evakuierten l-m-lnfrarotgaszelle gesammelt. Das Gas in der Zelle wurde dann der IR-Spektralanalyse unterworfen (unter Verwendung eines handelsüblichen IR-Spektrofotometers mit gewöhnlicher Skalenspreizung). Die Prüfung wurde zweimal genau wiederholt. Die identische Arbeitsweise fand ferner Anwendung bei zwei Kontrollzigaretten, die mit den mit dem Filtermaterial versehenen Zigaretten mit der Ausnahme identisch waren, daß das Filter allein von einem 20 mm langen Stück des Celluloseacetatkabels ohne Einbau des Filtermaterials gemäß eier brfindung gebildet wurde. Der Stickstoffoxidgesamtgehalt (NO.) des Rauchs wird von der Absorptionsbande bei 6,15 Mikrometern Wellenlänge wiedergegeben. Ein Vergleich der Höhe der Absorptionsbande, die bei der mit dem Filtermaterial versehenen Zigarette erhalten wird, mit derjenigen bei den Kontrollzigaretten zeigte, daß mit dem Filtermaterial gemäß der Erfindung eine NO,-Verminderung von 42% erhalten wurde. Die Verminderung des NO, von 4i% ergab sich rechnerisch als 42%ige Reduktion der Höhe des IR-Peaks bei 6,15 Mikrometern im Vergleich mit der Peak-Höhe bei der Kontrollzigarette.

b) Fünf den obengenannten Lagerungs- und Alterungs-Schnellprüfzyklen unterworfene Zigaretten wurden nach der Methode gemäß a) maschinell geraucht. Der Rauch wurde in einem Verteilersystem gemischt. Aliquote Anteile des Rauchs wurden durch ein Rohr, das Aktivkohle enthielt, und in eine zuvor evakuierte 10-cm-Qiiarzzelle geleitet. Das Gas in der Zelle wurde unter Einsatz eines handelsüblichen Spektrofotometers analysiert, das 212 bis 217 nm (UV-Bereich) erfaßte. Die Peak-Höhen in diesem Wellenlängenbereich wurden mit den Peak-Höhen verglichen, die ein Kontrollgas mil einem Gehalt von 0,5% an NO in Helium ergab. Die identische Arbeitsweise wurde bei zwei Kontrollzigaretten angewandt. Die Kontrollzigarette gab, bezogen auf 11 Züge, 360 Mikrogramm NO ab. Die Zigaretten mit dem Filtermaterial gemäß der Erfindung gaben nut 186 Mikrogramm NO pro 11 Züge ab, was eine 48%ige Verminderung der NO-Abgabe darstellt. Die Verminderung der NO-Abgabe von 48% wurde rechnerisch ir Form einer 48%igen Verminderung des Peaks von 211 bis 217 Mikron im Vergleich mit dem Peak dei Kontrollzigarette in diesem Bereich erhalten.

Beispiel 2

Es wurde das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial vor Beispiel 1 verwendet Es wurden Natriumpermanganat Lösungen des gleichen Natriumpermanganat-Gehalt: wie in Beispiel 1, aber mit verschiedenen Mengen um Arten basischer Natriumverbindungen (siehe Tabelle 1 angesetzt.

Mit den Lösungen wurde wie in Beispiel

Aluminiumoxidkorn imprägniert und das imprägniert! Aluminiumoxidkorn wurde wie in Beispiel 1 behandel und zum Filtermaterial in Kombination mit eine Zigarette verarbeitet und das Produkt verpackt, gealter

und unter Anwendung der IR-Analyse geprüft. Die Ergebnisse nennt die Tabelle I.
Wie die Ergebnisse der Tabelle /eigen, ist die

10

Gegenwart der basischen Natriumverbindung notwendig, um Aktivität zur NO_t-Entfernung (nach Alterung des Tabakerzeugnisses) zu sichern.

Tabelle I

Behandlungslösung NaMnO₄") H₂O')

Base*) Base/NaMnO₄")

ΝΟ,-Verminderung, %

NaOH	25 25 25
Na₂CO₁	25 25
Na₁PO₄	25 25
') Gew.-Teile. ")Moiverhaitnis.
Bei s pi	el 3

100	0	0
100	2,5	1/2,8
100	10	1/0,70
100	2.5	1/7,5
100	10	1/1,9
100	2,5	1/11,6
too	IO	1/2.9

Unter Anwendung des Aluniiniumoxidkorns und der Permanganatimprägnierung von Beispiel 1 wurde eine Reihe von Filtermaterialien hergestellt, bei denen der Gehalt an Natriumpermanganat in den Aluminiumoxidkörnern durch Einsatz von Lösungen von Natriumpermanganat und basischen Natriumverbindungen verscKedener Konzentrationen variiert wurde. Als basische Natriumverbindung wurde Natriumhydroxid in solcher Menge eingesetzt, daß sich ein Molverhältnis von NaOH zu NaMnO₄ in der Lösung von I : 3 ergab. Das imprägnierte Aluminiumoxidkorn wurde wie in Beispiel 1 behandelt und zu einem Filtermaterial in Kombination mit einer Zigarette verarbeitet und das Produkt verpackt, gealtert und nach der IR-Methodc geprüft. Die Permanganat-Kombination und die erhaltenen Ergebnisse nennt die Tabelle 11.

0 63 31

59
56

61
58

mit einer Zigarette verarbeitet und das Produkt abgepackt, gealtert und nach der IR-Analysemethode geprüft. Die untersuchten Permanganate und erhaltenen Ergebnisse nennt die folgende Tabelle.

so Tabelle III Pernianganat

NO,-Verminderung. %

Ba(MnO₄J₂ π Ca(MnO₄)₂ Mg(MnO₄J₂ Zn(MnO₄J₂ LiMnO₄ NaMnO₄ w KMnO₄ 16
26
28
19
25
62
0

Tabelle Ii

NaMnO₄*)

NO₁-Verminderung, %

0 0 12 67 51 40

Die Ergebnisse dieses Beispiels sind dadurch überraschend, daß von den drei geprüften Alkaiipcrmanganaten (Lithium-, Natrium- und Kaliumpermanganat) nur Lithium- und Natriumpermanganat arbeitsfähig sind. Überraschenderweise ist ferner Natriumpermanganat mehr als doppelt so wirksam wie die anderen geprüften Materialien.

*) % vom Gesamttrockengewicht des Permanganat/Aluminiumoxid-Korns. "

Beispiel 4

Aluminiumoxidkorn wurde nach der Permanganatimprägniermethode von Beispiel 1 und unter Ersatz des Natriumpermanganats durch andere Metallpermanganatsalze imprägniert Die Permanganat-Gesamtkonzentration wurde jeweils so eingestellt, daß sich ein Gehalt an MnO₄- von etwa 10% vom Gewicht des imprägnierten Aluminiumoxidkorns ergab. Das imprägnierte Aluminiumoxidkorn wurde wie in Beispiel i behandelt und zu einem Filtermaterial in Kombination

Beispiel 5

Zur Erläuterung der kritischen Rolle, welche die Kornunterlagen spielen, wurde die Lösung von Permanganat und basischer Natriumverbindung gemäß Beispiel 1 zur Behandlung einer Reihe verschiedener Kornunterlagen mit einer Korngröße von 0,59 bis 0,297 mm (30/50 Maschen) verwendet. Das anfallende, permanganathaltige Korn wurde wie in Beispiel 1 behandelt und zu einem Filtermaterial in Kombination mit einer Zigarette verarbeitet und das Produkt abgepackt, gealtert und nach der IR-Analysemethode geprüft Die Ergebnisse (Tabelle IV) erläutern die Überlegenheit von Aluminiumoxid, das weniger als etwa 6 Gew.-% an Siliciumdioxid enthält (alle Prozentangaben der Tabelle beziehen sich auf das Gewicht).

Tabelle IV

Unterlage

ΝΟ,-ΕηΙ-fernung, %

Aluminiumoxid - 5,8% SiO₃, 32

35OmVg, 0,5 cm Vg

Aluminiumoxid — 0,09% SiO₂, 57

21OmVg, 0,25 cmVg

Aluminiumoxid — 0,02% SiO₂, 63

350 mVg, 0,2 cmVg

Aluminiumoxid - 6,3% SiO₂, 0

39OmVg, 0,3cmVg

Kieselgel - 99,7% SiO₂. 0

80OmVg, 0,45 cm Vg

Kaolin-Aggregat 0

Magnesiumoxid — 98% MgO, 0

21 mVg, 0,20 cm Vg

Perlite O

ZrO, - 98% ZrOi, 2% Al₂Oi, 0

5OmVg, 0,21 cm Vg

Kieselgur-Aggregat — 67% SiO₂, 20

12% MgO, 12% AI₂O,, 13OmVg,

0,4 cm Vg

ZnO - 100% ZnO, 3 mVg, 0,26 cmVg 0

Kohlenstoff - Oberfläche 6Of) mVg 0

Molekularsiebe - 56% Al₂Oi. 33% SiO₂,

450 mVg

TiO₇ - 86% TiO₂, 14% Al₂Oi, 60 mVg IO 0,30 cmVg

Poröses Polyslyrol/Divinylbenzol — 0

400 mVg

Beispiel b

Nach der Methode von Beispiel 1 wurde Aluminiumoxidkorn imprägniert und behandelt, wobei eine Lösung von 25 g NaMnO₄. 2,5 g NaOH und 100 g destilliertem Wasser Anwendung fand. Das anfallende, imprägnierte Korngut enthielt l2Oew.-% NaMnO₄.

In einer Reihe von Versuchen wurde das imprägnierte Korn zur Bildung von Filtermaterial mit Körnern von 0,59 bis 0,210 mm Korngröße (30/70 Maschen) aus handelsüblicher Aktivkohle mit einer Oberfläche von 1200 mVg vermengt. Das imprägnierte Aluminiumoxid-Filtermaterial und seine verschiedenen Mischungen mit Kohlenstoff wurden nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 mit Zigaretten vereinigt und die Produkte abgepackt, gealtert und unter Anwendung der UV-Analyse auf NO-Gehalt untersucht. Der Raum zwischen den Filterpfropfen wurde entsprechend der Aufnahme von 400 mg Filtermaterial, Aktivkohle oder Mischungen derselben zwischen IO und 15 mm variiert. Die Ergebnisse sind aus Tabelle V ersichtlich.

Die Tabellenwerte zeigen, daß bei der Kombination des imprägnierten Aluminiumoxidkorns mit dem Kohlckorn ein synergistischer Effekt vorliegt. Keines der Materialien vermag in reiner Form die Ergebnisse /u erreichen, die mit der Kombination erzielt werden.

' Tabelle V	Gewichtsmenge	NO-Ver
Gewichtsmenge	Kohlekorn, mg	minderung.
Permanganat/		%
Aluminiumoxid· Korn,
so mg	0	43
400	100	68
300	200	62
200	300	48
1Ί 100	400	0
0

Claims

Patentansprüche:

1. Filtermaterial für Tabakrauch aus aktiviertem Aluminiumoxid, das mit Natriumpermanganat imprägniert ist, wobei das Aluminiumoxid eine Oberfläche von mindestens etwa 10Om²Zg und ein Porenvolumen von mindestens etwa 0,2 cm^J/g hat und das Natriumpermanganat in einer Menge von etwa 5 bis 30% vom Gewicht des Filtermaterial vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Natriumpermanganat eine basische Natriumverbindung in einer solchen Menge vorliegt, daß das Molverhältnis der basischen Natriumverbindung zu dem Natriumpermanganat etwa 1 :0,5 bis is 1 :20 beträgt, das Filtermateriai einen Feuchtigkeitsgehalt von etwa 5 bis 30%, bezogen auf sein Gewicht, hat und daß das Aluminiumoxid weniger als etwa 6 Gew.-% an Siliciumdioxid, bezogen auf das Aluminiumoxid, enthält

2. Filtermaterial nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Korngröße von etwa 238 mm oder darunter.

3. Filtermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit etwa 25 bis 50 Gew.-% an Aktivkohle mit einer Oberfläche von etwa 800 bis 1600 m²/g vermischt ist

4. Filtermaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivkohle eine geringere Korngröße als das Aluminiumoxid hat. jo