JP2005527205A - シガレットの主流煙における一酸化炭素を減少させるためのオキシヒドロキシド化合物の使用 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の1つの実施形態は、タバコ及びオキシヒドロキシド化合物を含むカットフィラー組成物に関し、該カットフィラー組成物の燃焼中に、該オキシヒドロキシド化合物は、分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能である。
本発明の更に別の実施形態は、シガレットを点火して煙を形成し、該煙を吸い込む段階を含む、上述のシガレットの喫煙方法に関し、そこで、オキシヒドロキシド化合物は、分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能である。
本発明の更に別の実施形態において、オキシヒドロキシド化合物、及び/又はカットフィラー組成物の燃焼中にオキシヒドロキシドの分解から形成された生成物は、約500nmより小さい平均粒子サイズを有することが好ましく、約100nmより小さい平均粒子サイズを有することがより好ましく、約50nmより小さい平均粒子サイズを有することがより好ましく、約5nmより小さい平均粒子サイズを有することが最も好ましい。
本発明は、喫煙中に分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能なオキシヒドロキシド化合物の使用を含む、カットフィラー組成物、シガレット、シガレットの製造方法、及びシガレットの喫煙方法を提供するものである。本発明によって、主流煙における一酸化炭素の量を減少させることができ、これにより、喫煙者に達する一酸化炭素の量及び/又は間接喫煙として放出される一酸化炭素の量も減少される。
主流煙内に存在する一酸化炭素及び喫煙中に生成される一酸化炭素の総量は、3つの主用な供給源、すなわち熱分解(約30%)、燃焼(約36%)、及び炭化タバコによる二酸化炭素の還元(少なくとも23%)の組み合わせによってもたらされる。熱分解による一酸化炭素の形成は、約180℃の温度で始まり、1050℃あたりで終了し、反応速度論によって大きく制御される。燃焼中の一酸化炭素及び二酸化炭素の形成は、主として表面(ka)及び表面反応(kb)への酸素の拡散によって制御される。250℃においては、ka及びkbは、ほぼ同じである。400℃においては、反応は、拡散律速型になる。最終的に、炭化タバコ又は炭による二酸化炭素の還元が、約390℃以上の温度で生じる。タバコ成分に加えて、温度及び酸素濃度が、一酸化炭素及び二酸化炭素の形成及び反応に影響を及ぼす最も重要な2つの要因である。
最後に、温度が周囲温度から約150℃の範囲にわたる凝縮/ろ過ゾーンがある。主なプロセスは、煙成分の凝縮/ろ過である。幾らかの量の一酸化炭素及び二酸化炭素が、シガレットから拡散し、一部の酸素はシガレット内に拡散する。しかしながら、一般に、酸素レベルは、大気レベルまで回復しない。
オキシヒドロキシド化合物は、一般的な室温及び圧力並びに長い保存条件下で、カットフィラー組成物又はシガレット内に存在する場合には、安定していることが好ましい。好ましいオキシヒドロキシド化合物は、シガレットの喫煙中に分解して、金属酸化物を形成する無機オキシヒドロキシド化合物を含む。例えば、次の反応
2M−O−O−H→M2O3+H2O
において、Mは、金属を表す。
当業者に明らかであるように、オキシヒドロキシド化合物を選択する際に、酸化作用及び/又は触媒作用が効率的に起こるように、様々な熱力学の問題点を考慮に入れることができる。例えば、図1は、一酸化炭素の二酸化炭素への酸化についてのギブズ自由エネルギー及びエンタルピー温度依存性の熱力学分析を示す。図2は、炭素により二酸化炭素を変換して一酸化炭素を生成する百分率の温度依存性を示す。
は、関連した反応及びそれらの温度依存性の限界を分析するのに有用であり、
ここで、y=103+T
である。
平衡定数Keは、
から計算することができる。幾つかの反応又は変換率については、Keからαを計算することができる。
図4は、異なる温度の酸素欠乏条件下で、それぞれ炭素及び水素により、一酸化炭素に変換された二酸化炭素の百分率を示す。炭素による二酸化炭素の還元は、約400℃の実験観察に非常に近い約700Kで始まる。図4に示されるように、温度が約800℃である燃焼ゾーンにおいて、二酸化炭素の約80%が、一酸化炭素に還元される。水素ガスにより二酸化炭素を還元することができるが、水素ガスがシガレットから急速に拡散する場合には、この反応は起こりそうもない。
図8に示されるように、酸化剤としてFe2O3の代わりにFeOOHを用いる別の利点は、FeOOHの分解が、広い温度範囲にわたって吸熱性である点である。したがって、分解に消費される熱は、一酸化炭素によるFe2O3の還元によって生成される熱よりも多い。最終結果は、燃焼ゾーンにおける温度のわずかな減少であり、これは、主流煙における一酸化炭素濃度の減少にも寄与する。
2NO+CO→N2O+CO2
N2O+CO→N2+CO2
に従って一酸化炭素により還元させることができる。還元形のFe3O4又は酸化形のFe2O3のいずれかにおける酸化鉄は、約300℃あたりの温度において、これらの2つの反応のための良好な触媒として働く。したがって、喫煙中、酸化鉄を添加すること又はシガレットにおいてその場で酸化鉄を生成することは、潜在的に、主流煙におけるNOの濃度を最小にする。
図9は、約5μmの平均粒子サイズを有するFe2O3粉末(Aldrich Chemical Companuからの)に対する、約3nmの平均粒子サイズを有するFe2O3ナノ粒子(ペンシルバニア州King of Prussia所在のMACH I社からのNANOCAT(登録商標)超微粒子酸化鉄(SFIO))の触媒活性の比較を示す。Fe2O3ナノ粒子は、約5μmの平均粒子サイズを有するFe2O3に比べて、ずっと高い一酸化炭素の二酸化炭素への変換率を示す。こうした結果は、喫煙中に分解して、その場でFe2O3ナノ粒子を生成するFeOOH粒子を用いて達成することもできる。
のとおりである。
ここで、変数は、次のとおり定められる。
x=二酸化炭素に変換される一酸化炭素の百分率
A0=指数前の因子、5×10-6S-1
R=気体定数、
Ea=活性化エネルギー、14.5Kcal/モル
s=流管の断面、0.622cm2
l=触媒の長さ、1.5cm
F=流速、cm3/sで。
図13は、Fe2O3ナノ粒子が、一酸化炭素を酸素と反応させて二酸化炭素を生成するための触媒として用いられる試験についての、温度対QMS強度のグラフである。この試験において、約82mgのFe2O3ナノ粒子が、石英流管反応器内に装填される。一酸化炭素が、約270mL/分の流速で、ヘリウム中に4%の濃度で与えられ、酸素は、約270mL/分の流速で、ヘリウム中に21%の濃度で与えられる。加熱速度は、約12.1K/分である。このグラフに示されるように、Fe2O3ナノ粒子は、約225℃あたりの温度で、一酸化炭素を二酸化炭素に変換する時に有効である。
図15A及び図15Bは、触媒としてFe2O3を用いる一酸化炭素及び二酸化炭素の反応次数を示すグラフである。図16は、反応のための触媒としてFe2O3ナノ粒子を用いる、二酸化炭素を生成するための、一酸化炭素の酸素との反応のための活性化エネルギー及び指数前の因子の測定値を示す。表2において、活性化エネルギーの要約が提供される。
図18は、石英管反応器内の触媒として50mgのFe2O3ナノ粒子を用いる、水における汚染及び不活性化の研究を示す。グラフから分かるように、曲線1(水なし)と比べると、3%までの水の存在(曲線2)は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するFe2O3ナノ粒子の能力にほとんど影響をもたない。
表3 Al2O3とFe2O3ナノ粒子との間の比較
ナノ粒子がない場合は、一酸化炭素と二酸化炭素の比は約0.51であり、酸素欠乏は約48%である。表3のデータは、ナノ粒子を用いることによって得られる改善点を示す。一酸化炭素と二酸化炭素の比は、それぞれAl2O3及びFe2O3ナノ粒子について、0.40及び0.23に落ちる。酸素欠乏は、それぞれAl2O3及びFe2O3ナノ粒子について、60%及び100%に増加する。
何らかの適切な方法を用いて、オキシヒドロキシド化合物をタバコ上に分布させるか、又は該オキシヒドロキシド化合物をカットフィラー・タバコ内に組み込むことによって、上述のように、オキシヒドロキシド化合物をタバコ・ロッドの長さに沿って提供することができる。例えば、オキシヒドロキシド化合物は、粉末の形態で又は分散の形態で溶液中に、提供することができる。好ましい方法において、乾燥粉末の形態のオキシヒドロキシド化合物が、カットフィラー・タバコ上にふりかけられる。オキシヒドロキシド化合物はまた、溶液又は分散の形態で存在してもよく、カットフィラー・タバコ上に吹き付けられてもよい。代替的に、オキシヒドロキシド化合物を含む溶液で、タバコを被覆することができる。オキシヒドロキシド化合物はまた、シガレット製造機械に供給されるカットフィラー・タバコの在庫に添加することができ、又はシガレット・ロッドの周りにシガレット・ペーパーを巻く前にタバコ・ロッドに添加することもできる。
用いられるべきオキシヒドロキシド化合物の量は、ルーチン実験によって求めることができる。カットフィラー組成物の燃焼中にオキシヒドロキシドの分解から形成された生成物は、一酸化炭素の少なくとも50%を二酸化炭素に変換するのに有効な量だけ存在することが好ましい。オキシヒドロキシドの量は、例えば5mg/シガレットといった約数ミリグラムから約200mg/シガレットまでであることが好ましい。オキシヒドロキシドの量は、約40mg/シガレットから100mg/シガレットまでであることがより好ましい。
本発明の別の実施形態は、上述のように、喫煙中に分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる生成物を生成可能な、少なくとも1つのオキシヒドロキシド化合物を有するカットフィラーを含むタバコ・ロッドを備えるシガレットに関する。本発明のさらに別の実施形態は、(i)喫煙中に分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる生成物を生成可能なオキシヒドロキシド化合物をカットフィラーに添加し、(ii)該オキシヒドロキシド化合物を含む該カットフィラーを、シガレット製造機械に提供して、タバコ・ロッドを形成し、(iii)該タバコ・ロッドの周りにペーパー・ラッパーを配置して、シガレットを形成する段階を含む、シガレットの製造方法に関する。
本発明のシガレットの長さは、約50mmから約120mmまでの範囲にわたることができる。一般に、普通サイズのシガレットは、70mmの長さであり、「キング・サイズ」は、約85mmの長さであり、「スーパー・キング・サイズ」は、約100mmの長さであり、「ロング」の長さは、通常約120mmである。周囲は、約15mmから約30mmまであり、25mmあたりであることが好ましい。包装密度は、一般的に約100mg/cm3から約300mg/cm3までの間であり、約150mg/cm3から約275mg/cm3までの間であることが好ましい。
シガレットの「喫煙」は、該シガレットを加熱又は燃焼させて、吸い込むことができる煙を形成することを意味する。一般に、シガレットの喫煙は、該シガレットの一方の端部に点火し、内部に含まれているタバコが燃焼反応を受ける間、該シガレットの口側端部を通して該シガレットの煙を吸い込む段階を含む。しかしながら、シガレットは、他の手段によって喫煙することもできる。例えば、同一出願人による米国特許第6,053,176号、第5,934,289号、第5,934,289号、第5,591,368号、又は第5,322,075号に記載されているように、例えば、シガレットを加熱すること、及び/又は電気加熱手段を用いて加熱することによって、シガレットを喫煙することもできる。
上述の参照文献の全ては、個別の各参照文献の全体を引用によりここに組み入れるかのように具体的かつ個別に示されるのと同程度に、その全体を引用によりここに組み入れる。
Claims (35)
- タバコ及びオキシヒドロキシド化合物を含むカットフィラー組成物であって、カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシド化合物が、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成するように分解可能であることを特徴とするカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒の両方として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成するように分解可能であることを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、FeOOH、AlOOH、TiOOH、及びその混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、ナノ粒子の形態であることを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、前記カットフィラー組成物の燃焼中に分解して、Fe2O3、Al2O3、TiO2、及びそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、一酸化炭素の少なくとも50%を二酸化炭素に変換するのに有効な量だけ存在することを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約500nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項1に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約100nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項7に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約50nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項8に記載のカットフィラー組成物。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約5nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項9に記載のカットフィラー組成物。
- タバコ及びオキシヒドロキシド化合物を含むカットフィラー組成物を備えるタバコ・ロッドから構成され、シガレットの喫煙中、前記オキシヒドロキシド化合物が、分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とするシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒の両方として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、FeOOH、AlOOH、TiOOH、及びその混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、ナノ粒子の形態であることを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物が、前記カットフィラー組成物の燃焼中に分解して、Fe2O3、Al2O3、TiO2、及びそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、一酸化炭素の少なくとも50%を二酸化炭素に変換するのに有効な量だけ存在することを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約500nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約100nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項17に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約50nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項18に記載のシガレット。
- 前記オキシヒドロキシド化合物及び/又は前記カットフィラー組成物の燃料中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約5nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項19に記載のシガレット。
- 前記シガレットが、シガレット当たり約5mgから約200mgまでの前記オキシヒドロキシド化合物を含むことを特徴とする請求項11に記載のシガレット。
- 前記シガレットが、シガレット当たり約40mgから約100mgまでの前記オキシヒドロキシド化合物を含むことを特徴とする請求項21に記載のシガレット。
- シガレットを製造する方法であって、
(i)前記シガレットの喫煙中に分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能なオキシヒドロキシド化合物をカットフィラーに添加し、
(ii)前記オキシヒドロキシド化合物を含む前記カットフィラーをシガレット製造機械に提供して、タバコ・ロッドを形成し、
(iii)包装紙を前記タバコ・ロッドの周りに配置して、シガレットを形成する、
段階を含むことを特徴とする方法。 - 前記オキシヒドロキシド化合物が、前記シガレットの喫煙中に分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒の両方として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記オキシヒドロキシド化合物、及び/又は前記カットフィラー組成物の燃焼中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、ナノ粒子の形態であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物、及び/又は前記シガレットの喫煙中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約100nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項25に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物、及び/又は前記シガレットの喫煙中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約50nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項26に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物、及び/又は前記シガレットの喫煙中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、約5nmより小さい平均粒子サイズを有することを特徴とする請求項27に記載の方法。
- 生成された前記シガレットが、シガレット当たり約5mgから約200mgの前記オキシヒドロキシドを含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 生成された前記シガレットが、シガレット当たり約40mgから約100mgの前記オキシヒドロキシドを含むことを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物が、FeOOH、AlOOH、TiOOH、及びその混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物が、FeOOHであることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 段階(i)に用いられる前記オキシヒドロキシド化合物が、分解して、Fe2O3、Al2O3、TiO2、及びそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記シガレットの喫煙中に前記オキシヒドロキシドの前記分解から形成された前記生成物が、一酸化炭素の少なくとも50%を二酸化炭素に変換するのに有効な量だけ存在することを特徴とする請求項33に記載の方法。
- 前記シガレットに点火して、煙を形成し、前記煙を吸い込む段階を含み、該シガレットの喫煙中、前記オキシヒドロキシド化合物が、分解して、一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための酸化剤、及び/又は一酸化炭素を二酸化炭素に変換するための触媒として働くことができる少なくとも1つの生成物を形成可能であることを特徴とする請求項11に記載の前記シガレットを喫煙する方法。
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