KR20080112353A - 개질된 활성탄소의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

개질된 활성탄소 및 활성 탄소 기재로부터 개질된 활성탄소의 제조 방법을 기재하였다. 활성 탄소 기재는 전처리되어 실질적으로 친수성인 활성 탄소 기재의 노출된 표면을 만들었고, 탄소 전구체로 코팅하여 코팅된 활성 탄소를 형성하였고, 그리고 나서 코팅된 활성 탄소 기재를 가열하여 탄소 전구체를 탄화시켜 개질된 활성탄소를 형성하였다. 개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 형성된 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 포함한다. 탄소 멤브레인은 활성 탄소 기재의 흡수 및/또는 흡착 반응속도를 조정할 수 있다. 궐련의 하나 이상의 구획에 병합될 수 있는 개질된 활성탄소는 흡연동안 주류연에서 기체 구성성분을 선택적으로 제거할 수 있다.
활성 탄소 기재, 개질된 활성탄소

Description

개질된 활성탄소의 제조방법{METHOD OF MAKING MODIFIED ACTIVATED CARBON}
본 발명은 개질된 활성탄소의 제조 방법에 관한 것이다.
통상적인 궐련은 탄소와 같은 재료들을 병합할 수 있는 필터 요소를 갖는다. 상업적으로 이용이 가능한 특정 필터 궐련은 셀룰로오스 아세테이트 재료 사이의 캐비티에 또는 셀룰로오스 아세테이트 토우와 병합하여 탄소의 입자 또는 과립(예를 들면, 활성 탄소 재료 또는 활성 챠콜 재료)을 갖는다. 그러나 활성 탄소를 포함하여, 담배 주류연으로부터 기계적, 화학적 및/또는 물리적으로 성분들을 제거하는 많은 재료들은 전형적으로 비-선택적이다. 이러한 재료들은 주류연에 풍미를 주는 성분을 제거할 수 있어, 결과적으로, 궐련의 흡연동안 나쁜 맛 및/또는 좋지 않은 맛을 줄 수 있다. 따라서, 주류연의 풍미에 불리하게 작용하지 않고 궐련 주류연의 특정한 기체 상 성분들을 제거할 수 있는 궐련 필터 요소를 제공하는 것이 바람직하다.
요약
하나의 구현예에 따르면, 개질된 활성탄소의 제조 방법은 활성 탄소 기재와 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 형성된 균일한, 다공성 탄소 멤브레인을 포함하고, 상기 방법은 (i) 활성 탄소 기재를 제공하고; (ii) 활성 탄소 기재를 전-처리하여 실질적으로 친수성인 활성 탄소 기재의 노출된 표면을 만들고; (iii) 활성 탄소 기재를 탄소 전구체로 코팅하여 코팅된 활성 탄소 기재를 형성하고; 및 (iv) 탄소 전구체가 탄화되기에 충분한 온도에서 코팅된 활성 탄소 기재를 가열하여 균일한, 다공성 탄소 멤브레인을 형성하는 것을 포함한다.
상기 방법에 따라 만들어진 개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재와, 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 형성된 균일한, 다공성 탄소 멤브레인을 포함한다. 활성 탄소 기재는 비드, 과립 또는 섬유의 형태일 수 있다. 탄소 멤브레인 두께 및/또는 표면 공극률을 조절하기 위해 탄소 전구체의 다중 코팅이 적용되고 탄화될 수 있다.
활성 탄소 기재는 활성 탄소의 입자를 포함할 수 있고, 이것은 약 1OO 마이크론 내지 5mm 또는 약 200 마이크론(μm) 내지 2 mm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 바람직하게, 활성 탄소 기재는 약 500 옹스트롬(Å) 미만의 평균 구멍 크기, 또는 약 20% 마이크로포어 초과(및 80% 메조포어 미만), 더 바람직하기는 약 80% 마이크로포어 초과를 포함하는 구멍 크기 분포를 가진다. 활성 탄소 기재의 표면적은 50m2/g 보다 클 수 있다(예를 들면, 200m2/g, 500m2/g 또는 1000m2/g 초과).
전-처리는 바람직하기는 활성 탄소 기재에 계면활성제를 포함하는 수용액을 분사하는 것 및/또는 활성 탄소 개재를 계면 활성제를 포함하는 수용액에 담그는 것을 포함한다. 바람직한 계면활성제는 세틸트리메틸암모늄 클로라이드(cetyltrimethylammonium chloride)이고, 바람직한 전-처리 용액은 약 1 중량% 내지 99 중량%의 계면활성제, 더 바람직하게 약 1 내지 25 중량%의 계면활성제를 포함한다.
활성 탄소 기재의 안 및/또는 위에 계면활성제를 병합한 후, 활성 탄소 기재는 탄소 전구체로 코팅하기 전에 바람직하기는 약 120℃ 미만의 온도에서 건조될 수 있다.
코팅은 바람직하기는 전-처리된 활성 탄소 기재에 탄소 전구체를 포함하는 용액을 분사하는 것 및/또는 전-처리된 활성 탄소 기재를 탄소 전구체를 포함하는 용액에 담그는 것을 포함한다. 코팅은 실온에서 수행될 수 있다. 적합한 탄소 전구체는 모노사카라이드, 디사카라이드, 폴리사카라이드, 프록토오스 및 에틸 셀룰로오스를 포함하고, 바람직한 탄소 전구체 용액은 약 1 중량% 내지 99 중량%, 더 바람직하기는 약 20 중량% 내지 60 중량%의 탄소 전구체를 포함한다. 바람직한 탄소 전구체는 수크로오스이다.
탄소 전구체는 전-처리된 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 탄소 전구체의 약 1 중량% 내지 150 중량%, 바람직하기는 약 20 중량% 내지 80 중량%를 제공하는 양으로 병합될 수 있다.
활성 탄소 기재를 코팅한 후, 코팅된 기재는 약 120℃ 미만의 온도에서 건조되고, 그리고 나서 바람직하기는 약 150℃ 내지 400℃의 온도에서 가열되어 탄소 멤브레인을 형성한다. 코팅된 기재는 바람직하기는 산화 대기(예를 들면, 공기 중)에서 가열된다. 탄소 전구체를 탄소 멤브레인으로 전환한 후, 탄소 멤브레인은 활성 탄소 기재의 약 1 중량% 내지 150 중량%로 포함될 수 있다. 개질된 활성탄소의 표면의 평균 구멍 크기(즉, 탄소 멤브레인의 구멍 크기)는 활성 탄소 기재의 표면의 평균 구멍 크기와 다를 수 있다. 바람직하게, 개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재의 평균 표면 구멍 크기보다 최소한 25% 적은 평균 표면 구멍 크기를 갖는다.
탄소 멤브레인은 활성 탄소 기재에 균일한 다공성 코팅을 형성하고 바람직하기는 활성 탄소 기재의 노출된 표면의 80% 이상을 덮으며 및/또는 탄소 멤브레인은 평균 두께의 약 25% 보다 적은 표준 편차를 가지는 평균 두께를 갖는다. 바람직하게, 탄소 멤브레인은 약 1 μm 내지 0.1 mm의 평균 두께를 갖는다. 활성 탄소 기재에 균일한 다공성 탄소 코팅을 제공함으로써, 개질된 활성탄소의 여과 특성 및/또는 기계적 보전성이 활성 탄소 기재에 관해 증진될 수 있다. 예를 들면, 개질된 활성탄소는 유리하게 활성 탄소보다 먼지를 덜 생성하면서, 궐련 주류연으로부터 표적된 기체 상 성분을 선택적으로 제거할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 궐련은 개질된 활성탄소 입자를 포함한다. 개질된 활성탄소 입자는 바람직하기는 궐련의 필터 요소에 병합된다. 그러나, 개질된 활성탄소 입자는 담배 절단 필러와 같은, 궐련의 다른 구성성분에 위치될 수 있다.
발명의 상세한 설명
하나의 구현예에서, 개질된 활성탄소를 만들기 위한 방법이 제공된다. 개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재에 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 포함한다. 상기 방법은 (i) 활성 탄소 기재를 제공하고; (ii) 활성 탄소 기재를 전-처리하여 실질적으로 친수성인 활성 탄소 기재의 노출된 표면을 만들고; (iii) 활성 탄소 기재를 탄소 전구체로 코팅하여 코팅된 활성 탄소 기재를 형성하고; 및 (iv) 탄소 전구체를 탄화시키기에 충분한 온도에서 코팅된 활성 탄소 기재를 가열하여 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 형성하는 것을 포함한다. 활성 탄소 기재를 탄소 전구체로 코팅하고 코팅된 활성 탄소 기재를 가열하여 탄소 멤브레인을 형성하는 단계는 원하는 두께, 표면 커버리지 및/또는 표면 공극률을 가지는 탄소 멤브레인을 형성하기 위해 반복될 수 있다.
전-처리에 사용된 화합물 및/또는 탄소 전구체를 포함하는 용액을 포함한 용액은, 용액을 탄소에 분사하거나 용액에 탄소를 담금으로써 활성 탄소 기재(예를 들면, 활성 탄소의 입자)에 적용될 수 있다. 전-처리 화합물 및/또는 탄소 전구체는 흡수 및/또는 흡착을 통해 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 병합될 수 있다.
바람직한 방법에 따르면, 비드, 과립 또는 섬유의 형태인 활성 탄소 기재는 용기에 주입되고, 용기에 유동하는 기체를 주입하여 유동화될 수 있고, 전-처리 또는 코팅은 활성 탄소 기재가 유동화 상태인 동안 하나 이상의 전-처리 화합물 또는 하나 이상의 탄소 전구체의 용액을 용기에 주입하여 수행될 수 있다. 전-처리 화합물 및/또는 탄소 전구체의 용액은 또한 초기 함침(incipient wetness) 기술을 이용하여 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 병합될 수 있고, 여기서 상기 활성 탄소 기재는 특정 시간의 기간동안 용액에 담그고 나서 건조된다.
전-처리, 코팅 및 가열하는 단계는 다공성 탄소(즉, 개질된 활성탄소)의 균일한 층으로 코팅된 활성 탄소를 생산한다. 개질된 활성탄소의 흡수 특징, 흡착 특징 및/또는 기계적 특성은 탄소 코팅의 형성을 조절하는 것에 의해 조절될 수 있다. 예를 들면, 탄소 코팅의 공극률은 활성 탄소 기재에 의한 흡수/흡착 반응속도를 조절할 수 있다. 탄소 멤브레인은 공정 동안(예를 들면, 하나 이상의 궐련 성분에 개질된 활성탄소를 병합하는 동안), 궐련의 저장동안 및/또는 흡연동안 활성 탄소 기재에서 형성된 분진의 양을 줄일 수 있다. 또한 본 명세서에 병합된 개질된 활성탄소를 가지는 궐련 필터 및 궐련이 제공된다.
"활성 탄소"에 의함은 탄소의 어느 다공성의 높은 표면적 형태를 의미한다. 활성 탄소는 어느 적합한 탄소원의 온도 처리를 통해 유도될 수 있다. 활성 처리는 전형적으로 공극율을 증가시키고, 활성 탄소는 넓은 범위의 구멍 크기를 제공할 수 있고 또는 구멍 크기는 바람직한 구멍 크기 분포를 제공하도록 조절될 수 있다.
도 1은 배치 유형의 유동화 베드(fluidized bed) 장치의 다이아그램으로, 이것은 활성 탄소 입자를 탄소 전구체로 처리하는데 사용될 수 있다.
도 2는 연속 유형의 유동화 베드 장치의 다이아그램으로, 이것은 활성 탄소 입자를 탄소 전구체로 처리하는데 사용될 수 있다.
도 3A 및 3B는 받은-그대로의 활성 탄소 입자의 SEM 현미경사진을 나타낸다.
도 4A 및 4B는 개질된 활성탄소 입자의 SEM 현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 개질된 활성탄소의 수크로오스 함량의 함수로서 선택 기체 상 구성요소의 전달률 그래프(대조구에 대해)이다.
도 6은 궐련의 부분적으로 전개된 사시도이고, 여기서 개질된 활성탄소를 함유하는 접힌 종이는 궐련의 관형 필터 요소의 중공부에 삽입된다.
도 7은 궐련의 부분적으로 전개된 사시도이고, 여기서 개질된 활성탄소는 플러그-공간-플러그 필터 요소에 병합된다.
도 8은 그 안에 병합된 개질된 활성탄소를 가지는 필터 요소의 부분적으로 전개된 사시도이고, 이것은 전기적으로-가열된 궐련 흡연 시스템으로 흡연될 수 있는 궐련을 형성하는데 사용될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 활성 탄소는 약 100μm 내지 5mm 크기인 과립화된 탄소 입자를 포함한다. 예를 들면, 탄소 입자는 약 0.2mm 내지 2mm (예를 들면, 약 200μm, 500μm, 1000μm 또는 2000μm)의 크기를 갖는 탄소 펠렛일 수 있다.
활성 탄소 기재는 마이크로포어, 메조포어 및 매크로포어와 같은 구멍을 포함하는 원하는 구멍 크기 분포를 가질 수 있다. "마이크로포어"라는 용어는 일반적으로 약 20Å 또는 그 이하의 구멍 크기를 갖는 재료를 말하고, 반면 "메조포어"라는 용어는 일반적으로 약 20Å 내지 500Å의 구멍 크기를 갖는 재료를 뜻한다. 바람직한 활성 탄소 기재는 20% 또는 그 이상의 마이크로포어(즉, 80% 또는 그 미만의 메조포어)를 포함한다. 더 바람직한 활성 탄소 기재는 적어도 80% 마이크로포어를 포함한다. 탄소 전구체의 침착 및 활성 탄소의 노출된(예를 들면, 외부) 표면 상의 탄소 멤브레인의 형성에 의해, 마이크로포어, 메조포어 및 매크로포어의 상대비는, 선택된 기체 성분(예를 들면, 담배 연기 흐름 중의 기체 성분)에 대해 개질된 활성탄소의 흡수 및/또는 흡착 선택성을 조절하기 위해 조절될 수 있다.
개질된 활성탄소는 주류연에서 하나이상 선택된 성분을 여과할 수 있다. "주 류"연 이라는 용어는 담배 로드 아래로 지나 필터 말단을 통해 분출하는 기체의 혼합물, 즉 담배 용품의 흡연동안 담배 용품의 구강 말단에서 분출되거나 흡입되는 연기의 합을 말한다. 주류연은 종이 포장지를 통해서 뿐만 아니라, 흡연 용품의 점화 영역 둘 다를 통해 흡인되는 연기를 포함한다.
활성 탄소는 궐련 연기에서 선택된 성분을 우선적으로 흡착하기에 적합한 표면적을 갖도록 선택될 수 있다. 활성 탄소는 통상적으로 약 50m2/g을 넘는(예를 들면, 적어도 약 100m2/g, 200m2/g, 500m2/g, 1000m2/g 또는 2000m2/g) 표면적을 가진다. 전형적으로, 활성 탄소의 흡수성 용량은 표면적 증가에 따라 증가한다. 더욱이, 표면적은 입자 크기가 감소함에 따라 증가한다. 그러나, 궐련 필터 재료로서 사용될 때, 작은 입자 크기를 가지는 활성 탄소 입자는 너무나 조밀하게 채워져 주류연이 흡연 동안 원하는 흡인성 저항성(RTD)으로 필터를 통해 흐르도록 할 수 없다. 반면, 만약 입자 크기가 너무 크면 표면적은 바라는 정도의 여과를 수행하기에 불충분할 수 있다. 그러므로, 그러한 인자들은 특정 입자 크기를 가지는 활성 탄소를 선택하는데 고려될 수 있다.
특히 바람직한 활성 탄소는 상업적으로 이용이 가능하다(예를 들면, PICA USA, Inc.의, Truth or Consequences, New Mexico). 활성 탄소는 또한 코코넛 껍질, 석탄, 목재, 피치, 토탄, 셀룰로오스 섬유, 갈탄 및 올리브 씨의 탄화를 통해 제조될 수 있다. 탄화는 보통 불활성 대기 중에서 상승된 온도, 예를 들면, 400℃ 내지 1000℃에서 수행될 수 있고, 이어서 전형적으로 증기 또는 이산화탄소의 대기 에서 활성화(즉, 하소)된다. 활성 탄소 기재는 비드, 과립 및/또는 섬유의 형태일 수 있다.
전-처리는 활성 탄소의 노출된 표면을 개조할 수 있다. 전-처리 동안, 용액 내 화합물은 활성 탄소에 의해 흡수 및/또는 흡착되는데, 예를 들면, 전-처리 화합물은 활성 탄소 표면의 외부 및/또는 내부에 병합될 수 있다. 활성 탄소의 노출된 표면(들)을 실질적으로 친수성이 되도록 하는데 사용되는 전-처리 화합물은 바람직하기는 계면활성제(즉, 양친매성 화합물)이다.
계면활성제는 통상적으로 소수성 모이어티 및 친수성 모이어티 둘 다를 포함하는 유기 화합물이다. 계면활성제는 음이온성, 양쪽성(amphoteric), 쌍성이온성(zwitterionic), 비이온성 또는 양이온성 계면활성제, 또는 그의 조합물일 수 있다. 바람직한 전-처리 화합물은 세틸트리메틸암모늄 클로라이드이다. 예를 들면, 물에서 세틸트리메틸암모늄 클로라이드의 10 중량% 용액은, 활성탄소를 이 용액에 담그는 것에 의해 활성 탄소에 병합될 수 있다.
계면활성제는 음이온성 화합물일 수 있다. 적합한 양이온성 화합물은 알킬 술페이트, 알킬 에테르 술페이트, 알킬 또는 알카릴 술포네이트, 알킬 숙시네이트, 알킬 술포숙시네이트, 알킬 포스페이트, 알킬 에테르 포스페이트, 알킬 에테르 카르복실레이트, 알킬아미노 산, 알킬 펩티드, 카르복실산, 아실 및 알킬 글루타메이트, 알킬 이세티오네이트, 및 알파-올핀 술포네이트, 특히 그들의 소듐, 칼륨, 마그네슘, 암모늄 및 모노-, 디- 및 트리에탄올아민 염을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적으로 알킬기는 8 내지 18개의 탄소 원자를 포함하고 포 화 또는 불포화될 수 있다. 알킬 에테르 술포네이트, 알킬 에테르 포스페이트 및 알킬 에테르 카르복실레이트는 분자당 1 내지 10개의 에틸렌 옥사이드 또는 프로필렌 옥사이드 유니트를 포함할 수 있고, 바람직하기는 분자당 1 내지 3개의 에틸렌 옥사이드 유니트를 포함한다.
적합한 음이온성 계면활성제의 예는 소듐 및 암모늄 라우릴 에테르 술페이트(에틸렌 옥사이드의 1, 2 및 3 몰과 함께), 소듐, 암모늄 및 트리에탄올아민 라우릴 술페이트, 디소듐 라울에트 술포숙시네이트, 소듐 코코일 이세티오네이트, 소듐 C12 ∼ C14 올레핀 술포네이트, 소듐 라울에트-6 카르복실레이트, 소듐 C12 ∼ C15 파레트 술페이트, 소듐 메틸 코코일 타우레이트, 소듐 도데실벤젠 술포네이트, 소듐 코코일 사르코시네이트, 트리에탄올아민 모노라우릴 포스페이트, 및 지방산의 알칼리 금속염을 포함한다.
비이온성 계면활성제는 지방족(C6-C18) 일차 또는 이차 선형 또는 분지사슬산, 알코올 또는 페놀, 알킬 에톡실레이트, 알킬 페놀 알콕실레이트(특히 에톡실레이트 및 혼합된 에톡시/프로폭시), 알킬 페놀의 블럭 알킬렌 옥사이드 응축물, 알카놀의 알킬렌 옥사이드 응축물, 에틸렌 옥사이드/프로필렌 옥사이드 블럭 공중합체, 알킬 아민 옥사이드 뿐만 아니라, 반-극성 비이온성(예를 들면, 아민 옥사이드 및 포스핀 옥사이드)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 적합한 비이온성은 모노- 또는 디-알킬 알카놀아미드 및 알킬 다당류, 솔비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 솔비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 솔비탄 에스테르, 폴리옥 시에틸렌 산, 및 폴리옥시에틸렌 알코올을 포함한다. 적합한 비이온성 계면 활성제의 예는 코코-모노- 또는 디-에탄올아미드, 코코-디-글루코시드, 알킬 폴리글루코시드, 폴리소르베이트 20, 에톡실화 선형 알코올, 세테아릴 알코올, 라놀린 알코올, 스테아린산, 글리세릴 스테아레이트, PEG-100 스테아레이트 및 올레트 20을 포함한다.
계면 활성제는 양쪽성 또는 쌍성이온성 계면활성제 일 수 있다. 양쪽성 및 쌍성이온성 계면 활성제는 산이나 염기로 작용하는 능력을 가지는 화합물이다. 양쪽성 계면 활성제의 예는 코코-술타인 및 코코아미도프로필 히드록시술테인과 같은 C8 내지 C18 술테인; 코코암포카르복시글리시네이트 및 라우람포글리시네이트와 같은 아미노산의 C8 내지 C18 지방 유도체; 데실 베타인, 코코-베타인, 라우릴 베타인, 미리스틸 베타인 및 스테아릴 베타인과 같은 C8 내지 C18 알킬 베타인; 및 코코아미도에틸 베타인, 코코아미도프로필 베타인, 라우라미도프로필 베타인, 미리스트아미도프로필 베타인 및 올레아미도프로필 베타인과 같은 C8 내지 C18 아미도알킬 베타인을 포함한다.
계면 활성제는 양이온성 계면 활성제일 수 있다. 적합한 양이온성 계면활성제는 알킬 아민, 알킬 이미다졸린, 에톡실화 아민, 4급 화합물, 및 4급화 에스테르를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 게다가, 알킬 아민 옥사이드는 낮은 pH에서 양이온성 계면 활성제로 활동할 수 있다. 예는 라우라민 옥사이드, 디세틸디모늄 클로라이드 및 세틸디모늄 클로라이드를 포함한다.
전-처리 화합물의 수성 또는 다른 용매 용액은 활성탄소에 분사될 수 있고, 또는 활성 탄소를 용액에 담글 수 있다. 여기에서 쓰인 "수성"이라는 용어는 성분으로서 물을 포함하는 혼합물(예를 들면, 용액 및 에멀전)을 뜻한다. 수성 혼합물은 또한 물에 혼화할 수 있거나 혼화할 수 없는, 유기 용매를 포함할 수 있다. 용매 중의 전-처리 화합물의 농도는 약 1 중량% 내지 99 중량% 일 수 있다. 바람직한 전-처리 화합물의 용액은 적합한 용매 중의 전-처리 화합물을 약 1 중량% 내지 25 중량%, 더 바람직하게 약 1 중량% 내지 10 중량%를 포함한다. 적합한 용매는 프로필렌 글리콜, 알코올(예를 들면, 메틸 알코올, 에틸 알코올 등), 물, 글리세린 및 그의 혼합물을 포함한다. 전-처리 화합물을 위한 바람직한 용매는 물이다. 전-처리 화합물의 용액으로 활성 탄소 기재를 코팅한 후, 전-처리된 활성 탄소 기재는 공기중 건조 및/또는 낮은 온도(예를 들면, 약 120℃ 이하, 바람직하게 약 100℃)의 오븐에서 건조되어 전-처리 활성 탄소를 형성할 수 있다. 전-처리 화합물은 바람직하기는 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 병합되고, 건조 후, 실질적으로 친수성인 표면(즉, 활성 탄소 기재의 내부 및 외부의 노출된 표면)을 가지는 활성 탄소 기재를 가져온다.
탄소 전구체를 포함하는 용액은 전-처리된 활성 탄소 기재 내 및/또는 위에 병합될 수 있다. 아래 설명한 것과 같이, 탄소 전구체의 수성 또는 다른 용매 용액이 전-처리 활성 탄소에 분사될 수 있고, 또는 전-처리된 활성 탄소는 탄소 전구체 용액에 담그어질 수 있다. 탄소 전구체는 바람직하기는 유기 조성물이다. 특히 바람직한 탄소 전구체는 모노사카라이드, 예를 들면 펜토스 및 헥소스; 글루코스와 같은 모노사카라이드; 및 디사카라이드, 특히 수크로오스이다. 추가적인 탄소 전구체는 폴리사카라이드, 프록토오스 및 에틸 셀룰로오스를 포함한다.
개질된 활성탄소를 제조하는데 사용된 탄소 전구체 화합물을 포함한 용액은 전-처리된 활성 탄소에 의해 흡수 및/또는 흡착될 수 있는데, 예를 들면, 탄소 전구체 화합물은 활성 탄소 기재의 외부 및/또는 내부 표면에 병합될 수있다. 전-처리된 활성 탄소 기재를 제공하여, 탄소 전구체의 수용액은 활성 탄소 기재 상에 탄소 전구체의 균일한 코팅을 형성할 수 있다.
바람직하게, 탄소 전구체 화합물은 실질적으로 활성 탄소 기재의 구멍에 침투하지 않는다. 그보다, 탄소 전구체 화합물은 바람직하기는 활성 탄소의 노출된 표면 위에 균일한 코팅을 형성하고, 탄소 전구체를 분해하자마자, 활성 탄소 기재에 의한 흡수 및/또는 흡착을 매개할 수 있는 균일한 다공성 탄소 코팅을 형성한다.
탄소 전구체는 유동화 베드를 사용한 활성 탄소 입자 안 및/또는 위에 병합될 수 있고 또는, 대체적으로, 탄소 전구체는 활성 탄소에 분사될 수 있거나, 또는 활성 탄소는 탄소 전구체를 포함한 용액에 담겨질 수 있다.
탄소 전구체는 바람직하기는 활성 탄소의 원래 중량의 약 1 내지 150%, 바람직하기는 적어도 약 10%(예를 들면, 적어도 20%, 40%, 60% 또는 80%±5% 중량)의 양으로 첨가된다. 탄소 전구체를 탄화시키기 전에, 탄소 전구체 코팅은 활성 탄소 기재를 실질적으로 덮는다(즉, 탄소 전구체 코팅은 실질적으로 활성 탄소의 모든 표면 공극률을 막는다).
활성 탄소 기재 및 탄소 전구체 용액은 적합한 온도 범위는 약 0℃ 내지 80℃이지만, 바람직하기는 거의 실온에서 혼합된다. 탄소 전구체 용액을 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 병합한 후, 코팅된 활성 탄소는 약 80℃ 내지 120℃, 바람직하기는 약 100℃에서 건조되고, 탄소는 탄소 전구체를 탄화시키고 개질된 활성탄소를 형성하기 위해, 약 1 분 내지 72 시간 동안 약 150℃ 내지 400℃의 온도에서 가열된다. 탄소 전구체 코팅의 탄화는 다공성 탄소 코팅을 생성할 수 있다. 바람직하게 탄소 전구체로 형성된 탄소 코팅은 활성 탄소 기재의 평균 표면 구멍 크기와 다른, 바람직하기는 더 적은, 평균 표면 구멍 크기를 가질 것이다. 예를 들면, 개질된 활성탄소의 평균 구멍 크기는 활성 탄소 기재의 평균 표면 구멍 크기 보다 적어도 10%, 15%, 20% 또는 25% 적을 수 있다. 바람직한 구현예에서, 개질된 활성탄소의 탄소 멤브레인은 활성 탄소 기재의 평균 표면 구멍 크기보다 적어도 25% 적은 평균 구멍 크기를 갖는다. 활성 탄소 기재의 표면 공극률을 변화시켜, 활성 탄소의 흡수 및/또는 흡착 반응 속도를 변화시킬 수 있다.
대량의 경우, 개질된 활성탄소는 다음의 방법에 의해 제조될 수 있고, 여기서 유동화 베드가 활성 탄소 기재(예를 들면, 활성 탄소의 입자)에 하나 이상의 전-처리 화합물 및 탄소 전구체를 적용하는데 사용된다. 방법에서, 활성 탄소 입자가 용기에 주입된다. 입자를 유동화하기 위해, 질소와 같은 기체가 용기의 바닥에 주입된다. 그러고 나서 탄소 입자가 유동화 상태인 동안 전-처리 화합물 또는 탄소 전구체의 용액이 용기에 주입된다. 바람직하게, 이러한 재료들은 주위 온도로 입자가 유지되는 동안 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 병합된다. 즉 공정은 입자의 가 열없이 수행된다. 비록 재료들은 바람직하기는 유동화 베드의 윗쪽 표면에 적용되지만, 탄소 입자의 교반은 재료를 탄소 입자의 베드 전체로 분배한다.
유동화 처리에서, 질소와 같은 불활성 기체가 활성 탄소 입자를 유동화하는데 사용된다. 유동화 기체의 유속은 유동화 베드의 크기에 따라 다를 것이다. 바람직한 구현예에서, 유속은 최소 140 리터/분 (5 ft3/분), 더 바람직하기는 250 리터/분 내지 600 리터/분(10 ft3/분 내지 20 ft3/분)이다. 탄소 입자 상의 탄소 전구체의 유속은 처리될 탄소의 양 및/또는 유동화 베드 처리의 지속기간에 따라 다를 것이다. 바람직한 구현예에서, 탄소 전구체는 활성 탄소의 11kg(25 파운도)의 배치에 대해 적어도 최소 10g/분, 예를 들면, 15g/분 내지 25g/분의 유속에서 액체로 적용된다. 탄소 전구체는 프로필렌 글리콜, 알코올(예를 들면, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 등), 물, 글리세린 및 그의 혼합물, 예를들면, 탄소 전구체와 물을 포함하는 수용액과 같은 담체에 용해되거나 현탁될 수 있다. 담체 중의 탄소 전구체의 농도는 약 1 중량% 내지 99 중량% 일 수 있다. 탄소 전구체의 바람직한 농도는 약 20 중량% 내지 60중량%이다. 탄소 전구체가 유동화 베드의 탄소에 적용된 후, 유동화 작용은 유동화 베드에서 전구체의 완전한 분포를 촉진하도록 계속될 수 있다. 예로서, 탄소 전구체는 15분동안 활성 탄소 입자에 적용될 수 있고, 유동화 작용은 그 이후 추가의 5 분 동안 계속될 수 있다. 이론으로 연결됨을 바라지 않지만, 유동화 기체는, 매스 이동 및/또는 입자 충돌을 통해 탄소 전구체가 탄소 입자에 걸쳐 균일하게 분포 되도록 하는데 효과적이라고 믿어진다.
유동화 상태에서 활성 탄소 입자를 유지할 수 있는 어느 적절한 용기가 사용될 수 있다. 그러한 용기는 배치 또는 연속 공정 장치로 고안될 수 있다. 예시적인 배치 유형 유동화 베드 배열을 도 1에 나타내었고, 예시적인 연속 유형 유동화 베드 배열은 도 2에 나타내었다. 전-처리된 활성 탄소 기재에 탄소 전구체를 적용하는 유동화 베드 기술의 매우 유리한 특징은 탄소 전구체의 균일한 코팅이 활성 탄소 기재 상에서 얻어질 수 있다는 것이다. 이어진 설명에서, 활성 탄소 안 및/또는 위에 탄소 전구체의 병합은 유동화 베드를 사용하여 설명되었다. 유동화 베드 배열은 또한 활성 탄소 안 및/또는 위에 전-처리 화합물의 용액을 병합하는데 사용될 수 있다.
도 1의 배열에서, 용기(210)에 활성 탄소(212)가 적재되고 유동화 기체는 분배 플레이트(214)의 개구를 통해 위로 흐른다. 기체는 바람직하기는 공급 라인(216)을 통해 공급된 질소와 같은 불활성 기체를 포함한다. 탄소 입자의 베드를 통과한 후, 유동화 기체는 필터(220), (222)를 통과하고 배기라인(218)을 통해 용기로부터 제거된다. 탄소 입자는 공급 포트(224)를 통해 용기(210)에 공급될 수 있다. 미세한 탄소 입자와 같은 축적된 재료를 없애기 위해, 질소와 같은 세척 기체가 공급 라인(226)을 지나 필터(220), (222)를 통해 역류될 수 있다. 일련의 벨브들이 공급라인(226)으로부터 배기 라인(218)을 분리하는데 사용될 수 있고, 그것에 의해 기체들이 배기라인(218)을 통해 회수될 때 질소가 공급라인(226)으로 흐르는 것을 막는다. 한편, 벨브는 필터(220), (222)에서 세척동안, 공급라인(226)에 의해 공급된 역류 기체로 부터 배기라인(218)을 분리할 수 있다. 필터 세척은 탄소의 처 리동안 수행될 수 있는데, 예를 들면 질소 역류는 활성 탄소가 유동화 상태인 동안 주기적으로 수행될 수 있다. 예로서, 만약 탄소가 15분 동안 처리된다면, 질소 역류는 탄소 처리 동안 매 60초 마다 2초 펄스로 수행될 수 있다. 탱크(228)에 있는 탄소 전구체의 용액은 펌프(230)에 의해 제거되고 전구체는 공급 라인(232)을 통해 그리고 노즐(234), (236)을 통해 지나간 후 용기로 보내진다. 전처리되고 코팅된 활성 탄소 입자는 배출 라인(238)을 통해 용기로부터 제거될 수 있다.
도 2의 배열에서, 구획된 용기(240)에 활성 탄소(242)가 적재되고 유동화 기체는 분배 플레이트(도시하지 않음)에서 개구를 통해 위로 흐른다. 기체는 바람직하기는 공급 라인(246)을 통해 공급된 질소를 포함한다. 탄소 입자의 베드를 통과한 후, 유동화 기체는 필터 (250), (251), (252), (253)를 통과 하여 배출 라인(248)을 통해 용기로부터 제거된다. 탄소 입자는 공급 라인(254)을 통해 용기(240)에 공급될 수 있다.
미세 탄소 입자와 같은 축적된 재료들을 제거하기 위해, 질소와 같은 세척 기체가 공급 라인(256)을 거쳐 필터(250), (252)를 통해 역류될 수 있다. 일련의 벨브들이 공급 라인(256)에서 배출 라인(248)을 분리하는데 사용될 수 있고, 그것에 의해 상기 기체들이 배출 라인(248)을 통해 회수될 때 질소가 공급라인(256)으로 흐르는 것을 막는다. 한편, 벨브는 필터(250)-(253)을 세척하는 동안, 공급라인(256)에 의해 공급된 역류 기체로 부터 부터 배출 라인(248)을 분리시킬 수 있다. 필터 세척은 탄소의 처리 동안 수행될 수 있는데, 예를 들면 질소 역류는 탄소가 유동화 상태인 동안 주기적으로 수행될 수 있다. 예로서, 만약 탄소가 15분 동 안 처리된다면, 질소 역류는 탄소 처리 동안 매 60 초 마다 2초 펄스로 수행될 수 있다.
탱크(258)에 있는 탄소 전구체의 용액은 펌프(260)에 의해 제거되고, 전구체는 공급 라인(262)을 통해 그리고 노즐 (264), (265), (266), (267)을 통해 지나간 후 용기로 보내진다. 코팅된 활성 탄소는 배출 라인(268)을 통해 용기로 부터 제거될 수 있다. 용기(240)는 어느 원하는 수의 구획을 가질 수 있는데, 예를 들면, 나타낸 구현예에서 용기는 분할부 (282), (284), (286), (288), (290)에 의해 분리된 6개의 구획 (270), (272), (274), (276), (278), (280)을 포함한다. 탄소 전구체는 중간 구획 (272), (274), (276), (278)에만 공급될 수 있고, 그것에 의해 첫번째 구획(270)은 적재 구획으로 사용될 수 있고 마지막 구획(280)은 배출 구획으로서 사용될 수 있다.
하나의 구획에서 다음 구획까지 탄소 입자의 통과는 분할부 (282), (284), (286), (288), (290)에 하나 이상의 개구가 제공됨으로써 이루어진다. 예를 들면, 단일 개구는 각각의 분할부의 바닥에, 예를 들면, 1-2인치 2-4 인치의 사각형 개구가 제공될 수 있다. 탄소 입자가 하나의 구획에서 다음 구획으로 직접 흐르는 것을 막기 위해, 개구를 상쇄시키는 것이 유리한데, 예를 들면 첫번째 분할부(282)는 용기의 한쪽면 가까이의 개구를 가질 수 있고 다음 분할부(284)는 용기의 반대면 가까이에 개구를 가질 수 있는 등, 용기를 통해 탄소의 구불구불한 이동 경로를 제공한다.
탄소 입자의 유동화 베드는 몇몇 입자가 분할부(282)의 바닥에서 구획(270), (272) 사이의 개구(예를 들면, 25 mm x 50 mm(1 x 2인치)의 개구)를 통해 흘러 첫번째 구획(270)에서 두번째 구획(272)으로 이동하면서 유동화 입자의 일부가 유동화 기체에 의해 위로 움직이면서 액체처럼 작용한다. 이와 같은 방식에서, 입자들은 이들이 배출 구획에 도달할 때까지 구획에서 구획으로 이동한다. 그러므로, 유동화 상태인 경우 입자들은 구획에서 구획으로 이동하고 및 궁극적으로 예정된 체류 시간 후 용기로부터 제거된다. 체류시간은 용기의 크기와 구획의 수에 따라 다양하다. 체류 시간은 5 내지 60 분의 범위, 더 바람직하기는 10 내지 20 분일 수 있다.
용기의 구획 크기는 바람직하기는 같고, 탄소 전구체는 각 구획에서 두개 이상의 배출구에 의해 중간 구획에서 분포될 수 있다. 탄소 전구체는 바람직하기는 활성 탄소 입자 상의 탄소 전구체의 균일한 분포를 이루는 유속으로 각각의 구획에 공급된다. 예를 들면, 탄소 전구체는 액체 방울, 액체의 분사 또는 유동화 입자의 베드에 액체의 지속적인 흐름을 야기하는 유속으로 공급될 수 있다. 이론에 의해 연결됨을 바라지 않지만, 탄소 전구체의 균일한 분포는 유동화 베드에서 수직 및/또는 수평 방향에서 입자 이동함에 따라 입자에서 입자로의 전구체의 다량 이동을 돕는 유동화 기체에 의해 조장될 수 있다고 믿어진다. 바람직한 배출구 배열은 1.3.104mm2 내지 4.104mm2 (20in2 내지 60in2), 예를 들면, 유동화 베드의 위쪽 표면에서 약 2.104mm2 내지 2.6.104mm2(30in2 내지 40in2)의 영역에 걸쳐 탄소 전구체를 분배하기 위한 하나의 배출구를 제공한다.
탄소 전구체는 어느 원하는 온도에서 유동화 입자에 적용될 수 있다. 바람직하게, 베드는 가열되지 않고 입자들은 약 0 내지 80℃, 더 바람직하게 약 15℃ 내지 30℃의 온도일 수 있다. 탄소 전구체로의 입자의 적합한 코팅을 가열없이 얻을 수 있기 때문에 처리동안에 탄소 입자를 가열하는 것은 요구되지 않는다. 바람직하게, 실질적으로 용기에 주입되는 모든 탄소 전구체는 탄소 입자 위에 코팅된다. 첨가된 중량으로, 탄소 입자는 탄소 전구체의 약 1 중량% 내지 150 중량%(건조 중량)로 포함되도록 처리될 수 있다.
위에서 언급된 것처럼, 초기 습식 기술은 전-처리 화합물의 용액 및/또는 탄소 전구체의 용액을 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 병합하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 활성 탄소 입자는 특정 기간동안 탄소 전구체의 수성 또는 비-수성 용액에 담글수 있고, 입자의 노출된 표면에 전구체의 코팅이 병합되도록 건조된다. 기간(예를 들면, 1 내지 48시간, 바람직하게 약 12 내지 24 시간)은 바람직하기는 탄소 안 및/또는 위에 화합물의 실질적 균일한 코팅을 형성하기에 충분하도록 바람직하게 선택된다. 전-처리 화합물을 포함한 용액의 바람직한 농도는 약 1 중량% 내지 25 중량% 이고, 탄소 전구체 용액의 바람직한 농도는 약 20 중량% 내지 60 중량 %이다. 활성 탄소가 전구체 용질을 포함한 용매에 담그어진 동안, 전구체는 활성 탄소 안 및/또는 위에 (예를 들면, 활성 탄소의 노출된 표면 위에) 흡수 및/또는 흡착된다. 탄소 전구체는 단일 코팅 단계에서 또는 다중 코팅 단계에서 활성 탄소 기재에 병합될 수 있다.
탄소 전구체 용액이 활성 탄소 기재 안 및/또는 위에 병합된 후에, 코팅된 탄소는 바람직하기는 공기-건조에 의해 또는 약 80℃ 내지 120℃의 온도로 가열함에 의해 건조된다. 건조 후, 코팅된 활성 탄소는 탄소 전구체를 탄화시키고 탄소 피복을 형성하기에 충분한 온도에서(즉, 열적 분해) 가열된다.
가열 시간 및 온도는 적어도 부분적으로 활성 탄소 기재, 탄소 전구체 및 개질된 활성탄소의 원하는 구조에 따라 다를 수 있다. 개질된 활성탄소는 바람직하기는 약 2 시간 미만 동안, 약 400℃ 적은 온도에서, 더 바람직하기는 약 300℃ 적은 온도에서 코팅된 활성 탄소를 가열하여 형성되고, 더 높은 온도 및/또는 더 긴 시간이 사용될 수도 있다. 바람직하게, 탄소 전구체를 분해하는데 사용되는 열효율(즉, 시간 및 온도)은 실질적으로 모든 탄소 전구체를 탄소로 전환하기에 충분하다.
코팅된 활성 탄소 기재는 산화 또는 불활성 대기에서 가열될 수 있다. 산화 대기는 O2, CO, 공기 및 그의 혼합물을 포함할 수 있다. 불활성 대기는 질소, 아르곤, 헬륨 및 그의 혼합물을 포함할 수 있다. 이론에 의해 연결됨을 바라지 않지만, 탄소 전구체의 분해 및 산화를 야기하는 산화 대기에서 가열하는 것은 불활성 대기에서 가열보다 더 큰 평균 표면 공극률을 만들고, 여기서 상기 탄소 전구체는 빠른 산화는 아니지만 분해된다.
받은 그대로의 활성 탄소 및 개질된 활성탄소의 SEM 현미경 사진을 도 3 및 4에 각각 나타내었다. 도 3A 및 3B는 받은 그대로의 PICA 탄소를 나타낸다. 도 4A 및 4B에 나타낸 개질된 활성탄소를 형성하기 위해, 받은 그대로의 활성 탄소는 먼 저 세틸트리메틸암모늄 클로라이드의 10 중량% 용액에 담겨지고, 실온에서 공기 건조되고 그러고 나서 5시간 동안 100℃의 오븐에서 건조되어 전-처리 활성 탄소를 형성하였다. 개질된 활성탄소는 코팅된 탄소를 형성하기 위해, 전-처리된 활성 탄소 20 g을 물 중의 67 중량%의 수크로오스 용액 1 g에 12 시간 동안 담그고, 코팅된 탄소를 약 5시간 동안 100℃에서 건조하고, 1시간 동안 300℃에서 코팅된 탄소를 가열하여 제조하였다. 질소 중에서 300℃로 가열 한 후, 개질된 활성탄소의 표면적은 약 80m2/g 이다.
활성 탄소 입자는 탄소의 약 1 중량% 내지 150 중량 %의 적재로 제공될 수 있다. 이론에 의해 연결됨을 바라지 않지만, 개질된 활성탄소의 전체 표면적(BEF에 의한 측정)은 활성 탄소 기재의 미세 공극률에 의해 좌우될 수 있다. 다공성 탄소 코팅은 실질적으로 마이크로포어에 접근을 막지 않기 때문에, 개질된 활성탄소의 전체 표면적은 실질적으로 활성 탄소 기재의 전체 표면적과 똑같다. 바람직하게, 개질된 활성탄소의 전체 표면적은 활성 탄소 기재 전체 표면적의 90% 이상 이고, 더 바람직하기는 95% 이상이다. 활성 탄소의 전체 표면적이 바람직하기는 실질적으로 감소되지 않은 반면, 균일한 다공성 탄소 멤브레인의 병합은, 활성 탄소 기재로 인해 개질된 활성탄소의 평균 표면 구멍 크기를 바꿀 수 있고, 바람직하기는 감소시킨다. 활성 탄소의 흡수/흡착 특징은 탄소 코팅에서 구멍 크기 분포(예를 들면, 평균 표면 공극률)를 조절하여 조절될 수 있다. 더욱이, 활성 탄소를 전처리하는 것에 의해(즉, 전형적인 소수성 탄소 표면에서 실질적으로 친수성 표면으로 전환하 는것) 탄소 전구체의 균일한 코팅이 활성 탄소 기재 위에 형성될 수 있다. 균일한 탄소 멤브레인은 활성 탄소 기재의 노출된 표면(즉, 가시선 외부 표면)의 80% 이상, 더 바람직하기는 노출된 표면의 90% 이상을 덮고 및/또는 평균 두께의 약 25% 미만, 더 바람직하기는 약 10% 미만인 표준편차를 가지는 평균 두께를 갖는다.
탄소 멤브레인의 적용은 활성 탄소 기재에 기계적 강건함을 준다. 예를 들면, 탄소 멤브레인을 활성 탄소 기재에 적용함에 의해 활성탄소 기재의 벗겨짐 또는 분진화의 경향을 감소시킬 수 있다. 바람직하기는 탄소 멤브레인의 평균 두께는 약 1 마이크론 및 0.1 mm(예를 들면, 약 1μm 내지 5μm에서, 2μm 내지 20μm, 5μm 내지 50μm, 10μm 내지 20μm, 40μm 내지 60μm, 50μm 내지 100μm, 또는 80μm 내지 100μm)이다.
개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재에 비해 여과 특징이 증진될 수 있다. 탄소 멤브레인은 개질된 활성탄소가 1,3-부타디엔, 아크롤레인, 이소프렌, 프로피온알데히드, 아크릴로니트릴, 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 아세트알데히드 및 하이드로겐 시아나이드와 같은 하나 이상의 기체 상의 구성성분의 주류연에서의 함량을 감소시키도록 허용하는 방법으로 적용될 수 있다. 그러나 바람직하게, 개질된 활성탄소는 실질적으로 연기의 풍미 성분의 주류연에서의 농도는 감소하지 않는다. 그러므로, 개질된 활성탄소는, 활성 탄소 기재의 흡수 및/또는 흡착 반응속도를 변화시키는 균일한 다공성 탄소 멤브레인의 병합을 통해, 활성 탄소 기재에 비해 감소된 보존 능력을 나타낼 수 있다. 궐련에 병합된 개질되지 않은 활성 탄소 기재는 궐련의 흡연동안 원하는 풍미 화합물을 제거할 수 있고 및/또는 궐련 연기에 원하지 않는 탄 소 풍미를 줄 수 있다. 유리하게, 개질된 활성탄소의 균일한 코팅은 활성 탄소와 관련된 부정적인 맛을 실질적으로 제거할 수 있다.
도 5는 실험설정에서 받은 그대로의 활성 탄소(0% 수크로오스의 데이타에 해당) 또는 개질된 활성탄소를 사용한 세가지 기체 구성성분(1,3-부타디엔, 아크롤레인, 벤젠)의 표준에 대한 감소 백분율을 나타낸다. 수크로오스/탄소 비는 개질된 활성탄소를 형성하기 위한 수크로오스 코팅의 분해로 부터 활성 탄소 기재의 중량증가(중량 % 로)를 뜻한다. 개질된 활성탄소를 생산하기 위해, 세틸트리메틸-암모늄 클로라이드의 10 중량% 용액을 받은 그대로의 PICA 활성 탄소와 결합시키고, 공기 중 건조하고 약 5시간 동안 100℃에서 건조시켜 전-처리 활성 탄소를 형성하였다. 전-처리 활성 탄소의 약 20g을 초기 습식 기술을 통해 수크로오스의 67 중량% 용액의 10g과 결합하였다. 12시간 노출 후, 혼합물을 5시간 동안 100℃에서 건조시키고 1 시간동안 300℃에서 가열하여 개질된 활성탄소를 형성하였다. 수크로오스 용액에 개질된 활성탄소를 다시-담그는 것에 의해, 활성 탄소 기재에서 탄소의 적재(중량%/중량%로 표현)가 증가하였다.
여전히 도 5를 언급하면서, 1,3-부타디엔, 아크롤레인 및 벤젠의 감소율은 탄소 피복 첨가로 약 65%까지 증진되었다. 그러나, 약 135%의 중량 증가에 의한 탄소 코팅은 1,3-부타디엔, 아크롤레인 및 벤젠에 대해 감소된 여과 효율을 야기했다.
개질된 활성탄소는 궐련, 절단 필러 조성물 및 궐련 필터를 포함한 다양한 적용에 사용될 수 있다. 개질된 활성탄소를 포함하는 궐련에서, 개질된 활성탄소 입자는 필터에 위치될 수 있고 및/또는 절단 필러에 분산될 수 있다. 비록 필요로 하는 양 또한 반복된 실험 및/또는 그에 따른 조정에 의해 결정될 수 있을지라도, 전형적인 궐련은 개질된 활성탄소 입자를 약 10 mg 내지 약 200 mg 포함할 것이다. 개질된 활성탄소는 궐련의 주류연에서 특이 구성성분을 선택적으로 흡착/여과하는데 사용될 수 있다.
담배 재료의 적합한 형태의 예는, 플루-큐어드(flue-cured), 벌리종(burley), 메릴랜드(maryland) 또는 오리엔탈 담배(oriental tobaccos), 희귀 또는 특제품 담배 그리고 그들의 혼합물을 포함한다. 담배 재료는 담배잎(tobacco lamina)의 형태; 부피 팽창된 또는 퍼프된 담배와 같은 가공된 담배재료, 절단-감긴(cut-rolled)또는 절단-퍼프된 (cut-puffed) 줄기와 같은 가공된 담배줄기, 재구성된 담배 재료; 또는 그들 혼합물의 형태로 제공될 수 있다. 담배 대용품이 사용될 수 있다.
궐련 제조시, 담배는 일반적으로 절단 필러의 형태, 즉 약 2.5mm(1/10인치) 내지 약 1.2mm(1/20 인치), 또는 심지어는 0.6mm(1/40 인치)의 너비로 절단된 조각 또는 가닥의 형태로 사용된다. 가닥의 길이는 약 6mm(0.25 인치) 내지 약 75mm(3 인치)의 범위이다. 궐련은 추가로 하나 이상의 풍미제 또는 기타 첨가제(예를 들면, 점화 첨가제, 연소 개질제, 착색제, 결합제 등)를 포함할 수 있다.
궐련 제조를 위한 기술이 당해 기술에 알려졌고 개질된 활성탄소를 병합하는데 사용될 수 있다. 생성된 궐련은 표준 또는 개질 궐련제조기술 및 장비를 사용하여 원하는 설명서에 따라 제조될 수 있다. 궐련의 길이는 약 50 mm 내지 약 120 mm 의 범위일 수 있다. 원주는 약 15 mm 내지 약 30 mm, 바람직하게 25 mm 이다. 포장 밀도는 전형적으로 약 100 mg/cm3 내지 약 300 mg/cm3, 및 바람직하게 약 150 mg/cm3 내지 약 275 mg/cm3 이다.
통상적이거나 개질된궐련 필터는 개질된 활성탄소 입자를 병합할 수 있다. 개질된 활성탄소는 궐련 필터 영역을 따라 위치한 종이 (예를 들면, 라이너, 플러그 포장 또는 티핑지)와 같은 지지체에 또는 그 위에 병합될 수 있다. 개질된 활성탄소 또한 궐련 필터의 중공부에 삽입된 약하게 또는 강하게 접힌 종이와 같은 지지체 상에 적재될 수 있다. 지지체는 바람직하기는 크레이프지, 필터 종이 또는 티핑지와 같은 시트 재료의 형태이다. 그러나, 유기 또는 무기 궐련 양립성 재료와 같은 다른 적합한 지지체 재료 또한 사용될 수 있다.
도 6은 담배 로드(4), 필터 영역(6) 및 마우스 필터 플러그(8)를 가지는 궐련(2)를 나타낸다. 개질된 활성탄소 입자는 필터 영역(6)의 부분을 형성하는 자유-흐름 슬리브(12)의 내부와 같은 중공부에 삽입된 접힌 종이(10)에 적재될 수 있다. 종이(10)는 접힌 시트와 다른 형태로 사용될 수 있다. 예를 들면, 종이(10)는 하나 이상의 개개의 스트립, 감긴 롤 등으로 배치될 수 있다. 어떠한 형태에서든,개질된 활성탄소 입자의 원하는 양이, 필터에서 종이의 단위면적 당 코팅된 개질된 활성탄소의 양 및/또는 필터에 적용된 코팅된 종이의 총면적을 조절하는 것에 의해 궐련 필터 영역에 제공될 수 있다(예를 들면, 더 많은 양의 표면-개질 흡착제가 더 큰 조각의 코팅된 종이를 사용함에 의해 간단히 제공될 수 있다). 도 6에 나타난 궐련 에서, 필터 영역(6)은 필터 겉포장지(11)에 의해 함께 유지될 수 있고, 새어나가지 않을 수 있고, 담배 로드(4) 및 필터 영역(6)은 티핑지(14)로 함께 결합될 수 있다.
개질된 활성탄소는 여러 방법으로 필터 종이에 병합될 수 있다. 예를 들면, 개질된 활성탄소는 슬러리 형성을 위해 물과 혼합될 수 있다. 그러고 나서 슬러리는 예비-형성된 필터 종이에 코팅되고 건조된다. 필터 종이는 도 6에 나타낸 방법에서 궐련의 필터 영역에 병합될 수 있다. 대체적으로, 개질된 활성탄소를 포함한 건조된 종이는 플러그 모양으로 포장될 수 있고 궐련의 필터 영역으로 삽입될 수 있다. 예를 들면 종이는 플러그 모양으로 포장될 수 있고 폴리프로필렌 또는 셀룰로오스 아세테이트 슬리브와 같은 자유-흐름 필터 요소의 내부에 플러그로 삽입될 수 있다. 다른 장치에서, 종이는 자유-흐름 필터 요소와 같은 내부 라이너를 포함할 수 있다.
개질된 활성탄소는 필터-제조 공정동안 필터 종이에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 개질된 활성탄소는 벌크 셀룰로오스와 함께 혼합되어 셀룰로오스 펄프 혼합물 형성할 수 있다. 그리고 나서 혼합물은 필터 종이에 형성될 수 있다.
개질된 활성탄소는 궐련 필터의 중공부에 병합될 수 있다. 예를 들면, 몇몇의 궐련 필터는 플러그/공간/플러그 배열을 가지는데, 여기서 플러그는 섬유성 필터 재료(예를 들면, 폴리프로필렌 또는 셀룰로오스 아세테이트 섬유)를 포함하고 공간은 단순히 두 개의 필터 플러그 사이의 공극(void)이다. 이 공극은 개질된 활성탄소로 채워질 수 있다. 개질된 활성탄소는 과립 형태로 사용될 수 있고, 섬유 또는 실과 같은 적절한 지지체에 적재될 수 있다(예를 들면, 개질된 활성탄소는 셀룰로오스 아세테이트 토우 재료의 플러그에 병합될 수 있다).
도 7은 담배 로드(4) 및 마우스피스 필터(8), 플러그(16), 및 공간(18)을 가지는 플러그/공간/플러그 필터 형태의 필터 영역(6)으로 이루어진 궐련(2)를 나타낸다. 플러그는 폴리프로필렌 또는 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 같은 재료의 고체 조각 또는 튜브를 포함할 수 있다. 담배 로드(4) 및 필터 영역(6)은 티핑지(14)로 함께 결합된다. 필터 영역(6)은 필터 겉포장지(11)을 포함할 수 있다. 개질된 활성탄소 입자는 필터 겉포장지(11) 안에 및/또는 필터 겉포장지(11) 그 위에 코팅됨에 의해 병합될 수 있다. 대체적으로, 개질된 활성탄소 입자는 마우스피스 필터(8)에, 플러그 (16)에 및/또는 공간(18)에 병합될 수 있다. 더욱이, 개질된 활성탄소는 궐련의 필터 영역의 어느 요소에 병합될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 개질된 활성탄소는 그 전체가 참조로서 여기에 병합되는 미국 특허 제 5,692,525에 기재된 것과 같은 흡연 장치와 사용하기 위한 궐련의 필터 영역에 쓰인다. 도 8은 전기적 흡연 장치와 함께 쓰일 수 있는 궐련(100)의 구조의 한 유형을 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 궐련(100)은 티핑지(64)에 의해 결합된 담배 로드(60) 및 필터 영역(62)을 포함한다. 필터 영역(62)은 바람직하게 관형 자유-흐름 필터 요소(102) 및 마우스피스 필터 플러그(104)를 포함한다. 자유-흐름 필터 요소(102) 및 마우스피스 필터 플러그(104)는 플러그 포장(112)으로 연결된 플러그(110)로서 함께 결합될 수 있다. 담배 로드(60)는 다음의 아이템의 하나 이상이 병합된 다양한 형태를 가질 수 있다: 포장지(71), 또다른 관형 자유 흐 름 필터 요소(74), 바람직하게 플러그 포장(84)으로 포장된 원통형 담배 플러그(80), 기본 편물(68) 및 담배 풍미 재료(70)을 포함하는 담배 편물(66) 및 공극 공간(91). 자유-흐름 필터 요소(74)는 담배 로드(60)의 잘라낸(tipped) 말단(72)에 구조적 정의 및 지지체를 제공한다. 담배 로드(60)의 자유 말단(78)에서, 겉포장지(71)와 함께 담배 편물(66)은 원통형 담배 플러그(80) 주변을 포장한다. 개질된 활성탄소를 병합하는 궐련과 같은 필터 배열을 위해 다양한 개질을 만들 수 있다.
이와 같은 궐련에서, 개질된 활성탄소는 종이나 상기 관형 자유-흐름 필터 요소(102)의 통로에 맞는 다른 기질 재료상에 적재되는 것과 같은 다양한 방법으로 병합될 수 있다. 개질된 활성탄소는 또한 관형 자유-흐름 필터 요소(102)의 내부에 라이너 또는 플러그로서 배치될 수 있다. 대체적으로, 또는 추가로, 개질된 활성탄소는 관형 자유-흐름 필터 요소(102) 자체의 섬유 벽 부분에 병합될 수 있다. 예를 들면, 관형 자유-흐름 필터 요소 또는 슬리브(102)는 폴리프로필렌 또는 셀룰로오스 아세테이트 섬유와 같은 적절한 재료들로 만들어질 수 있고, 개질된 활성탄소는 슬리브 형성 공정의 부분으로서 또는 그전에 그러한 섬유와 함께 혼합될 수 있다.
개질된 활성탄소는 요소(102) 대신에 마우스피스 필터 플러그(104)로 병합될 수 있다. 그러나, 이전에 기재한 구현예에 따라, 개질된 활성탄소는 마우스피스 필터 플러그(104)로 및 관형 자유-흐름 필터 요소(102)로 병합되는 것과 같이 그러한 필터 영역의 하나 이상의 성분에 병합될 수 있다. 도 8의 필터 영역(62)은 개질된 활성탄소 입자가 삽입될 수 있는 개질된 활성탄소 입자에 공극 공간을 형성하도록 개조될 수 있다.
위의 설명과 같이, 개질된 활성탄소는 다양한 지지체 재료에 병합될 수 있다. 개질된 활성탄소 입자가 필터 종이에 사용될 때, 입자는 10μm 내지 100μm, 바람직하게 30μm 내지 80μm의 평균 입자 크기를 갖는다. 표면-개질된흡착제가 필터 섬유 또는 다른 기계적 지지체에 사용될 때, 더 큰 입자가 사용될 수 있다. 그러한 입자는 바람직하기는 10 내지 70, 더 바람직하기는 20 내지 50 메쉬의 크기를 갖는다.
필터 종이 및/또는 필터 섬유와 같은 적합한 지지체에 병합하는 방법으로서 궐련 필터에 사용된 개질된 활성탄소의 양은 담배 연기에서 구성요소의 양 및 제거되기에 바람직한 구성요소의 양에 따른다. 예로서, 필터 종이 및 필터 섬유는 개질된 활성탄소 입자의 10 중량% 내지 50 중량%로 포함될 수 있다.
바람직한 구현예가 기재된 반면, 본 분야의 당업자에게 이해되는 바와 같이 변화와 개질이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 이러한 변화와 개질은 본 명세서에 첨부된 청구항의 범위 및 영역 내로 간주된다.
위에서 언급한 모든 참고는 만약 각각의 참고가 특이적으로 및 개별적으로 그 전체에서 참고에 의해 여기에 병합된다고 나타낸 바와 같은 정도로 이들 전체에서 참고에 의해 여기에 병합되었다.

Claims (7)

  1. 개질된 활성탄소의 제조방법으로, 상기 개질된 활성탄소는 활성 탄소 기재 및 상기 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 형성된 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 포함하고, 상기 방법은:
    (i) 활성 탄소 기재를 제공하고;
    (ii) 활성 탄소 기재를 전-처리하여 실질적으로 친수성인 활성 탄소 기재의 노출된 표면을 만들고;
    (iii) 활성 탄소 기재를 탄소 전구체로 코팅하여 코팅된 활성 탄소 기재를 형성하고; 그리고
    (iv) 코팅된 활성 탄소 기재를 탄소 전구체가 탄화되기에 충분한 온도에서 가열하여 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 형성하는 것을 포함하는 것인 방법.
  2. 활성 탄소 기재 및 상기 활성 탄소 기재의 노출된 표면에 형성된 균일한 다공성 탄소 멤브레인을 포함하는 개질된 활성탄소.
  3. 제2항에 있어서, 상기 개질된 활성탄소는 비즈, 과립 또는 섬유의 형태인 개질된 활성탄소.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탄소 멤브레인은 상기 활성 탄소 기재의 약 1 중량% 내지 150 중량%로 포함되는 것인 개질된 활성탄소.
  5. 제2항에 있어서, 상기 탄소 멤브레인은 상기 활성 탄소 기재의 약 20 중량% 내지 80 중량%로 포함되는 것인 개질된 활성탄소.
  6. 제2항에 있어서, 상기 탄소 멤브레인은 상기 활성 탄소 기재의 표면 다공성과 최소한 10% 다른 표면 다공성을 갖는 것인 개질된 활성탄소.
  7. 제1항에 따라 제조된 개질된 활성탄소 입자를 포함하는 궐련으로, 여기서 상기 개질된 활성탄소 입자는 담배 절단 필러에 분산되고 및/또는 궐련의 필터 요소에 위치되는 것인 궐련.
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