کاربرد گرافن در فیلتر سیگار

در این بخش به کاربرد گرافن در فیلتر سیگار می پردازیم:

یک سیگار در حال سوختن دود تولید می کند که یک آئروسل غلیظ پیچیده از ذرات مایع است که در فاز گازی معلق هستند و از اکسیژن اتمسفر، نیتروژن، مونوکسید کربن و دی اکسید کربن تولید شده از سیگار تشکیل شده است. این ذرات مایع در سطح زیر میکرون موجود در آئروسل، خود ترکیب پیچیده ای از ترکیبات متعددی هستند که از تقطیر، تجزیه در اثر حرارت و احتراق تنباکو تولید می شوند. بنابراین، ترکیبات شیمیایی موجود در دود سیگار یا به فاز آئروسل متصل هستند یا در فاز گاز آزاد هستند.

این ترکیبات تولید شده در حین سوزاندن تنباکو یا مستقیماً در دود تقطیر می شوند یا در بین آن ها واکنش نشان می دهند. سپس محصولات واکنش حاصل از چنین واکنش های شیمیایی در دود تقطیر می شوند. بیش از 7000 ترکیب مختلف در دود سیگار وجود دارد. بسیاری از ترکیبات موجود در دود سیگار سمی هستند و خطرات زیادی برای سلامتی دارند. خطرات عمده سیگار کشیدن برای سلامتی شامل اختلالات مربوط به دستگاه تنفسی و خطر قلبی عروقی است.

مطالعات نشان داده است که بوتادین مهمترین عامل سرطان زا در دود سیگار است. آکرولئین و استالیدئید مسئول ایجاد بیشترین خطر اختلالات مربوط به دستگاه تنفسی هستند. خطر قلبی عروقی در درجه اول به دلیل سیانید، آرسنیک و کرزول است. سایر ترکیبات شیمیایی که دارای خطر قابل توجهی برای سلامتی هستند عبارتند از نیتروس آمینها و هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای. از این رو از سال 1950 به بعد برای کاهش آسیب های سیگار موادی تحت عنوان فیلتر سیگار تولید شده و به عنوان جزئی از سیگار به بازار عرضه شدند.

فیلتر سیگار و کاربردهای آن

فیلترهای سیگار دستگاه های استوانه ای کوچکی هستند که از استات سلولز ساخته شده اند و به انتهای سیگار متصل می شوند. هدف اصلی فیلترهای سیگار کاهش قطران، نیکوتین و سایر مواد شیمیایی مضری است که افراد سیگاری هنگام سیگار کشیدن استنشاق می کنند. فیلترها با به دام انداختن برخی از این مواد در حین عبور از سیگار عمل می کند که می تواند به کاهش خطر مشکلات سلامتی مرتبط با سیگار کمک کند.

فیلترهای سیگار علاوه بر کاهش میزان مواد شیمیایی مضر استنشاق سیگاری ها می تواند به بهبود طعم و عطر سیگار نیز کمک کند. برخی از فیلترها برای حذف طعم ها یا بو های نامطبوع از دود تنباکو طراحی شده اند، در حالی که برخی دیگر برای تقویت طعم ها یا عطرهای خاص طراحی شده اند.

به طور کلی، فیلترهای سیگار ابزار مهمی برای کاهش خطرات سلامتی مرتبط با سیگار هستند. در حالی که آن ها همه مواد مضر موجود در دود تنباکو را از بین نمی برند، می توانند برای کاهش خطر و لذت بیشتر سیگار برای کسانی که سیگار را انتخاب می کنند کمک کند.

از این رو، نیاز به یک فیلتر مقرون به صرفه و قابل استفاده مجدد وجود دارد که ترکیبات شیمیایی سمی را از دود سیگار بدون از دست دادن یکپارچگی شیمیایی و ساختاری در طول کشیدن سیگار حذف کند و همچنین امکان عبور آسان دود را فراهم کند. همچنین نیاز به طراحی این فیلتر به گونه ای وجود دارد که استفاده از انواع درجه ها، کلاس ها یا مارک های محصولات دخانی را تسهیل کند. با این حال نیاز به فیلتر دود تنباکو مبتنی بر گرافن وجود دارد.

گرافن در فیلتر سیگار

برای سال‌های متمادی، کربن‌های فعال به‌دلیل مساحت وسیعی که دارند، به‌طور گسترده برای تصفیه آب و جذب گاز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اخیراً، نسل‌های جدیدی از ساختارهای کربنی که در مقیاس نانو ساخته شده‌اند، با مساحت‌های سطح نسبتاً بزرگ و دارای ویژگی‌های الکترونیکی و شیمیایی جدید، افق‌های جدیدی را برای دستیابی به جذب پیشرفته و کاربردهای جدید و پیچیده باز کرده‌اند. لذا ساختارهای کربنی شامل گرافن، اکسید گرافن، گریدهای مختلف گرافن عامل دار، فولرن، نانولوله های تک و چند جداره و ترکیبی از آنها برای استفاده در فیلتر سیگار مورد بررسی قرار گرفتند.

گرافن یک ماده بسیار متخلخل است و می تواند برای فیلتر کردن طیف وسیعی از مواد شیمیایی و ذرات مضر از جمله آمونیاک، فرمالدئید، نیکوتین، قطران و نیتروزامین ها، هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای، بوتادین، آکرولئین و استالدئید از دود سیگار استفاده شود. سطح بالای گرافن امکان جذب بیشتر این مواد شیمیایی را فراهم می کند و فیلتر را موثرتر می کند.

فیلترهای مبتنی بر گرافن موثرتر از فیلترهای سنتی ساخته شده از استات سلولز هستند که فقط ذرات بزرگتر را جذب می کنند و نه ذرات کوچکتر را که برای سلامتی مضر هستند. ساختار گرافن به آن اجازه می دهد تا مواد شیمیایی مضر را به دام بیاندازد و جذب کند، در حالی که اجازه می دهد هوا از آن عبور کند.

یکی از راه های استفاده از گرافن به عنوان فیلتر، ایجاد غشایی است که از چندین لایه ورقه های گرافن ساخته شده است. منافذ ورقه های گرافن به اندازه ای کوچک هستند که می توانند مولکول های قطران و نیکوتین را جذب کنند، در حالی که به گازها و ذرات دیگر اجازه عبور می دهند. این غشاء را می توان در فیلتر سیگار قرار داد و به طور موثر میزان مواد شیمیایی مضر استنشاق را کاهش داد.

روش دیگر استفاده از اکسید گرافن است که حتی منافذ کوچکتری نسبت به گرافن خالص دارد. اکسید گرافن را می توان روی سطح کاغذ سیگار پوشاند یا به خود تنباکو اضافه کرد. هنگامی که دود از کاغد یا تنباکو عبور می کند، اکسید گرافن مولکول های قطران و نیکوتین را قبل از رسیدن به ریه های فرد سیگاری به دام می اندازد.

همچنین گرافن ماده ای بسیار کارآمد برای فیلتر کردن هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای (PAHs) موجود در دود سیگار است. PAH ها گروهی از مواد شیمیایی هستند که هنگام سوزاندن مواد آلی، مانند تنباکو تشکیل می شوند. آن ها سرطان زا هستند و می توانند مشکلات جدی برای سلامتی ایجاد کنند. هنگامی که دود سیگار از فیلتر گرافن عبور می کند، مولکول های PAH به دلیل سطح بالای گرافن روی سطح آن به دام می افتند.

گرافن همچنین دارای نیروی واندروالسی قوی است که مولکول های PAH را جذب می کند و آن را به یک فیلتر موثر تبدیل می کند. علاوه بر این فیلترهای گرافنی می توانند سایر مواد شیمیایی مضر موجود در سیگار ماننند مونو اکسید کربن را نیز حذف کنند.

همچنین عامل دار کردن لایه های گرافنی با گروه های عاملی مانند -CHO، -C=0، -COOH، -OH، و غیره سبب جذب عالی ترکیبات آلی می شود. این توانایی گرافن برای فیلتر کردن اجزای مختلف سمی از دود سیگار استفاده می شود.

به طور کلی، استفاده از گرافن به عنوان فیلتری برای دود سیگار این پتانسیل را دارد که به طور قابل توجهی خطرات سلامتی مرتبط با سیگار را کاهش داده و کیفیت هوا را بهبود بخشد. با این حال، تحقیقات بیشتری برای تعیین اثربخشی و امکان سنجی این رویکرد مورد نیاز است.

منبع:

https://patents.google.com/patent/WO2017187453A1/en