Подробное руководство по вейпингу. Часть 1

Это первая публикация Роберто Сассмана из целой серии, описывающих принцип работы вейпов, аэрозоля, который они генерируют, их свойства, оптимальный режим работы, условия перегрева и драйхита, а также сравнение с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, действуют и как могут тестироваться аэрозоли для электронных сигарет, дает знания, необходимые для понимания того, насколько приятно их использовать, насколько они токсичны и насколько безопасны по отношению к табачному дыму, другим аэрозолям и загрязняющим веществам.

Эти знания (представленные без ненужных технических подробностей) укрепляют нашу уверенность в роли вейпинга в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

Часть 1

«Вред от курения возникает не из-за никотина, а из-за его вредного средства доставки: табачного дыма» (Майкл Рассел). Вейпинг заменяет это вредное средство тем, что мы в разговорной речи называем «паром» — vapor (отсюда и vaping — «вейпинг»), хотя мы знаем, что это на самом деле не пар, а «аэрозоль», который следует противопоставлять «дыму» (другому аэрозолю), который выделяется сигаретами.

Однако определение «аэрозоль» охватывает многие вещества и явления, включая табачный дым. Причем различия между аэрозолями отчетливо отражаются в процессах их образования и в их свойствах.

В этой публикации объясняем аэрозоли вейпа как один из типов аэрозолей «жидкой фазы», ​​образующихся в результате двух фазовых переходов (испарения и конденсации) при нагревании жидкости при обычном кипении. Аэрозоли вейпа аналогичны знакомому аэрозолю, который образуется в носике чайника, когда мы кипятим воду.

Однако жидкости для электронных сигарет химически сложнее воды, поэтому наряду с этими фазовыми переходами процесс нагревания с образованием аэрозолей для вейпа включает низкоэнергетические реакции, в результате которых образуются побочные продукты, которые (в нормальных условиях) появляются в незначительных количествах.

Что такое аэрозоль?

Сначала нам понадобится следующее краткое определение:

И вейп-аэрозоли, и табачный дым полностью соответствуют этому определению. Хотя, строго говоря, термин «табачный дым» обозначает три родственных, но различных аэрозоля.

Помимо выбросов вейпа и табачного дыма, существует множество аэрозолей, как природных, так и созданных человеком. Под определение «аэрозоль» подпадает множество явлений: облака, туман, смог, загрязнение воздуха, выхлопные газы автомобилей, дым из труб, песчаные бури, извержения вулканов, бытовые аэрозоли, дезодоранты, свечи, приготовление пищи, пар из чайника, в душе, сауне и т. д.

Примеры аэрозолей

То, что отличает один аэрозоль от другого, — это тип частиц (твердые или жидкие, химический состав, количество, размеры) и тип газовой среды (обычно газовые смеси). Сначала описываем образование аэрозолей в чайнике, как упрощенный аналог аэрозолей вейпа.

Испарение и кипение

Аэрозоли образуются в результате многих физико-химических процессов. Простым примером является аэрозоль, воспринимаемый как видимое облако, появляющееся из чайника при кипячении воды. Этот аэрозоль образуется в результате различных процессов, он не возникает мгновенно и изначально не охватывает весь объем воды в чайнике.

Первый процесс — «нормальное кипение». По мере того, как нагревательный элемент чайника подает тепло, образуются маленькие пузырьки воздуха. По мере того, как подается больше тепла, пузырение становится более интенсивным, молекулы воды в жидкости получают достаточно энергии, чтобы образовать более крупные пузырьки, заполненные водяным паром (вода в газообразном состоянии) вокруг пузырьков воздуха. Испарение происходит, когда пузырьки на поверхности жидкости лопаются, выпуская водяной пар.

По мере поступления большего количества тепла (энергии) температура воды стабилизируется на уровне 100°C, температуре кипения при атмосферном давлении на уровне моря, при этом поставляемая энергия используется для испарения воды (образования водяного пара) с постоянной скоростью. В этот момент можно сказать, что вода находится в состоянии нормального кипения, при этом давление воды уравновешивает давление пара, содержащегося в окружающем воздухе.

Обычно электрические чайники автоматически выключаются (или мы их выключаем) в начале нормального кипения задолго до того, как вся вода испарится. Для приготовления чашки чая нам нужно только, чтобы вода достигла точки кипения (мы не пьем водяной пар). Тем не менее, как только вода достигла точки кипения, образовалось достаточное количество пара, смешанного с воздухом, давление и температура которого превышают давление и температуру окружающего воздуха.

Если подается больше тепла, температура нагревательного элемента в конечном итоге превышает температуру кипения, переходя в стадию, известную как «пузырьковое кипение». Образуется больше пара, но уже не в устойчивом темпе, пузырьки становятся нестабильными, сливаются и группируются в более крупные (пузырьковое зарождение).

Дальнейшая подача тепла приводит к быстрому повышению температуры нагревательного элемента и постепенному слиянию пузырьков, пока они не образуют изолирующую пленку, окружающую нагревательный элемент с паром, который улавливает и сохраняет тепло. Эта стадия называется «пленочное кипение», и все может стать нестабильным.

При приготовлении чая мы отключаем электропитание, чтобы поддерживать «естественное кипение» и не допускать пузырькового кипения и далее, производя лишь достаточное испарение для достижения температуры кипения.

Приятное парение ЭСДН также требует поддержания условий «нормального кипения», которые в значительной степени зависят от тонкого баланса между подаваемой мощностью и способностью отводить и охлаждать достаточное количество паров жидкости для образования аэрозоля (мы рассмотрим это подробнее в следующем части).

Жидкофазные аэрозоли

При нормальном кипении внутри ёмкости будет находиться достаточное количество пара, смешанного с воздухом, давление и температура которого выше, чем внешнее давление и температура.

Эта разница давлений создает движущую силу (конвективный градиент давления) в смеси воздуха и пара вблизи носика чайника, выбрасывая горячий водяной пар, смешанный с воздухом, в более холодный внешний воздух.

Когда газ (водяной пар, смешанный с воздухом) вытесняется наружу, он охлаждается и конденсируется. Термин «конденсация» означает противоположность испарению: то же самое вещество (вода) переходит из газа в жидкость.

В описываемом нами случае это мельчайшие частички водяного пара (молекулы газа), которые объединяются и образуют микроскопические капли жидкости, которые движутся по тому же пару. Образовался аэрозоль!

Этот процесс образования аэрозоля известен как «зародышевая конденсация». Облако, выходящее из носика чайника, является видимым проявлением аэрозоля, «частицами» которого являются жидкость (капли воды), а «газообразной средой» — водяной пар, смешанный с воздухом.

Как так получается, что мы видим облако, но обычно не видим воздух (который прозрачен)? Чистый водяной пар (или любой чистый газ) невидим, то есть он полностью прозрачен, но теперь у нас есть водяной пар, смешанный с воздухом, переносящий миллионы крошечных микроскопических капель воды.

Для этого аэрозоля на основе жидкости капли имеют сферическую форму и диаметр около 1/1000 миллиметра. Эти миллионы капель воды достаточно многочисленны и достаточно малы, чтобы преломлять и рассеивать свет, поэтому мы видим их вместе как облако.

Можно сказать, что вейп — это своего рода мини-чайник, поскольку:

• И вейп, и чайник нагревают и испаряют жидкости с помощью электрической энергии, подаваемой в виде тепла на нагревательный элемент.
• Аэрозоль, образующийся при парении, образуется очень похожим образом, как и аэрозоль в чайнике, и имеет такие же свойства, как и водный аэрозоль, образующийся в чайнике.

Однако вместо воды в вейпах кипит и испаряется смесь жидкости, состоящая из двух растворителей: пропиленгликоля (PG) и глицерина или растительного глицерина (VG), никотина и ароматизаторов (плюс загрязняющие вещества в следовых количествах).

Температура кипения различна для каждой смеси жидкостей и составляет от 180°C для чистого PG до 288°C для чистого VG, с промежуточными значениями в диапазоне от 180°C до 288°C для различных компонентов смеси. Выброс пара от жидкости также обусловлен градиентом давления, но теперь он возникает и управляется затяжкой пользователя.

Как и в случае с чайником:

• Пар (теперь пар жидкости для электронной сигареты) почти мгновенно переносится потоком воздуха, вдыхаемого пользователем, смешивается с воздухом, охлаждается и конденсируется.
• Капли жидкости образуются путем зародышевой конденсации и переносятся вдыхаемым потоком: образуется аэрозоль.
• «Частицы» представляют собой капли жидкости, состоящие из тех же соединений, что и жидкость, а газообразная среда представляет собой смесь паров жидкости и воздуха.
• Конденсация пара для образования аэрозоля происходит локально, вовлекая жидкость вокруг фитиля в спирали, так же как аэрозоль в чайнике образуется только локально в носике чайника.

Однако:

• Мы не видим облако, потому что аэрозоль полностью вдыхается, мы видим облако, когда он выдыхается.
• Аналогия с аэрозолем из чайника более точна в отношении выдыхаемого в окружающей среде аэрозоля вейпа, который представляет собой разбавленную версию вдыхаемого аэрозоля, поскольку пользователи сохраняют большую часть вдыхаемой аэрозольной массы (включая никотин).

Термин «фаза» в определении аэрозоля относится к одному из трех состояний, в которых существуют термические вещества: жидкое, паровое (или газообразное) и твердое. Аэрозоли вейпа и чайника, в таком случае, являются веществами, которые содержат в себе две фазы: газовую фазу и жидкую фазу, поскольку частицы представляют собой жидкие капли.

Фазы вещества могут изменяться при изменении температуры и давления. Образование аэрозоля вейпа включало только эти два фазовых изменения:

• Испарение: жидкость в газ.
• Конденсация: газ в жидкость.

вместе с очень низкоэнергетическими химическими реакциями, вызванными процессом нагрева, которые генерируют следовые уровни побочных продуктов. Образование многих других аэрозолей (например, дымов) гораздо сложнее, включая несколько фазовых переходов, таких как сублимация (твердое тело в газ), а также многочисленные очень энергичные химические реакции.

Аэрозоли для вейпа и их побочные продукты

Аналогия между чайником и аэрозолями для вейпинга концептуально полезна, но у нее есть очевидные ограничения, в основном потому, что смеси жидкостей химически сложнее воды и состоят как минимум из трех основных соединений (пропиленгликоля, глицерина, никотина), а также десятков ароматизаторов и следов загрязняющих веществ.

После образования аэрозоля распределение каждого соединения в газообразной или дисперсной фазах (фазовое распределение) зависит от условий испарения и конденсации, которые являются более сложными, чем для отдельных соединений. В частности, именно летучесть (способность к испарению) в основном определяет фазовое распределение каждого соединения.

При его образовании аэрозоль достигает фазового разделения для каждого химического вещества. Поскольку PG является более легкой и очень летучей молекулой, он имеет тенденцию находиться в газовой фазе, а более тяжелый и менее летучий VG имеет тенденцию находиться в каплях, в то время как летучесть никотина варьируется в зависимости от его вида, а также зависит от PH (кислотности) жидкости, поэтому его фазовое разделение может быть очень разнообразным и сложным.

Некоторые ароматизирующие соединения переходят из жидкости в аэрозоль в неизмененном виде, но большинство разлагается с образованием побочных продуктов, которые присоединяются к побочным продуктам, образующимся из PG и VG в процессе нагревания.

По мере того, как аэрозоль переходит из стадии образования в дыхательные пути, больше не происходит подачи тепла, поэтому происходят только фазовые изменения, которые изменяют распределение фаз и размеры капель посредством других физических аэрозольных процессов, эффекты которых зависят от размеров частиц и химического состава (коагуляция, зародышеобразование, импакция, гравитационное осаждение, диффузия).

Химический состав аэрозоля почти такой же, как у жидкости, но в процессе нагрева в него добавляются новые соединения (от 80 до 150) в качестве побочных продуктов, образующихся в результате зависящих от температуры химических реакций, известных как термическая деградация (или низкоэнергетический пиролиз), в ходе которых более крупные молекулы распадаются на более мелкие.

Термическое разложение пропиленгликоля и глицерина

Эти реакции в основном разлагают PG, VG и ароматизаторы на химикаты, известные как альдегиды, которые довольно летучи и, таким образом, появляются в основном в газовой фазе. Но поскольку эти реакции неэффективны при температурах образования аэрозоля в нормальных условиях, близких к точке кипения жидкости (180-288 °C), их побочные продукты появляются в аэрозоле в ничтожно малых следовых концентрациях.

При нормальных условиях парения (которые будут обсуждаться в следующей части) большинство из 80–150 побочных продуктов реакций термической деградации появляются в незначительных количествах, едва превышающих пределы обнаружения или количественного определения.

Среди этих побочных продуктов наиболее распространенными (или, скорее, менее значительными) и наиболее часто обнаруживаемыми альдегидами являются формальдегид, ацетальдегид, акролеин, причем, как правило, наибольший выход дает формальдегид.

В большинстве исследований выбросов (при нормальных условиях) сообщается о значениях для каждого из этих альдегидов ниже 1 микрограмма или 0,001 миллиграмма на затяжку (1 микрограмм равен одной миллионной части грамма), что значительно ниже показателей тех же соединений, обнаруженных в дыме сигарет, используемых в лабораторных испытаниях: 7,5–12,5 мг/затяжка (формальдегид), 50–150 мг/затяжка (ацетальдегид), 7,5–15 мг/затяжка (акролеин).

Обнаружение 10 микрограммов формальдегида на затяжку в ходе лабораторных испытаний на выбросы уже является признаком проблемного тестирования: либо устаревшие устройства с «верхней спиралью», либо затяжка машины граничит с чрезмерной подачей мощности.

Около 2015 года несколько исследований сообщили о уровнях альдегидов свыше 300 мг на затяжку, что намного превышает уровни в табачном дыме. Однако повторение этих исследований Фарсалиносом и коллегами показало, что такие высокие уровни были получены в экстремальных ненормальных условиях парения (при сухой затяжке, «драйхите»), создавая аэрозоль, который отталкивал бы пользователей.

Что дальше?

Нам нужно объяснить, что такое «нормальные условия» для парения. Генерация аэрозолей парения включает в себя различные тепловые процессы обмена энергией и баланса. Следовательно, устройства должны работать в определенных диапазонах параметров (подаваемая мощность, поток вдыхаемого воздуха, сопротивление спирали, соотношение PG/VG, тип и концентрация никотина), которые позволяют этим процессам эффективно разворачиваться. Эти параметры определяют оптимальный режим, который можно протестировать в лаборатории, с рядом вероятных результатов, возникающих при работе устройств за пределами этих диапазонов.

Источник | robertosussman.substack.com
Фото | Image by diana.grytsku on Freepik