Пост 1.
Понимание вейп аэрозолей

Источник

Резюме

Это первый пост из серии постов, описывающих принцип работы вейпов, генерируемый ими аэрозоль, его свойства, оптимальный режим работы, условия перегрева и сухие затяжки, а также сравнения с табачным дымом и другими аэрозолями.

Понимание того, как образуются, работают и могут быть протестированы аэрозоли вейпов, позволяет понять, насколько приятным является их использование, какова их токсичность и относительная безопасность по отношению к табачному дыму и другим аэрозолям и загрязнителям.

Эти знания (представленные без излишних техницизмов) укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.

И так, Пост 1:

Вред от курения связан не с никотином, а с его вредным средством доставки — табачным дымом (Майкл Рассел). Вейпинг заменяет это вредное средство доставки тем, что мы в просторечии называем «паром» (отсюда и «вейп»), хотя мы знаем, что на самом деле это не пар, а «аэрозоль», который можно противопоставить «дыму» (другому аэрозолю), образующемуся при курении сигарет.

Однако определение «аэрозоль» охватывает множество веществ и явлений, включая табачный дым, при этом различия между аэрозолями четко отражаются в процессах их образования и в их свойствах.

В этом посте я объясняю вейп-аэрозоли как один из видов «жидкофазных» аэрозолей, образующихся в результате двух фазовых изменений (испарения и конденсации) при нагревании жидкости в условиях обычного кипения. Аэрозоли для вейпа аналогичны знакомому аэрозолю, который образуется в носике чайника, когда мы кипятим воду для чая.

Однако электронные жидкости химически сложнее воды, поэтому наряду с этими фазовыми изменениями в процессе нагревания, образующем аэрозоли для вейпа, участвуют низкоэнергетические реакции, в результате которых образуются побочные продукты, которые (при нормальных условиях) появляются в ничтожных количествах.

Что такое аэрозоль?

Для начала нам понадобится следующее краткое определение:

• АЭРОЗОЛЬ (определение): субстрат из микроскопических частиц (твердая фаза), взвешенных и перемещаемых газообразной средой (газовая фаза).

И аэрозоли вейпа, и табачный дым полностью соответствуют этому определению, хотя, строго говоря, термин «табачный дым» обозначает три родственных, но разных аэрозоля.

Помимо вейп-эмиссии и табачного дыма, существует множество аэрозолей, как природных, так и созданных человеком. Самые разные явления соответствуют определению «аэрозоль»: облака, туман, смог, загрязнение воздуха, автомобильные выхлопы, дым из труб, песчаные бури, извержения вулканов, бытовые спреи, одоризаторы, свечи, приготовление пищи, «пар», выходящий из чайника, в душе, сауне и т. д.

Что отличает один аэрозоль от другого, так это тип частиц (твердые/жидкие, химический состав, количество, размеры) и тип газовой среды (как правило, газовые смеси). Сначала я опишу образование аэрозолей в чайнике в качестве упрощенного примера аэрозолей вейпа.

Испарение и кипение

Аэрозоли образуются в результате многих физико-химических процессов. Простой пример — аэрозоль, воспринимаемый как видимое облако, вытекающее из электрического чайника при кипячении воды для чая. Этот аэрозоль образуется в результате различных процессов, он не является мгновенным и не затрагивает изначально весь объем воды в чайнике.

Первый процесс — это «обычное кипячение». При подаче тепла от нагревательного элемента чайника (металлического сопротивления) образуются мелкие пузырьки воздуха. По мере подачи тепла бульканье становится все более интенсивным, молекулы воды в жидкости получают достаточно энергии для образования более крупных пузырьков, наполненных водяным паром (вода в газообразном состоянии) вокруг пузырьков воздуха. Испарение происходит, когда пузырьки на поверхности жидкости лопаются, выпуская водяной пар.

По мере поступления тепла (энергии) температура воды стабилизируется на уровне 100 °C — температуры точки кипения при атмосферном давлении на уровне моря, а поступающая энергия расходуется на испарение воды (образование водяного пара) с постоянной скоростью. В этот момент можно сказать, что вода находится в состоянии нормального кипения, а давление воды уравновешивает давление паров, содержащихся в окружающем воздухе.

Обычно чайники автоматически выключаются (или мы их выключаем) при наступлении нормального кипения задолго до того, как вся вода испарится. Для чашки чая нам достаточно, 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 подвести больше тепла, то температура спирали в конечном итоге превысит температуру кипения, перейдя в стадию, известную как «зародышевое кипение». Пара образуется все больше, но уже не в постоянном темпе, пузырьки становятся нестабильными, сливаются и объединяются в более крупные (зарождение пузырьков).

Дальнейшая подача тепла приводит к быстрому повышению температуры спирали и постепенной коалесценции пузырьков, пока они не образуют изолирующую пленку, окружающую нагревательный элемент с паром, который задерживает и сохраняет тепло. Эта стадия называется «пленочным кипячением», и процесс может стать нестабильным и беспорядочным.

Когда мы готовим чай, мы выключаем питание, чтобы оставаться в состоянии «естественного кипения» и не переходить к нуклеиновому кипению и далее, производя только достаточное испарение для достижения температуры кипения.

Для приятного вейпинга также необходимо оставаться в условиях «нормального кипения», которые сильно зависят от тонкого баланса между подаваемой мощностью и способностью отводить и охлаждать достаточное количество паров электронной жидкости для образования аэрозоля (мы рассмотрим это подробнее в следующем посте).

Аэрозоли в жидкой фазе

При обычном кипении внутри чайника образуется достаточное количество пара, смешанного с воздухом, давление и температура которого больше, чем давление и температура снаружи.

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

По мере того как газ (водяной пар, смешанный с воздухом) выводится наружу, он охлаждается и конденсируется. Термин «конденсация» означает противоположность испарению: одно и то же вещество (вода) переходит из газообразного состояния в жидкое.

В описываемом нами случае крошечные части водяного пара (молекулы газа) объединяются и образуют микроскопические капельки жидкости, которые движутся вместе с паром. Образовался аэрозоль. !!!

Этот процесс образования аэрозоля известен как «нуклеированная конденсация». Облако, выходящее из носика чайника, — это видимое проявление аэрозоля, «частицами» которого являются жидкость (капельки воды), а «газообразной средой» — водяной пар, смешанный с воздухом.

Почему мы видим облако, но обычно не видим воздух (который прозрачен)? Чистый водяной пар (или любой другой чистый газ) невидим, то есть полностью прозрачен, но сейчас мы имеем водяной пар, смешанный с воздухом, который переносит миллионы крошечных микроскопических капелек воды.

В этом аэрозоле на основе жидкости капельки имеют сферическую форму и диаметр около 1/1000 миллиметра. Эти миллионы капелек воды достаточно многочисленны и малы, чтобы отклонять и рассеивать свет, поэтому мы видим их в совокупности как облако.

Можно сказать, что вейп — это что-то вроде мини-чайника, поскольку:

• И вейп, и чайник нагревают и испаряют жидкости за счет электрической энергии, подаваемой в виде тепла на спираль.
• Аэрозоль при вейпинге образуется аналогично аэрозолю из чайника и обладает теми же свойствами, что и водяной аэрозоль, образующийся в чайнике,

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

Температура кипения различна для каждой смеси электронных жидкостей: 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. Вытекание паров электронной жидкости также происходит под действием градиента давления, но теперь оно исходит от вдыхаемого пользователем воздуха.

Как и в случае с чайником:

• пар (теперь это пар электронной жидкости) почти мгновенно переносится потоком воздуха, вдыхаемого пользователем, смешивается с воздухом, охлаждается и конденсируется
• капли жидкости образуются в результате нуклеированной конденсации и переносятся вдыхаемым потоком: образуется аэрозоль
• частицы» — это капли жидкости, состоящие из тех же соединений, что и жидкость, а газообразная среда — это смесь паров электронной жидкости и воздуха.
• конденсация паров для образования аэрозоля происходит локально, с участием электронной жидкости вокруг хлопкового 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 аэрозоля из окружающей среды vape, который является разбавленной версией вдыхаемого аэрозоля, поскольку пользователи сохраняют большую часть массы вдыхаемого аэрозоля (включая никотин).

Термин «фаза» в определении аэрозоля относится к одному из трех состояний, в которых находятся тепловые вещества: жидкость, пар (или газ) и твердое тело. Аэрозоли для вейпа и чайника — это вещества, содержащие в себе две фазы: газовую и жидкую, поскольку частицы представляют собой капли жидкости.

Фазы вещества могут меняться при изменении температуры и давления. При образовании вейп-аэрозоля происходят только эти два изменения фаз:

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

Вместе с очень низкоэнергетическими химическими реакциями, вызванными процессом нагревания, которые генерируют следовые уровни побочных продуктов. Образование многих других аэрозолей (например, дыма) гораздо сложнее, оно включает в себя несколько фазовых изменений, таких как сублимация (твердое вещество в газ), а также множество очень энергичных химических реакций.

Аэрозоли для вейпа и их побочные продукты

Аналогия между аэрозолями из чайника и вейпингом концептуально полезна, но имеет очевидные ограничения, главным образом потому, что смеси электронных жидкостей химически сложнее воды, состоят как минимум из трех основных соединений (PG, VG, никотин) плюс десятки вкусовых химикатов и следов загрязняющих веществ.

После образования аэрозоля распределение каждого соединения в газообразной или твердой фазе (фазовое разделение) 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 разделение каждого соединения.

При образовании аэрозоль достигает фазового разделения для каждого химического вещества. PG, будучи легкой и очень летучей молекулой, стремится находиться в газовой фазе, а более тяжелый и менее летучий VG — в капельках, в то время как летучесть никотина варьируется между солями никотина и основой, а также зависит от PH жидкости, поэтому его фазовое разделение может быть очень разнообразным и сложным.

Некоторые ароматические соединения переходят из жидкости в аэрозоль в неизменном виде, но большинство разлагаются как побочные продукты, которые присоединяются к побочным продуктам, образующимся из PG и VG в процессе нагревания.

Когда аэрозоль после образования попадает в дыхательные пути, тепло больше не поступает, поэтому происходят только изменения фазы, которые изменяют фазовое разделение и размеры капель с помощью других физических процессов в аэрозоле, влияние которых зависит от размеров частиц и химического состава (коагуляция, нуклеация, уплотнение, гравитационное оседание, диффузия).

Химический состав аэрозоля почти такой же, как у жидкости, но в процессе нагревания 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), при которой более крупные молекулы распадаются на более мелкие.

Эти реакции в основном разлагают PG, VG и ароматизаторы на химические вещества, известные как альдегиды, которые являются довольно летучими и поэтому появляются в основном в газовой фазе. Но поскольку эти реакции неэффективны при температурах образования аэрозоля в нормальных условиях, близких к температуре кипения электронной жидкости (180-288 °C), их побочные продукты появляются в аэрозоле в незначительных концентрациях.

При нормальных условиях вейпинга (о которых пойдет речь в следующем посте) большинство из 80-150 побочных продуктов реакций термической деградации появляются в ничтожных количествах, едва превышающих пределы обнаружения или количественного определения.

Среди этих побочных продуктов наиболее многочисленными (или, скорее, менее незначительными) и наиболее часто обнаруживаемыми альдегидами являются формальдегид, ацетальдегид, акролеин, причем наибольший выход обычно дает формальдегид.

Большинство исследований выбросов (при нормальных условиях) показывают значения для каждого из этих альдегидов менее 1 микрограмма или 0,001 миллиграмма на затяжку (1 микрограмм — одна часть в миллион граммов), что значительно ниже, чем у тех же соединений, обнаруженных в дыме сигарет, используемых в лабораторных тестах: 7,5-12,5 мг/затяжку (формальдегид), 50-150 мг/затяжку (ацетальдегид), 7,5-15 мг/затяжку (акролеин).

$\text{microgram}\mu \text{g}=\frac{\text{gram}}{1,000,000},\text{milligram}\text{mg}=\frac{\text{gram}}{1,000}=1000\times \mu \text{g},$

Обнаружение 10 микрограммов формальдегида на затяжку в лабораторных тестах на эмиссию уже говорит о проблематичном тестировании, либо об устаревших устройствах «top coil», либо о машинной затяжке, граничащей с чрезмерной мощностью.

Примерно в 2015 году в нескольких исследованиях были зафиксированы уровни альдегидов свыше 300 мг на затяжку, что значительно превышает уровни в табачном дыме. Однако повторение этих исследований Фарсалиносом и коллегами показало, что такие высокие уровни образуются при экстремальных условиях вейпинга («сухая затяжка»), создавая аэрозоль, который отталкивает пользователей.

Что дальше?

Мы должны объяснить, что такое «нормальные условия» для вейпинга. Генерация вейп-аэрозолей включает в себя различные тепловые процессы обмена и баланса энергии. Поэтому устройства должны работать в определенных диапазонах параметров (подаваемая мощность, поток воздуха на вдохе, сопротивление спирали, соотношение PG/VG, тип и концентрация никотина), которые позволяют этим процессам протекать эффективно. Эти параметры определяют оптимальный режим, который можно протестировать в лабораторных условиях, при этом при работе устройств вне этих диапазонов возникает ряд проблемных ситуаций.