A dohányzás káros hatásait nem maga a nikotin okozza, hanem annak szállítóeszköze: a dohányfüst
(Michael Russell).
A gőzölés ezt a káros közvetítőt helyettesíti egy olyan anyaggal, amelyet a köznyelv „gőznek” hív (ezért „gőzölünk”), bár valójában nem gőzről van szó, hanem „aeroszolról”, amelyet szembe kell állítanunk a cigarettából kiáramló „füsttel” (egy másik aeroszollal).
Az „aeroszol” kifejezés azonban sokféle anyagra és jelenségre vonatkozik, beleértve a dohányfüstöt is, és az aeroszolok közötti különbségek világosan tükröződnek a képződési folyamatukban és jellemzőikben.
Ebben a leírásban az e-cigaretta-aeroszolokat „folyékony fázisú” aeroszolokként ismertetem, melyek két fázisváltozáson keresztül keletkeznek (párolgás és kondenzáció), miközben a folyadékot normál forrás mellett hevítik. Az e-cigaretta-aeroszolok hasonlóak ahhoz az aeroszolhoz, amely akkor képződik, amikor vizet forralunk a teáskannában.
Az e-folyadékok azonban kémiailag összetettebbek, mint a víz, így ezen fázisváltozások mellett a gőzaeroszolok képződése alacsony energiájú reakciókat eredményez, amelyek normál körülmények között kis mennyiségű mellékterméket hoznak létre.
Mi is az aeroszol?
Először is, szükség van egy gyors definícióra:
AEROSZOL (definíció): Mikroszkopikus méretű részecskékből álló szubsztrát, amelyet egy gáznemű közeg (gázfázis) szuszpendál és szállít.
Mind az e-cigaretta-aeroszolok, mind a dohányfüst megfelel ennek a meghatározásnak, bár szigorúan véve a dohányfüst kifejezés három különböző, de egymáshoz kapcsolódó aeroszolt jelent.
A gőzkibocsátáson és a dohányfüstön kívül számos aeroszol található a természetben és az emberi tevékenység során előállított formákban. Az aeroszolok széles spektruma megfelel ennek a definíciónak: felhő, köd, szmog, légszennyezés, gépkocsi kipufogógáz, kéményfüst, homokvihar, vulkánkitörés, háztartási spray-k, illatosítók, gyertyák, főzés, a teáskannából távozó „gőz”, zuhanyozás, szauna stb.
Az aeroszolok különböző típusait elsősorban a részecskék jellemzői (mint például azok típusa, kémiai összetétele, száma és mérete) és a gázközeg típusa (általában gázkeverékek) alapján lehet megkülönböztetni. Először a vízforralóban keletkező aeroszolok egyszerűsített példáját mutatom be, hogy szemléltessem a gőz-aeroszolok működését.
Párolgás és forralás
Az aeroszolok különböző fizikai és kémiai folyamatok során keletkeznek. Egy egyszerű példa az, amikor a vízforralóból látható felhőként ömlik ki az aeroszol, miközben vizet forralunk teához. Ezt az aeroszolt különféle módszerekkel hozhatjuk létre, nem azonnal, és kezdetben nem érinti a vízforraló teljes vízmennyiségét.
Az első lépés a „normál forralás” folyamata. Mivel a vízforraló fűtőeleme biztosítja a hőt (veztő ellenállás révén), kis légbuborékok képződnek a vízben. Ahogy egyre több hőt adunk hozzá, a buborékolás erősebbé válik, és a vízmolekulák elegendő energiát kapnak ahhoz, hogy nagyobb, vízgőz (gáz halmazállapotú víz) töltötte buborékokat képezzenek a légbuborékok körül. Párolgás történik, amikor a folyadék felszínén lévő buborékok felrobbannak, és vízgőzt bocsátanak ki.
Ahogy folyamatosan több hőt adunk hozzá, a víz hőmérséklete 100°C-ra emelkedik, ahol a tengerszint feletti légköri nyomáson stabilizálódik, és az energia elpárolgásra (vízgőz képzésére) használódik fel egyenletes ütemben. Ezen a ponton azt mondhatjuk, hogy a víz normál forráspontban van, a víznyomás kiegyenlíti a környező levegőben lévő gőz nyomását.
Általában a vízforralók automatikusan kikapcsolnak (vagy mi kapcsoljuk ki őket) a normál forralás kezdetén, még mielőtt az összes víz elpárologna. Egy csésze teához elegendő, ha a víz eléri a forráspontot (mivel nem iszunk vízgőzt). Mindazonáltal, amikor a víz eléri a forráspontot, elegendő mennyiségű levegővel kevert gőz keletkezik, amelynek nyomása és hőmérséklete meghaladja a környező levegő nyomását és hőmérsékletét.
Ha további hőt adunk hozzá, a fűtőelem hőmérséklete meghaladja a forráspontot, és a „magas forralás” szakaszába lép. Több gőz keletkezik, de már nem egyenletes ütemben: a buborékok instabillá válnak, összeolvadnak és nagyobb buborékká csoportosulnak (buborékmagképződés).
A további hőbevitel gyors növekedést eredményez a fűtőelem hőmérsékletében, és a buborékok fokozatosan összeolvadnak, míg egy szigetelő gőzréteg nem alakul ki körülöttük, amely csapdába ejti és megtartja a hőt. Ezt a szakaszt „filmforralásnak” nevezzük, és ebben a fázisban a folyamat instabillá válhat.
Amikor teát készítünk, kikapcsoljuk az áramot, hogy a „normál forráspontban” maradjunk, és elkerüljük a magas forralást. A kellemes gőzöléshez is szükséges, hogy a „normál forrási” körülmények között maradjunk, ami a szolgáltatott teljesítmény és az aeroszol kialakításához szükséges e-folyadékgőz megfelelő kiürítésének és lehűtésének finom egyensúlyán alapul .
Folyékony fázisú aeroszolok
Amikor elindul a normál forralás, a vízforraló belsejében elegendő gőz keveredik a levegővel, és annak nyomása és hőmérséklete meghaladja a külső környezetét. Ez a nyomáskülönbség hajtóerőt (konvektív nyomásgradiens) hoz létre a vízforraló kifolyója közelében lévő levegő/gőz keverékben, amely a forró vízgőzt a hidegebb külső levegőbe juttatja.
Amikor a gáz (a levegővel kevert vízgőz) kifelé áramlik, lehűl és lecsapódik. A „kondenzáció” kifejezés a párolgás ellentétét jelenti: ugyanaz az anyag (víz) gázból folyadékká alakul. Ebben az esetben a vízgőz apró részecskéi (gázmolekulák) összegyűlnek, és mikroszkopikus méretű folyadékképpé alakulnak, amelyek a gőz mentén mozognak. Ezáltal egy aeroszol keletkezik.
Ezt a jelenséget „nukleált kondenzációnak” nevezik. A vízforraló kifolyócsövéből kilépő felhő az aeroszol látható megnyilvánulása, amelynek részecskéi folyadékot (vízcseppeket) tartalmaznak, a gáznemű közeg pedig a levegővel kevert vízgőz.
Miért látjuk a felhőt, de nem a levegőt? A tiszta vízgőz (vagy bármely tiszta gáz) átlátszó, tehát nem látható, de a levegővel kevert vízgőz milliónyi mikroszkopikus vízcseppet tartalmaz, amelyek elég kicsik és számosak ahhoz, hogy eltérítsék és szétszórják a fényt. Így együtt látjuk őket felhőként.
A folyadék alapú aeroszol cseppjei gömb alakúak, és átmérőjük körülbelül 1/1000 milliméter. Ezek a vízcseppek elég kicsik ahhoz, hogy a fényt szétszórják, ezért együtt felhőként jelennek meg. A vép-eszközök is hasonlítanak egy mini vízforralóra, mivel mindkettő folyadékokat melegít és párologtat egy tekercs segítségével, elektromos energiával.
A vép-aeroszol ugyanúgy keletkezik, mint a vízforraló aeroszola, és hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a vízforralóban keletkező vízgőz aeroszol. Azonban a víz helyett a vép-termékek esetében az e-folyadék keveréke párolog el, amely két oldószerből áll: propilénglikol (PG) és glicerin vagy növényi glicerin (VG), valamint nikotin és ízesítők elegyéből.
Mivel az e-folyadékok forráspontja eltérő, a tiszta PG esetében 180 °C, míg a tiszta VG esetében 288 °C körüli, a különböző összetevők közötti forráspontok a 180 °C és 288 °C közötti tartományban vannak. Az e-folyadék gőzének kifröccsenését szintén egy nyomásgradiens hajtja, de itt már a felhasználó belégzése okozza.
Akárcsak a vízforraló esetében:
- A gőzt (most az e-folyadék gőzét) szinte azonnal szállítja a felhasználó belégzésének légáramlása, keveredik a levegővel, lehűl és lecsapódik.
- a folyadékcseppek nukleált kondenzáció révén képződnek, és a belélegzett áramlás szállítja őket: aeroszol keletkezik
- a „részecskék” a folyadékkal azonos vegyületekből álló folyadékcseppek, a gáznemű közeg pedig az e-folyadékgőz és a levegő keveréke.
- az aeroszol kialakulásához szükséges gőzkondenzáció helyileg történik, a tekercsben lévő pamut kanóc körüli e-folyadékot érintve, ahogyan a vízforraló aeroszol is csak helyileg alakul ki a vízforraló orrában.
Azonban a vép-aeroszol belélegzett formájában nem látjuk a felhőt, mivel az aeroszol teljesen belélegzésre kerül; a felhőt akkor látjuk, amikor kilélegezzük. A vízforraló aeroszollal való analógia a kilélegzett vép-aeroszollal a legpontosabb, mivel a belélegzett aeroszol hígított változata a kilélegzett formában, és a felhasználók többsége megtartja az aeroszol tömegének nagy részét (beleértve a nikotint is).
A „fázis” kifejezés az aeroszolok meghatározásában a három alapvető állapotra utal: folyadék, gőz (vagy gáz) és szilárd. A vép-termékek és a vízforraló aeroszolok tehát olyan anyagok, amelyek két fázist tartalmaznak: a gázfázist és a folyadékfázist, mivel a részecskék folyadékképek.
Az e-cigaretta aeroszol kialakulása mindössze két fázisváltozást érint:
- Párolgás: folyadékból gázzá alakulás.
- Kondenzáció: gázból folyadékká válás.
Ezek a fázisváltozások alacsony energiájú kémiai reakciókkal járnak, amelyek melléktermékeket generálnak. Más aeroszolok (például füstölők) sokkal bonyolultabb módon keletkeznek, több fázisváltozással, mint például szublimációval (szilárdból gázzá), és sokkal energiaigényesebb kémiai reakciók révén.
Vép-aeroszolok és melléktermékeik
Bár a vízforraló és a vép- aeroszolok közötti analógia hasznos lehet, nyilvánvaló korlátokkal rendelkezik, mivel az e-folyadék keverékek kémiailag sokkal bonyolultabbak, mint a víz. Az e-folyadékok legalább három fő vegyületből (PG, VG, nikotin), valamint több ízesítő összetevőből és nyomokban szennyező anyagokból állnak.
Miután az aeroszol kialakul, az egyes vegyületek eloszlása a gáz- és részecskefázisok között (fázismegoszlás) a párolgás és a kondenzáció körülményeitől függ. Ezek a folyamatok sokkal bonyolultabbak, mint a tiszta vegyületek esetében. Különösen az illékonyság (a párolgási képesség) határozza meg leginkább, hogy mely vegyület kerül a gázfázisba, és melyik marad csepp formájában.
Az aeroszol kialakulásakor az egyes vegyületek fázismegoszlása a következőképpen alakul: a PG (propilénglikol) könnyebb és rendkívül illékony molekula, így inkább a gázfázisban található. Ezzel szemben a nehezebb és kevésbé illékony VG (glicerin) inkább a folyadékképekben van. A nikotin illékonysága a nikotinsók és a bázis közötti különbségektől, valamint a folyadék pH-értékétől függ, így a fázismegoszlása rendkívül változatos és bonyolult lehet.
Néhány ízesítő vegyület változatlanul átkerül a folyadékból az aeroszolba, azonban a legtöbb bomlik melléktermékként, amelyek a PG-ből és a VG-ből származó fűtési melléktermékekkel együtt keletkeznek.
Amikor az aeroszol a légutakba kerül, már nincs hőforrás, így csak fázisváltozások történnek, amelyek módosítják a fázismegoszlást és a cseppek méretét. Ezek a fizikai aeroszolfolyamatok, mint például koaguláció, nukleáció, impaxió, gravitációs ülepedés és diffúzió, mind a részecskemérettől és a kémiai összetételtől függenek.
Bár az aeroszol kémiai összetétele majdnem megegyezik a folyadékéval, a hevítési folyamat során új vegyületek is keletkeznek, amelyek a hőmérsékleti kémiai reakciók következtében jönnek létre. Ezek a melléktermékek a termikus degradáció (vagy alacsony energiájú pirolízis) során keletkeznek, amikor a nagyobb molekulák kisebbekre bomlanak.
Ezek a reakciók a PG-t, VG-t és az aromás vegyületeket főként aldehidekké bontják, amelyek viszonylag illékonyak, és ezért leginkább a gázfázisban fordulnak elő. Mivel azonban ezek a reakciók nem igazán hatékonyak az aeroszolképződési hőmérsékleten, az e-folyadék forráspontjához (180-288 °C) közeli hőmérsékleten keletkező melléktermékek csak nyomokban jelennek meg az aeroszolban.
Normál gőzölési körülmények között a hőbomlási reakciók során keletkező 80-150 különböző melléktermék többsége elhanyagolható mennyiségben, alig a kimutatási határértékek felett található meg.
A melléktermékek közül a leggyakrabban előforduló és legnagyobb mennyiségben kimutatott aldehidek közé tartozik a formaldehid, az acetaldehid és az akrolein, amelyek közül a formaldehid jellemzően a legnagyobb mennyiségben jelenik meg.
A legtöbb emissziós vizsgálat (normális körülmények között) az egyes aldehidek koncentrációját 1 mikrogramm, azaz 0,001 milligramm alatti értékekre teszi (1 mikrogramm = gramm egy milliomod része), ami jelentősen alatta marad a laboratóriumi vizsgálatokban használt cigaretták füstjében mért szinteknek: például 7,5-12,5 mg/puff (formaldehid), 50-150 mg/puff (acetaldehid), 7,5-15 mg/puff (akrolein).
A laboratóriumi emissziós tesztek során a 10 mikrogramm formaldehid/puff értékek kimutatása már problémás vizsgálatokat jelezhet, ami vagy az elavult „top coil” készülékekre, vagy a túlzottan magas teljesítményre és gépi, az az nem életszerű használatra utal.
2015 körül több tanulmány is 300 mg/puff feletti aldehidszintekről számolt be, amelyek messze meghaladják a dohányfüstben mért értékeket. Azonban Farsalinos és munkatársai által végzett megismételt kutatás kimutatta, hogy ilyen magas szintek csak extrém, abnormális felhasználási körülmények között keletkezhetnek, olyan aeroszolt generálva, amely taszítja a felhasználókat.
Fizikai folyamatok a gőzölésben
Ha a megfelelő „optimális” fizikai paraméterek (teljesítmény, légáramlás, ellenállás, hőmérséklet) biztosítottak, és a normál forralás során keletkezik, a gőzölés kellemes élményt nyújt a felhasználóknak. Az aeroszol tömegének körülbelül 99%-a a gázfázisban és a cseppekben az oldószerekből, mint a PG, VG, nikotin és vízgőz, áll, míg a melléktermékek (az oldószerekből és az aromás vegyületekből) parányi mennyiségben fordulnak elő.
A felhasználók, gyakran kísérletezéssel, érzékszervi benyomásaik alapján mérik fel, mikor kellemes, tehát „normális” vagy „optimális” a gőzölés. De vajon van-e tudományos alap annak meghatározására, hogy mi az „optimális” rendszer a gőzölésben?
A gőzölő készülék használata a termikus fizika (hőcsere) szempontjából úgy értelmezhető, mint az energiacsere ciklikus egyensúlya, amely minden egyes puff során a termikus egyensúlyhoz közelít. A következő folyamatok alkotják ezt a rendszert:
- Az e-folyadék a pamut szálakban áramlik.
- Az akkumulátor energiát (hőt) szolgáltat, amelyet a tekercshuzalok felhasználnak.
- Az energia egy része arra szolgál, hogy a pamut szálakban lévő e-folyadékot vezetés útján felmelegítse és forráshőmérsékletre hozza. A másik része a folyadék elpárolgására (látens hő) használódik.
- A felhasználó szinte egyidejűleg belélegzi, ami kényszerkonvekciót generál az e-folyadék gőzére (az energia elnyelődik), lehűl, és kondenzálódva aeroszolt képez.
- Nem minden energia (hő) kerül felhasználásra; mindezek a folyamatok maradék energiát hagynak a porlasztóban, amely felmelegíti a tekercset, a folyadékot, a levegő-gőz keveréket és a tartályt.
A maradék energia növeli az e-folyadék kapilláris sebességét a pamut szálakban, elősegítve a hatékonyabb áramlást. Mivel a folyamatok nem hőegyensúlyban zajlanak, és nem 100%-os hatásfokúak, minden egyes puff-ciklusban energiát (maradékhőt) adnak le, de optimális körülmények között a maradékhő nem jelent problémát.
Roberto Sussman cikksorozatának nyomán
