Кальянные исследования: Физические показатели кальянного аэрозоля

Физические показатели кальянного аэрозоля, продолжение статьи:

Дым, пар или аэрозоль в кальяне?

На сегодняшний день было проведено ограниченное количество исследований физических свойств кальянного аэрозоля. Но в последнее два года интерес к изучению этого вопроса возрос в США. Связано это с финансированием подобных исследований со стороны FDA (Food and Drug Administration). Эта организация сейчас курирует табачные регламенты страны. Уверен, что на фоне полученных данных они внесут существенные коррективы в текущее законодательство. Все исследования физических свойств кальянного дыма проведены только на фольге.

Первые исследования физических свойств кальянного аэрозоля были сделаны в 1992 [7]. В те времена не было полноценного исследования топографии затяжек реальных кальянных курильщиков, поэтому Хаддад провел свое мини-исследование этого вопроса на основе выборки из 10 человек. Сразу отмечу, что условия прокуривания сильно влияют на полученные данные. В его случае использовались следующие характеристики:

• Общее количество затяжек – 48;
• Продолжительность затяжки – 3 с;
• Объем затяжки — 600 мл;
• Интервал между затяжками – 15 с.

Как бы странно не выглядели эти вводные, но, видимо, в 1992 году так курили жители Бейрута (Ливан). Смесь перед началом курения не прогревали. Данные получали при обработке трех повторений. При измерении физических характеристик кальянного дыма использовался аппарат, который мог улавливать частицы более 0,52 мкм. Как увидим далее, это было сделано крайне опрометчиво, потому что большая часть частиц кальянного аэрозоля лежит в диапазоне менее 0,3 мкм. В итоге численная концентрация составила 10⁸ частиц/см³, а медианный диаметр – 0,8 мкм. Для понимания насколько эти цифры не могут отражать действительность приведу аналогичные характеристики сигаретного дыма, полученные ещё в 1982 г [17] – численная концентрация 2,5•10⁹ частиц/см³, медианный диаметр – 0,3 мкм. Из-за этого Хаддад предположил, что меньшая численная концентрация и больший диаметр частиц относительно сигареты вызван коагуляцией, которая происходит в течение более длительного времени между образованием дыма в чаше и его выходом из мундштука. Хотя его вывод абсолютно логичен на фоне имеющихся данных, позже увидим реальную картину.

Следующее исследование физических характеристик кальянного было проведено в 2007 г. в Щвейцарии [8]. В тот момент времени активно обсуждались новые антитабачные меры в Европе. Монн с коллегами провели свое небольшое исследование топографии затяжек швейцарских курильщиков.  Участвовало 11 курильщиков. Было обработано 565 затяжек. В итоге получили следующие вводные:

• Объем затяжки – 1 л;
• Время затяжки – 5 с;
• Интервал между затяжками – 25 с;
• Продолжительность курения – 50 мин;
• Количество затяжек – 100.

Во время экспериментов использовалась обычная глиняная чаша, фольга и саморазжигающийся уголь Swift Lite type диаметром 33 мм. В чашу забивали 8 г табака «Нахла» вкуса «Двойное яблоко». Все эксперименты проводились с 3 повторениями. Измеряли количество частиц в диапазоне 0,02 – 1,0 мкм от 1-ой затяжки. Аналогично и для сигареты. До начала курения чашу предварительно не прогревали. Так же дым перед измерением отбирали механически шприцом, отмеряя ровно 1 л, и вводили в специальную камеру с датчиками.

На рис. 9 показана зависимость количества частиц каждого десятого вдоха от продолжительность курительной сессии.

Максимальное количество частиц 8,56•10¹⁰ наблюдалось на четвертой затяжке. Количество частиц на вдохе оставалось стабильным в течение следующих 15 минут, а затем уменьшалось к концу курения. Аналогичная форма кривой была обнаружена во всех экспериментах. Установлено, что максимальное количество частиц образуется через 15 минут сеанса. Стоит отметить, что до 25-ой минуты наблюдался рост температуры в чаше, а после она медленно снижалась до конца курения.

На рис. 10 показано распределение частиц по размерам для трех случаев: 1) сигарета с объемом затяжки 0,045 мл; 2) система уголь+табак+вода с объемом затяжки 1 л и 3) система уголь+вода с объемом затяжки 1 л.

В экспериментах с полным комплектом для курения (включая уголь, табак и воду) наблюдался диапазон размеров частиц от 0,01 мкм до 0,2 мкм. Медианный размер частиц составил 0,04 мкм. В экспериментах только с углем и водой обнаружены в основном частицы размером менее 0,05 мкм. Это указывает на то, что уголь является основным источником наночастиц. Вклад нагретого табака охватывал более широкий диапазон размеров до 0,2 мкм.

Для сигареты с объемом затяжки в 45 мл диапазон размеров составлял от 0,15 мкм до 0,5 мкм, что больше диаметра частиц в экспериментах с кальяном. Общее количество наночастиц при 1-ой кальянной затяжке было выше, чем для сигареты (объемом всего 45 мл), но концентрация частиц в сигаретном дыме была выше.

Ограничением проведенных экспериментов было то, что дым передавался в камеру для анализа. Технические условия (например, верхний предел обнаружения) не позволяли непосредственно обнаружить частицы дыма сразу. Поэтому в камере и шприце происходили процессы коагуляции и осаждения. Однако, все эксперименты были основаны на одних и тех же условиях, и поэтому потенциальное отклонение могло повлиять на них в одинаковой мере.

В 2007-2009 гг. во Франции активно велась работа по созданию нового регламента для табачных продуктов. Кальян был крайне интересен для законотворцов после выхода в 2005 г монографии [9] от Всемирной Организации Здравохранения (ВОЗ), целью которой было показать, что курение кальяна активно растет во многих странах и при этом несет существенные риски для здоровья человека. Так как предыдущие две работы показывали противоречивые данные, французская группа провела свое независимое исследование в 2008 году [10]. Группа использовала прибор, позволяющий определять частицы в диапазоне от 0,028 до 10 мкм без предварительного отбора. Прибор не позволял измерять концентрацию частиц выше 10⁷ частиц/см³. Условия эксперимента были следующие:

• Использовался саморазжигающийся уголь диаметром 30 мм;
• В чашу забили 10 г кальянного табака марки «Нахла»;
• Использовалась фольга;
• Время курительной сессии – 15 мин;
• Время затяжки – 1,25 сек;
• Объем затяжки — 500 мл;

Такие параметры были выбраны как минимальный ингаляционный объем среднестатистического курильщика кальяна во Франции в 2007 году [11]. Табак марки «Нахла» был самым популярным на тот момент. При таких параметрах численная концентрация составила 1,2•10⁶ см^-3, а медианный размер – 0,27 мкм. Группа предоставила данные и по отдельным фракциям в процентном соотношении от общей численной концентрации: 

• Частицы от 0,3 до 2,0 мкм – 37%;
• Частицы менее 0,3 мкм – 62,3 %;
• Наночастицы – 19 %;

Эти цифры показывают, что большая часть частиц кальянного дыма имеет размер менее 0,3 мкм. Поэтому результаты, продемонстрированные Хаддадом не могут отражать действительность.  Результаты Монна так же расходятся с французскими учеными. Это можно объяснить разницей в вентиляционных параметрах, измерительных диапазонах, а также возможным ростом и осаждением крупных частиц во время фаз отбора проб до измерения размера частиц.

Французские ученные провели аналогичное исследование для сигарет и установили, что численная концентрация составила 3,14•10⁶ см^-3, медианный размер – 0,27 мкм. Фракция частиц менее 0,3 мкм составила 69,6 %, а наночастиц – 32%. Из этих цифр вытекают следующие выводы: 1) медианные размеры частиц кальянного и сигаретного дымов идентичны; 2) в сигаретном дыме практически в 2 раза больше наночастиц. Последний особенно важен, так как наночастицы являются крайне активными с химической и физической точки зрения. Они моментально всасываются в кровь и могут приводить к различным серьезным заболеваниям. Поэтому с точки зрения токсикологии их изучение имеет крайне важное значение.

Шотландские ученые в 2011 г. провели обширное исследование токсических компонентов кальянного дыма, включая полициклические углеводороды, никотин, СО и металлы [12]. Они измерили и распределение частиц кальянного аэрозоля по размерам. Использовались следующие параметры курения, аналогичные Бейрутскому [13]:

• Объем затяжки – 530 мл;
• Время затяжки – 3 с;
• Интервал между затяжками – 15 с;
• Продолжительность курительной сессии – 30 мин;
• Общее количество затяжек – 100;

Использовали керамическую чашу и фольгу. В чашу забивали 10 г табака со вкусом клубники. Расстояние между фольгой и табаком составляло 2 мм. Уголь использовался Swift Lite type. Для измерения распределения частиц по размерам кальянного дыма между насосом и кальяном была установлена 16,3-литровая цилиндрическая камера (диаметр 0,17 м, длина 0,72 м). Для обеспечения хорошего перемешивания внутри цилиндрической камеры был помещен небольшой вентилятор постоянного тока. Распределение частиц по размерам измерялось с помощью спектрометра частиц широкого спектра, который измерял частицы в диапазоне от 10 до 500 нм. В итоге за три 30-ых минутных сеанса курения было получено 45 распределений.

На рис. 11 показаны средние концентрации частиц во всем диапазоне размеров, измеренные прибором для каждого из трех сеансов курения.

Медианный массовый аэродинамический диаметр (MMAD) для курительных сессий 1, 2 и 3 составлял 98, 128 и 150 нм. Медианная концентрация частиц составила 34 000, 13 000 и 9 000 см^-3 для прокуриваний 1, 2 и 3. Различие результатов в трех измерениях связано с качеством угля, но вид кривой во всех случаях одинаков.

Бернд с коллегами в 2019 г. по запросу FDA провели исследование физических характеристик кальянного дыма [1]. Они оценили токсичность следующих компонентов для клеток легких: саморазжигающегося и электрического углей, глицерина, кальянного сиропа целиком. Опирались на Бейрутский метод прикуривания, описанный выше. Использовали 35-мм  саморазжигающийся уголь «Starbuzz Coconut Shell Instant Light charcoal» и фольгу. В чашу забивали 10 г табака Starbuzz® Exotic Apple Americano. Для определения распределения частиц по размерам использовался измеритель частиц выхлопных газов для двигателей типа TSI (EEPS). Он позволяет измерять частицы в диапазоне от 5,6 до 560 нм при скорости потока 10 л/мин. Экологический счетчик частиц (EPC) использовался для измерения общей концентрации аэрозольных частиц в диапазоне от 7 нм до 10 мкм при скорости потока 3,0 л/мин и скорости пробоотбора 1 Гц.

На рис. 12 показано распределение частиц кальянного аэрозоля.

За 30-минутный сеанс курения образовалось 6×10¹³ частиц с диаметром от 5,3 до 530 нм и средним диаметром 130 нм. Массовая концентрация составила – 6 г/м³. Распределение частиц свидетельствует о первичной нуклеации, за которой следует коагуляция и гидроскопический рост. Дым угля содержал приблизительно 2,4×10¹² частиц со средним диаметром 40 нм, что хорошо согласуется с данными Монна.

За это исследование огромное спасибо FDA [14]. Оно содержит много полезной информации для всех участников кальянного рынка. Суть его в том, что американские ученые смогли измерить химические и физические показатели кальянного и сигаретного дыма в лайф режиме. При этом это первое зарубежное исследование, где не использовался саморазжигающийся уголь и сравнили показатели светлого, темного табака и бестабачной смеси. Использовали ученые три 25 мм кокосового угля бренда «Black Diamond». В качестве светлого табака выбрали Al Fakher вкус Яблоко, а в качестве темного —  Starbuzz Vintage Blackberry. Исследование проводилось на фольге. В чашу забивали 10 г табака. Смесь перед началом измерений грели 5 мин. Параметры прокуривания:

• Скорость затяжки 10 л/мин;
• Продолжительность курения – 30 мин;
• Время затяжки – 4 с;
• Интервал между затяжками – 26 с;
• Объем затяжки —  860 мл.

Измеряли частицы размером в диапазоне от 4 до 500 нм. Каждое сканирование представляло собой среднее значение более 2 затяжек (2 затяжки/минутная частота курения), что отражает общую динамику эволюции распределения размеров во времени (см. рис. 13).

Наночастицы кальянного дыма диаметром от 4 до 100 нм хорошо видны в начале сеанса (первые 10 минут), во время которого они доминируют в распределении размеров. Частицы быстро росли до больших диаметров по мере продолжения курения, вероятно, из-за застоя большой концентрации частиц внутри колбы кальяна. Модальный диаметр частиц был 80 нм в течение первых 10 минут сеанса курения, но в течение оставшейся части сеанса он сместился до 200 нм. Все три кальянных продукта показали одинаковую тенденцию. В случае темно-листового немытого табака в течение всех экспериментов наблюдалась устойчивая мода около 10 нм, которой не было у других кальянных смесей. Эта мода указывает на зарождение новых частиц в течение всего курения. Это связано с тем, что органические соединения из табака Берлей, имеют более низкую летучесть и, следовательно, более высокий потенциал образовывать ядра конденсации.

В течение всего сеанса курения модальный диаметр сигаретного дыма равен около 150 нм. Наночастицы также присутствуют в дыме сигареты, но большинство частиц имеют диаметр более 100 нм.

Уголь сам по себе генерировал значительное количество наночастиц всех диаметров при относительно постоянной концентрации во время курения (см. рис. 14). Кальянный дым светлого табака показал увеличение количества наночастиц всех размеров в начале сеанса курения (первые 10 минут). Увеличение наблюдаемой концентрации частиц связано с нуклеацией паров, выделяемых кальянным табаком. По мере продолжения курения, частицы растут и не образуются новые, о чем свидетельствует снижение концентрации частиц d <20 нм и d <50 нм. Вероятно, это связано с высокой концентрацией крупных частиц, которые эффективно поглощают более мелкие частицы. В конце экспериментов концентрации частиц d <70 нм и d <100 нм для обычного табака и угля аналогичны.

Эксперимент, проведенный без воды в колбе, показал относительно низкие концентрации частиц при d <20 нм в первые 10 минут курения, но также и гораздо более низкие концентрации наночастиц в целом. Это значит, что вода помогает образовывать новые частицы в кальянном дыме, что приводит к более высоким концентрациям наночастиц в целом и фракций d <50 нм в частности.

Для сравнения, сигаретный дым выделяет меньше частиц с d <70 нм по сравнению с кальянным дымом (первые 10 минут). Концентрация частиц с d <100 нм была одинакова как для кальянного дыма, так и для эталонной сигареты 3R4F.

Различия в экспериментальных данных во всех указанных исследованиях сводятся к следующим факторам:

• Разные условия прокуривания;
• Разные табаки;
• Разные методы измерения;
• Разные угли;
• Разные кальяны.

Заключение

Выводы из анализа литературных источников по поводу физических свойств кальянного дыма:

1. Кальянный дым образуется конденсационным способом. Все цифры по среднему размеру частиц лишь подтверждают это.
2. Размер частиц кальянного дыма лежит в диапазоне от 4 нм до 550 нм.
3. От 50 до 75 % частиц кальянного дыма имеют размер менее 0,3 мкм.
4. В одной затяжке содержится около 10⁸-10⁹ частиц/см³.
5. В кальянном дыме присутствует большое количество активных наночастиц;
6. Прогрев и первые 10 минут курения кальяна являются самыми важными, так как в этот промежуток времени происходит нуклеация. Именно за счет нуклеации образуются наночастицы, которые легко оседают на наших рецепторах и сразу же попадают в кровь. Поэтому мы ощущаем максимум вкуса, аромата и крепости.
7. Остальное время курения новые частицы не образуются, они лишь увеличиваются в размерах за счет коагуляции и конденсации водяных паров. Крупные частицы чаще осаждаются на частях кальяна, задерживаются в воде и хуже попадают на наши рецепторы и в легкие, что приводит к постепенной потере вкуса, аромата и крепости.
8. Уголь генерирует в основном наночастицы, которые служат ядрами конденсации для паров кальянной смеси. Поэтому качество угля является важнейшим атрибутом хорошего покура.
9. Вода играет важную роль в курении кальяна. Она участвует в образовании наночастиц и гигроскопическом росте. Это значит, что уровень воды в колбе сильно влияет на характеристики кальянного дыма.
10. Кальянные табаки на основе Берлея генерируют ядра конденсации на протяжении всего курения. Для более устойчивого и продолжительного курения лучше добавлять в чашу темный табак, содержащий этот табачный лист в составе. 
11. Сигаретный дым отличается от кальянного большим средним размером и количеством частиц. Содержание наночастиц в обоих аэрозолях примерно одинаково.

Литературные источники

[1] — Bernd K, Hauser CD, DeGrood D, et al. Contributions of charcoal, tobacco, and syrup to the toxicity and particle distribution of waterpipe tobacco smoke. Toxicology Letters, 2019.

[2] — Pratte P., Cosandey S., and Ginglinger C. Goujon, Investigation of solid particles in the mainstream aerosol of the Tobacco Heating System THS2.2 and mainstream smoke of a 3R4F reference cigarette. Human & Experimental Toxicology, 2017.

[3] — Аэрозоли – дисперсные системы: Монография / Чекман И.С., Сыровая

А.О., Андреева С.В., Макаров В.А. / — Х: «Цифрова друкарня №1», – 2013.

[4] Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications, Third Edition. Edited by P. Kulkarni, P. A. Baron, and K. Willeke, 2011.

[5] — Aerosol Science: Technology and Applications, 2014 First Edition. Edited by Ian Colbeck and Mihalis Lazaridis.

[6] — Физика атмосферных аэрозолей: Курс лекций. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2008.

[7] — Haddad A., Experimental Investigation of Aerosol Dynamics in the Narghile Waterpipe. MS Thesis, Department of Mechanical Engineering, American University of Beirut, 1992.

[8] — Monn C., Kindler P., Meile A., Brändli O., Ultrafine particle emissions from waterpipes. Tobacco Control, 2007.

[9] — Shihadeh A., Eissenberg T., Tobacco smoking using a waterpipe: product, prevalence, chemistry/toxicology, pharmacological effects, and health hazards. The WHO Study Group on Tobacco Product Regulation, 2005. 

[10] — Becquemin M.-H., Bertholon J.-F., Attoui M., Roy F., Dautzenberg B., Particle size in water pipe smoke. Revue des Maladies Respiratoires, 2008.

[11] — Dautzenberg B., Bertholon JF., Becquemin MH., Letiero Y., Penformis C., Enquête sur le mode de consommation de la chicha (narguilé) en 2007. en France Bulletin épidémiologique hebdomadaire, 2007.

[12] – Apsley A., Galea K. S., Sánchez-Jiménez A., Assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons, carbon monoxide, nicotine, metal contents and particle size distribution of mainstream Shisha smoke. Journal of Environmental Health Research, 2011.

[13] — Shihadeh A., Saleh R., Investigation of mainstream smoke aerosol of the argileh water pipe. Food and Chemical Toxicology, 2003.

[14] –Perraud V., Lawler M. J., Malecha K. T., Johnson R. M., Chemical characterization of nanoparticles and volatiles present in mainstream hookah smoke. Aerosol Science and Technology, 2019.

[15] — Monzer B., Sepetdjian E., Saliba N., Shihadeh A., Charcoal emissions as a source of CO and carcinogenic PAH in mainstream narghile waterpipe smoke. Food and Chemical Toxicology, 2008

[16] –Elsayed Y., Dalibalta S., Abu-Farha N., Chemical analysis and potential health risks of hookah charcoal. Science of the Total Environment, 2016

[17] – Keith C.H., Particle Size Studies on Tobacco Smoke, Beiträge zur Tabakforschung International, 1982.