<abstract xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

A novel concept is described here that utilizes externally applied heat to a solid rod of reconstituted tobacco biomass to form a stream of aerosol under progressively oxygen-deficient atmosphere. The boundary of auto-ignition was determined at oxygen concentrations of 0%, 5%, 10%, and 21% and then the effects of these different atmospheres on various parameters were studied. Experimental results indicated that the ignition temperature decreased with the increase of oxygen concentration and a negative temperature coefficient (NTC) for atmosphere with oxygen was observed at before but close to ignition temperature. Significant differences in the yields of CO and CO2 between oxygen and oxygen-free atmosphere were observed. The mass of aerosol produced under an inert atmosphere and reduced-oxygen atmosphere were characterized with selected volatile and semi-volatile components, phenols, aldehydes, and other organic compounds of interests. In addition, higher oxygen concentration resulted in higher bulk and surface oxygen content of solid-phase residue, the reduction of carbon and hydrogen element content and related functional groups, and the content of inorganic compounds also exhibited an increase with oxygen concentration. By systematically changing oxygen concentrations of the biomass bed with increasing temperatures, an aerosol stream of controlled chemical composition and yields could be formed without leading to ignition. Key chemical markers of inhalation harm were measured and compared to each other under different degrees close to combustion. Studying reconstituted tobacco or other biomass materials in such a way could provide alternative and useful information in the design heated biomass aerosol generators.
</abstract>

A novel concept is described here that utilizes externally applied heat to a solid rod of reconstituted tobacco biomass to form a stream of aerosol under progressively oxygen-deficient atmosphere. The boundary of auto-ignition was determined at oxygen concentrations of 0%, 5%, 10%, and 21% and then the effects of these different atmospheres on various parameters were studied. Experimental results indicated that the ignition temperature decreased with the increase of oxygen concentration and a negative temperature coefficient (NTC) for atmosphere with oxygen was observed at before but close to ignition temperature. Significant differences in the yields of CO and CO2 between oxygen and oxygen-free atmosphere were observed. The mass of aerosol produced under an inert atmosphere and reduced-oxygen atmosphere were characterized with selected volatile and semi-volatile components, phenols, aldehydes, and other organic compounds of interests. In addition, higher oxygen concentration resulted in higher bulk and surface oxygen content of solid-phase residue, the reduction of carbon and hydrogen element content and related functional groups, and the content of inorganic compounds also exhibited an increase with oxygen concentration. By systematically changing oxygen concentrations of the biomass bed with increasing temperatures, an aerosol stream of controlled chemical composition and yields could be formed without leading to ignition. Key chemical markers of inhalation harm were measured and compared to each other under different degrees close to combustion. Studying reconstituted tobacco or other biomass materials in such a way could provide alternative and useful information in the design heated biomass aerosol generators.

Thermal De-Oxygenation to Form Condensable Aerosol From Reconstituted Tobacco without Auto-Ignition

<trans-abstract xml:lang="de" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

In diesem Artikel wird ein neuartiges Konzept beschrieben, bei dem einem festen Strang aus rekonstituierter Tabakbiomasse von außen Hitze zugeführt und dabei in einer zunehmend sauerstoffarmen Atmosphäre/Umgebung ein Aerosolstrom erzeugt wurde. Die Grenze der Selbstentzündung wurde bei Sauerstoffkonzentrationen von 0%, 5%, 10% und 21% bestimmt. Anschließend wurden die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Atmosphären auf verschiedene Parameter untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Zündtemperatur mit zunehmender Sauerstoffkonzentration sank. Unterhalb aber in der Nähe der Zündtemperatur wurde in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zudem ein negativer Temperaturkoeffizient (NTK) beobachtet. Es wurden signifikante Unterschiede bei den Ausbeuten an CO und CO2 zwischen der sauerstoffhaltigen und der sauerstofffreien Atmosphäre festgestellt. Die Masse des jeweils unter inerter und sauerstoffreduzierter Atmosphäre erzeugten Aerosols wurde anhand von ausgewählten flüchtigen und halbflüchtigen Bestandteilen, Phenolen, Aldehyden und anderen organischen Verbindungen von Interesse bestimmt. Eine höhere Sauerstoffkonzentration führte zudem zu einem höheren Gesamt- und Oberflächensauerstoffgehalt im Festphasenrückstand sowie zu einer Verringerung des Gehalts an Kohlenstoff- und Wasserstoffelementen und der entsprechenden funktionellen Gruppen. Auch der Gehalt an anorganischen Verbindungen nahm mit der Sauerstoffkonzentration zu. Durch die systematische Änderung der Sauerstoffkonzentration im Biomassebett bei zunehmender Temperatur konnte ein Aerosolstrom mit kontrollierter chemischer Zusammensetzung und Ausbeute erzeugt werden, ohne dass es zu einer Entzündung kam. Die wichtigsten chemischen Marker für Inhalationsschäden wurden gemessen und bei verschiedenen Graden nahe der Verbrennungstemperatur miteinander verglichen. Eine derartige Analyse von rekonstituiertem Tabak oder anderen Biomassematerialien könnte somit zusätzliche und nützliche Erkenntnisse für die Entwicklung von Aerosolerzeugern für erhitzte Biomasse liefern.
</trans-abstract>

In diesem Artikel wird ein neuartiges Konzept beschrieben, bei dem einem festen Strang aus rekonstituierter Tabakbiomasse von außen Hitze zugeführt und dabei in einer zunehmend sauerstoffarmen Atmosphäre/Umgebung ein Aerosolstrom erzeugt wurde. Die Grenze der Selbstentzündung wurde bei Sauerstoffkonzentrationen von 0%, 5%, 10% und 21% bestimmt. Anschließend wurden die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Atmosphären auf verschiedene Parameter untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Zündtemperatur mit zunehmender Sauerstoffkonzentration sank. Unterhalb aber in der Nähe der Zündtemperatur wurde in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zudem ein negativer Temperaturkoeffizient (NTK) beobachtet. Es wurden signifikante Unterschiede bei den Ausbeuten an CO und CO2 zwischen der sauerstoffhaltigen und der sauerstofffreien Atmosphäre festgestellt. Die Masse des jeweils unter inerter und sauerstoffreduzierter Atmosphäre erzeugten Aerosols wurde anhand von ausgewählten flüchtigen und halbflüchtigen Bestandteilen, Phenolen, Aldehyden und anderen organischen Verbindungen von Interesse bestimmt. Eine höhere Sauerstoffkonzentration führte zudem zu einem höheren Gesamt- und Oberflächensauerstoffgehalt im Festphasenrückstand sowie zu einer Verringerung des Gehalts an Kohlenstoff- und Wasserstoffelementen und der entsprechenden funktionellen Gruppen. Auch der Gehalt an anorganischen Verbindungen nahm mit der Sauerstoffkonzentration zu. Durch die systematische Änderung der Sauerstoffkonzentration im Biomassebett bei zunehmender Temperatur konnte ein Aerosolstrom mit kontrollierter chemischer Zusammensetzung und Ausbeute erzeugt werden, ohne dass es zu einer Entzündung kam. Die wichtigsten chemischen Marker für Inhalationsschäden wurden gemessen und bei verschiedenen Graden nahe der Verbrennungstemperatur miteinander verglichen. Eine derartige Analyse von rekonstituiertem Tabak oder anderen Biomassematerialien könnte somit zusätzliche und nützliche Erkenntnisse für die Entwicklung von Aerosolerzeugern für erhitzte Biomasse liefern.

<trans-abstract xml:lang="fr" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

Le présent article détaille un concept novateur d’application externe de chaleur à un boudin solide composé de biomasse de tabac reconstitué dans le but de produire un flux d’aérosols dans une atmosphère ou un environnement progressivement appauvrie en oxygène. La limite d’auto-inflammation fut déterminée à des concentrations en oxygène de 0%, 5%, 10% et 21% avant que ne soient ensuite étudiés les effets de ces atmosphères variées sur de multiples paramètres. Les résultats de ces expériences indiquèrent que la température d’inflammation chutait lorsque la concentration en oxygène augmentait et un coefficient de température négatif (CTN) dans une atmosphère alimentée en oxygène fut observé à un point proche mais juste inférieur à la température d’inflammation. Des écarts significatifs au niveau des rendements de CO et de CO2 furent notés entre les atmosphères alimentées en oxygène et celles qui en étaient exemptes. La masse d’aérosols produite dans une atmosphère inerte et dans une atmosphère pauvre en oxygène fut déterminée sur la base d’une sélection de composés volatiles et semi-volatiles, de phénols, d’aldéhydes et d’autres composés organiques présentant un intérêt. En outre, il s’avéra qu’une concentration plus élevée en oxygène provoquait une augmentation de la teneur totale en oxygène et de la teneur en oxygène à la surface des résidus de phase solide, une réduction de la teneur en éléments carbonés et hydrogénés et des groupes fonctionnels afférents; la teneur en composés inorganiques grimpait également suivant la concentration en oxygène. En modifiant systématiquement la concentration en oxygène du lit de biomasse et en relevant la température, un flux d’aérosols présentant des rendements et une composition chimique contrôlés put être produit sans provoquer un phénomène d’inflammation. Les marqueurs chimiques essentiels de nocivité par inhalation furent mesurés et comparés les uns aux autres à différents degrés proches de la combustion. L’étude du tabac reconstitué ou d’autres matières sous forme de biomasse suivant ce protocole pourrait fournir une méthode alternative et des informations utiles pour la conception de générateurs d’aérosols à biomasse chauffée.
</trans-abstract>

Le présent article détaille un concept novateur d’application externe de chaleur à un boudin solide composé de biomasse de tabac reconstitué dans le but de produire un flux d’aérosols dans une atmosphère ou un environnement progressivement appauvrie en oxygène. La limite d’auto-inflammation fut déterminée à des concentrations en oxygène de 0%, 5%, 10% et 21% avant que ne soient ensuite étudiés les effets de ces atmosphères variées sur de multiples paramètres. Les résultats de ces expériences indiquèrent que la température d’inflammation chutait lorsque la concentration en oxygène augmentait et un coefficient de température négatif (CTN) dans une atmosphère alimentée en oxygène fut observé à un point proche mais juste inférieur à la température d’inflammation. Des écarts significatifs au niveau des rendements de CO et de CO2 furent notés entre les atmosphères alimentées en oxygène et celles qui en étaient exemptes. La masse d’aérosols produite dans une atmosphère inerte et dans une atmosphère pauvre en oxygène fut déterminée sur la base d’une sélection de composés volatiles et semi-volatiles, de phénols, d’aldéhydes et d’autres composés organiques présentant un intérêt. En outre, il s’avéra qu’une concentration plus élevée en oxygène provoquait une augmentation de la teneur totale en oxygène et de la teneur en oxygène à la surface des résidus de phase solide, une réduction de la teneur en éléments carbonés et hydrogénés et des groupes fonctionnels afférents; la teneur en composés inorganiques grimpait également suivant la concentration en oxygène. En modifiant systématiquement la concentration en oxygène du lit de biomasse et en relevant la température, un flux d’aérosols présentant des rendements et une composition chimique contrôlés put être produit sans provoquer un phénomène d’inflammation. Les marqueurs chimiques essentiels de nocivité par inhalation furent mesurés et comparés les uns aux autres à différents degrés proches de la combustion. L’étude du tabac reconstitué ou d’autres matières sous forme de biomasse suivant ce protocole pourrait fournir une méthode alternative et des informations utiles pour la conception de générateurs d’aérosols à biomasse chauffée.

Contributions to Tobacco & Nicotine Research

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

A novel concept is described here that utilizes externally applied heat to a solid rod of reconstituted tobacco biomass to form a stream of aerosol under...

Thermal De-Oxygenation to Form Condensable Aerosol From Reconstituted Tobacco without Auto-Ignition

Published Online: Dec 10, 2022

Page range: 130 - 141

Received: Jan 24, 2022

Accepted: Jun 30, 2022

DOI: https://doi.org/10.2478/cttr-2022-0014

Keywords
Oxygen concentration, auto-ignition, aerosol, solid-phase residue, inorganic compounds

© 2022 Zhongya Guo et al., published by Sciendo

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Thermal De-Oxygenation to Form Condensable Aerosol From Reconstituted Tobacco without Auto-Ignition

Published Online: Dec 10, 2022

Page range: 130 - 141

Received: Jan 24, 2022

Accepted: Jun 30, 2022

DOI: https://doi.org/10.2478/cttr-2022-0014

KeywordsOxygen concentration, auto-ignition, aerosol, solid-phase residue, inorganic compounds

© 2022 Zhongya Guo et al., published by Sciendo

This work is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Keywords
Oxygen concentration, auto-ignition, aerosol, solid-phase residue, inorganic compounds