Фото к заголовку: Мощный зеленый лазер помогает визуализировать распыление аэрозоля из унитаза во время смыва. (Источник: Патрик Кэмпбелл/CU Boulder)
Благодаря новому исследованию CU Boulder ученые совершенно по-новому смотрят на последствия смыва туалетов — и теперь мир тоже может.
Используя ярко-зеленый лазер и камеру, команда инженеров Калифорнийского университета в Боулдере провела эксперимент, чтобы показать, как крошечные капельки воды, невидимые невооруженным глазом, быстро выбрасываются в воздух, когда в открытом общественном туалете смывается вода. Сейчас опубликовано в Научный отчетЭто первое исследование, в котором непосредственно визуализируется образующийся аэрозольный столб и измеряются скорость и диффузия частиц внутри него.
Известно, что эти летучие частицы переносят патогены и могут представлять опасность для посетителей общественных бань. Однако четкая визуализация потенциальной подверженности этим заболеваниям также обеспечивает методологию, помогающую уменьшить их.
«Если это что-то, чего вы не видите, легко притвориться, что этого не существует. Но как только вы посмотрите это видео, вы больше никогда не подумаете о том, чтобы снова спустить воду в унитазе». Джон Кримальди, ведущий автор исследования и профессор гражданской, экологической и архитектурной инженерии. «Создавая убедительные визуальные эффекты этого процесса, наше исследование может сыграть важную роль в обмене сообщениями в области общественного здравоохранения».
Исследователям уже более 60 лет известно, что при смыве унитаза твердые и жидкие вещества улетучиваются, но в воздух также попадают крошечные невидимые частицы. Предыдущие исследования использовали научные инструменты для обнаружения присутствия этих переносимых по воздуху частиц над смывными туалетами и показали, что более крупные частицы могут приземляться на окружающие поверхности, но до сих пор никто не понимал, как выглядят эти скопления и как они туда попали.
Понимание траектории и скорости этих частиц, которые могут передавать такие патогены, как Escherichia coli, Clostridium difficile, норовирус и аденовирус, важно для снижения риска заражения с помощью стратегий дезинфекции и вентиляции или улучшения конструкции туалетов и смывов. Хотя вирус, вызывающий COVID-19 (SARS-CoV-2), присутствует в фекалиях человека, в настоящее время нет убедительных доказательств того, что он эффективно распространяется через туалетный спрей.
«Люди знают туалетные спреи, но не видят их», — сказал Кримальди. «Мы показываем, что это гораздо более активная и всеобъемлющая колонка, чем кто-либо, кто знает об этой концепции».
Исследование показало, что эти переносимые по воздуху частицы быстро перемещаются со скоростью 6,6 футов (2 метра) в секунду, достигая 4,9 футов (1,5 метра) над унитазом за 8 секунд. В то время как более крупные капли имеют тенденцию оседать на поверхности в течение нескольких секунд, более мелкие частицы (аэрозоли размером менее 5 микрон или одной миллионной доли метра) могут задерживаться в воздухе в течение нескольких минут и более.
Посетители туалета должны беспокоиться не только о собственных отходах. Несколько других исследований показали, что патогены могут выживать в контейнерах в течение десятков вспышек, что увеличивает потенциальный риск заражения.
«Цель унитаза — эффективно удалять отходы из чаши, а также наоборот, то есть выбрасывать большую часть содержимого вверх», — говорит Кримальди. «Наша лаборатория создала методологию, которая обеспечивает основу для улучшения и смягчения этой проблемы».
Вверху: исследователь с докторской степенью Аарон Тру (слева) и Джон Кримальди позируют с устройством. Внизу: мощный зеленый лазер помогает визуализировать аэрозоль, вылетающий из унитаза, когда он смывается. (Источник: Патрик Кэмпбелл/CU Boulder)
Не теряйте время
Crimaldi запускает файл Лаборатория гидродинамики окружающей среды в CU Boulder, специализирующемся на использовании лазерных устройств, красителей и гигантских резервуаров с жидкостью для изучения всего, от Как запах достигает нашего носа? о том, как химические вещества движутся в бурных водоемах. Идея использования лабораторных технологий для отслеживания того, что происходит в воздухе после смыва унитаза, — это удобство, любопытство и обстоятельства.
Во время бесплатной недели в июне прошлого года коллеги-профессора Карл Линден А также Марк Эрнандес из программы «Экологическая инженерия», и несколько аспирантов из лаборатории Кримальди присоединились к нему, чтобы настроить и провести эксперимент. Аарон Тру, соавтор обоих исследований и партнер по исследованиям в лаборатории Crimaldi, сыграл важную роль в выполнении и записи лазерных измерений для исследования.
Они использовали два лазера: один непрерывно светил над унитазом, а другой посылал быстрый луч света на ту же область. Стационарный лазер определяет, где в пространстве находятся частицы в воздухе, а импульсный лазер может измерять их скорость и направление. Тем временем две камеры делают фотографии высокого разрешения.
Сам унитаз был того же типа, который обычно можно увидеть в общественных туалетах Северной Америки: устройство без крышки с цилиндрическим механизмом — ручным или автоматическим — спрятанным сзади у стены, известным как клапан в виде сливомера. Чистые туалеты просто наполнены водой из-под крана.
Они знали, что этот внезапный эксперимент может быть пустой тратой времени, но вместо этого исследование дало большой импульс.
«Мы ожидали, что эти аэрозоли будут летать, но они вылетели, как ракеты», — сказал Кримальди.
Энергичные молекулы воды в воздухе в основном направляются вверх и назад к задней стенке, но их движение непредсказуемо. Шахта также поднялась к потолку лаборатории и ни с какой другой целью выдвинулась из стены и распространилась вперед, в комнату.
В экспериментальной установке не было твердых отходов или туалетной бумаги в миске, не было движущихся киосков или людей. Все эти переменные реального мира могут усугубить проблему, говорит Кримальди.
Они также измеряют частицы в воздухе с помощью оптического счетчика частиц — устройства, которое пропускает пробу воздуха через небольшую трубку и освещает ее, позволяя подсчитывать и измерять частицы. Более мелкие частицы не только дольше остаются в воздухе, но и могут выходить из волосков на носу и проникать глубже в легкие человека, что делает их более опасными для здоровья человека, поэтому также важно знать количество и размер частиц.
Хотя эти результаты могут вызывать беспокойство, это исследование предоставляет специалистам по сантехнике и общественному здравоохранению последовательный способ протестировать лучшие конструкции сантехники, стратегии дезинфекции и вентиляции, чтобы снизить риск воздействия патогенов в общественных туалетах.
«Ни одно из этих усовершенствований не может быть эффективно реализовано без знания того, как развивается столб аэрозоля и как он движется», — говорит Кримальди. «Возможность увидеть эти невидимые столбы меняет правила игры».
Среди дополнительных авторов этой публикации: Аарон Тру, Карл Линден, Марк Эрнандес, Ларс Ларссон и Анна Паулс из Департамента гражданского, экологического и архитектурного проектирования.
