Bannerová fotografia: Výkonný zelený laser pomáha vizualizovať oblaky aerosólu zo záchoda pri jeho splachovaní. (Poďakovanie: Patrick Campbell/CU Boulder)

Vďaka novému výskumu CU Boulder vedci vidia účinok splachovania toaliet v úplne novom svetle – a teraz to môže aj svet.

Pomocou jasne zelených laserov a kamerového vybavenia vykonal tím inžinierov CU Boulder experiment, aby odhalil, ako sa drobné kvapôčky vody, neviditeľné voľným okom, rýchlo vymrštia do vzduchu, keď sa splachuje verejná toaleta bez veka. Teraz je zverejnený v Vedecké správyJe to prvá štúdia, ktorá priamo vizualizuje výsledný aerosólový stĺpec a meria rýchlosť a difúziu častíc v ňom.

Je známe, že tieto prchavé častice prenášajú patogény a môžu predstavovať nebezpečenstvo pre návštevníkov verejných kúpeľov. Táto živá vizualizácia potenciálneho vystavenia chorobe však poskytuje aj metodológiu, ktorá jej pomôže znížiť.

„Ak je to niečo, čo nevidíte, je ľahké predstierať, že to tam nie je. Ale keď si pozriete tieto videá, už nikdy nebudete myslieť na splachovanie záchodov rovnakým spôsobom.“ John Crimaldi, hlavný autor štúdie a profesor stavebného, ​​environmentálneho a architektonického inžinierstva. „Vytvorením vzrušujúcich vizuálov tohto procesu môže naša štúdia hrať dôležitú úlohu v správach o verejnom zdraví.“

Vedci už viac ako 60 rokov vedia, že pri splachovaní toalety vypadávajú pevné látky a tekutiny podľa návrhu, ale do ovzdušia sa uvoľňujú aj malé, neviditeľné častice. Predchádzajúce štúdie použili vedecké nástroje na zistenie prítomnosti týchto vzduchom prenášaných častíc nad splachovacími záchodmi a ukázali, že väčšie častice môžu dopadať na okolité povrchy, no doteraz nikto nechápal, ako tieto oblaky vyzerajú alebo ako sa tam častice dostali.

Pochopenie trajektórií a rýchlostí týchto častíc – ktoré môžu prenášať patogény, ako sú Escherichia coli, Clostridium difficile, norovírus a adenovírusy – je dôležité pre zmiernenie rizík expozície prostredníctvom stratégií dezinfekcie a ventilácie alebo zlepšeného dizajnu toaliet a splachovania. Zatiaľ čo vírus, ktorý spôsobuje COVID-19 (SARS-CoV-2), je prítomný v ľudskom odpade, v súčasnosti neexistujú žiadne presvedčivé dôkazy o tom, že sa účinne šíri prostredníctvom sprejov na toalety.

„Ľudia vedeli, že záchody vydávajú sprej, ale nevideli to,“ povedal Crimaldi. „Ukazujeme, že táto vec je oveľa aktívnejšia a rozšírenejšia ako ľudia, ktorí o tomto koncepte vedeli.“

Štúdia zistila, že tieto vzduchom prenášané častice sa pohybujú rýchlo, rýchlosťou 6,6 stôp (2 metre) za sekundu a dosiahnu 4,9 stôp (1,5 metra) nad toaletou za 8 sekúnd. Zatiaľ čo väčšie kvapôčky majú tendenciu usadzovať sa na povrchoch v priebehu niekoľkých sekúnd, menšie častice (aerosóly menšie ako 5 mikrónov alebo milióntiny metra) môžu zostať vo vzduchu niekoľko minút alebo dlhšie.

Návštevníci kúpeľní sa nemusia obávať len vlastného odpadu. Niekoľko ďalších štúdií ukázalo, že patogény môžu v nádobe pretrvávať desiatky zábleskov, čím sa zvyšuje riziko potenciálnej expozície.

„Cieľom toalety je efektívne odstraňovať odpad z misy, ale robí to aj opačne, a to rozprašovanie veľkého množstva obsahu až po vrch,“ povedal Crimaldi. „Naše laboratórium vytvorilo metodiku, ktorá poskytuje základ pre zlepšenie a zmiernenie tohto problému.“

Nie je to strata času

Crimaldi spustí súbor Laboratórium dynamiky tekutín v prostredí na CU Boulder, ktorá sa špecializuje na používanie laserových zariadení, farbív a obrovských nádrží s tekutinou na štúdium všetkého od Ako sa pachy dostanú do nášho nosa? o tom, ako sa chemikálie pohybujú v turbulentných vodách. Myšlienka použitia laboratórnej technológie na sledovanie toho, čo sa deje vo vzduchu po spláchnutí toalety, bola jednou z pohodlia, zvedavosti a okolností.

Počas voľného týždňa vlani v júni kolegovia profesori Carl Linden A Mark Hernandez z programu Environmentálne inžinierstvo a niekoľko postgraduálnych študentov z laboratória Crimaldi sa k nemu pripojilo, aby pripravili a spustili experiment. Aaron True, druhý autor štúdie a výskumný partner v laboratóriu Crimaldi, bol nápomocný pri spustení a zaznamenávaní laserových meraní pre štúdiu.

Použili dva lasery: jeden, ktorý nepretržite svietil nad toaletou a nad ňou, a druhý, ktorý vysielal rýchle svetelné impulzy na rovnakú oblasť. Stacionárny laser detekoval, kde sa vo vesmíre nachádzajú častice vo vzduchu, zatiaľ čo pulzujúci laser mohol merať ich rýchlosť a smer. Medzitým dva fotoaparáty urobili fotografie vo vysokom rozlíšení.

Samotná toaleta bola rovnakého typu, aký sa bežne vyskytuje na verejných toaletách v Severnej Amerike: jednotka bez veka sprevádzaná valcovým splachovacím mechanizmom – buď manuálnym alebo automatickým – ktorý je zapustený vzadu blízko steny, známy ako ventil v štýle splachovača. Nová čistá toaleta bola naplnená iba vodou z vodovodu.

Vedeli, že tento náhly experiment môže byť stratou času, ale namiesto toho výskum vytvoril obrovský impulz.

„Očakávali sme, že tieto aerosóly budú plávať, ale vyleteli ako raketa,“ povedal Crimaldi.

Energické molekuly vody vo vzduchu smerovali väčšinou hore a späť k zadnej stene, ale ich pohyb bol nepredvídateľný. Šachta sa tiež zdvihla k stropu laboratória a keďže nemala kam ísť, posunula sa smerom von zo steny a rozšírila sa dopredu do miestnosti.

Experimentálne usporiadanie nezahŕňalo žiadny pevný odpad ani toaletný papier v miske a neboli tam žiadne stánky ani ľudia, ktorí sa pohybovali. Všetky tieto premenné v reálnom svete by mohli zhoršiť problém, povedal Crimaldi.

Tiež merali častice vo vzduchu pomocou optického počítadla častíc, čo je zariadenie, ktoré nasáva vzorku vzduchu cez malú trubicu a svieti na ňu svetlom, čo umožňuje počítať a merať častice. Nielenže menšie častice plávajú vo vzduchu dlhšie, ale môžu tiež uniknúť z nosových chĺpkov a dostať sa hlbšie do pľúc, čo ich robí nebezpečnejšími pre ľudské zdravie, takže poznať počet a veľkosť častíc bolo tiež dôležité.

Aj keď tieto zistenia môžu byť alarmujúce, štúdia poskytuje odborníkom na inštalatérske práce a verejné zdravie konzistentný spôsob testovania zlepšeného dizajnu vodovodných potrubí, dezinfekcie a ventilačných stratégií, aby sa znížilo riziko vystavenia patogénom na verejných toaletách.

„Žiadne z týchto vylepšení nemožno efektívne vykonať bez toho, aby sme vedeli, ako sa aerosólový stĺpec vyvíja a ako sa pohybuje,“ povedal Crimaldi. „Schopnosť vidieť tento neviditeľný stĺp mení hru.“

Medzi ďalších autorov tejto publikácie patria: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson a Anna Pauls z Katedry civilného, ​​environmentálneho a architektonického inžinierstva.