Respiratory protection against bacterial and viral infections
В.В. Чипизубов, д.ф.н П.Н. Сухонин, д.б.н. В.В. Петраш
Использование пористых полимерно - композитных материалов
в качестве объемной мембраны для поглощения
капельной и аэрозольной фаз жидкости,
содержащих бактерии и вирусы
В настоящей статье приведена оценка эффективности процесса очистки воздушного потока от капельной и дисперсной фаз жидкостей, являющихся основным агентом транспорта большинства респираторных вирусов от носителя к инфицируемому объекту. Исследованы образцы композитно-полимерного материала «Криброл», имеющего объёмную фрактально-сетчатую структуру сквозных и не сквозных пор от 5 до 150 мкм. В экспериментах показана высокая гигроскопичность данного материала, обеспечивающяя поглощение влаги в количестве, составляющем более 700% собственного веса испытываемого образца. Установлено, что материала «Криброл» может проходить процесс температурной дезактивации в нагревательных устройствах и использоваться многократно. Сделан вывод, что данный материал может технологически легко быть конструктивно адаптирован к техническим решениям различных типов систем очистки воздуха и средств индивидуальной защиты (СИЗ) дыхательных путей.
Введение
В последнее время человечество все чаще сталкивается с угрозами, связанными с появлением новых вирусов; варианты мутаций, свойства и способы передачи которых значительно разнятся. По этой причине невозможно заранее квалифицированно смоделировать и реализовать максимально эффективные мероприятия, направленные на защиту населения.
Одной из проявленных угроз современности является вирус COVID-19, являющийся активно опасным, но тем не менее вирусом, способы и варианты передачи которого являются типовыми.
Достоверно известны два основных способа транспортировки бактерий и вирусов от носителя к инфицируемому объекту - воздушно-капельный и контактный, при этом воздушно-капельный вариант является наиболее частым и происходит через газовые и аэрозольные среды, то есть в состоянии, при котором конкретный патоген (например COVID-19) находится непосредственно прикрепленным к микрочастицам воды.
Из вышеприведенного становится очевидным, что решение проблемы переноса бактерий и вирусов через воздушную среду сводится к разработке методов и технологий, которые способны исключить попадание зараженных частиц воды в организм.
В данной статье проведен краткий обзор и анализ возможности использования пористых полимерных композитных материалов объемно-фрактальной структуры и оборудования на их основе, для обеспечения гарантированной очистки воздуха от капельной и аэрозольной фаз жидкости являющейся основой для транспортировки всех видов вирусов.
Стандартные варианты защиты дыхательных путей от бактерий и вирусов в воздшной среде
С целью защиты дыхательных путей от бактериальных и вирусных инфекций применяются разные типы защитных средств, подбираемые в зависимости от требований пользователя к:
- • качеству очистки воздуха от механических примесей (пыли и загрязнений).
- • способности очистки (регенерации) защитных средств от загрязнителей (бактерий, вирусов).
- • сроку эксплуатации.
Наиболее распространенным вариантом защитных средств являются маски, сделанные из различных тканных материалов, которые были рекомендованы к применению различными ведомствами во всех странах мира в связи со вспышкой пандемии COVID-19.
Следует отметить спорность эффективности данной «защиты» от этого типа вирусов, но при этом следует понимать, что частично они все-таки выполняют свою функцию, задерживая капли и частично аэрозоли (крупные фракции) на поверхности.
Исходя из того, что сам вирус всегда передаётся только при наличии влаги (капли и аэрозоли), а случаи переноса происходят при физиологических процессах «вдох-выдох», куда относятся разговор, кашель и чихание (разница в расстоянии и скорости распространения), следует более детально разобраться в механике его распространения и переноса.
На рис 1. Показан вид аэрозольного облака при резком выдыхании здорового человека без маски. [1]
На Рис. 2. четко можно отследить разницу распространения аэрозольной фракции во время выдоха при использовании защитной одноразовой маски и без неё. [1]
На рис. 3 показано распространение аэрозольного облака при чихании человека в однорозовой трех-слойной медицинской маске. [1]
На Рис.4 показано распространение аэрозольной фракции при чихании в масках разных производителей изготовленных из разных материалов. [1]
Известно, что любой применяемый масочный материал или комбинации материалов (в многослойных масках) имеют сопротивление которое при выдохе инициирует завихрения внутри масочного пространства с частичным выходом капель через зазоры между не плотно прилегающими краями маски.
Определение диапазона в размеров частиц воды в капельно-аэрозольной фракции
Анализ образцов аэрозолей, которые собирали врачи из Народной больницы и полевого госпиталя Уханя (КНР) показал, что фрагменты РНК вируса изначально были во всех помещениях. Особенно характерно это было для мест скопления людей, туалетов и тех помещений, где врачи переодевались. Обрывки генома SARS-CoV-2 встречались как в мелких, так и в крупных частицах аэрозолей, однако больше всего их было в каплях диаметром в 0,25-0,5 микрометра. [2]
Как известно, основным переносчиком острых инфекционных заболеваний, таких, как грипп, SARS, MERS и COVID-19 является зараженный человек и, возможно, животные. В окружающее пространство вирусы попадают через капли жидкости (диаметром от <1 до 200 мкм), выделяемые инфицированным человеком во время чихания, кашля и, как показали последние исследования, при разговоре. Причем количество и размер капель сильно варьируется и зависит как от тона, так и от амплитуды звука.
В окружающем воздухе, влажность которого, как правило, ниже 100%, вода из микрокапель начинает быстро испаряться, значительно уменьшая их в диаметре.
При этом:
- • эффективность фильтрации (задержания/оседания) частиц с размерами меньше 1 мкМ резко снижается для большинства общедоступных масок и респираторов.
- • даже задержанные современной маской или фильтром респиратора вирионы достаточно длительное время жизнеспособны.
Далее, в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха, капли могут оставаться жидкими или высыхать, превращаясь в твердые или вязкие частички.
При этом:
- - Большинство крупных капелек и высушенных частиц достаточно быстро оседает на различных окружающих объектах (например, столешницах, кнопках, поручнях и сенсорных экранах), превращая их в потенциально инфекционные источники.
- - Капли с размерами менее нескольких микрон могут оставаться в воздухе в течение нескольких часов и переноситься воздушными потоками на десятки метров.
Следовательно, необходимо рассмотреть и использовать все существующие методы для блокирования выделения или дезактивации уже выделенных в окружающую среду вирионов, а также недопущения их проникновения в организм здорового человека. [3]
На рис. 5,6 приведены снимки нового вируса SARS-CoV-2 под микроскопом, полученные методом негативного контрастирования на просвечивающем электронном микроскопе JEM-1400 (ГНЦ вирусологии и биотехнологии «Вектор»).
Размер частиц составляет 100 - 120нм. [3]
Загрязнения таких размеров в составе аэрозольных фракций успешно оседают вместе с каплями в порах материалов до полного насыщения материалов влагой. Количество аккумулируемой влаги на прямую зависит от гигроскопичности используемых материалов.
Сравнивая объемы и дальность распространения капельно-аэрозольной фракции, а также размеры частиц можно сделать следующие выводы:
- • капельная и аэрозольная фракции, всегда проходя через любой масочный материал, с той или иной «эффективностью».
- • распространение капельно-аэрозольной фракции происходит при процессах как выдоха, так и вдоха.
- • оседание частиц влаги на материале маски при её ношении лишь частично снижает риск проникновения бактериально-вирусных инфекций из воздуха в дыхательные пути человека.
- • задача гарантированного исключения проникновения в организм человека различного рода инфекций при процессе «вдох-выдох» сводится к созданию абсолютного защитного барьера от капельно-аэрозольной фракции
Эксперимент
Целью эксперимента являлось изучение эффективности процесса очистки воздуха и воздушного потока от капельной и дисперсной фазы жидкости, являющейся одним их способом транспортировки вирусов и их фрагментов.
В качестве основного элемента для поглощения влаги из воздуха использован пористый композитный материал «Криброл» (Патент № 2445147 от 20.03.12г.) который предназначен для осушки широкого спектра газов от влаги (воды).
Пористые материалы «Криброл» (Свидетельство на товарный знак № 482895 от 21.03.137.), представляют из себя композитно-полимерный объемный фрактал и меют многократно размноженную, развитую и сложную объемную сетчатую структуру сквозных и не сквозных пор от 5 до 150 мКм.
Основными показателями для такого рода материалов является их гигроскопичность, способность к регенерации (саморегенерации) и ресурс.
В настоящее время данный материал используется для очистки газомоторных топлив на газозаправочых станциях в качестве основного фильтра при осушке газовых смесей.
Фотография структуры композитного материала «Криброл» под микроскопом представлены на рис. 7.
Для проведения эксперимента по удалению аэрозолей и влаги из потока воздуха была собрана тестовая установка, показанная на рис.8.
Тестовая установка состоит из:
- - компрессора,
- - увлажнителя (ультразвукового парогенератора),
- - корпуса фильтра с картриджем «Криброл» (далее по тексту «картридж»),
- - манометров,
- - стеклянной клбы контроля увлажнения
- - расходомера.
- - задвижек
Этапы эксперимента:
1. Определение веса картриджа в сухом состоянии
Взвешивание проводилось на стандартных весах.
Вес картриджа в сухом состоянии составил 7,2 Грамма (Рис.9).
2. Насыщение картриджа влагой.
Насыщение проводилось на установке, показанной на рис. 8 методом прокачки через картридж увлажненного мелко-дисперсными частицами воздуха (ультразвуковой парогенератор).
3. Выделение крупных капель воды картриджем после насыщения (саморегенерация).
После полного насыщения влагой картридж начал выделять укркпнённые капли воды в отстойную зону на дно колбы из стекла, которая видна на крупном плане рис. 8 и обозначена цифрой «3».
4. Определение количества влаги (воздушно-капельной, или аэрозольных фаз) впитавшихся в материал картриджа.
Для определения количества впитавшихся в материал картриджа аэрозольных и мелко-дисперсных влажных частиц было проведено взвешивание картриджа в состоянии максимального насыщения влагой на тех же самых весах. Вес картриджа, насыщенного влагой составил 53,0 Грамма (Рис.10).
5. Нагрев картриджа в СВЧ печи для выпаривания влаги.
Нагревание производилось в бытовой СВЧ печке (мощность 800 Вт) на протяжении 60 секунд.
6. Взвешивание картриджа после выпаривания накопленной влаги.
Взвешивание проводилось на тех же весах.
Вес картриджа составил 7,2 грамма, что свидетельствует о полном удалении влаги из материала картриджа.
7. После выпаривания влаги из картриджа.
Эксперимент повторялся несколько раз с постоянно неизменным результатом.
Примечание к п.п. 2, 3 эксперимента: На протяжении всего теста давление воздуха на входе и выходе из магистрали было равное, что свидетельствует о способности материала «Криброл» работать без перепадов давления даже в полностью смоченом состоянии.
По итогам проведенного эксперимента можно сделать следующие выводы:
1. Воздух насыщенный парами, взвесями и аэрозолями воды, после прохождения через материал «Криброл» не содержит в себе мелких и крупных капель (воздушно-капельных аэрозолей).
2. Количество накопленной влаги материалом картриджа составляет более 700% от веса материала.
3. Материал картриджа не создает сопротивление и продолжает осушать воздух при полном смачивании, выделяя укрупнённые капли в отстойную зону корпуса фильтра. Сопротивление прохождению воздуха практически равно «0»
4. Материал картриджа не теряет свои физически свойства при термообработке в печи (сушильной камере) при температуре 100 ОС и выше.
5. Ресурс использования картриджа является неопределенно долгим.
Определение веса фильтрующих элементов на основе полимерных композитных материалов «криброл» для использования в качестве средств индиидуальной защиты
Из факта, что материал «Криброл» впитывает в себя более 700% влаги относительно своего веса, достаточно просто рассчитать вес фильтрующего картриджа (далее «фильтр-патрон») для средств индивидуальной защиты организма человека от проникновения бактерий и вирусов через воздух.
Ниже приведены расчеты максимально гарантированного веса фильтр-патронов, которые впитает в себя влагу (воздушно-капельную аэрозольную фракцию) для защиты организма от внешней среды на 12 часов:
Средний взрослый человек пропускает через свои легкие не более 15 куб.м воздуха в сутки [5].
Абсолютная влажность α для различных температур T,oC воздуха
при вдыхании 7,5 куб. за 12 часов и содержании влаги 28 г/м3 (с учетом гарантированного запаса и упрощения расчетов).
Вывод:
Для гарантированной защиты организма взрослого человека от проникновения бактерий и вирусов через воздух на 12 часов достаточно иметь картридж (фильтр-патрон) «Криброл» весом 30 грамм.
Заключение
Итогом проведенного и описанного эксперимента является подтверждение физического процесса по удалению влаги (мелко-дисперсных фракций и аэрозолей) из воздуха полимерным композитным материалом «Криброл» на 100%.
С учетом того, что данный тип материала уже прошел стадию многолетней апробации по удалению влаги из газов и с учетом подтвержденного факта полного удаления влаги (носитель) фрактальных порах материала при СВЧ обработке, можно гарантированно утверждать, что:
1. Полимерный композитный материал «Криброл», при его конструктивной адаптации и выпуске в виде фильтр-патронов, практически готов и может быть предложен к применению в качестве универсального средства для производств средств индивидуальной защиты от бактерий и вирусов, передаваемых воздушно-капельным путем.
2. Предлагаемые фильтр-патроны могут улавливать и накапливать капли и аэрозоли из воздуха, а потом проходить процесс дезактивации вероятной угрозы в различных нагревательных устройствах.
3. Данный тип фильтр-патронов может использоваться и регенерироваться большое количество раз..
4. Средства индивидуальной защиты на основе материалов «Криброл», многократно эффективнее стандартных масок, рекомендованных к использованию населению.
5. На основе и с использованием полимерных композитных материалов «Криброл» возможно создание промышленных систем для гарантированной очистки воздуха от различного рода бактерий и вирусов, в том числе и COVID-19 в торговых центрах, предприятиях, метрополитене, поездах РЖД, самолетах, общественном транспорте и т.п.
6. Технология и метод очистки от аэрозольных и воздушно-капельных фракций в воздухе, являющихся способом транспортировки вирусов от носителей к инфицируемым, с помощью полимерных композитных материалов «Криброл», могут быть предложены к дальнейшему исследованию.
Список литературы и источников:
- https://www.nist.gov , https://khq.com
- https://nauka.tass.ru/nauka/8344933
- https://sk.ru/news/v-borbe-s-virusnymi-infekciyami-vazhno-obedinenie-uchenyh-i-vrachey-raznyh-specialnostey/
- https://www.rbc.ru/rbcfreenews/5e735ff09a7947be392f2bec
- https://www.forumhouse.ru/entries/728/
- Голубкова А.А., Сисин Е.И. Маски и респираторы в медицине: выбор и использование. – Екатеринбург: ГБОУ ВПО УГМА Минздравсоцразвития России,. 2011. – 32 с.
- Матвиенко А.Н. Пористые материалы на основе трехфазных смесей полимеров: Автореф. Дисс .. канд. хим. наук. – М., 2008. – 24 с.
- Мухаметзанов И.Т. Расчет вдыхаемой фракции дисперсных воздушных загрязнений: Дисс. канд. хим. наук. – Казань,. 2016. – 135 с.
- Чипизубов В.В., Ашкинази Л.А. Состав и способ получения фильтра на основе пористого поливинилформаля // Патент России № 2445147. 2012. Бюл. № 8.
- Шметер С. М. Влажность воздуха // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1. – С. 285–286.
- Liu, Y., Ning, Z., Chen, Y. et al. Аэродинамический анализ SARS-CoV-2 в двух больницах Уханя. // Nature.582, 557-560 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2271-3