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]

 

 Рис.1 Вид аэрозольного облака при резком выдыхании человека без респиратора

На Рис. 2. четко можно отследить разницу распространения аэрозольной фракции во время выдоха при использовании защитной одноразовой маски и без неё. [1]

Рис.2. Разница распространения аэрозольной фракции при использовании защитной одноразовой маски и без неё

На рис. 3 показано распространение аэрозольного облака при чихании человека в однорозовой трех-слойной медицинской маске. [1]

Рис.3. Вид аэрозольного облака при чихании в одноразовой медицинской маске

На Рис.4 показано распространение аэрозольной фракции при чихании в масках разных производителей изготовленных из разных материалов. [1]

Рис.4. 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.

Рис.7 Фотография структуры композитных материалов «Криброл» под микроскопом

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

Рис. 8 Экспериментальная (тестовая) установка для удаления аэрозолей и влаги из потока воздуха (крупным планом и цифрой «2» выделен картридж «Криброл» размещённый в прозрачном корпусе)

 

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:

1. https://www.nist.gov ,  https://khq.com
2. https://nauka.tass.ru/nauka/8344933
3. https://sk.ru/news/v-borbe-s-virusnymi-infekciyami-vazhno-obedinenie-uchenyh-i-vrachey-raznyh-specialnostey/
4. https://www.rbc.ru/rbcfreenews/5e735ff09a7947be392f2bec
5. https://www.forumhouse.ru/entries/728/
6. Голубкова А.А., Сисин Е.И.  Маски и респираторы в медицине: выбор и использование. – Екатеринбург: ГБОУ ВПО УГМА Минздравсоцразвития России,. 2011. – 32 с.
7. Матвиенко А.Н. Пористые материалы на основе трехфазных смесей  полимеров: Автореф. Дисс .. канд. хим. наук. – М., 2008. – 24 с.
8. Мухаметзанов И.Т. Расчет вдыхаемой фракции дисперсных воздушных загрязнений:  Дисс. канд. хим. наук. – Казань,. 2016. – 135 с.
9. Чипизубов В.В., Ашкинази Л.А. Состав и способ получения фильтра на основе пористого поливинилформаля // Патент России № 2445147. 2012. Бюл. № 8.
10. Шметер С. М. Влажность воздуха  // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия, 1988.  Т. 1. – С. 285–286.
11. 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