CU の科学者は、流れると何が起こるかを明らかにします。 今日のCUボールダー

バナー写真: 強力なグリーン レーザーは、トイレが流される際に発生するエアロゾル プルームを視覚化するのに役立ちます。 (クレジット: パトリック・キャンベル/CU ボールダー)

ボルダー大学の新しい研究のおかげで、科学者たちはトイレの水洗の影響をまったく新しい観点から見ています。そして今、世界もそうすることができます.

明るい緑色のレーザーとカメラ機器を使用して、CU ボールダーのエンジニアのチームは実験を行い、蓋のない公衆トイレを洗い流すと、肉眼では見えない小さな水滴がどのように急速に空中に放出されるかを明らかにしました。 に掲載されるようになりました 科学的報告得られたエアロゾル カラムを直接視覚化し、その中の粒子の速度と拡散を測定した最初の研究です。

これらの揮発性粒子は病原体を伝染させることが知られており、公衆浴場の訪問者に危険をもたらす可能性があります. ただし、潜在的な病気への曝露をこの鮮明に視覚化することで、それを減らす方法も提供されます。

「目に見えないものは、そこにないふりをするのは簡単です。しかし、これらのビデオを一度見れば、トイレの水を流すことについて同じように考えることはもうありません。」 ジョン・クリマルディ、研究の筆頭著者であり、土木工学、環境工学、建築工学の教授。 「このプロセスのエキサイティングなビジュアルを作成することで、私たちの研究は公衆衛生のメッセージにおいて重要な役割を果たすことができます.」

研究者は 60 年以上前から、トイレを流すと固形物と液体が設計どおりに落ちることを知っていましたが、目に見えない小さな粒子も空気中に放出されます。 これまでの研究では、科学的ツールを使用してトイレの水洗トイレの上にこれらの空中浮遊粒子の存在を検出し、より大きな粒子が周囲の表面に着陸する可能性があることを示しましたが、これまで、これらのプルームがどのように見えるか、粒子がどのようにそこに到達したかを誰も理解していませんでした.

大腸菌、クロストリジウム・ディフィシル、ノロウイルス、アデノウイルスなどの病原体を伝染させる可能性があるこれらの粒子の軌道と速度を理解することは、消毒と換気戦略、または改善されたトイレとフラッシュの設計を通じて曝露リスクを軽減するために重要です。 COVID-19 (SARS-CoV-2) の原因となるウイルスは人間の排泄物に存在しますが、トイレのスプレーを介して効率的に拡散するという決定的な証拠は現在ありません。

「人々はトイレから水しぶきが出るのを知っていましたが、それを見ることはできませんでした」とクリマルディは言いました。 「このことは、この概念を知っていた人々よりもはるかに活発で広まっているコラムであることを示しています。」

この研究では、これらの浮遊粒子が毎秒 6.6 フィート (2 メートル) の速さで移動し、8 秒以内にトイレの上 4.9 フィート (1.5 メートル) に到達することがわかりました。 大きな液滴は数秒以内に表面に沈降する傾向がありますが、小さな粒子 (5 ミクロン、または 100 万分の 1 メートル未満のエアロゾル) は、数分以上空気中に浮遊したままになることがあります。

トイレに行く人が心配しなければならないのは、自分の排泄物だけではありません。 他のいくつかの研究では、病原体が容器内に数十回の閃光を放ち続ける可能性があり、潜在的な暴露のリスクが高まることが示されています。

「トイレの目的は便器から排泄物を効果的に取り除くことですが、反対に、内容物を上にたくさんスプレーすることもできます」と Crimaldi 氏は言います。 「私たちの研究室は、この問題を改善および軽減するための基礎を提供する方法論を作成しました。」

時間の無駄ではない

Crimaldi はファイルを実行します 環境流体力学研究室 CU Boulder では、レーザー ベースのデバイス、染料、巨大な液体タンクを使用してあらゆる研究を行っています。 においはどのようにして私たちの鼻に届くのですか？ 化学物質が乱流水域でどのように移動するか。 実験室の技術を使用して、トイレを流した後に空気中で何が起こるかを追跡するというアイデアは、利便性、好奇心、および状況の 1 つでした。

昨年 6 月のフリー ウィーク中に、仲間の教授たちは カール・リンデン そしてその マーク・ヘルナンデス 環境工学プログラムの博士号を取得し、Crimaldi 研究室の数人の大学院生が彼に加わり、実験をセットアップして実行しました。 Crimaldi ラボの研究および研究パートナーの 2 番目の著者である Aaron True は、研究のためのレーザーベースの測定の実行と記録に尽力しました。

彼らは 2 つのレーザーを使用しました。1 つはトイレの上と上を連続的に照らし、もう 1 つは同じ領域に高速パルスの光を送りました。 固定レーザーは空中浮遊粒子がどこにあるかを検出し、パルスレーザーは粒子の速度と方向を測定できました。 その間、2台のカメラが高解像度の写真を撮りました。

トイレ自体は、北米の公衆トイレで一般的に見られるのと同じタイプのものでした。蓋のないユニットに、手動または自動のいずれかの円筒形の洗浄機構が付いており、壁の近くの背面に埋め込まれた、フラッシュメーター スタイルのバルブとして知られています。 新しいきれいなトイレは水道水だけで満たされていました。

彼らは、この突然の実験が時間の無駄になる可能性があることを知っていましたが、代わりに、研究は大きな後押しを生み出しました.

「これらのエアロゾルは浮遊するものだと思っていましたが、ロケットのように出てきました」と Crimaldi 氏は述べています。

エネルギーを帯びた空気中の水分子は、主に後壁に向かって上下に移動しましたが、その動きは予測できませんでした。 シャフトも実験室の天井まで上がり、行き場をなくして壁の外に出て部屋の中に広がった。

実験のセットアップには、ボウルに固形廃棄物やトイレットペーパーが含まれておらず、屋台や動き回る人々もいませんでした. これらの現実世界の変数はすべて、問題を悪化させる可能性があると Crimaldi 氏は述べています。

彼らはまた、光学粒子カウンターを使用して空中浮遊粒子を測定しました。これは、小さなチューブを通して空気のサンプルを吸い込み、それに光を当てて、粒子を数えて測定できるようにするデバイスです。 粒子が小さいほど空気中を長く浮遊するだけでなく、鼻毛から逃れて肺の奥深くまで到達する可能性があるため、粒子の数とサイズを知ることも重要でした.

これらの調査結果は驚くべきものかもしれませんが、この研究は、公衆トイレでの病原体への曝露のリスクを減らすために、改善された配管設計、消毒および換気戦略をテストするための一貫した方法を配管および公衆衛生の専門家に提供します。

「エアロゾルカラムがどのように進化し、どのように移動するかを知らなければ、これらの改善を効果的に行うことはできません」と Crimaldi 氏は述べています。 「この目に見えない柱を見ることができることは、ゲームチェンジャーです。」

この出版物の追加の著者には、土木・環境・建築工学科の Aaron True、Carl Linden、Mark Hernandez、Lars Larsson、Anna Pauls が含まれます。