يلقي علماء جامعة CU الضوء على ما يحدث عندما تتدفق | CU بولدر اليوم

صورة العنوان: يساعد الليزر الأخضر القوي في تصور أعمدة الهباء الجوي من المرحاض عند غسله. (الائتمان: باتريك كامبل / سي يو بولدر)

بفضل أبحاث CU Boulder الجديدة ، يرى العلماء تأثير تنظيف المرحاض في ضوء جديد تمامًا – والآن ، يمكن للعالم ذلك أيضًا.

باستخدام أشعة الليزر الخضراء الساطعة ومعدات الكاميرا ، أجرى فريق من مهندسي CU Boulder تجربة للكشف عن كيفية قذف قطرات الماء الصغيرة ، غير المرئية للعين المجردة ، بسرعة في الهواء عند شطف مرحاض عام بدون غطاء. تم نشره الآن في التقارير العلمية، إنها أول دراسة تصور بشكل مباشر عمود الهباء الجوي الناتج وقياس سرعة وانتشار الجسيمات داخله.

ومن المعروف أن هذه الجسيمات المتطايرة تنقل مسببات الأمراض ويمكن أن تشكل خطرا على رواد الحمامات العامة. ومع ذلك ، فإن هذا التصور الحي للتعرض المحتمل للمرض يوفر أيضًا منهجية للمساعدة في تقليله.

“إذا كان شيئًا لا يمكنك رؤيته ، فمن السهل التظاهر بأنه غير موجود. ولكن بمجرد مشاهدة مقاطع الفيديو هذه ، لن تفكر أبدًا في تدفق المرحاض بنفس الطريقة مرة أخرى ” جون كريمالدي، المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ الهندسة المدنية والبيئية والمعمارية. “من خلال صنع صور مرئية مثيرة لهذه العملية ، يمكن لدراستنا أن تلعب دورًا مهمًا في رسائل الصحة العامة.”

لقد عرف الباحثون منذ أكثر من 60 عامًا أنه عندما يتم شطف المرحاض ، تتساقط المواد الصلبة والسوائل وفقًا للتصميم ، ولكن يتم أيضًا إطلاق جزيئات صغيرة غير مرئية في الهواء. استخدمت الدراسات السابقة الأدوات العلمية للكشف عن وجود هذه الجسيمات المحمولة في الهواء فوق المراحيض المتدفقة وأظهرت أن الجزيئات الأكبر يمكن أن تهبط على الأسطح المحيطة ، ولكن حتى الآن ، لم يفهم أحد كيف تبدو هذه الأعمدة أو كيف وصلت الجسيمات إلى هناك.

إن فهم مسارات وسرعات هذه الجسيمات – التي يمكن أن تنقل مسببات الأمراض مثل الإشريكية القولونية والمطثية العسيرة والنوروفيروس والفيروسات الغدية – أمر مهم للتخفيف من مخاطر التعرض من خلال استراتيجيات التطهير والتهوية ، أو تحسين تصميم المرحاض والشطف. في حين أن الفيروس الذي يسبب COVID-19 (SARS-CoV-2) موجود في النفايات البشرية ، لا يوجد حاليًا دليل قاطع على أنه ينتشر بكفاءة من خلال رذاذ المرحاض.

قال كريمالدي: “لقد عرف الناس أن المراحيض تنبعث منها رذاذ ، لكنهم لم يتمكنوا من رؤيتها”. “نظهر أن هذا الشيء هو عمود أكثر نشاطًا وسرعة الانتشار بكثير من حتى الأشخاص الذين عرفوا عن هذا المفهوم.”

وجدت الدراسة أن هذه الجسيمات المحمولة في الهواء تنطلق بسرعة ، بسرعة 6.6 قدم (2 متر) في الثانية ، لتصل 4.9 قدم (1.5 متر) فوق المرحاض في غضون 8 ثوانٍ. بينما تميل القطرات الأكبر إلى الاستقرار على الأسطح في غضون ثوانٍ ، يمكن أن تظل الجسيمات الأصغر (الهباء الجوي أقل من 5 ميكرون ، أو جزء من المليون من المتر) معلقة في الهواء لدقائق أو أكثر.

ليس فقط نفاياتهم الخاصة هي التي يجب أن يقلق رواد الحمام بشأنها. أظهرت العديد من الدراسات الأخرى أن مسببات الأمراض يمكن أن تستمر في الوعاء لعشرات الهبات ، مما يزيد من خطر التعرض المحتمل.

قال كريمالدي: “الهدف من المرحاض هو إزالة النفايات بشكل فعال من الوعاء ، ولكنه يفعل العكس أيضًا ، وهو رش الكثير من المحتويات إلى الأعلى”. “لقد أنشأ مختبرنا منهجية توفر أساسًا لتحسين هذه المشكلة والتخفيف من حدتها.”

ليس مضيعة للوقت

يدير Crimaldi ملف معمل ديناميكيات الموائع البيئية في CU Boulder ، المتخصصة في استخدام الأجهزة القائمة على الليزر والأصباغ وخزانات السوائل العملاقة لدراسة كل شيء بدءًا من كيف تصل الروائح إلى أنفنا لكيفية تحرك المواد الكيميائية في المسطحات المائية المضطربة. كانت فكرة استخدام تقنية المختبر لتتبع ما يحدث في الهواء بعد شطف المرحاض فكرة الراحة والفضول والظروف.

خلال أسبوع مجاني في يونيو الماضي ، زملائه الأساتذة كارل ليندن و مارك هيرنانديز من برنامج الهندسة البيئية ، وانضم إليه العديد من طلاب الدراسات العليا من مختبر كريمالدي لإعداد التجربة وإدارتها. كان آرون ترو ، المؤلف الثاني للدراسة وشريك البحث في مختبر كريمالدي ، مفيدًا في تشغيل وتسجيل القياسات القائمة على الليزر للدراسة.

استخدموا جهازي ليزر: أحدهما يضيء باستمرار فوق المرحاض وفوقه ، والآخر يرسل نبضات ضوئية سريعة على نفس المنطقة. كشف الليزر الثابت عن مكان وجود الجسيمات المحمولة في الهواء في الفضاء ، بينما يمكن لليزر النابض أن يقيس سرعتها واتجاهها. وفي الوقت نفسه ، التقطت كاميرتان صورًا عالية الدقة.

كان المرحاض نفسه من النوع نفسه الذي يُشاهد عادةً في الحمامات العامة في أمريكا الشمالية: وحدة بدون غطاء مصحوبة بآلية شطف أسطوانية – سواء كانت يدوية أو أوتوماتيكية – تلتصق من الخلف بالقرب من الجدار ، وتُعرف باسم صمام نمط مقياس التدفق. تم ملء المرحاض النظيف الجديد بماء الصنبور فقط.

كانوا يعلمون أن هذه التجربة المفاجئة قد تكون مضيعة للوقت ، ولكن بدلاً من ذلك ، أحدث البحث دفعة كبيرة.

قال كريمالدي: “كنا نتوقع أن تطفو جسيمات الهباء الجوي هذه نوعًا ما ، لكنها خرجت مثل الصاروخ”.

كانت جزيئات الماء النشطة والمحمولة جواً تتجه في الغالب لأعلى وللخلف باتجاه الجدار الخلفي ، لكن حركتها كانت غير متوقعة. ارتفع العمود أيضًا إلى سقف المختبر ، ولم يكن هناك مكان آخر يذهبون إليه ، فانتقل إلى الخارج من الجدار وانتشر للأمام ، إلى الغرفة.

لم يتضمن الإعداد التجريبي أي نفايات صلبة أو ورق تواليت في الوعاء ، ولم يكن هناك أكشاك أو أشخاص يتحركون. قال كريمالدي إن هذه المتغيرات الواقعية يمكن أن تؤدي جميعها إلى تفاقم المشكلة.

قاموا أيضًا بقياس الجسيمات المحمولة جواً باستخدام عداد الجسيمات البصري ، وهو جهاز يمتص عينة من الهواء من خلال أنبوب صغير ويسلط الضوء عليه ، مما يسمح له بعد وقياس الجسيمات. لا تطفو الجسيمات الأصغر في الهواء لفترة أطول فحسب ، بل يمكنها أيضًا الهروب من شعر الأنف والوصول إلى عمق أكبر في رئتي المرء – مما يجعلها أكثر خطورة على صحة الإنسان – لذا فإن معرفة عدد الجزيئات وحجمها كان أمرًا مهمًا أيضًا.

في حين أن هذه النتائج قد تكون مقلقة ، إلا أن الدراسة تزود خبراء في السباكة والصحة العامة بطريقة متسقة لاختبار تصميم السباكة المحسن واستراتيجيات التطهير والتهوية ، من أجل تقليل مخاطر التعرض لمسببات الأمراض في الحمامات العامة.

قال كريمالدي: “لا يمكن إجراء أي من هذه التحسينات بشكل فعال دون معرفة كيفية تطور عمود الهباء الجوي وكيفية تحركه”. “القدرة على رؤية هذا العمود غير المرئي هي لعبة تغيير.”

من بين المؤلفين الإضافيين في هذا المنشور: آرون ترو وكارل ليندن ومارك هيرنانديز ولارس لارسون وآنا بولس من قسم الهندسة المدنية والبيئية والمعمارية.