Перспективность применения пористых композитных материалов в изделиях для защиты органов дыхания от вирусных и бактериальных инфекций

Cite as: Chipizubov V.V., Sukhonin P.N., Petrash V.V. Prospects for the use of porous composite materials in products for respiratory protection from viral and bacterial infections. Bulletin of the Medical Institute Reaviz. Rehabilitation, Doctor and Health. 2021;1(49):11-16.

Заболевания органов дыхания занимают ведущее место в структуре профессиональной патологии работников многих предприятий, связанных с запылённостью производственной среды (угольная промышленность, горно-обогатительные комбинаты, текстильное производство и др.). Повсеместная практика работы на такого рода объектах предусматривает использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) органов дыхания в виде респираторов и иных устройств [2, 3]. В медицинской практике одним из важнейших направлений профилактики профессионально-обусловленных заболеваний персонала является использование СИЗ для предотвращения поступления через органы дыхания как биологических, так и химических вредных и опасных агентов [1]. В последнее время человечество все чаще сталкивается с угрозами, связанными с появлением новых вирусов, этимологию, варианты мутаций, свойства и способы передачи которых значительно разнятся. Одной из проявленных угроз современности является вирус COVID-19. Достоверно известны два основных способа транспортировки большинства респираторных вирусов от носителя к инфицируемому объекту – воздушно-капельный и контактный, при этом воздушно-капельный вариант является наиболее частым.

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 [6].

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 извлечении звуков, в том числе и при разговоре. Причём, 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 (задер-жания/оседания) частиц с размерами меньше 1 микрона резко снижается для большинства общедоступных масок и респираторов; даже задержанные современной маской или фильтром респиратора вирионы достаточно длительное время жизнеспособны . В зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха капли могут оставаться жидкими или высыхать, превращаясь в твердые или вязкие частички. 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 вынесенных в окружающую среду вирионов, а также недопущения их проникновения в организм здорового человека [1].

Цель работы: оценка гигроскопичности композитно-полимерного материала «Криброл» и анализ эффективности процесса очистки воздушного потока от капельной и дисперсной фазы жидкостей, потенциально содержащих в себе мелкие частицы пыли, бактерии, в том числе вирусы и их фрагменты.

Материал и методы исследования

В качестве основного элемента для поглощения влаги из воздуха использован пористый материал типа «Криброл» [4], который предназначен для осушки газов от влаги (воды). Пористые материалы «Криброл» представляют из себя композитно-полимерный объёмный фрактал и имеют многократно размноженную, развитую и сложную объёмную сетчатую структуру сквозных и не сквозных пор от 5 до 150 мкм. Основным показателем для такого рода материалов является их гигроскопичность. Испытываемые образцы были представлены в виде объёмных картриджей в количестве 5 штук. Снимок структуры материала «Криброл» на электронном микроскопе показан на рис. 1.

Для проведения экспериментов по удалению аэрозолей и влаги из потока воздуха была собрана тестовая установка, схема которой показанная на рис. 2.

Порядок проведения экспериментов по оценке гигроскопичности картриджей из материала «Криброл» включал следующие этапы:

• 1.    Определение веса испытуемого картриджа «Криброл» в сухом состоянии. Взвешивание проводили на стандартных лабораторных весах типа Mertech (Mercury) M-ER 123 АCF-1500.05.

• 2.    Насыщение картриджа влагой на установке, показанной на рис. 2, путём прокачки через картридж увлажнённого мелко-дисперсными частицами воздуха. На этом этапе после полного насыщения влагой картридж начинал выделять крупные капли воды в отстойную зону на дно колбы 5 тестовой установки.

  

  Рис. 1. Структура материала «Криброл»

  
  
  

  Рис. 2. Схема тестовой установки для оценки гигроскопичности материалов:

  1 – задвижки, 2 – компрессор, 3 – увлажнитель (ультразвуковой парогенератор), 4 – манометры, 5 – корпус фильтра с картриджем «Криброл», 6 – расходомер, 7 – стеклянная колба контроля увлажнения

  
  

• 3.    Определение количества влаги (воздушно-капельной или аэрозольной фаз), впитавшейся в материал картриджа, путём взвешивания картриджа в состоянии максимального насыщения влагой на тех же самых весах.

• 4.    Нагрев картриджа в СВЧ печи на протяжении 60 секунд для выпаривания влаги. Использовали бытовую СВЧ печь (мощность 800 Вт).

• 5.    Измерение давления в тестовой установке до и после картриджа проводили с использованием лабораторного образцового манометра ТМ-610РМТИ.00 (0...25 MPA) М20Х1,5.КЛ0,6 Класс точности – 0,6 %.

• 6.    Взвешивание картриджа после выпаривания накопленной влаги на тех же весах.

Отсутствие влаги в воздухе на выходе установки после картриджа оценивали следующим образом.

На выходе потока воздуха из лабораторной установки расположена проходная ёмкость из стекла 7 . Диаметр проходной ёмкости в несколько раз больше диаметра коммутирующей трубки на выходе воздуха из корпуса с картриджем 5 . Следовательно, в этом месте установки происходило резкое расширение воздушного потока, и за счёт адиабатического процесса температура резко понижалась. При этом, если бы в воздухе содержалось некоторое значимое количество влаги, то она обязательно конденсировалась бы на стенках ёмкости в виде помутнения (тумана). В проведённых экспериментах за несколько циклов продувки увлажнённого воздуха через фильтр с картриджем «Криброл» изменение прозрачности стенок (помутнение) из-за микрокапель не наблюдалось, что свидетельствует о низкой влажности в воздушной среде на выходе установки.

Результаты

На протяжении всего теста с каждым испытываемым образцом катриджей давление воздуха в магистралях на входе и выходе было практически равное. Это свидетельствует о способности материала «Криброл» работать без перепадов давления даже в смоченом состоянии.

В таблице 1 приведены данные по оценке гигроскопичности образцов картриджей по результатам их взвешивания на этапах экспериментов.

Из полученных данных видно, что количество накопленной влаги материалом картриджа составляет более 700 % от исходного веса сухого материала. При этом материал картриджа не создаёт сопротивление прохождению воздуха и продолжает осушать воздух в условиях смачивания, выделяя избыточную влагу в виде укрупнённых капель в отстойную зону колбы тестовой установки.

В результате неоднократно проведённых повторных исследований гигроскопичности одного и того же картриджа после термообработки в СВЧ-печи установлено, что материал картриджа не теряет свои физические свойства при температуре 100 °С и возможно выше. В связи с этим ресурс использования картриджа можно считать неопределённо долгим.

Исходя из показателя гигроскопичности материала «Криброл» и функциональ- ной нормы дыхания человека достаточно просто рассчитать необходимые параметры фильтрующего картриджа для СИЗ от проникновения бактерий и вирусов из воздш-ной среды воздушно-капельным путём. Минутный обём дыхания (МОД) – объём воздуха, проходящий через лёгкие человека за 1 минуту, в норме для взрослого человека составляет 5–6 литров или 300–360 л в час. При увеличении физической нагрузки МОД, естественно, увеличивается. Содержание влаги в воздушной среде зависит от температуры возуха (табл. 2) и характеризуется показателем абсолютной влажности α, как количество водяного пара в граммах в 1 м3 воздуха [5].

Расчеты максимально гарантированного веса картриджа из материала «Криб-рол», который впитает в себя влагу (воздушно-капельную аэрозольную фракцию) для защиты организма от внешней среды на 12 часов, показывают величину порядка 30 г.

Учитывая широкие технологические возможности получения из материала «Криброл» картриджей, конструктивно адаптированных к различным техническим решениям СИЗ в виде респираторов, представляется актуальным использование этого материала в изделиях СИЗ, особенно в современной эпидемиологической ситуации с распространением COVID-19.

Таблица 1. Показатель гигроскопичности картриджей по весу образцов

Этапы исследования	Исходный	После насыщения влагой	После высушивания
Вес картриджа, г, M ± m	7,2 ± 1,2	53,0 ± 2,1	7,2 ± 1,5

Таблица 2. Абсолютная влажность α для различных температур T, °C воздуха

T, °C	α , г/м3
–30	0,453
–20	1,073
0	4,844
+20	17,270
+30	30,330

Таким образом, итогом проведённых экспериментальных исследований является подтверждение эффективности процесса удаления влаги (мелко-дисперсных фракций и аэрозолей) из воздуха полимерным композитным материалом «Криброл». С учётом того, что данный тип материала уже прошёл стадию апробации по удалению влаги из газов в промышленных установках, становится очевидным, что его применения в СИЗ сводится к разработке их конструктивно-технологических решений, адаптированных к данному материалу с учётом медико-гигиенических требований.

Выводы

Композитно-полимерный материал «Криброл», при его конструктивной адаптации к техническим решениям различных типов СИЗ, может рассматриваться как эффективное универсальное средство для индивидуальной защиты от бактерий и вирусов, передаваемых воздушно-капельным путём.

СИЗ на основе материалов «Криброл» могут улавливать и накапливать капли и аэрозоли из воздуха, затем проходить процесс дезактивации вероятной угрозы в различных нагревательных устройствах и использоваться многократно.

На основе композитно-полимерных материалов «Криброл» возможно создание средств коллективной гигиенической защиты для гарантированной очистки воздуха от различного рода бактерий и вирусов, в том числе COVID-19, в помещениях производственных структур, в торговой сфере, в общественном транспорте и т.п.