CU-wetenschappers werpen licht op wat er gebeurt als je stroomt | CU Boulder vandaag

Bannerfoto: een krachtige groene laser helpt bij het visualiseren van aerosolpluimen van een toilet terwijl het wordt doorgespoeld. (Credit: Patrick Campbell/CU Boulder)

Dankzij nieuw CU Boulder-onderzoek zien wetenschappers het effect van toiletspoeling in een geheel nieuw licht – en nu kan de wereld dat ook.

Met behulp van felgroene lasers en camera-apparatuur voerde een team van CU Boulder-ingenieurs een experiment uit om te onthullen hoe kleine waterdruppeltjes, onzichtbaar voor het blote oog, snel de lucht in worden geworpen wanneer een openbaar toilet zonder deksel wordt doorgespoeld. Het is nu gepubliceerd in Wetenschappelijke rapportenHet is de eerste studie die de resulterende aerosolkolom direct visualiseert en de snelheid en diffusie van deeltjes erin meet.

Van deze vluchtige deeltjes is bekend dat ze ziekteverwekkers overbrengen en een gevaar kunnen vormen voor bezoekers van openbare baden. Deze levendige visualisatie van mogelijke blootstelling aan ziekten biedt echter ook een methodologie om deze te helpen verminderen.

“Als het iets is dat je niet kunt zien, is het gemakkelijk om te doen alsof het er niet is. Maar als je deze video’s eenmaal hebt bekeken, denk je er nooit meer op dezelfde manier aan om het toilet door te spoelen.” John Crimaldi, hoofdauteur van de studie en hoogleraar civiele, milieu- en bouwtechniek. “Door opwindende beelden van dit proces te maken, kan ons onderzoek een belangrijke rol spelen in berichten over de volksgezondheid.”

Onderzoekers weten al meer dan 60 jaar dat bij het doorspoelen van een toilet vaste stoffen en vloeistoffen eruit vallen volgens het ontwerp, maar dat er ook kleine, onzichtbare deeltjes in de lucht terechtkomen. Eerdere studies hebben wetenschappelijke hulpmiddelen gebruikt om de aanwezigheid van deze deeltjes in de lucht boven doorspoeltoiletten te detecteren en hebben aangetoond dat grotere deeltjes op omringende oppervlakken kunnen landen, maar tot nu toe begreep niemand hoe deze pluimen eruit zagen of hoe de deeltjes daar terechtkwamen.

Inzicht in de trajecten en snelheden van deze deeltjes – die ziekteverwekkers zoals Escherichia coli, Clostridium difficile, norovirus en adenovirussen kunnen overbrengen – is belangrijk voor het verminderen van blootstellingsrisico’s door middel van desinfectie- en ventilatiestrategieën, of een verbeterd toilet- en spoelontwerp. Hoewel het virus dat COVID-19 veroorzaakt (SARS-CoV-2) aanwezig is in menselijk afval, is er momenteel geen sluitend bewijs dat het zich efficiënt verspreidt via toiletspray.

“Mensen wisten dat toiletten spray afgeven, maar ze konden het niet zien,” zei Crimaldi. “We laten zien dat dit ding een veel actievere en meer verspreide column is dan zelfs mensen die van dit concept afwisten.”

Uit de studie bleek dat deze deeltjes in de lucht snel reizen, met een snelheid van 2 meter per seconde, en binnen 8 seconden 1,5 meter boven het toilet bereiken. Terwijl grotere druppels de neiging hebben zich binnen enkele seconden op oppervlakken te nestelen, kunnen kleinere deeltjes (aërosolen van minder dan 5 micron, of een miljoenste van een meter) minuten of langer in de lucht blijven hangen.

Het is niet alleen hun eigen afval waar badkamerbezoekers zich zorgen over moeten maken. Verschillende andere onderzoeken hebben aangetoond dat ziekteverwekkers tientallen flitsen in een vat kunnen blijven bestaan, waardoor het risico op mogelijke blootstelling toeneemt.

“Het doel van een toilet is om effectief afval uit de kom te verwijderen, maar het doet ook het tegenovergestelde, namelijk een groot deel van de inhoud naar boven spuiten”, zei Crimaldi. “Ons lab heeft een methodologie ontwikkeld die een basis biedt voor het verbeteren en verminderen van dit probleem.”

Geen tijdverspilling

Criminaldi voert een bestand uit Milieu Fluid Dynamics Lab bij CU Boulder, dat gespecialiseerd is in het gebruik van op laser gebaseerde apparaten, kleurstoffen en gigantische vloeistoftanks om alles te bestuderen, van Hoe bereiken geuren onze neus? van hoe chemicaliën zich verplaatsen in turbulente watermassa’s. Het idee om laboratoriumtechnologie te gebruiken om bij te houden wat er in de lucht gebeurt nadat een toilet is doorgespoeld, was er een van gemak, nieuwsgierigheid en omstandigheden.

Tijdens een vrije week afgelopen juni collega-hoogleraren Karel Linden En de Mark Hernández van het programma Milieutechniek, en verschillende afgestudeerde studenten van het Crimaldi-lab voegden zich bij hem om het experiment op te zetten en uit te voeren. Aaron True, tweede auteur van de studie en onderzoekspartner in het Crimaldi-lab, speelde een belangrijke rol bij het uitvoeren en vastleggen van de lasergebaseerde metingen voor de studie.

Ze gebruikten twee lasers: een die continu over en boven het toilet scheen, en de andere die snelle lichtpulsen over hetzelfde gebied zond. De stationaire laser detecteerde waar zwevende deeltjes zich in de ruimte bevonden, terwijl de pulserende laser hun snelheid en richting kon meten. Ondertussen maakten twee camera’s hoge resolutie foto’s.

Het toilet zelf was van hetzelfde type dat doorgaans wordt gezien in openbare toiletten in Noord-Amerika: een unit zonder deksel vergezeld van een cilindrisch spoelmechanisme – handmatig of automatisch – dat aan de achterkant dicht bij de muur verzonken was, ook wel een spoelmeter-achtige klep genoemd. Het nieuwe schone toilet was alleen gevuld met kraanwater.

Ze wisten dat dit plotselinge experiment tijdverspilling zou kunnen zijn, maar in plaats daarvan zorgde het onderzoek voor een enorme boost.

“We hadden verwacht dat deze spuitbussen zouden zweven, maar ze kwamen eruit als een raket,” zei Crimaldi.

De energetische, in de lucht zwevende watermoleculen gingen meestal omhoog en terug naar de achterwand, maar hun beweging was onvoorspelbaar. De schacht rees ook naar het plafond van het laboratorium, en omdat hij nergens anders heen kon, bewoog hij zich vanaf de muur naar buiten en verspreidde zich naar voren, de kamer in.

De experimentele opstelling omvatte geen vast afval of toiletpapier in de kom, en er waren geen kraampjes of mensen die rondliepen. Deze real-world variabelen kunnen het probleem allemaal verergeren, zei Crimaldi.

Ze maten ook deeltjes in de lucht met behulp van een optische deeltjesteller, een apparaat dat een luchtmonster door een buisje zuigt en er een licht op laat schijnen, waardoor het deeltjes kan tellen en meten. Kleinere deeltjes zweven niet alleen langer in de lucht, maar ze kunnen ook ontsnappen uit de neusharen en dieper in de longen doordringen, waardoor ze gevaarlijker worden voor de menselijke gezondheid. Het was dus ook belangrijk om het aantal en de grootte van de deeltjes te kennen.

Hoewel deze bevindingen alarmerend kunnen zijn, biedt de studie loodgieters- en volksgezondheidsexperts een consistente manier om verbeterd sanitairontwerp, desinfectie- en ventilatiestrategieën te testen, om het risico op blootstelling aan ziekteverwekkers in openbare toiletten te verminderen.

“Geen van deze verbeteringen kan effectief worden aangebracht zonder te weten hoe de aerosolkolom evolueert en hoe deze beweegt”, zei Crimaldi. “Het kunnen zien van deze onzichtbare pilaar is een game-wisselaar.”

Bijkomende auteurs van deze publicatie zijn onder meer: ​​Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson en Anna Pauls van het Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering.