Científicos de CU arrojan luz sobre lo que sucede cuando fluyes | CU Boulder hoy

Fotografía del encabezado: un potente láser verde ayuda a visualizar las columnas de aerosol de un inodoro mientras se descarga. (Crédito: Patrick Campbell/CU Boulder)

Gracias a una nueva investigación de CU Boulder, los científicos están viendo el efecto de la descarga del inodoro bajo una luz completamente nueva, y ahora, el mundo también puede hacerlo.

Usando láseres de color verde brillante y equipo de cámara, un equipo de ingenieros de CU Boulder realizó un experimento para revelar cómo pequeñas gotas de agua, invisibles a simple vista, se expulsan rápidamente al aire cuando se descarga un inodoro público sin tapa. Ahora está publicado en Informes científicosEs el primer estudio que visualiza directamente la columna de aerosol resultante y mide la velocidad y la difusión de las partículas dentro de ella.

Se sabe que estas partículas volátiles transmiten patógenos y pueden representar un peligro para los visitantes de los baños públicos. Sin embargo, esta visualización vívida de la exposición potencial a la enfermedad también proporciona una metodología para ayudar a reducirla.

“Si es algo que no puedes ver, es fácil fingir que no está allí. Pero una vez que veas estos videos, nunca volverás a pensar en tirar la cadena del inodoro de la misma manera”. Juan Criminaldi, autor principal del estudio y profesor de ingeniería civil, ambiental y arquitectónica. “Al hacer imágenes emocionantes de este proceso, nuestro estudio puede desempeñar un papel importante en los mensajes de salud pública”.

Los investigadores saben desde hace más de 60 años que cuando se descarga un inodoro, los sólidos y los líquidos caen según el diseño, pero también se liberan partículas pequeñas e invisibles en el aire. Estudios anteriores han utilizado herramientas científicas para detectar la presencia de estas partículas en el aire sobre los inodoros y han demostrado que las partículas más grandes pueden aterrizar en las superficies circundantes, pero hasta ahora, nadie entendió cómo se veían estas columnas o cómo llegaron allí.

Comprender las trayectorias y velocidades de estas partículas, que pueden transmitir patógenos como Escherichia coli, Clostridium difficile, norovirus y adenovirus, es importante para mitigar los riesgos de exposición a través de estrategias de desinfección y ventilación, o un mejor diseño de inodoros y descargas. Si bien el virus que causa el COVID-19 (SARS-CoV-2) está presente en los desechos humanos, actualmente no hay evidencia concluyente de que se propague de manera eficiente a través del rocío del inodoro.

“La gente sabía que los inodoros despedían rocío, pero no podían verlo”, dijo Criminaldi. “Mostramos que esta cosa es una columna mucho más activa y difundida que incluso las personas que conocían este concepto”.

El estudio encontró que estas partículas en el aire viajan rápidamente, a 6,6 pies (2 metros) por segundo, alcanzando 4,9 pies (1,5 metros) por encima del inodoro en 8 segundos. Mientras que las gotas más grandes tienden a depositarse en las superficies en cuestión de segundos, las partículas más pequeñas (aerosoles de menos de 5 micrones o millonésimas de metro) pueden permanecer suspendidas en el aire durante minutos o más.

Los que van al baño no solo tienen que preocuparse por sus propios desechos. Varios otros estudios han demostrado que los patógenos pueden persistir en un recipiente durante docenas de destellos, lo que aumenta el riesgo de exposición potencial.

“El objetivo de un inodoro es eliminar de manera efectiva los desechos de la taza, pero también hace lo contrario, que es rociar una gran cantidad de contenido hacia la parte superior”, dijo Criminaldi. “Nuestro laboratorio ha creado una metodología que proporciona una base para mejorar y mitigar este problema”.

No es una pérdida de tiempo

Criminaldi ejecuta un archivo Laboratorio de Dinámica de Fluidos Ambientales en CU Boulder, que se especializa en el uso de dispositivos basados ​​en láser, tintes y tanques gigantes de fluido para estudiar todo, desde ¿Cómo llegan los olores a nuestra nariz? de cómo se mueven los productos químicos en cuerpos de agua turbulentos. La idea de usar tecnología de laboratorio para rastrear lo que sucede en el aire después de que se descarga un inodoro fue una cuestión de conveniencia, curiosidad y circunstancia.

Durante una semana libre en junio pasado, compañeros profesores Carlos Linden Y el Marcos Hernández del programa de Ingeniería Ambiental, y varios estudiantes de posgrado del laboratorio de Crimaldi se unieron a él para configurar y ejecutar el experimento. Aaron True, segundo autor del estudio y socio de investigación en el laboratorio de Crimeldi, jugó un papel decisivo en la ejecución y el registro de las mediciones basadas en láser para el estudio.

Usaron dos láseres: uno que brillaba continuamente sobre el inodoro y el otro que enviaba rápidos pulsos de luz sobre la misma área. El láser estacionario detectó dónde se ubicaban las partículas en el aire en el espacio, mientras que el láser pulsante podía medir su velocidad y dirección. Mientras tanto, dos cámaras tomaron fotos de alta resolución.

El inodoro en sí era del mismo tipo que se suele ver en los baños públicos de América del Norte: una unidad sin tapa acompañada de un mecanismo de descarga cilíndrico, ya sea manual o automático, empotrado en la parte posterior cerca de la pared, conocido como válvula estilo fluxómetro. El nuevo inodoro limpio se llenó solo con agua del grifo.

Sabían que este experimento repentino podría ser una pérdida de tiempo, pero en cambio, la investigación creó un gran impulso.

“Esperábamos que estos aerosoles flotaran, pero salieron como un cohete”, dijo Criminaldi.

Las enérgicas moléculas de agua transportadas por el aire se dirigieron principalmente hacia arriba y hacia atrás, hacia la pared trasera, pero su movimiento era impredecible. El eje también se elevó hasta el techo del laboratorio y, sin otro lugar a donde ir, se separó de la pared y se extendió hacia adelante, hacia el interior de la habitación.

La configuración experimental no incluía desechos sólidos ni papel higiénico en la taza, y no había puestos ni personas moviéndose. Todas estas variables del mundo real podrían exacerbar el problema, dijo Criminaldi.

También midieron las partículas en el aire utilizando un contador óptico de partículas, un dispositivo que aspira una muestra de aire a través de un pequeño tubo y lo ilumina con una luz, lo que le permite contar y medir las partículas. Las partículas más pequeñas no solo flotan en el aire por más tiempo, sino que también pueden escapar de los vellos nasales y penetrar más profundamente en los pulmones, haciéndolos más peligrosos para la salud humana, por lo que también era importante conocer la cantidad y el tamaño de las partículas.

Si bien estos hallazgos pueden ser alarmantes, el estudio brinda a los expertos en plomería y salud pública una forma consistente de probar estrategias mejoradas de diseño, desinfección y ventilación de plomería, a fin de reducir el riesgo de exposición a patógenos en los baños públicos.

“Ninguna de estas mejoras se puede realizar de manera efectiva sin saber cómo evoluciona la columna de aerosol y cómo se mueve”, dijo Criminaldi. “Poder ver este pilar invisible es un cambio de juego”.

Los autores adicionales de esta publicación incluyen: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson y Anna Pauls del Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Arquitectónica.