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『口罩』的空氣過濾的原理和使用口罩時的應注意事項-謝克勤博士

『口罩』的空氣過濾的原理和使用口罩時的應注意事項

作者:謝克勤博士(Ker-Ching Hsieh,Ph.D)

介紹:謝博士畢業于美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)機械系的氣溶膠實驗室(Particle Technology Laboratory : PTL),後服務於美國3M數年,離開3M後,成立了一個獨立過濾實驗室,近10數年,在中國上海從事篩檢程式研發和生產的工作。

鑒於此次冠狀病毒的快速傳播,對經濟、社會民生及有疫情的國家都造成極大的影響,民眾恐慌之餘,口罩大量缺貨。口罩原本是一個極其普通的生活用品,由於在空氣過濾產品中,屬於毛利較低的產品,故生產的廠商不算多,疫情一旦暴發,並加上大眾的恐慌,供給不足的現象,就益發的嚴重了。

筆者看到市面上和電視裡對於口罩使用方式的報導,多有不足的地方,因筆者從事的工作是空氣過濾和靜電棉(口罩裡的主要過濾材料)方面的研發和應用,故在此想和大家說說什麼是『口罩』, 一些空氣過濾的原理和在使用口罩上應注意的事項。

1)   空氣過濾的原理

空氣過濾和水過濾及一般過濾的原理不一樣,筆者不想在此對空氣過濾的原理,多做贅述。但要介紹一個新觀念,傳統過濾的概念,就是通過孔隙的大小,來過濾掉比孔隙大的物質和顆粒,但在空氣過濾中,卻不一樣。有一個專有名詞,我們注重的是 穿透率最大的粒徑 (Most Penetrating Particle Size: MPPS),穿透率最大,表示濾材攔截的效果最差,所以效率最低,MPPS代表的是一塊濾材在一定的使用參數下,在某個氣溶膠粒徑下,效率是最低的。在現今口罩效率使用的範圍內,MPPS大概在0.3微米(0.3 micron)左右。那效率和穿透率的關係是什麼呢 ? 例如一個90% 效率(E)的篩檢程式,表示

           濾材效率和氣溶膠粒徑的關係

它的穿透率(P)是10%,它們的關係是 100%-P=E。0.3微米的大小是多少? 一根頭髮的直徑大概在50-100 微米左右,大概是一根頭髮的幾百分之1而已。穿透率最大的粒徑,也就是效率最小的粒徑,如果MPPS=0.3微米,表示空氣過濾效率在0.3微米時是最低的,空氣中比0.3微米小的和大的氣溶膠 (Aerosol/Particulate) 的過濾效率都比0.3微米要高。如圖所示,在粒徑=0.3微米時,效率是最低的,可能和一般人的想法不一樣,粒徑很小的氣溶膠反而是很好過濾的(過濾效率高)。 這也就是在空氣篩檢程式的測試和評估時,在0.3微米的空氣過濾效率是很重要的一個指標,因為在這一點效率是最低的。           

 

2)   口罩和靜電棉(Electret)

口罩,傳統的空氣過濾材料,如果想要達到較高的過濾效果,壓損可能較高,壓損高意味著阻力大,也就是吸氣時較費力,為了要達到較高的初始效率及較低的吸氣阻力(低壓損),靜電棉在口罩的應用中被廣泛的使用。什麼是靜電棉?簡單的說就是某些特殊的過濾材料,在經過特殊的程式和步驟後,在不改變材料的物理性質下,讓這些過濾材料纖維的表面上產生靜電和靜電電場,藉以增加濾材的過濾效果 (Additional Dielectricphoretic force,Columbic Force and Image Force),因物理性質不變,濾材的阻力不會增加。但靜電棉的種類繁多,而且加靜電的方式很多,且和濾材本身的材質純度以及添加劑的種類和其它因素,故靜電加上去後,效率增加的多寡不一。加上靜電的靜電棉,有時會因其他的因素降低靜電的效果,主要影響的因素如下:

 

A)  時間效應和環境效應

靜電棉中的靜電強度的維持和儲存的時間及儲存的環境有關,所有的靜電棉,隨著儲存時間都會有不同的影響,筆者曾服務於一家主要生產靜電棉的廠商,對市面上的靜電棉儲存時間的影響做過評估,曾將10多種市場上的靜電棉(包括用在口罩上的熔噴濾材)做過實驗,所有材料都放在實驗室的同一地方,經過2年的實際評估(每個月對這些靜電棉做一次測試,得到效率和壓損的資料),發現有的材料2-3個月後,靜電就消失了30-90%,但有些材料,2年後,靜電效果的降低只有1-5%。好的靜電棉材料,甚至可以維持 10-15 年,靜電的效果只消失5%。至於存放的環境,溫度和濕度不宜太高。溫濕度對靜電棉都有影響的,尤其是溫度濕度都高的地方,靜電消失的很快。筆者看到電視上有人用微波爐來消毒口罩,那會讓口罩的效率降低的。

 

B)   不可用酒精去消毒口罩

酒精是口罩/靜電棉的天敵,在實驗室裡做靜電棉實驗,如要消除靜電棉濾材中的靜電,看看不加電的效率時,就是用酒精去除纖維上的靜電。酒精和酒精揮發的氣體都會降低口罩的過濾效率,故千萬不可將酒精噴在口罩上。醫務人員,尤其應該注意,因為他們所處的環境中,使用酒精的頻率和所處的環境中酒精氣體的濃度都是較高的,如口罩供應充足,應注意更換,即使是N95 的口罩也一樣。

另外要說明一點觀念,一個效率在0.3微米, 效率是90%的口罩和一個效率是99%的口罩,它們的差別不是只有 9%,而是十倍(1000%),因為如果有10000個病毒通過這兩種口罩時,通過90%效率的口罩的病毒是1000,而通過99%效率的口罩的病毒是100,1000/100=10 這就是差別為何是十倍而不是只有9%。有時看到電視上救治冠狀病毒肺炎病人的醫生,只帶普通的醫用平面口罩,筆者都會很替他們擔心,因為除了效率較低,平面口罩的密封性也很差,更加重了危險性。

 

C)油性氣溶膠(Oily Aerosol)及水性氣溶膠(Liquid Aerosol)

油性氣溶膠或水性氣溶膠對靜電棉/口罩效率有較大的影響,和平常固態氣溶膠(Aerosol/Particulate)比起來,如環境中有較多的油性/水性氣溶膠,口罩效率的會減少的較快,因為當油性和水性氣溶膠收集在靜電棉的纖維表面時,接觸面積較大 (是面接觸而不是固態氣溶膠的點接觸),故對纖維和纖維間因靜電所產生的電場強度,有較大的傷害。

所以如果工作在有高濃度油性/水性氣溶膠環境中(餐廳廚房,石化廠…)口罩更換頻率需較高。

另外要提到一點,就是有些以氣體形式存在化學物質,在環境中如果濃度太高,對口罩中的靜電棉的靜電強度也會有負面的影響。

 

3)細菌(Bacteria)和病毒 (Virus)

細菌(~0.3-30 微米,相對來說要大的多)和病毒(~0.004-0.4 微米,相對來說要小的多)對人體都會造成傷害。如前所述和圖表一所示,很小的病毒和很大的細菌都不一定是問題,但粒徑在0.3微米附近的病毒和細菌,因為過濾效率最低,所造成的威脅,相對來說,也可能較嚴重。

細菌和病毒在物理意義上來說和平常的氣溶膠是一樣的,實驗中空氣篩檢程式(包含口罩)過濾的效果也是一樣的,國外其實有很多這方面的研究(ASHRAE,RTI…),雖然市面上的口罩對醫用和民用的口罩有所區別,但如果在口罩供給趕不上需求時,戴口罩本身比是否戴的是醫用口罩來說要重要的多。

這次的冠狀病毒的傳染很快,除了常見的飛沫傳染,可能和病毒氣溶膠化(Aerosolized)有很大的關係,氣溶膠化指的是當人咳嗽,打噴嚏甚至說話和呼吸時,都會製造氣溶膠(Aerosol/Particulate),病毒有可能是單獨或混在唾液裡被放出體外,當唾液裡的液體因外界的相對濕度較低而蒸發時,剩下的就是病毒或是有病毒附在上面的氣溶膠了,病毒和有病毒的氣溶膠的粒徑可能都很小,可以漂的很遠,也就是產生後,危險半徑大大的增加了!

 

 

    4) 配戴口罩所需注意的事項

筆者最近對數種市面上一般使用的口罩材料(N95以下),做了效率和吸氣阻力的測試,在此對測試的步驟不做贅述,發現在0.3微米的效率為 13-92%,如前所述,穿透率為8-87%,也就是市面上口罩的性能有很大的差別,可以說好壞之間有超過10倍(87/8 >10)的差別,國際上對於高效率的口罩都有很完整的標準,但對於日常使用的口罩,這一塊的標準是有待加強的,尤其是碰到有疫情的時候。

 

i)   戴口罩時的密封性是很重要的

戴口罩時,特別要注意密封,如果密封不好,過濾細菌和病毒的效果,會大打折扣,尤其是醫務工作人員,需戴較高效的口罩(N95以上,R,P 級別),以N95的口罩為例,很多的N95口罩,在0.3 微米的效率都在99%以上(穿透率<1%), 即使只有少量的漏氣,例如3%,那也意味著防護力大大的減少,和1% 穿投率比較,至少有3倍的差別。日常戴口罩,如果有漏氣時,往往會大於3%. 在先進國家,對於在有嚴重傳染病人的環境裡工作的人員,戴口罩後都需經過密封測試(Respirator Fit Test),確定有足夠的防護力,才讓他們進入醫療機構和病房.  高效的口罩,雖然效率高, 但吸氣的阻力也較高,有時很難長時間佩戴,尤其是心肺功能不好的人,故在有傳染病人的危險區域工作的人,會直接戴有pump(battery operated)和100%效率過濾罐的全面罩式的防毒面具,因過濾的空氣是打入面罩內, 是正壓,不會有呼吸困難的問題,另外可以防止病毒從其它器官(如眼睛和鼻子)進入人體。其它效率低於N95口罩的密封性也很重要,要記住,戴口罩不是一種形式,而是一種保護。因為沒有這層保護,後果可能是很嚴重的,如有醫用的膠帶,可用膠帶將口罩和面部接觸的地方貼上膠帶以減少漏氣。

ii)  口罩的選擇

市面上的口罩種類很多,分類也很複雜,在各式口罩供應充足時,可以按類別佩戴,但如果供給不夠,重點就成為戴口罩而不是口罩的類別了。

N95口罩,效率高,但因吸氣阻力大,並不是一定需要,可選擇N95以下的口罩。 但醫務人員在受污染的環境中工作時,在身體能夠負荷的前提下,可選擇N95以上,甚至全面式的防毒面具。

立體式口罩和平面式口罩有差別嗎?答案是:有的,立體式口罩的密封性較平面式口罩的密封性要好。另外口罩中靜電棉的效率對通過氣體的面速(face velocity)較敏感,面速增加,氣溶膠通過濾材的時間會減少,所以靜電棉中靜電電場對氣溶膠的吸引力也會減少,過濾效率會降低,效率降低也就是降低了防護的能力。一般來說,人類呼吸的吸氣量大概是5-8 lpm (公升/分鐘),一次吸氣和呼氣的氣體容量大概是 500 cc。相對來說,但並不是絕對,立體口罩的可利用濾材面積較平面口罩的濾材面積要大且較均勻,平面口罩的有效過濾面積大都僅限於口鼻附近,尤其是在鼻子的下方,局部面積的面速在吸氣時會較高,故平均的過濾的效果和效率可能沒有立體口罩高。

iii)   口罩使用的壽命

在供應充足的情況下,按照指示使用,但在現今口罩供應緊缺且有疫情的狀況下,延長使用的時間,問題一般不大,至於延長使用時間的長短,則視每日戴口罩的時間,所在環境中氣溶膠的濃度及口罩的供給來決定。前提還是要戴口罩!
 
一般如不在高危環境下工作的人,一片一次性的口罩用個3-5天,是沒有什麼問題的。防疫物資畢竟要留給最需要的人。
 
照顧冠狀病毒病人的醫務人員則不一樣,可能更換口罩的頻率比平時還要高。這也就是為何一線醫務人員的防護品一定要充足。
 
電視或日常生活裡,看到有人戴好幾層口罩,有幫助嗎?答案還真是肯定的!空氣篩檢程式的濾材裡若有數層材料,效率的計算方是Ptotal=P1*P2*P3….,這裡的P是穿透率,有人戴了兩層口罩,在0.3微米時,第一層的效率是40% (穿透率為60%=0.6),第二層的效率是70%(穿透率是30%=0.3),兩層的總穿透率為Ptotal=0.3*0.6=0.18(18%), 效率可提升到82%,但吸氣阻力同時也會增加(兩者之和)。在沒有高效篩檢程式,而所處環境又需高效篩檢程式時,這不失為一個解決問題的方法。
當口罩的使用的時間加長時,要注意的是口罩是否有損壞?切忌用酒精消毒,不要把口罩放在有機化學物質附近(尤其是易揮發的有機物質(VOC),VOC的chemical vapor會傷害口罩裡靜電棉的靜電效應。
 

 

這兩天電視上有專家們在辯論冠狀病毒是否會以氣溶膠(aerosol/particulate)的形式傳播,一般感染的方式除了接觸傳播和飛沫傳播,還有氣溶膠的傳染方式,前兩者的影響範圍較小,但病毒若以氣溶膠的形式傳播,其傳播的範圍和傷害,就要大的多。與其辯論病毒是否氣溶膠化,不如儘快做些實驗去驗證,這些實驗的結果一般都可以很快得知的。如在醫療機構和病房裡採集空氣中氣溶膠,經過培養,並計算病毒的數量就可得知。如果病毒的氣溶膠化被證實了,防護的方法,尤其是對醫務人員的防護,肯定是要升級的。當然,病毒一旦變成氣溶膠後,病毒的生命不是無限的,而是會在一定時間範圍內死亡的。但為了小心起見,在室外,當疫情還沒有完全消失之前,最好還是戴口罩!

其它的防護品,如空氣濾清器,使用得當,也可以大大的減輕冠狀病毒以氣溶膠的方式傳播的危險,筆者的經驗和做過實驗,一個中型的空氣濾清器,在一個密閉的空間裡,可以在20-30分鐘內,將一個25 平方米房間內氣溶膠的濃度,降低90%以上(所有粒徑 > .02 微米的氣溶膠 )。

筆者希望此文能讓大眾對口罩材料中擔當過濾重任的靜電棉,正確戴口罩的方式及應注意的事項有所認識和説明。並希望疫情能迅速的得到控制和消滅,對在武漢和湖北,中國其它的省市及全球各地第一線奮戰的醫療人員,筆者除了表示最高的敬意外,也希望此文對他們的自我保護,有所助益。

 

 

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