『口罩』的空氣過濾的原理和使用口罩時的應注意事項

發表者

SNQ推廣中心

日期

2020-02-13

  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。

 

空氣過濾的原理

 
 
  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。
 

口罩和靜電棉(Electret)

 
    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。
 

不可用酒精去消毒口罩

    
    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。
 

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

    
    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。 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。 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!
 

配戴口罩所需注意的事項

    
    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(穿透率小於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。
    
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。
    
    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。
    
    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。
    
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!平均的過濾的效果和效率可能沒有立體口罩高。
    
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。
 
作者介紹: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。
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