Ilmuwan CU menjelaskan apa yang terjadi saat Anda mengalir | Batu CU Hari Ini

Foto spanduk: Laser hijau yang kuat membantu memvisualisasikan semburan aerosol dari toilet saat disiram. (Kredit: Patrick Campbell/CU Boulder)

Berkat penelitian CU Boulder yang baru, para ilmuwan melihat efek pembilasan toilet dengan cara yang benar-benar baru — dan sekarang, dunia juga bisa.

Menggunakan laser hijau terang dan peralatan kamera, tim insinyur CU Boulder melakukan percobaan untuk mengungkap bagaimana tetesan air kecil, yang tidak terlihat oleh mata telanjang, dengan cepat terlontar ke udara saat toilet umum tanpa penutup disiram. Sekarang diterbitkan di Laporan ilmiahIni adalah studi pertama yang secara langsung memvisualisasikan kolom aerosol yang dihasilkan dan mengukur kecepatan dan difusi partikel di dalamnya.

Partikel yang mudah menguap ini diketahui menularkan patogen dan dapat menimbulkan bahaya bagi pengunjung pemandian umum. Namun, visualisasi yang jelas dari potensi paparan penyakit ini juga memberikan metodologi untuk membantu menguranginya.

“Jika itu adalah sesuatu yang tidak bisa Anda lihat, mudah untuk berpura-pura tidak ada. Tapi begitu Anda menonton video ini, Anda tidak akan pernah berpikir untuk menyiram toilet dengan cara yang sama lagi.” John Krimaldi, penulis utama studi dan profesor teknik sipil, lingkungan, dan arsitektur. “Dengan membuat visual yang menarik dari proses ini, penelitian kami dapat memainkan peran penting dalam pesan kesehatan masyarakat.”

Para peneliti telah mengetahui selama lebih dari 60 tahun bahwa ketika toilet disiram, padatan dan cairan keluar sesuai dengan desainnya, tetapi partikel kecil yang tidak terlihat juga terlepas ke udara. Studi sebelumnya telah menggunakan alat ilmiah untuk mendeteksi keberadaan partikel di udara ini di atas toilet pembilasan dan telah menunjukkan bahwa partikel yang lebih besar dapat mendarat di permukaan sekitarnya, tetapi sampai sekarang, tidak ada yang mengerti seperti apa gumpalan ini atau bagaimana partikel tersebut sampai di sana.

Memahami lintasan dan kecepatan partikel ini—yang dapat menularkan patogen seperti Escherichia coli, Clostridium difficile, norovirus, dan adenovirus—penting untuk mengurangi risiko paparan melalui strategi desinfeksi dan ventilasi, atau desain toilet dan siram yang lebih baik. Meskipun virus penyebab COVID-19 (SARS-CoV-2) ada di kotoran manusia, saat ini belum ada bukti pasti bahwa virus ini menyebar secara efisien melalui semprotan toilet.

“Orang-orang tahu toilet mengeluarkan semprotan, tapi mereka tidak bisa melihatnya,” kata Crimaldi. “Kami menunjukkan bahwa hal ini adalah kolom yang jauh lebih aktif dan menyebar daripada orang yang tahu tentang konsep ini.”

Studi tersebut menemukan bahwa partikel udara ini bergerak dengan cepat, dengan kecepatan 6,6 kaki (2 meter) per detik, mencapai 4,9 kaki (1,5 meter) di atas toilet dalam waktu 8 detik. Sementara tetesan yang lebih besar cenderung mengendap di permukaan dalam hitungan detik, partikel yang lebih kecil (aerosol kurang dari 5 mikron, atau sepersejuta meter) dapat bertahan di udara selama beberapa menit atau lebih.

Bukan hanya limbah mereka sendiri yang harus dikhawatirkan oleh pengunjung kamar mandi. Beberapa penelitian lain telah menunjukkan bahwa patogen dapat bertahan dalam wadah selama puluhan kilasan, meningkatkan risiko potensi paparan.

“Tujuan toilet adalah untuk membuang kotoran dari mangkuk secara efektif, tetapi juga sebaliknya, yaitu menyemprotkan banyak isinya ke atas,” kata Crimaldi. “Laboratorium kami telah menciptakan metodologi yang memberikan dasar untuk meningkatkan dan mengurangi masalah ini.”

Tidak membuang-buang waktu

Crimaldi menjalankan file Lab Dinamika Fluida Lingkungan di CU Boulder, yang berspesialisasi dalam penggunaan perangkat berbasis laser, pewarna, dan tangki cairan raksasa untuk mempelajari semuanya mulai dari Bagaimana bau mencapai hidung kita? tentang bagaimana bahan kimia bergerak dalam badan air yang bergolak. Gagasan menggunakan teknologi lab untuk melacak apa yang terjadi di udara setelah toilet disiram adalah salah satu kemudahan, keingintahuan, dan keadaan.

Selama seminggu bebas bulan Juni lalu, rekan-rekan profesor Carl Linden Dan Mark Hernandez dari program Teknik Lingkungan, dan beberapa mahasiswa pascasarjana dari lab Crimaldi bergabung dengannya untuk mengatur dan menjalankan percobaan. Aaron True, penulis kedua studi dan mitra penelitian di lab Crimaldi, berperan penting dalam menjalankan dan merekam pengukuran berbasis laser untuk penelitian tersebut.

Mereka menggunakan dua laser: satu yang bersinar terus menerus di atas toilet, dan yang lainnya mengirimkan cahaya cepat ke area yang sama. Laser stasioner mendeteksi di mana partikel udara berada di ruang angkasa, sedangkan laser yang berdenyut dapat mengukur kecepatan dan arahnya. Sedangkan dua kamera mengambil foto beresolusi tinggi.

Toilet itu sendiri memiliki jenis yang sama yang biasanya terlihat di toilet umum di Amerika Utara: unit tanpa tutup yang disertai dengan mekanisme pembilasan berbentuk silinder — baik manual atau otomatis — yang tersembunyi di bagian belakang dekat dinding, yang dikenal sebagai katup model flushmeter. Kloset bersih baru diisi air kran saja.

Mereka tahu eksperimen mendadak ini bisa membuang-buang waktu, tetapi sebaliknya, penelitian tersebut menciptakan dorongan besar.

“Kami memperkirakan aerosol ini akan mengapung, tetapi mereka keluar seperti roket,” kata Crimaldi.

Molekul air yang energik di udara sebagian besar menuju ke atas dan ke belakang menuju dinding belakang, tetapi gerakan mereka tidak dapat diprediksi. Poros itu juga naik ke langit-langit laboratorium, dan tanpa tujuan lain, itu bergerak keluar dari dinding dan menyebar ke depan, ke dalam ruangan.

Pengaturan eksperimental tidak termasuk limbah padat atau kertas toilet di dalam mangkuk, dan tidak ada warung atau orang yang bergerak. Semua variabel dunia nyata ini dapat memperburuk masalah, kata Crimaldi.

Mereka juga mengukur partikel di udara menggunakan penghitung partikel optik, alat yang menyedot sampel udara melalui tabung kecil dan menyinarinya, memungkinkannya menghitung dan mengukur partikel. Partikel yang lebih kecil tidak hanya mengapung di udara lebih lama, tetapi mereka juga dapat keluar dari bulu hidung dan menjangkau lebih dalam ke paru-paru seseorang — menjadikannya lebih berbahaya bagi kesehatan manusia — jadi mengetahui jumlah dan ukuran partikel juga penting.

Meskipun temuan ini mungkin mengkhawatirkan, penelitian ini memberikan cara yang konsisten kepada para ahli pipa ledeng dan kesehatan masyarakat untuk menguji desain pipa ledeng yang lebih baik, strategi desinfeksi dan ventilasi, untuk mengurangi risiko paparan patogen di toilet umum.

“Tidak satu pun dari peningkatan ini dapat dilakukan secara efektif tanpa mengetahui bagaimana kolom aerosol berevolusi dan bagaimana pergerakannya,” kata Crimaldi. “Mampu melihat pilar tak terlihat ini adalah pengubah permainan.”

Penulis tambahan pada publikasi ini meliputi: Aaron True, Carl Linden, Mark Hernandez, Lars Larsson, dan Anna Pauls dari Departemen Teknik Sipil, Lingkungan, dan Arsitektur.