호흡 중 입자 형성과 침전물리학

휴식 시간에, 인간은 분당 약 12회 숨을 들이마시고 내쉬는데, 각 호흡은 0.5L의 공기를 포함한다. 호흡 시, 우리는 폐로 수백만 개의 입자를 가져옵니다. 주요 인공 대기 오염 물질인 주변 입자 농도는 103 ~ 105 입자 cm–3 우리는 또한 입자를 내뿜습니다. 흡입된 입자들 중 일부는 아마도 변하지 않은 것으로 추정되며, 다른 일부는 호흡기의 표면에서 입자를 분무하는 것으로부터 나옵니다.

입자 흡입의 건강 영향은 잘 알려져 있지만, COVID-19 전염병이 유행하기 전까지는 인간이 일상생활에서 병원체를 운반하는 호흡기 입자의 원천으로서 야기한 위험은 거의 인식되지 않았다. 인간의 호흡에서 나오는 바이러스로 가득 찬 입자의 물리학에 대한 근본적인 질문들이 지금 질문되고 있습니다: 형성 위치, 농도, 무수한 생리학적 요인의 영향, 그리고 에어로 졸화 과정에서 폐의 라이닝으로부터 바이러스가 유입되는 것에 대한 질문들입니다.

이러한 모든 과정은 공기 흐름의 물리학에 의해 제어되며, 열역학적인 접근법에서 호흡계는 과도현상에서 열린 시스템으로 간주될 수 있으며, 한 개의 질량 흐름은 내부로부터 부분적으로 생성되며, 다른 하나는 동일한 섹션에서 방출된다.

인간의 호흡기는 첫 번째 근사치에서 지름이 감소(그리고 공기 흐름 속도가 증가)하는 관의 분기 트리이다. 흡입된 입자의 침전물리는 유속과 입자 크기에 따라 달라진다. 그 입자들은 믿을 수 없을 정도로 복잡한 화학작용으로 고체, 액체 또는 액체로 코팅된 고체 핵일 수 있다. 흡입된 입자의 약 40%가 호흡기의 다른 영역에 침전됩니다 2. 수 마이크로미터 직경의 큰 입자는 기관 상부에 충격이나 요격에 의해 침전될 가능성이 있는 반면, 초미세먼지(<0.1 µm)는 매우 낮고, 따라서 관성이 낮으며, 대부분 호흡기의 하부에 있는 작은 직경의 관에 확산에 의해 침전된다.

 

추가적인 복잡성은 호흡기가 정적이지 않다는 것입니다: 호흡기는 호흡기에 팽창하고 흡입하는 동안 수축합니다. 호흡기의 표면에 액체가 일렬로 늘어서 있어 다시 튀어오르기보다는 일단 표면에 입자가 남아있을 가능성이 높아진다는 점도 복합적이다. 또한 흡입한 입자의 특성은 호흡기와 흡입한 공기 사이의 온도 및 습도 조건의 차이로 인해 한 번 흡입하면 변합니다. 초미세먼지는 흡입 시 흡습성 성장을 일으킨다 3. 요약하면 호흡기의 입자 증착에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.

에어로졸의 물리화학: 입자 크기 분포, 밀도, 형태 및 표면적, 습도 또는 소수성 여부

호흡기의 구조: 직경과 길이, 기도 부분의 호흡 각도, 그리고

호흡기의 생리학: 기류 패턴, 호흡 패턴

배출된 공기의 구성은 흡입된 공기와 다릅니다. 우리는 숨을 내쉴 때 수백 개의 에어로 졸화 입자를 내뿜고, 다른 호흡 활동, 특히 4,5번 호흡할 때 더 많이 내뿜습니다. 이 입자들은 점액, 단백질 그리고 호흡기의 표면에 있던 다른 것들을 포함하는 염분의 수성 용액입니다. 따라서, 바이러스나 박테리아와 같은 호흡기의 표면에 있는 병원균은 호흡 중에 내쉬는 입자의 구성품이 될 수 있다. 이러한 방출은 폐쇄된 환경에서 병원체의 농도를 증가시키고 결과적으로 노출된 취약계층에 대한 감염 위험을 증가시킨다.

호기 중에 입자 에어로졸화의 여러 프로세스가 발생합니다. 입자 원자화는 액체의 표면 위를 충분히 빠르게 통과하는 공기 흐름에서 비롯된다. 흡입 중에 호흡 기관지에 형성되는 유체 막힘은 후속 흡입 중에 폭발하여 입자를 생성합니다. 후두의 유체 목욕은 성대 진동에 의해 음성으로 음성으로 인해 에어로 졸화 되며, 입안의 침은 음성 관절 중에 혀, 치아, 미각, 입술 사이의 상호작용으로 에어로 졸화 된다. 형성 후, 입자들은 숨을 내쉬기 전에 호흡기에서 과정을 거친다. 특히, 그들의 크기 분포를 바꾸는 침전. 또한 호흡기에는 비교적 작은 크기의 곡선 비스코스 필름과 점탄성 필름이 함유되어 있는데, 이 필름은 호기 중에 구겨져 분해되어 에어로졸을 생산하게 된다.