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美国学校正在兴起自制空气净化器热,成本100美元

新冠疫情已经成为一个流行的疾病,尤其在冬季,当北半球人们聚集在室内时。《财富》杂志报道,在美国的大学和中小学,一股自制空气净化器热潮正在兴起。这种成本不到100美元的箱子,功能堪比商业净化器。

去年年底,世文·塔尼佳正在寻找一个解决方案。

他所在的加拿大安大略省密西沙加,正在进入第五次新冠浪潮,奥密克戎变种是一个可怕的、快速传播的变种。但是,社区的快速测试供不应求,疫苗加强针的供应受到严重限制。塔尼佳希望有一种方法来降低感染风险。

制作科西-罗森塔尔箱竞赛。UC Davis College of Engineering, CC BY 2.0  via Wikimedia Commons

塔尼佳在我们经常寻找的地方找到了一个潜在的答案:网上。他读到了一个旨在减少气溶胶微粒的空气过滤系统,而且是可以自己动手做的。他意识到他可以为自己家建造这样一个模型,而费用只是商业的海帕净化器(HEPA)的一小部分。塔尼佳很快提出,要为他的社区其他人建造类似的系统,并以成本价出售。

需求纷至沓来,一个过滤空气的DIY解决方案,突然就开始萌芽了。

塔尼佳告诉我:“我家的客厅成了储存过滤器和风扇的仓库。”他说,自去年12月以来,他已经交付了几十套自制的过滤系统,主要给那些可能无法自己动手的老年人,和免疫力低下的人。

无论何时何地,这都是令人印象深刻的。而当你考虑塔尼佳只有15岁时,这个故事就就更令人印象深刻了。当我们很可能进入新冠的流行阶段时,他的解决方案是世界上许多其他人也在寻找的。

其核心是一个巧妙而不复杂的设计,即科西-罗森塔尔箱(以下简称CR箱),因两个长期合作的朋友共同创造了它而得名。

2020年的夏天,加州大学戴维斯分校工程学院院长理查德·科西,在推特上讨论了他的想法背后的科学原理。德州一家空气过滤公司的首席执行官吉姆·罗森塔尔看到科西的推特,觉得 “这是个好主意”,他告诉《财富》:“我第二天就真的做了第一个原型。”

从本质上讲,CR箱是一个窗户大小的箱式风扇,周围附有高级的MERV13过滤器。其组成部分是四个过滤器、风扇本身、一些胶带、以及足够的纸板能以形成一个底座(例如,装风扇的盒子)。

尽管柯西称其“简单得令人尴尬”,但CR箱在室内环境中显著减少了颗粒物的扩散。它的成本估算为60至100美元,比类似性能的商业HEPA级净化器便宜好几倍。这种低成本可能会吸引学区和其他企业,因为到现在为止,有效空气过滤器的成本一直很高。

这种方法还可以自由分享,而且几乎是很罕见的。这让它在欧洲、南美和菲律宾等地的人都开始尝试。罗森塔尔说:“我们决定开放资源,这样任何人都可以使用这个设计。令人惊奇的是,通过这样做,我们最终得到了更多的支持,更多的人参与进来并试图提供帮助。”

在那些表示有兴趣的人中,有科学家和工程师,他们可以使用复杂的方法,来测量这个手工制作的系统所提供的速率。罗森塔尔说:“我们已经有大学对它进行了测试。加州大学戴维斯分校有一篇经同行评议的论文,经过测试,发现它比他们HEPA空气净化器做得更好。”

其影响是很有前途的。斯克里普斯海洋学研究所广受好评的气溶胶专家,和大气化学家金伯利·普拉瑟写道:“所有学校都需要这样做,以保护我们的孩子。”普拉瑟指出,CR箱“还可以减少流感哮喘、过敏和其他呼吸道健康问题。”所有这些都基于一个基本概念:通过一个确定的空间,获得更清洁的空气。

HEPA净化器在去除空气中的微粒方面具有很高的效率,至少达到99.97%。事实上,最近的实验表明,HEPA过滤的空气净化器可以从空气中“持续清除 SARS-Co-V2病毒”。但专家说,在很大程度上,与新冠这样的病毒作斗争,也取决于在任何特定时间内可以流动的空气量。

安大略省专业工程师协会,室内空气质量咨询小组主席约瑟夫·福克斯说:“CR箱使用的MERV13过滤器,只能去除60%到80%的颗粒。但是CR箱的风扇要大得多,可以净化更多的空气。”约瑟夫的工作也包括为学校的空气过滤提供方案。他说:“我们最终关心的是空气被净化的总速度。因此,CR箱虽然在效率方面的不足,但它通过增加空气流量得到了弥补。

UC Davis College of Engineering, CC BY 2.0 , via Wikimedia Commons

这是一个负担得起的、有可能长期持续的选择。各地学区、政府办公室和公司可以大量购买MERV13过滤器,以节省费用。而且加州现在将CR箱列为教室的低成本便携式空气净化设备。

科西已经购买了大量的HEPA净化器,用于他在加州大学戴维斯校区的学院。他告诉我,他可以用大约65美元生产一个CR盒子,价格大约是性能类似的商店购买的净化器的四分之一。

领导亚利桑那州立大学清洁室内空气小组的传染病流行病学家梅根·杰恩说:“这些DIY装置工作得非常好,比一些商业HEPA装置更好。” 杰恩的学生志愿者已经为全州100多所学校,建造了大约350个CR箱。

科西说:“我现在有一个CR箱子在院长办公室的套间里,已经运行了七个月。它已经变色了,显然不再是一个漂亮的白色过滤器,但它上面没有多少颗粒饼。我确信它还能再运行五个月。”

至于在教室使用,他估计一个CR盒子有可能持续整个学年。而这些CR盒子可以在一周之内就投入到北美所有的教室里,立即影响到公共健康,而不用花几年时间。  

当然,科西说,这不是全部的情况。再多的空气过滤器“也不会让你得到适合的N95口罩所给予的好处”,这仍然是防止感染传播的黄金标准。另外,你还必须正确地建造CR箱,以使其正常运作。这也是安大略省的塔尼佳,向那些可能有困难的老年人提供服务的原因。

UC Davis College of Engineering, CC BY 2.0 , via Wikimedia Commons

然而,随着研究人员更清楚地认识到,新冠病毒是一种空气传播的疾病,有效过滤空气的概念在大环境中显得更加重要。这并不是一个新的启示:更清洁的空气让我们所有人都更健康,降低缺勤率、有更好的认知功能和工作表现,取得更好的学习成绩。但是,空气过滤器的成本,限制了许多人、企业或学区去更好地利用这些知识。

美国联邦环境保护局对DIY过滤系统采取了怀疑的态度,认为有记录的有效性证据有限,而且性能可能存在差异。但另一方面,3M公司应用工程师凯尔希·黒说:“3M公司以适用于其过滤器产品的同样严格的方式,对CR盒子进行了测试,发现CR盒子在捕获人体不需要的空气颗粒方面,表现特别好,当然,也包括捕获病毒颗粒”。

宾夕法尼亚州立大学建筑工程教授威廉·布林说:“这当然是这个想法的核心,当商业产品的成本过高时,像CR箱这样的自己动手的空气净化器可以发挥一定的作用。”

事实上,科西估计,建造和维护一个非常好的CR箱的总成本,三年平均下来,在一个有25名学生的700平方英尺的教室里,每个学生每年大约为4.46美元。“这大约是每个学生每年一杯摩卡咖啡的费用。”

布林说,DIY清洁过滤器正在向公众展示,改善建筑物的室内空气质量“并不难,也不需要很昂贵。”这本身对我们所有人来说都是一个重要的进步。

但是,如果我们大胆一点呢?气溶胶专家普拉瑟建议利用《国防生产法》建造4000万个CR箱,在全国每所学校放置200到300个箱子。估计总成本为40亿美元。从回报来看,相比帮助学生、教师、工作人员和家庭安全度过一个学年,这是一个相对较小的投资。