一种医用口罩消毒的可行方法——水煮内含口罩的密封玻璃瓶

导读：家庭使用医用口罩存在“少时多次”的特点，如何给口罩消毒是每个家庭急需解决的问题。采用水煮内含口罩的密封玻璃杯，是一种可行又简便的方法。但是，选用什么样的玻璃杯，水煮多长的时间，尚未有人给出明确的答案。由于密封玻璃杯较易发生安全性问题，因此此类问题的解决就 变得尤为重要。

1、引言

新冠肺炎疫情爆发已经一月有余，给我们生活工作带来了巨大的影响。目前，我国疫情已经得到了有效的控制，钟南山院士预测四月底可彻底结束，大约还有两个月的时间。随着疫情的控制，复工复产开始紧锣密鼓起来。这也就意味着，口罩在可预见的未来，依然是紧缺的易耗用品。

N95口罩

大家都知道，N95口罩是指对0.3微米颗粒的过滤效率高于95%的口罩，此类口罩可有效过滤病毒。但是，对于普通人来讲，不在病毒纷飞的环境中，无需N95口罩，普通的医用口罩即可，它可以阻挡直径大于4微米的颗粒，而病毒所依附的飞沫直径约5微米。不管是N95口罩还是普通外科口罩，其核心的过滤层都是聚丙烯材料经熔喷后驻极处理而成（医用口罩）。这也是医用口罩过滤效率强于普通口罩的根本原因，详见：强大的95%的过滤效率来自于力的作用——N95口罩的静电吸附力分析。

驻极处理

在家庭使用医用口罩的过程中，都会备有这样一个口罩，只做临时出门之用，如取个快递，去个超市等等，单次使用时间不超过半小时。针对这种口罩，弃之实在可惜，感觉没有充分发挥其作用，而再次使用却又担心病毒依附其上。于是， 络上出现大量针对此类用途口罩的重复利用措施。比如，微波炉（聚丙烯对微波无感），烤箱（温度过高聚丙烯融化），水煮（破坏驻极）。事实上，沸水产生的高温确实可以杀死病毒，也不会由于温度过高而融化聚丙烯，只需要保证沸水不沾口罩即可。于是，通过水煮内含口罩的密封玻璃瓶是个可行的家庭版消毒方法。

密封玻璃瓶

2、模型概述

水煮内含口罩的密封玻璃杯（以下简称：水煮口罩）实际模型如下，通过水煮密封玻璃瓶的方式，加热瓶内的绿色口罩。完整又精确地分析这个模型的话，是存在一定难度的。这里存在着固体和液体的热交换，而且沸水的过程也是一个混乱的过程。

水煮口罩模型描述

为了简化问题，可以分解为以下几个子问题，我们假设各个过程互不干涉。其中，水的加热过程，就是我们日常煮水的过程，具体的加热时间根据水量和燃气大小而定，通常在10分钟左右。

1. 水的加热过程；
2. 玻璃瓶的温升过程；
3. 玻璃瓶内空气的温升过程；
4. 口罩的温升过程。

3、玻璃瓶的温升过程——防爆玻璃瓶的选择

在水被煮沸的过程中，我们假设玻璃瓶始终浸没水中，从水沸腾开始，玻璃瓶外围四周始终处于100℃的高温环境中。不考虑玻璃瓶与水一起共热的过程，假设沸水以后，再浸入密封的常温（25℃）玻璃瓶。玻璃是个易碎的脆性材料，我们只考虑它的线弹性。其弹性模量约72e9Pa，泊松比0.2，热膨胀系数1e-5m/K，热传导率1.09W/(m·K)，密度2500kg/m3，比热790J /(kgK)。玻璃的热量由水传入，沸水的热交换系数约2500W/m2/K。

由于玻璃瓶是密封的状态，加热后瓶内的气压会显著增大，假设为理想气体。瓶内气体温度升高，体积保持不变。根据理想气体状态方程，瓶内空气从常温常压（25℃，1atm）变化到100℃，1.25atm，即0.13MPa。这个气压并不大，是标准气压的1.25倍。

等容过程气压变化

利用有限元软件，进行简单的设置就可以计算了。这里要说明的是沸水的热交换系数，这个系数较大，表明水的热量能够较快地传递给玻璃。还记得前段时间我计算过桑拿房内人体的温升问题（详见：桑拿房的高温能否消灭不耐高温的新型冠状病毒？），有人就举例煮肉根本不需要这么久的时间，实际上根本原因在于空气的热交换系数（8）沸水的热交换系数（2500）不一样。

53s时的温度分布

啤酒瓶的最小厚度是2mm，我们就以2mm为依据进行计算。53s的时候，玻璃瓶已经整体达到了100℃。三个方向的正应力较大的39.6MPa，剪切应力15.7MPa，普通玻璃的拉伸强度大概19-30MPa。所以，如果是普通玻璃，2mm厚度是存在安全隐患的。钢化玻璃强度是普通玻璃的5-10倍，2mm的钢化玻璃安全性能要好很多。

玻璃瓶的应力分布

水煮口罩千万不可以选用普通的玻璃瓶，即使是啤酒瓶也是不安全的。那种耐热的玻璃饭盒恰好可以，其厚度大概4mm，虽然温升随着厚度的增加变慢了许多（约1.5分钟），但是应力约在10MPa左右，再加上这种耐热玻璃也非普通玻璃，强度要高很多。所以，市面所售的4mm密封玻璃盒是安全的。关于玻璃的热应力分析可以参考：爆炸的玻璃杯——热水倒进冷杯热力学分析。

密封的耐热玻璃

4、瓶内空气的温升过程

瓶内空气的温度变化较为复杂，内部气体的传热存在热传导、热辐射和热对流。常温下空气的导热系数为0.0267W/m/K，100℃是约为0.0321W/m/K，是个非常小的数（玻璃约1.09），这说明空气本身不易传热。但是，空气的流动性带来的热对流会使得空气的表现导热系数增大不少。由于找不到对应的数据，我们取空气的表现导热系数为导热系数的10倍，即0.267-0.321W/m/K。玻璃的热量传递给空气，与水浴的2500不一样，其值要小很对，取8W/m2/K。

瓶内空气的温度变化

计算表明，53s后，玻璃瓶内的空气已经全部达到100℃了，即一分钟左右。必须说明的是，这里的计算模型是一种简化模型，准确的时间需要用CFD来计算。不多，大体上的时间差不了多少。

5、口罩的温升过程

口罩较薄，其厚度约1mm，通常有三层，在这里，为了简化问题，全部采用聚丙烯变成三合一结构。口罩中的聚丙烯是熔喷而成的，并非实体，所以口罩的热传导系数要比聚丙烯大一些，假设是五倍，即1.1W/m/K，比热容1883。计算结果表明，在1020s（17分钟）的时候，口罩温度已经达到了100摄氏度。图示是假设口罩卷曲，好方便利用轴对称模型分析。

聚丙烯口罩的温度变化

6、整体分析

上述分析将热量的传递过程分解开来，默认热量从100℃的高温传递到常温的物体。实际情况却是玻璃瓶内的所有物体同时开始升温的，并不是等到外层100℃才开始向内传热。所以，上述分析所计算的温升时间（总时间约19.5分钟）其实是略长的。

整体分析后的温度变化

为了更加接近实际情况，将玻璃、空气、口罩整合在一起进行分析，555s以后，整体的温度都达到了100℃，即9分多种，密封瓶内的口罩即可达到100℃。

温升过程动图

在50s的时候，口罩温度已经达到了57℃，此时开始的高温就已经开始可以杀毒了。也就是说，在水煮沸之后，约50s开始，口罩温度已经到达了杀灭新冠病毒的温度，随后再煮半小时即可彻底杀死病毒。总的杀毒时间约为45分钟。

7、总结