梁宏偉, 李文玲, 向 陽*

(1.北京化工大學(xué) 有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029; 2. 北京化工大學(xué) 教育部超重力工程研究中心, 北京 100029)

新冠病毒(SARS-CoV-2)在世界各地的快速傳播給社會各個方面造成重大負(fù)擔(dān)。流行病學(xué)調(diào)查顯示，中國北方地區(qū)冬季零星出現(xiàn)的新冠病毒本土傳播，其源頭均為冷鏈運(yùn)輸過程中未被成功消殺的新冠病毒[1-2]。新冠病毒基本結(jié)構(gòu)[3]包括最外層的包膜、蛋白質(zhì)外殼和被蛋白質(zhì)外殼包裹的遺傳物質(zhì)。其中，包膜由脂類物質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì)構(gòu)成，病毒包膜上含有刺突糖蛋白、膜糖蛋白等。已有研究[4-5]表明，SARS-CoV-2對溫度敏感，56 ℃時病毒的生存時間不超過30 min；室溫條件下，塑料物體表面的病毒可生存2 d以上；而在4 ℃時，至少生存4 d，甚至長達(dá)21 d，表明SARS-CoV-2能夠在低溫環(huán)境下長時間保持感染性。因此，冷鏈物流的長時間低溫環(huán)境大大增加了SARS-CoV-2的存活與傳播幾率。SARS-CoV-2對紫外線和熱敏感，乙醚、醇類消毒劑、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等均可有效滅活病毒[6]。紫外線由于較差的穿透力和易引起有機(jī)分子改性的特征[7]，在冷鏈運(yùn)輸消殺中存在一定局限性。乙醚和氯仿屬于毒性較強(qiáng)的有機(jī)媒介[8]；過氧乙酸不穩(wěn)定，易分解揮發(fā)[7]。而含氯消毒劑和醇類消毒劑毒性相對較小，因此常被用于各類場所的環(huán)境消殺[9]。SARS-CoV-2的尺寸較小，直徑通常在100 nm左右，在空氣中受氣流影響較大，因此很難利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究手段在真實(shí)消殺環(huán)境中追蹤其運(yùn)動軌跡。近年來，隨著計(jì)算能力的提高及計(jì)算流體力學(xué)理論的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)逐漸成為研究流體流動的強(qiáng)大工具，也常被用于流行病學(xué)領(lǐng)域的研究。人類打噴嚏中的小液滴是病原體傳播的重要載體，Bhardwaj等[10]通過計(jì)算預(yù)測呼出氣體中液滴的干燥時間，分析了液滴體積、接觸角和環(huán)境溫度對液滴壽命的影響。Dbouk等[11]使用CFD方法研究了風(fēng)速對噴嚏中液滴行為的影響，結(jié)果表明2 m的社交距離無法充分阻止病原體的傳播。Jiang等[12]對醫(yī)院環(huán)境中SARS病毒的流動行為進(jìn)行CFD建模，并定義了“安全通風(fēng)率”的概念，結(jié)果表明對攜帶有SARS病毒的空氣用10 000倍的新鮮空氣稀釋可以達(dá)到“安全通風(fēng)率”的要求。Yang等[13]利用CFD方法分析了堆積效應(yīng)和風(fēng)效應(yīng)對污染擴(kuò)散的影響，發(fā)現(xiàn)二者會導(dǎo)致污染物在水平或垂直方向上擴(kuò)散。Yan等[14]采用CFD-Lagrange模型耦合Wells-Riley傳染病感染預(yù)測模型，研究了咳嗽顆粒物在人體呼吸區(qū)的傳播，并基于“釋放顆粒的位置會影響顆粒的運(yùn)動距離”這一發(fā)現(xiàn)，提供了一種可量化的方法用以評估人們的感染風(fēng)險。CFD技術(shù)在病毒傳播領(lǐng)域有無毒、無害等較明顯的優(yōu)勢。本研究采用CFD 方法通過構(gòu)建氣-液兩相及氣-液-固三相模型，探討兩種不同的環(huán)境溫度下，75%乙醇溶液和有效氯濃度0.6%次氯酸鈉溶液對病毒的滅活特性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 病毒來源 選擇以新冠病毒為典型代表的一類包膜病毒為研究對象構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，病毒顆粒大小假定為100 nm。

1.1.2 次氯酸鈉溶液 采用市售的次氯酸鈉消毒液，標(biāo)定的有效氯含量為6%，實(shí)際使用時，將消毒液原液稀釋至有效氯含量0.6%。

1.1.3 乙醇溶液 采用市售質(zhì)量濃度為75%的乙醇溶液。

1.2 方法

1.2.1 控制方程 CFD方法通過求解每個離散微元控制體上一系列的守恒方程，預(yù)測整個計(jì)算域上的壓力、溫度、濃度等流場信息。主要的守恒方程：

①連續(xù)性方程：

對于q相(液相-l或氣相-g)：

(1)

式中，Sq表示質(zhì)量源項(xiàng)，各相的體積分?jǐn)?shù)滿足：

∑qαq=1

(2)

②運(yùn)動方程：

(3)

(4)

β表示液相體積分?jǐn)?shù)；ε是一個很小的數(shù)，用以防止分母被零除；Amush表示糊狀區(qū)常數(shù)[15]。

③能量方程：

(5)

同樣，凝固和熔化模型激活時，物質(zhì)的焓值表示為顯焓和潛焓的和：

H=h+ΔH

(6)

(7)

(8)

式中，Sh表示能量源項(xiàng)；Ts和Tl分別表示固相線熱力學(xué)溫度和液相線熱力學(xué)溫度[16]，K。

④組分輸運(yùn)方程：

(9)

(10)

(11)

式中，Ri為反應(yīng)項(xiàng)；Si為組分源項(xiàng)。

1.2.2 病毒滅活原理 根據(jù)文獻(xiàn)[17]報道，消毒劑對于包膜病毒滅活的主要機(jī)理包括滲透作用、溶解作用、氧化作用、蛋白質(zhì)凝固。而能夠影響滅活效果的因素[18]主要有接觸時間、有效化學(xué)濃度、處理溫度、作用力。本研究主要基于消毒劑對包膜病毒的滲透作用，考察接觸時間、有效化學(xué)濃度、處理溫度等因素對滅活過程的影響規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)[19]觀察，包膜病毒在宿主體內(nèi)完成一個增殖過程后，裹挾部分細(xì)胞膜形成病毒包膜離開宿主細(xì)胞，因此可基本認(rèn)為病毒包膜來源于宿主細(xì)胞。本研究假定病毒包膜的滲透性與被感染的人體細(xì)胞相同。根據(jù)范特霍夫定律[20]半透膜的滲透壓可表示為：

π=RT∑Cs

(12)

式中，R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；Cs為溶質(zhì)溶解時形成的滲透活性粒子的濃度。

滲透速率：

JV=LP(ΔP-Δπ)

(13)

對于特定溶質(zhì)與半透膜，其滲透速率與反射系數(shù)(σ)相關(guān)。對于真實(shí)的膜材料，0<σ<1；而對于理想的半透膜，σ=1。因此，滲透通量：

Qv=ALP[(PL-PR)-(∑iσiπi,L-σiπi,R)]

(14)

式中，A為半透膜的面積；Lp為膜的滲透系數(shù)；PL、PR分別為膜左右兩側(cè)的靜壓，該方程描述了在流體靜壓和滲透壓差同時存在的情況下，半透膜上的滲透凈流量。根據(jù)Baumgarten等[21]的研究，人體紅細(xì)胞對水的滲透系數(shù)Lp和活化能Ea分別為1.8×10-9L/(N·s)和3.9 kcal/mol。

1.2.3 幾何模型及相關(guān)假設(shè) 取物體表面長1 mm，高0.5 mm的區(qū)域進(jìn)行模擬研究，假設(shè)噴灑的消毒劑液層高度為0.1 mm，其余空間為空氣，建立如圖1所示的幾何模型。假設(shè)：①病毒顆粒大小均一(粒徑100 nm)，且均勻分布在物體表面；②病毒最外層包膜鋪展為一層平面；③物體表面的病毒充分暴露在消毒劑溶液中。

圖1 簡化的2D幾何模型Fig.1 Simplified two-dimensional geometric model

1.2.4 參數(shù)設(shè)置 采用VOF多相流模型，假設(shè)流體為層流狀態(tài)，液相介質(zhì)為質(zhì)量濃度75%乙醇溶液或有效氯濃度0.6%次氯酸鈉溶液；氣相介質(zhì)為空氣?；谝掖?水及次氯酸鈉-水固液相圖[22-23]，設(shè)置凝固熔化模型相關(guān)參數(shù)。初始化消毒劑液層溫度為283.15 K。病毒包膜假設(shè)為計(jì)算域入口，此處采用自定義函數(shù)(UDF)編寫滲透速度，溫度恒定為環(huán)境溫度。所有的模擬均采用ANSYS Fluent 17.1進(jìn)行，網(wǎng)格數(shù)為30萬，時間步長采用1×10-7s。

2 結(jié)果與分析

2.1 乙醇溶液的滅活特性

圖2給出了不同溫度條件下病毒內(nèi)水分的滲透速率隨時間的變化。從圖2中可以看出，兩種環(huán)境溫度條件下滲透速率開始保持較高水平，在約0.000 2 s后，滲透速率急劇下降至約3×10-8m/s，隨后下降速率變緩。由式(12)、(13)可知，滲透速率主要由膜內(nèi)外溶質(zhì)濃度差決定。膜外初始乙醇濃度為12.86 mol/L，膜內(nèi)溶質(zhì)總濃度約為0.3 mol/L，且較少的滲出水分對膜外濃度影響不大，所以在滅活前期滲透速率基本保持不變。但隨著包膜內(nèi)水分的滲出，膜內(nèi)濃度逐漸增大且增長速率不斷加快，在約0.000 3 s時，膜內(nèi)外濃度差驟減，滲透速率急劇下降。在滅活后期，由于滲透速率降至10-8m/s，滲透水分總量變化率較小，膜內(nèi)濃度增長速率減緩，因此滲透速率下降速率變緩。

圖2 不同溫度下病毒內(nèi)水分通過包膜向75%乙醇溶液滲透速率隨時間變化Fig.2 The permeation rate of water in the virus through the envelope to 75% alcohol solution varies with time at different temperatures

圖3給出了不同溫度下病毒包膜附近乙醇濃度隨時間的變化。由圖3可知，兩種環(huán)境溫度下病毒包膜附近乙醇濃度先下降至最小值(t=tp)，而后逐漸回升。滅活前期，由于滲透作用處于較高水平強(qiáng)于擴(kuò)散作用，因此乙醇濃度不斷下降；滅活后期，擴(kuò)散作用強(qiáng)于滲透作用，病毒包膜附近的乙醇濃度開始回升。兩種溫度對于病毒包膜附近乙醇濃度影響不大。

圖3 不同溫度下病毒包膜附近乙醇濃度隨時間的變化Fig.3 The variation of the concentration of ethanol near the virus envelope with time at different temperatures

圖4給出了tp時刻不同溫度下乙醇在豎直方向上的濃度分布。從圖4中可以看出，兩種環(huán)境溫度下，沿豎直方向病毒包膜附近與主體溶液之間存在著濃度差。tp時刻，乙醇濃度下降幅度為3.7%和3.6%，濃度差達(dá)到最大值。這是在滲透作用和擴(kuò)散作用的共同影響下造成的濃差極化現(xiàn)象，但濃差極化現(xiàn)象的產(chǎn)生對乙醇濃度影響不大。

圖4 tp時刻不同溫度下乙醇在豎直方向的濃度分布Fig.4 The concentration distribution of ethanol in the vertical direction under different temperatures at t=tp

2.2 次氯酸鈉溶液的滅活特性(T=273.15 K)

圖5給出了環(huán)境溫度T=273.15 K時,病毒內(nèi)水分通過包膜向有效氯0.6%次氯酸鈉溶液中滲透速率隨時間的變化。從圖5中可以看出，T=273.15 K時,有效氯0.6%次氯酸鈉溶液表現(xiàn)出與75%乙醇溶液相似的滲透速率趨勢。但由于次氯酸鈉濃度較低，病毒的滲透速率較小且滅活周期較長。

圖5 環(huán)境溫度T=273.15 K時病毒內(nèi)水分通過包膜向次氯酸鈉溶液中滲透速率隨時間變化Fig.5 The permeation rate of water in the virus through the envelope to sodium hypochlorite solution varies with time at 273.15 K

圖6給出了T=273.15 K時病毒包膜附近次氯酸鈉濃度隨時間的變化。次氯酸鈉溶液濃度變化趨勢與75%乙醇溶液相似，次氯酸鈉濃度受到滲透作用和擴(kuò)散作用的共同影響，但較乙醇溶液滲透速度明顯更低，包膜附近次氯酸鈉濃度達(dá)到最小值的時間(t=tp)更長。

圖7給出了tp時刻環(huán)境溫度T=273.15 K時次氯酸鈉在豎直方向上的濃度分布。從圖7中可以看出，同樣次氯酸鈉濃度的變化趨勢與75%乙醇溶液相似，但tp時刻，次氯酸鈉濃度下降幅度僅為0.2%。雖然在滲透作用和擴(kuò)散作用的共同作用下產(chǎn)生了濃差極化現(xiàn)象，但非常微弱，可忽略不計(jì)。

圖7 tp時刻環(huán)境溫度為T=273.15 K時次氯酸鈉在豎直方向的濃度分布Fig.7 The concentration distribution of sodium hypochlorite in the vertical direction at t=tp and T=273.15 K

2.3 次氯酸鈉溶液的滅活特性(T=253.15 K)

圖8給出了環(huán)境溫度T=253.15 K時病毒內(nèi)水分通過包膜向有效氯0.6%次氯酸鈉溶液中滲透速率隨時間的變化。從圖8中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為253.15 K時，開始的滲透速率約5×10-7m/s，膜內(nèi)外滲透作用與膜外擴(kuò)散及凝固效應(yīng)達(dá)到平衡，滲透速率基本保持不變。在約0.002 s后，膜內(nèi)外的濃度差減小，滲透速率驟減；且由于凝固效應(yīng)的增強(qiáng)，擴(kuò)散作用減弱，膜外濃度差與273.15 K時相比極小，滲透速率降至近乎0 m/s。

圖8 環(huán)境溫度T=253.15 K時病毒內(nèi)水分通過包膜向次氯酸鈉溶液中滲透速率隨時間變化Fig.8 The permeation rate of water in the virus through the envelope to sodium hypochlorite solution varies with time at 253.15 K

圖9給出的是T=253.15 K不同時刻次氯酸鈉在豎直方向的濃度分布。由圖9可知，在病毒包膜表面次氯酸鈉濃度較主體溶液區(qū)域下降了0.005左右，約38%。這是由于當(dāng)環(huán)境溫度為253.15 K時，在病毒包膜表面率先發(fā)生了凝固現(xiàn)象，擴(kuò)散作用受阻，隨著滲透的不斷進(jìn)行，次氯酸鈉溶液被稀釋。在區(qū)域I中，次氯酸鈉濃度隨時間緩慢下降；在區(qū)域III中，次氯酸鈉濃度保持不變；而在區(qū)域II中，次氯酸鈉濃度異常變化，呈先增大后減小的趨勢，甚至最大值超過了主體區(qū)域的濃度。這是因?yàn)樵趨^(qū)域I中，溫度梯度大，溶液快速凝固為固相；在區(qū)域II中，溶液處于固液混合狀態(tài)，隨著固相的析出，液相中的次氯酸鈉濃度不斷升高，而靠近區(qū)域III這一側(cè)由于擴(kuò)散作用，次氯酸鈉濃度逐漸下降。在凝固過程中，發(fā)生了類似“冷凍濃縮”現(xiàn)象，彷佛次氯酸鈉分子在向遠(yuǎn)離病毒的方向移動。

圖9 環(huán)境溫度T=253.15 K不同時刻次氯酸鈉在豎直方向的濃度分布Fig.9 The concentration distribution of sodium hypochlorite in the vertical direction at different times at 253.15 K

圖10展示了T=253.15 K時，不同時刻豎直方向液相體積分率分布情況?？v軸坐標(biāo)0代表固相，1代表液相，介于0至1之間的則代表固液混合狀態(tài)，即“糊狀區(qū)”。由圖10可知，固相區(qū)向液相區(qū)域逐漸延伸，其厚度不斷增加。此外，液相體積分?jǐn)?shù)介于0至1之間的“糊狀區(qū)”與圖10描述的次氯酸鈉濃度異常變化的區(qū)域也基本吻合。次氯酸鈉溶液的初始溫度為283.15 K，而環(huán)境溫度為253.15 K，在病毒包膜和次氯酸鈉溶液之間存在著較大的溫度梯度，因此病毒包膜附近溫度快速下降至溶液冰點(diǎn)時就會在此率先發(fā)生凝固現(xiàn)象。凝固產(chǎn)生的固相形成了一層堅(jiān)硬的保護(hù)殼，阻止了次氯酸鈉溶液與病毒的接觸，進(jìn)而滅活效率大大降低。圖11反映的是T=253.15 K沿豎直方向上不同高度處次氯酸鈉溶液溫度隨時間的變化。從圖11中可以看出，在距離病毒包膜較近的區(qū)域，次氯酸鈉溶液的溫度曲線斜率較大，即次氯酸鈉溶液溫度下降較快，而在距離病毒包膜較遠(yuǎn)的位置，次氯酸鈉溶液的溫度下降較為緩慢。

圖10 T=253.15 K時不同時刻下沿豎直方向液相體積分率分布Fig.10 The distribution of liquid volume fraction in the vertical direction at different times at 253.15 K

圖11 沿豎直方向不同高度次氯酸鈉溶液溫度隨時間的變化Fig.11 The temperature of sodium hypochlorite solution in the vertical direction at different heights varies with time

3 討 論

SARS-CoV-2對溫度敏感，冷鏈運(yùn)輸過程為其提供了絕佳的生存和傳播環(huán)境，冷鏈外包裝殘存的SARS-CoV-2[5]通過物流過程傳給人類。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究不同，本研究采用CFD方法對冷鏈運(yùn)輸中物品表面的病毒消殺過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，低溫條件下，75%乙醇溶液不結(jié)冰，但消殺效果會降低，這與公開報道中的描述相一致[24]。另外，本研究還指出，造成此現(xiàn)象的部分原因?yàn)闈B透和擴(kuò)散作用引起的濃差極化。

對于次氯酸鈉溶液，低溫使得消毒劑快速凝固結(jié)冰，消殺效率大幅下降，徐莉等[25]指出，含氯消毒劑在低溫下易結(jié)晶析出，發(fā)生凍結(jié)，在-20 ℃條件下，有效氯為0.1%、1%、5%的含氯消毒劑(無抗凍劑)均呈結(jié)冰狀態(tài)。胡佳等[26]的低溫模擬現(xiàn)場試驗(yàn)表明，不加任何抗凍劑的情況下，次氯酸消毒液在-5 ℃條件下就發(fā)生了結(jié)冰現(xiàn)象。本研究結(jié)果與上述公開發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。除此之外，Liu等[27]的研究還指出，在低溫條件時需要大幅提高有效氯含量，并延長作用時間，以確保消殺效果。但本研究發(fā)現(xiàn)，在較低的環(huán)境溫度下，次氯酸鈉溶液先在病毒包膜附近結(jié)冰，會使包膜附近消毒劑濃度下降，且促使消毒劑向遠(yuǎn)離病毒包膜的方向運(yùn)動，阻止有效成分與病毒接觸。因此，通過提高消毒劑濃度和延長作用時間，可能無法獲得理想的消殺效果。根據(jù)本研究結(jié)果以及文獻(xiàn)的報道，建議當(dāng)環(huán)境溫度下降時，考慮提高消毒劑的濃度，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時，應(yīng)對消毒劑添加抗凍劑。

本研究基于冬季兩種常用消毒劑的物理化學(xué)特征，對消殺病毒過程進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，為環(huán)境消殺提供了一種除實(shí)驗(yàn)之外的新的研究方法。但由于真實(shí)環(huán)境條件下的消殺過程十分復(fù)雜，環(huán)境表面特征以及某些有機(jī)物的存在會干擾消殺效率。因此，后續(xù)研究將結(jié)合實(shí)驗(yàn)探討消殺病毒更為復(fù)雜的物理化學(xué)過程，開發(fā)設(shè)計(jì)出更接近真實(shí)消殺過程的CFD模型，揭示病毒消殺機(jī)制，為微生物風(fēng)險評估提供強(qiáng)有力的科研工具。