傅楊祉 于競(jìng)賢 李泓杉 李兆興 薛仲卿 王鑫宇

1太原工業(yè)學(xué)院（山西太原 030008）2中國(guó)民航大學(xué)（天津 300300）

口罩是一種衛(wèi)生用品，一般指戴在口鼻部位用于過(guò)濾進(jìn)入口鼻的空氣，以達(dá)到阻擋有害的氣體、氣味、飛沫進(jìn)出佩戴者口鼻的用具，其主體采用的面料材料通常為聚丙烯（PP，醫(yī)用無(wú)紡布原料）。

后疫情時(shí)代，盡管新冠肺炎疫情在國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本得到控制，但是境外輸入病例仍持續(xù)出現(xiàn)，本土也偶有反彈。因此，公共衛(wèi)生的防護(hù)仍然不能松懈，出行佩戴口罩成為保護(hù)自身和他人安全的常態(tài)化生活習(xí)慣?？谡中枨罅看蟆⑾目?，需定期更換。大量一次性口罩使用后的處理問(wèn)題成為公共防疫的關(guān)注重點(diǎn)。通常，人們將使用后的口罩隨機(jī)丟棄，廢棄口罩的處理方法也以定點(diǎn)焚燒為主。但使用后的口罩外表面附著有細(xì)菌或病毒，流通至空氣中易造成環(huán)境污染和病毒傳播，且丟棄后的口罩易被不法人士回收再利用。因此，需要一種廢棄口罩回收處理裝置來(lái)解決以上問(wèn)題。

李茜[1]對(duì)口罩回收效率低、不規(guī)范，以及造成的環(huán)境污染問(wèn)題進(jìn)行了研究，報(bào)告了現(xiàn)階段難以對(duì)廢棄口罩進(jìn)行有效回收的現(xiàn)狀，同時(shí)進(jìn)行了一系列產(chǎn)品理念和應(yīng)用場(chǎng)景的調(diào)查，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與大數(shù)據(jù)、人工智能理念相結(jié)合，最終設(shè)計(jì)出一款智能口罩回收終端。陳海明等[2]從化學(xué)升級(jí)再造的角度出發(fā)，綜述和展望了廢棄一次性醫(yī)用口罩（DMMs）主體材料PP的回收現(xiàn)狀和未來(lái)升級(jí)再造的途徑，并分析了各種途徑的優(yōu)劣勢(shì)，指出將廢棄PP通過(guò)化學(xué)方法有選擇性地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品種類單一的相關(guān)化學(xué)品、燃料和高附加值的相關(guān)材料，是實(shí)現(xiàn)將其變廢為寶和可持續(xù)發(fā)展的根本方法。陳思等[3]通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查方式，深入分析“口罩自助回收販賣機(jī)”的市場(chǎng)需求，力求使產(chǎn)品目標(biāo)定位更為準(zhǔn)確，發(fā)現(xiàn)“口罩自助回收販賣機(jī)”的規(guī)格更符合消費(fèi)者的需求。

1 關(guān)于廢棄口罩回收處理裝置需求的調(diào)查研究

為了解民眾對(duì)口罩處理裝置的需求狀況以及廢棄口罩回收處理裝置的設(shè)計(jì)可行性，對(duì)太原工業(yè)學(xué)院部分學(xué)生以及學(xué)校周邊部分居民進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，共得到199份有效問(wèn)卷，其結(jié)果如下所示。

（1）你通過(guò)什么渠道獲得廢棄口罩處理知識(shí)？（多選）

結(jié)果顯示，通過(guò)微信、QQ的有109人，占比54.77%；通過(guò)微博、抖音的有97人，占比48.74%；通過(guò)電視的有109人，占比43.22%；通過(guò)其他渠道的有49人，占比24.62%；尚未了解過(guò)的有33人，占比16.58%。

（2）你平常生活的地方附近是否放有廢舊口罩回收箱？

選擇“是”的有103人，占比51.8%；選擇“否”的有96人，占比48.2%。

（3）你覺(jué)得廢舊口罩回收箱是否有利于你的生活？

選擇“是”的有183人，占比92%；選擇“否”的有16人，占比8%。

（4）如果你生活、工作場(chǎng)所附近有廢舊口罩回收箱，你是否會(huì)經(jīng)常使用？

選擇“是”的有181人，占比90.95%；選擇“否”的有18人，占比9.05%。

（5）對(duì)于平常用完的口罩，你會(huì)如何處理？

選擇“隨手丟進(jìn)垃圾桶”的有62人，占比31.16%；選擇“扔到口罩專用垃圾桶”的有88人，占比44.22%；選擇“其他”的有11人，占比5.53%；選擇“消毒后放到袋子里，再扔到垃圾桶”的有38人，占比19.1%。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本校學(xué)生和當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)口罩的相關(guān)知識(shí)有一定的了解，對(duì)規(guī)范、正確地處理廢棄口罩持有積極態(tài)度。但是，本校及附近社區(qū)將廢棄口罩按照醫(yī)療廢物的方式進(jìn)行處理，即將其投入到黃色的醫(yī)廢回收箱內(nèi)，但后續(xù)并未有任何的處理（如殺菌、消毒）。另外，很多醫(yī)廢回收箱是空的，說(shuō)明相當(dāng)一部分口罩仍被作為普通垃圾丟棄，這樣的狀況會(huì)帶來(lái)不小的環(huán)境及衛(wèi)生隱患。因此，設(shè)計(jì)一種新式的口罩處理裝置，投放到社區(qū)人流密集區(qū)域（如宿舍樓、教學(xué)樓、餐廳、商超等），具有一定的必要性和可行性，且會(huì)在社會(huì)衛(wèi)生方面對(duì)民眾起到正確的引導(dǎo)作用。

2 口罩回收裝置的設(shè)計(jì)思路

2.1 設(shè)計(jì)目的

通過(guò)設(shè)計(jì)一款新型廢舊口罩回收裝置，防止口罩被隨意丟棄所帶來(lái)的二次污染，提高廢舊口罩回收的系統(tǒng)性、安全性及回收效率，保護(hù)醫(yī)用廢品工作人員的安全，減輕醫(yī)用廢品工作人員工作量，也促使城鎮(zhèn)居民改掉亂扔、亂丟口罩或用過(guò)的口罩清洗再利用的錯(cuò)誤生活方式。機(jī)器內(nèi)部的智能終端實(shí)時(shí)記錄回收數(shù)據(jù)，并上傳至后臺(tái)和疾控防疫中心，便于工作人員及時(shí)處理，也為傳染病的預(yù)防和衛(wèi)生健康的保障工作提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

將廢舊口罩回收裝置放置在社區(qū)、學(xué)校、商場(chǎng)、交通樞紐等人員密集場(chǎng)所。人們可通過(guò)微信掃描二維碼將廢棄口罩投遞進(jìn)裝置，同時(shí)可獲得積分返利，積分可以免費(fèi)領(lǐng)取新的口罩。另外，微信公眾號(hào)的推文引導(dǎo)人們改掉口罩亂丟亂棄的習(xí)慣，增強(qiáng)民眾對(duì)口罩回收裝置的認(rèn)知度，增加民眾對(duì)其的使用頻率。

2.3 裝置展示

（1）首先，使用者開(kāi)啟微信掃描顯示屏上的二維碼（初次使用的用戶需進(jìn)入小程序通過(guò)微信注冊(cè)賬戶），啟動(dòng)裝置，然后將廢棄口罩依次從投放口投入。經(jīng)點(diǎn)驗(yàn)裝置清點(diǎn)數(shù)量后，用戶的投放個(gè)數(shù)將顯示在屏幕上，待用戶確認(rèn)后，經(jīng)后臺(tái)處理，將用戶投放的口罩?jǐn)?shù)量轉(zhuǎn)化為獎(jiǎng)勵(lì)積分并發(fā)放到用戶的賬戶上。用戶在積攢一定的積分后即可消耗積分兌換全新的口罩。

（2）當(dāng)口罩被投進(jìn)投放口即掉落至擋物板上，擋物板翻轉(zhuǎn)，使口罩落入殺菌消毒區(qū)，接受5 min的紫外線和高溫殺菌；5 min后，密集齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將口罩傳送至破碎區(qū)；在破碎區(qū)，刀輪組轉(zhuǎn)動(dòng)攪碎，將廢棄口罩?jǐn)嚦伤槠姙?5%的醫(yī)用酒精。與此同時(shí)，若有人投放口罩，則擋物板翻轉(zhuǎn)進(jìn)行如上操作。

（3）破碎后的口罩碎屑會(huì)掉入下方的收集區(qū)，當(dāng)口罩碎屑將要存放滿時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示相關(guān)工作人員及時(shí)清理；當(dāng)用于兌換的口罩?jǐn)?shù)量不足時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)提示相關(guān)人員及時(shí)增添、補(bǔ)充一次性口罩，并對(duì)裝置進(jìn)行定期維護(hù)。

（4）根據(jù)使用環(huán)境的不同，將裝置分為室內(nèi)型和室外型。室內(nèi)型設(shè)備于附近接入電源和網(wǎng)絡(luò)，并采用可充電鋰電池作為應(yīng)急供電。室外型設(shè)備由于可見(jiàn)太陽(yáng)光，因此采取太陽(yáng)能電池板配可充電鋰電池作驅(qū)動(dòng)能源（節(jié)能環(huán)保），并配備擋雨板和排水裝置以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的作用。此外，室外型設(shè)備的控制板上集成了GPS系統(tǒng)和SIM卡，便于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)點(diǎn)定位。

（5）以鋼化玻璃和鍍鋅板作為機(jī)身的主要材料。鍍鋅板堅(jiān)固耐磨、防腐防潮、視覺(jué)效果好且性價(jià)比較高，保障產(chǎn)品在室外環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

（6）隔熱材料選用酚醛泡沫塑料。該材料密度小、質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、彈性性能優(yōu)良，其強(qiáng)度隨密度增加而增大，有吸收沖擊載荷的能力，具有優(yōu)良的緩沖減震性能和隔音吸音性能，低熱導(dǎo)率，較好的隔熱性能，優(yōu)良的電絕緣性能，以及耐腐蝕、耐霉菌的性能。

（7）箱體由外殼、廢棄口罩投遞口、取物口、防盜鎖、口罩存儲(chǔ)箱、LED顯示屏、太陽(yáng)能板等模塊組成。終端系統(tǒng)具有紫外線、加熱、酒精消毒殺菌，兌換獎(jiǎng)勵(lì)，自動(dòng)箱門(mén)，溢滿感應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，太陽(yáng)能充電，避雨，底部排水等功能，操作簡(jiǎn)單且適用于各類街道、社區(qū)、公園等戶外場(chǎng)地以及商場(chǎng)等地。

2.4 技術(shù)關(guān)鍵

（1）采用功率為20 W、波長(zhǎng)為340 nm、光輻照度為75μW/cm2的紫外線UVA燈對(duì)廢棄口罩進(jìn)行照射，使得廢棄口罩主體面料中的PP分子鏈被破壞，進(jìn)而加速?gòu)U面料的老化分解（形成PP粉料），在完成對(duì)廢棄口罩消毒的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄口罩的光照分離。分離工序簡(jiǎn)單高效，且安全無(wú)毒。

（2）口罩由無(wú)紡布和熔噴布制成。無(wú)紡布主要材料為聚乙烯，熔點(diǎn)為92℃；熔噴布主要材料為PP，熔點(diǎn)為164℃。新型冠狀病毒（COVID-19）的滅活溫度為56℃，金黃色葡萄球菌滅活溫度為74℃，H7N9型禽流感病毒滅活溫度為65℃。因此，控制加熱管溫度在80～90℃之間，即可滅活絕大多數(shù)主流致病菌。

（3）裝置設(shè)計(jì)智能化，在系統(tǒng)內(nèi)以微信小程序的形式與用戶綁定，設(shè)置反饋獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，對(duì)使用口罩回收裝置次數(shù)多的用戶發(fā)放獎(jiǎng)品。

2.5 工作流程

口罩進(jìn)入投放口后落入擋板上，隨后擋物板翻轉(zhuǎn)，使口罩落入殺菌消毒區(qū)，接受5 min的紫外線和高溫殺菌；5 min后，密集齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將口罩傳送至破碎區(qū)；在破碎區(qū)，刀輪組轉(zhuǎn)動(dòng)攪碎，將廢棄口罩?jǐn)嚦伤槠?，并噴?5%的醫(yī)用酒精，口罩完全攪碎，流程結(jié)束。與此同時(shí)，若有人投放口罩，則擋物板翻轉(zhuǎn)進(jìn)行如上操作，相關(guān)流程如圖1所示。

2.6 裝置概念圖

口罩回收裝置中加熱管及紫外線殺菌燈如圖2，圖3所示。

圖2 加熱管

圖3 紫外線殺菌燈

加熱管是在無(wú)縫金屬管內(nèi)裝入電熱絲，空隙部分填滿具有良好導(dǎo)熱性和絕緣性的氧化鎂粉后縮管制成。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率好、機(jī)械強(qiáng)度好，對(duì)惡劣環(huán)境有良好的適應(yīng)性。主機(jī)控制加熱管溫度在80～90℃之間。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意圖

投放口：用戶將廢棄口罩從投放口投入口罩處理裝置。

擋物板：用于盛放投入的口罩并翻轉(zhuǎn)，使口罩落入處理系統(tǒng)。

傳感器1，用于檢測(cè)口罩投放數(shù)量；傳感器2，用于檢測(cè)口罩是否進(jìn)入破碎區(qū)，并啟動(dòng)攪碎系統(tǒng)；傳感器3，用于檢測(cè)用戶兌換新口罩時(shí)，新口罩是否按數(shù)量投放；傳感器4，用于檢測(cè)存放區(qū)的口罩碎屑是否存滿；傳感器5，用于檢測(cè)廢棄口罩是否落入殺菌消毒區(qū)，并啟動(dòng)殺菌消毒系統(tǒng)。

紫外線滅菌燈：位于側(cè)邊和上方，用于消毒滅菌。

加熱管：用于高溫滅菌。

隔熱層：位于外層板材和加熱板之間，防止溫度傳遞到外層使用戶燙傷。

齒狀傳送輪：齒輪均勻緊密分布于殺菌消毒區(qū)下方，將滅菌完畢的口罩送入破碎區(qū)，并將口罩壓緊壓實(shí)。

刀具組：用于破碎口罩。

太陽(yáng)能板：用于為安裝在戶外的口罩回收裝置發(fā)電。

LED顯示屏：用于顯示系統(tǒng)及公眾號(hào)相關(guān)信息，也便于用戶掃描二維碼，領(lǐng)取新的口罩。

獎(jiǎng)品儲(chǔ)放室：儲(chǔ)存用于兌換的新口罩。

控制板：用于控制裝置內(nèi)的各個(gè)零部件。

酒精存放室：儲(chǔ)存用于消毒的75%酒精。

酒精噴灑口：當(dāng)?shù)毒呓M攪碎口罩后，向碎屑噴灑酒精。

取物口：用于領(lǐng)取兌換的新口罩。

2.7 投放策略

第一步：計(jì)劃用時(shí)半年，主要在公共場(chǎng)所試點(diǎn)放置，如行政區(qū)、中心商務(wù)區(qū)、大學(xué)城等地。

第二步：根據(jù)試點(diǎn)使用狀況，對(duì)反饋較好的試點(diǎn)周邊再次投放，范圍擴(kuò)大到街道，計(jì)劃用時(shí)半年。

第三步：根據(jù)反饋結(jié)果，在全市范圍內(nèi)的小區(qū)、大中小學(xué)校、商場(chǎng)、景點(diǎn)等地放置，從而逐漸實(shí)現(xiàn)區(qū)域全覆蓋。

3 結(jié)語(yǔ)

在疫情常態(tài)化時(shí)代，尤其是新冠病毒的變種——德?tīng)査局晗矶鴣?lái)，使得剛緩過(guò)勁的民眾不得不再次警覺(jué)起來(lái)。當(dāng)前新冠疫苗對(duì)德?tīng)査局甑念A(yù)防率并不是很高，因此公眾防疫意識(shí)及措施的提高對(duì)于應(yīng)對(duì)新一輪疫情將具有十分重要的意義。已知的廢棄口罩處理裝置都比較單一，它們或只有粉碎功能，或只有高溫處理功能，且大都是集中處理，極易在收集運(yùn)輸過(guò)程中再次傳播病毒。本研究成果將紫外線、高溫及粉碎裝置三者相結(jié)合以更好地達(dá)到殺菌消毒的作用，而且，這種小型廢棄口罩回收裝備的投放，可有效阻斷病毒再傳播，防止被不法商家將廢棄口罩二次利用。

此外，希望通過(guò)裝置的微信小程序功能來(lái)增強(qiáng)公眾衛(wèi)生知識(shí)，提升防疫素質(zhì)，以彌補(bǔ)防疫措施的不足，為營(yíng)造科學(xué)健康的防疫氛圍貢獻(xiàn)一份力量。