บทความ: การประเมินประสิทธิภาพของวัสดุทำหน้ากากสำหรับกรองฝุ่นละอองขนาดไม่เกิน 2.5 ไมครอน (Evaluation of face mask materials for trapping particulate matter less than 2.5 micron)

การอ้างอิง: มณีรัตน์ องค์วรรณดี และ พงศธร ชมดี. (2563). การประเมินประสิทธิภาพของวัสดุทำหน้ากากสำหรับกรองฝุ่นละอองขนาดไม่เกิน 2.5 ไมครอน (Evaluation of face mask materials for trapping particulate matter less than 2.5 micron). วารสารสิ่งแวดล้อม, ปีที่ 24 (ฉบับที่ 3).

บทความ: การประเมินประสิทธิภาพของวัสดุทำหน้ากากสำหรับกรองฝุ่นละอองขนาดไม่เกิน 2.5 ไมครอน (Evaluation of face mask materials for trapping particulate matter less than 2.5 micron)

¹ ภาควิชาการบริหารและจัดการเมือง วิทยาลัยพัฒนามหานคร มหาวิทยาลัยนวมินทราธิราช เขตดุสิต กรุงเทพมหานคร 10300 
^* Email: maneerat.ong@nmu.ac.th
² ภาควิชาเทคโนโลยี วิทยาลัยพัฒนาชุมชนเมือง มหาวิทยาลัยนวมินทราธิราช เขตดุสิต กรุงเทพมหานคร 10300 
Email: pongsathorn.cho@nmu.ac.th

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อวัดประสิทธิภาพของวัสดุที่ทำหน้ากากในการกรองฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอนในบรรยากาศ โดยจำลองการสวมหน้ากากกับใบหน้าของหุ่นฝึกทางการแพทย์ให้แนบสนิท ใช้เครื่องดูดเสมหะดูดอากาศด้วยอัตรา 15 ลิตรต่อนาทีผ่านหน้ากากที่ทดสอบ ได้แก่ หน้ากากอนามัยทางการแพทย์ หน้ากาก N95 และหน้ากากผ้าฝ้ายสองชั้นเสริมไส้กรองต่างๆ ผลการทดสอบพบว่าหน้ากาก N95 ที่จำหน่ายในประเทศไทยมีประสิทธิภาพการกรอง 78 เปอร์เซ็นต์ ตามมาด้วยหน้ากากอนามัยทางการแพทย์มีประสิทธิภาพ 65 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งใกล้เคียงกับหน้ากากผ้าที่ใช้หน้ากากอนามัยดังกล่าวเป็นไส้กรองหรือใช้แผ่นกรองฝุ่นระดับ MERV 11 จำนวน 3 แผ่นซ้อนกัน ในขณะที่การใช้หน้ากากผ้าฝ้ายเพียงอย่างเดียวมีประสิทธิภาพเพียง 6 เปอร์เซ็นต์ และการใช้กระดาษทิชชูเป็นไส้กรองไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ ทั้งนี้ประสิทธิภาพการกรองฝุ่นละอองของหน้ากากเมื่อสวมใส่จริงอาจมีค่าต่ำกว่าที่วัดได้ซึ่งขึ้นกับความแนบสนิทกับใบหน้าของผู้ใส่ สำหรับการฆ่าเชื้อโรคบนหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ด้วยการพ่นเอทานอล 70 เปอร์เซ็นต์ไม่ได้ทำให้โครงสร้างทางกายภาพและเคมีของเส้นใยโพลีโพรพิลีนของหน้ากากแปลงเปลี่ยนไปจากเดิม จึงอาจเป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับยืดอายุการใช้งานหน้ากากอนามัยในช่วงขาดแคลน เช่น การระบาดของโรคโควิด-19

1. บทนำ
หน้ากากประเภทที่ใช้เป็นอุปกรณ์ป้องกันส่วนบุคคลทางระบบทางเดินหายใจหรือที่เรียกว่า Respirator ซึ่งปิดคลุมมิดชิด สามารถแบ่งออกเป็น 3 ชนิดตามลักษณะการปิดคลุมใบหน้า ได้แก่ (1) Quarter mask คือหน้ากากปิดจมูกและปากแต่ไม่คลุมถึงใต้คาง (2) Half mask คือหน้ากากปิดจมูกและปากคลุมถึงใต้คาง และ (3) Full facepiece คือหน้ากากปิดคลุมตั้งแต่โคนผมจนถึงใต้คาง สำหรับหน้ากากป้องกันฝุ่นละอองในบรรยากาศที่ประชาชนทั่วไปใช้ เช่น N95 เป็นแบบ Quarter mask [2] สำหรับมาตรฐานประสิทธิภาพของหน้ากากกรองฝุ่นละอองตามระเบียบข้อบังคับรัฐบาลกลางประเทศสหรัฐอเมริกา (US Code of Federal Regulations, CFR) แบ่งเป็น 9 ชั้นคุณภาพ คือ N95, N99, N100, R95, R99, R100, P95, P99 และ P100 สัญลักษณ์ N ระบุถึงหน้ากากกรองอนุภาคที่ไม่ใช่น้ำมัน ในขณะที่ R และ P สามารถกรองอนุภาคที่เป็นน้ำมันได้ ส่วนตัวเลขหลังตัวอักษรระบุถึงประสิทธิภาพในการกรองอนุภาคขนาด 0.3 ไมครอนได้ไม่ต่ำกว่า 95, 99 และ 99.97 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ [3]

ดังนั้นงานวิจัยนี้มุ่งทดสอบเพื่อหาประสิทธิภาพของวัสดุที่นำมาผลิตหน้ากากในการกรองฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอนในบรรยากาศ โดยทดสอบหน้ากากที่ขายในท้องตลาดและหน้ากากผ้าที่ประดิษฐ์ขึ้นรวมทั้งหมด 13 รูปแบบ อย่างไรก็ดีงานวิจัยนี้ไม่ได้ทดสอบประเด็นความแนบสนิทของหน้ากากเข้ากับใบหน้าผู้สวมใส่แต่อย่างใด (Fit test) ดังนั้นค่าประสิทธิภาพการกรองฝุ่นละอองที่วัดได้ในงานวิจัยนี้จึงเป็นการวัดความสามารถของวัสดุที่ใช้ทำหน้ากากในการกรองฝุ่นละอองเท่านั้น ผลที่ได้จากการทดลองนี้ยังสามารถใช้ระบุถึงประสิทธิภาพของวัสดุหน้ากากแต่ละแบบในการป้องกันเชื้อไวรัสโคโรน่าที่อยู่ในละอองน้ำลายซึ่งมีขนาดใหญ่กว่า 3 ไมครอน

2.1 ชนิดของหน้ากากที่ทดสอบ
หน้ากากที่ทดสอบการกรองฝุ่นละอองประกอบด้วย หน้ากากอนามัยทางการแพทย์แบบใช้ครั้งเดียว หน้ากาก N95 หน้ากากผ้าฝ้ายดิบที่ทำขึ้นเองและมีการดัดแปลงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกรองโดยการใส่ไส้กรองแบบต่างๆ ได้แก่ หน้ากากอนามัย กระดาษทิชชู และแผ่นกรองฝุ่นระดับ MERV 11 ระหว่างหน้ากากผ้าสองชั้น (หมายเหตุ MERV คือ Minimum Efficiency Reporting Value เป็นมาตรวัดประสิทธิภาพของระบบฟอกอากาศที่ใช้เส้นใยกรองดักจับฝุ่นละออง กำหนดขึ้นโดย  American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ซึ่งมีสเกลตั้งแต่ 1 ถึง 16) สำหรับแผ่นกรอง MERV  11 มีประสิทธิภาพสูงในการดักจับฝุ่นละอองช่วง 1.0-3.0 ไมครอน งานวิจัยนี้ยังได้ทดสอบหน้ากากอนามัยทางการแพทย์เมื่อฉีดพ่นด้วยแอลกอฮอล์ในรูปของสารละลายเอทานอล (C₂H₅OH) ความเข้มข้น 70 เปอร์เซ็นต์จนเปียกชุ่มเพื่อฆ่าเชื้อโรคที่อาจสะสมบนหน้ากากซึ่งเป็นวิธีการหนึ่งในการใช้หน้ากากอนามัยซ้ำมากกว่า 1 ครั้ง นอกจากนี้ได้ศึกษาโครงสร้างทางกายภาพของหน้ากากอนามัยที่ฉีดพ่นแอลกอฮอล์ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราด (Scanning electron microscope, SEM) และโครงสร้างทางเคมีพื้นผิวด้วยการวิเคราะห์กลุ่มฟังก์ชันด้วยเครื่องฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มอินฟราเรด (Fourier transform infrared spectroscope, FTIR) ในช่วงการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดในช่วง 400-4000 ซม.^-1 เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงลักษณะเส้นใยที่อาจปรากฏ รายละเอียดของหน้ากากที่ทดสอบในงานวิจัยนี้แสดงในตารางที่ 1

2.2 ระบบและขั้นตอนการทดลอง
รูปที่ 1 แสดงระบบการทดลองประกอบด้วยหุ่นฝึกปฏิบัติการทางการแพทย์ ครอบหน้ากากที่ต้องการทดสอบประสิทธิภาพการกรองฝุ่นเข้าที่บริเวณจมูกและปากของหุ่นฝึกตามลักษณะการสวมใส่ของคน จากนั้นใช้เทปกาวกระดาษปิดขอบหน้ากากที่สัมผัสกับใบหน้าของหุ่นให้แนบสนิทเพื่อป้องกันอากาศรั่วไหล และปิดช่องเปิดที่เชื่อมต่อช่องจมูกและปากของหุ่นทุกช่องด้วยเทปกาวกระดาษ ยกเว้นท่อจากช่องคอหุ่นท่อหนึ่งถูกเชื่อมต่อกับสายยางเข้าเครื่องดูดเสมหะ (Suction unit) ยี่ห้อ Kataspir เพื่อจำลองการหายใจของผู้สวมใส่โดยตั้งอัตราการดูดอากาศด้วยความดันคงที่ 6 เซนติเมตรของปรอท หรือเทียบเท่าอัตราการหายใจ 15 ลิตรต่อนาที ใช้เครื่องวัดฝุ่น PM_2.5 ยี่ห้อ SNDWAY รุ่น SW-825 เซ็นเซอร์วัดฝุ่น PLANTOWER Laser จำนวน 2 เครื่อง โดยวางในขวดดูดเสมหะเพื่อวัดความเข้มข้นของฝุ่นในอากาศที่ดูดผ่านหน้ากาก และอีกเครื่องวางด้านนอกเพื่อวัดฝุ่นในบรรยากาศขณะทำการทดสอบ ทำการทดสอบหน้ากากทีละชนิดด้วยระยะเวลาการทดสอบ 5-10 นาทีเพื่อให้ได้ระดับฝุ่นในขวดดูดเสมหะคงที่ การทดลองทำในห้องปฏิบัติการแบบพื้นที่เปิดในอาคารที่มีระดับฝุ่น PM_2.5 ค่อนข้างคงที่ ควบคุมอุณหภูมิด้วยเครื่องปรับอากาศที่ 27-28 องศาเซลเซียส ความชื้นสัมพัทธ์ในอากาศประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์

3.1 ประสิทธิภาพการกรองฝุ่นละออง
ตารางที่ 2 แสดงประสิทธิภาพการกรองฝุ่น PM_2.5 ของวัสดุทำหน้ากากที่ทดสอบทั้ง 13 รูปแบบ โดยความเข้มข้นของ PM_2.5 ก่อนและหลังผ่านการกรองแสดงเป็นค่าเฉลี่ยที่ได้จากการวัดในช่วงเวลาที่ทดสอบ

สำหรับหน้ากากผ้าที่ทำจากผ้าฝ้ายดิบสองชั้นนั้นมีประสิทธิภาพในการกรองฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอนเพียง 6 เปอร์เซ็นต์เนื่องจากช่องเปิดระหว่างเส้นใยมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของฝุ่น [9] แต่เมื่อเสริมด้วยแผ่นกรองที่นิยมใช้ในเครื่องฟอกอากาศระดับ MERV 11 จำนวน 1 ชั้นสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกรองเป็น 28-29 เปอร์เซ็นต์ (ลำดับที่ 6 และ 7) แต่ยังคงต่ำกว่าหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ และเมื่อเสริมแผ่นกรอง MERV 11 ซ้อนกัน 3 ชั้นช่วยให้ประสิทธิภาพการกรองเพิ่มขึ้นเทียบเท่าหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ที่ประมาณ 57 เปอร์เซ็นต์ (ลำดับที่ 8)  ส่วนการใช้หน้ากากอนามัยทางการแพทย์เป็นไส้กรองระหว่างหน้ากากผ้าสองชั้น (ลำดับที่ 9) ให้ประสิทธิภาพการกรองเท่ากับหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ ในขณะที่การใช้กระดาษทิชชูเป็นไส้กรอง (ลำดับที่ 10) ไม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกรองฝุ่นขนาดเล็กได้แต่อย่างใด

3.2 โครงสร้างทางกายภาพและเคมีของหน้ากากอนามัยทางการแพทย์
ตารางที่ 3 แสดงภาพถ่ายกำลังขยาย 100 เท่าด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดของหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ชั้นนอก ชั้นกลาง และชั้นในที่สัมผัสใบหน้าผู้ใส่ รูปแบบที่ 1 คือหน้ากากอนามัยใหม่ที่ไม่ได้ฉีดพ่นสารละลายเอทานอล รูปแบบที่ 2 คือหน้ากากอนามัยฉีดพ่นสารละลายเอทานอล 70 เปอร์เซ็นต์แล้วปล่อยทิ้งไว้ 5 นาที และรูปแบบที่ 3 คือหน้ากากอนามัยฉีดพ่นสารละลายเอทานอลแล้วปล่อยทิ้งไว้ 60 นาที 

การวิเคราะห์พบการดูดกลืนรังสีที่ 2870 และ 2950 ซม.^-1 ชี้ให้เห็นถึงการสั่นแบบ Stretching ของหมู่ฟังก์ชันเมธิล -CH₃ ซึ่งเป็นองค์ประกอบโครงสร้างทางเคมีของโพลีเมอร์ประเภทโพลีโพรพิลีน คือ Poly(1-methylethylene) [11] เมื่อฉีดพ่นหน้ากากอนามัยด้วยเอทานอลแล้วทิ้งไว้ 5 นาทีพบการดูดกลืนรังสีชัดเจนที่ 3391 ซม.^-1 แสดงถึงการสั่นแบบ Stretching ของพันธะ O-H ในโครงสร้างของเอทานอล [12] และเมื่อทิ้งไว้ 10 นาทีกลับไม่พบการดูดกลืนรังสีในช่วงดังกล่าว ซึ่งเป็นไปได้ว่าสารละลายเอทานอลบนหน้ากากระเหยหมดไป ในขณะที่สเปกตรัมการดูดกลืนรังสีของโพลีโพรพิลีนไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ ถึงแม้ผ่านการสัมผัสกับเอทานอลก็ตาม จึงเป็นข้อยืนยันอีกประการหนึ่งว่าการใช้สารละลายเอทานอลฉีดพ่นไม่สามารถสร้างความเสียหายให้กับเส้นใยโพลีโพรพิลีนทั้งทางกายภาพและทางเคมี อย่างไรก็ดีควรมีการศึกษาถึงประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อโรคบนหน้ากากอนามัยด้วยการฉีดพ่นสารละลายแอลกอฮอล์ต่อไป

งานวิจัยนี้ทดสอบวัสดุที่ทำหน้ากากชนิดต่างๆ เพื่อวัดประสิทธิภาพการกรองฝุ่นละอองขนาดเล็กกว่า 2.5 ไมครอน โดยใช้หุ่นฝึกปฏิบัติการทางการแพทย์จำลองสภาพการใส่หน้ากากที่แนบสนิทกับใบหน้าไม่มีการรั่วไหลของอากาศ  ประสิทธิภาพของหน้ากาก N95 บริษัท 3เอ็ม จำกัด กรองฝุ่น PM_2.5 ได้สูงสุด 78 เปอร์เซ็นต์ หน้ากากอนามัยทางการแพทย์แบบสามชั้นกรองฝุ่นได้ประมาณ 65 เปอร์เซ็นต์ และเมื่อใช้ทำหน้าที่เป็นไส้กรองของหน้ากากผ้าฝ้ายดิบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการกรองของหน้ากากผ้าเทียบเท่าหน้ากากอนามัย จึงอาจเป็นวิธีหนึ่งในการยืดอายุการใช้งานหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ ในขณะที่การฉีดพ่นด้วยแอลกอฮอล์ในรูปสารละลายเอทานอลเพื่อฆ่าเชื้อโรคที่อาจสะสมบนหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ ไม่ได้ก่อให้เกิดความเสียหายกับโครงสร้างของเส้นใยโพลีโพรพิลีนที่ทำหน้ากาก จึงอาจเป็นอีกทางเลือกหนึ่งเช่นกันในการยืดอายุการใช้งานในช่วงที่มีการขาดแคลนหน้ากากอนามัย เช่น ช่วงการระบาดของโรคโควิด-19 เป็นต้น ส่วนการใช้แผ่นกรองฝุ่นระดับ MERV 11 เป็นไส้กรองของหน้ากากผ้าควรใช้จำนวน 3 แผ่นซ้อนกันจึงจะให้ประสิทธิภาพการกรองเทียบเท่าหน้ากากอนามัยทางการแพทย์ ในขณะที่วัสดุทำหน้ากากจากผ้าฝ้ายดิบหรือการใช้กระดาษทิชชูเป็นไส้กรองของหน้ากากผ้าไม่มีความสามารถในการกรองฝุ่น PM_2.5  การทดสอบทั้งหมดในงานวิจัยนี้ควบคุมสภาพการสวมหน้ากากที่ทดสอบเข้ากับใบหน้าหุ่นฝึกให้แนบสนิท ดังนั้นหน้ากากอนามัยและหน้ากากผ้าที่เมื่อบุคคลสวมใส่จริงจะไม่แนบสนิทกับใบหน้าเท่ากับการใส่หน้ากาก N95 จึงจะทำให้ประสิทธิภาพการกรองฝุ่นของหน้ากากทั้งสองต่ำกว่าค่าที่วัดได้ในงานวิจัยนี้เพราะการรั่วไหลของอากาศบริเวณหน้ากากที่ไม่แนบสนิทกับใบหน้า อย่างไรก็ดีคุณภาพของวัสดุที่ใช้ทำหน้ากากมีความสำคัญมากเช่นเดียวกัน ซึ่งเห็นได้จากหน้ากากที่ติดฉลาก N95 บางยี่ห้อกลับมีประสิทธิภาพการกรองฝุ่นละอองขนาดเล็กค่อนข้างต่ำ ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้บริโภคพึงระวังในการซื้อสินค้าที่อาจไม่มีคุณภาพตามที่แจ้ง

ขอขอบคุณ คุณธีระพันธ์ จำเริญพัฒน์ และ คุณทับทิม ชาติสุวรรณ์ ศูนย์เครื่องมือกลางมหาวิทยาลัยมหาสารคามสำหรับการวิเคราะห์ภาพถ่าย SEM และการวิเคราะห์ FTIR