Обоснование основополагающих терминов. Исследование взаимосвязи понятий «коэффициента защиты» и «коэффициента проницаемости»

Необходимость в пользовании обоснованным конкретным выражением обоих терминов связана с решением поставленной в книге задачи разработки методики выбора вида СИЗОД с учетом степени опасности вредных веществ, присутствующих в воздухе рабочей зоны.

Как отмечалось ранее, взаимосвязь этих терминов в литературе выражается обратно пропорциональной зависимостью:

при этом не оговаривая условия, при которых это равенство является справедливым. Но именно эти условия раскрывают сущность понятий «коэффициента защиты» и «коэффициента проницаемости».

Раскроем данные условия и покажем, при каких условиях становится справедливым данное равенство.

Для сравнения содержания анализируемых терминов рассмотрим в графическом виде примеры расчетов каждого из них, которые приведены на рис. 2.2.

В части а рисунка 2.2 приведены примеры определения коэффициентов защиты, рассчитанные по принятым правилам, т.е.

при разных сочетаниях концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны и их предельно допустимых концентраций.

Вероятные сочетания величин, определяющих величины коэффициентов защиты, на рис. приведены в трех вариантах:

- значками К1Защ и К"защ обозначены примеры расчета коэффициентов защиты, отнесенные к одной и той же концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зоны для мало- и умеренно опасных веществ - С = С"0 , и, следовательно, отличающиеся величинами предельно допустимых концентраций - С'пдк не равно С" пдк;

- значком К1"защ обозначен пример, в котором значение С"0 отличается от С'0 > С"'0. но сопоставляемые величины имеют близкие значения - С /С" =С" - значками Kv , Kv и 1С обозначены примеры, показывающие расчеты коэффициентов защиты для веществ с Спда (С"пдк; Спдк; Си )> относящимися к чрезвычайно опасным вредным веществам, а величинами начальных концентраций соответственно в интервале концентраций умеренно опасных, высоко-и чрезвычайно опасных вредных веществ.

Рис. 2.2. Схема расчетов коэффициента защиты и коэффициента проницаемости

Для исследования нашего вопроса вызывает интерес сопоставление значений коэффициентов защиты первых двух случаев с пятым, когда при равных значениях коэффициентов защиты Кзащ:К"защ= КVзащ (по построению) обязательно требуется применение разных видов средств защиты: если в первых случаях могут быть применены отдельные виды респираторов, то в последнем случае потребуется применение одного из видов противогазов. Сравнение К1защ с меньшей величиной KVIзащ показывает, что и при малых коэффициентах защиты могут потребоваться эффективные средства защиты дыхания, включая противогазы, при больших величинах Кзащ, таких как К1защ и К"защ (по построению на рис. 2.2), достаточными являются менее эффективные СИЗОД. Вариант KIVзащ показывает, что большая величина коэффициента защиты требует внимательного отношения к выбору вида СИЗОД, который определяется не только величиной коэффициента защиты, но и величиной предельно допустимых концентраций вредного вещества, т.е. его классом опасности. При наличии в рабочей зоне высокотоксичных веществ даже при малых коэффициентах защиты необходимо применять противогазы, т.к. их лицевые части имеют наиболее надежную полосу обтюрации, что позволяет сохранить необходимую герметичность подмасочного пространства при движениях головой, разговоре, случайных воздействиях окружающих предметов и т.п.

Для более детального пояснения рассмотрим пример с конкретными значениями концентраций.

Пусть при предельно допустимых концентрациях паров ртути и ацетона, которые равны 0,01мг/м3и 200 мг/м3, соответствующие концентрации этих веществ в воздухе рабочей зоны составляют 0,1 мг/м3 и 1000 мг/м3 (максимальные концентрации, при которых могут применяться поглощающие элементы СИЗОД, составляют 10 и 3000 мг/м3). По этим данным, коэффициенты защиты при работе в среде, содержащей пары ртути, составят 10, а содержащей ацетон - 5. В обоих случаях по общим рекомендациям следует применять респиратор. На практике при защите от паров ртути целесообразным является применение противогаза, например, с панорамной маской, что .связано, как уже отмечалось выше, со значительно более высоким уровнем надежности сохранения постоянной герметичности по полосе обтюрации панорамных масок относительно полумасок (более надежно сохраняет герметичность подмасочного пространства шлем-маска). При недостаточном уровне подгонки полумасок, вероятных нарушениях герметичности 1 ю полосе обтюрации в результате резких движений головой и в других случаях при применении полумасок могут создаваться значительные снижения герметичности от требуемого уровня. Лицевые части противогазов обеспечивают значительно более надежное прилегание к лицу, чем полумаски. В данном примере для выбора вида СИЗОД важным фактором является высокая токсичность вещества (паров ртути), которая не учитывается при рекомендуемом способе выбора вида СИЗОД, т.е. определяется только величиной коэффициента защиты.

Приведенный анализ содержания термина «коэффициента защиты» и пример показывают, что утверждение: «главной защитной характеристикой любого СИЗОД является так называемый коэффициент защиты Кзащ » (3) является неверным и этот термин не может быть применен при разработке методики выбора вида СИЗОД.

Как следствие такого вывода, принятое в настоящее время разделение всех фильтрующих СИЗОД по величине коэффициента защиты на три группы с разной эффективностью защиты требует принципиального пересмотра (19, 20, 21).

Сопоставим вывод, полученный из анализа рис. 2.2а, с выводами, следующими из второй части рисунка: 2.26, где показан механизм расчета коэффициента проницаемости на человеке с применением нефелометрического метода определения концентраций стандартного монодисперсного масляного тумана с наиболее проникаемыми частицами, который рассчитывается по формуле:

Особенность механизма расчета этим методом состоит в том, что концентрации масляного тумана в подмасочном пространстве СИЗОД при определении коэффициента проницаемости сопоставляются во всех случаях с одной и той же концентрацией этого аэрозоля в окружающем воздухе. Метод стандартизован ГОСТ 12.4.157, часть 2. Из схемы измерений следует, что метод ни каким образом не включает величину предельно допустимой концентрации какого-либо вредного вещества, а оценивает только степень герметичности системы по проницаемости аэрозоля.

Проведенные сопоставления методов показывают самостоятельность каждого из показателей: коэффициент защиты и коэффициент проницаемости.

Проведем сравнение обоих терминов математическими выводами, т.е. раскроем условия, при которых

Исходными представим следующие известные зависимости:

где С0Р.З. - концентрация вредного вещества в рабочей зоне;

С0МТ - концентрация масляного тумана в дымовой камере;

СВОмт - концентрация масляного тумана в подмасочном пространстве, т.е. во вдыхаемом воздухе;

хподс - объемная скорость течения подсасываемого в подмасочное пространство воздуха;

Vвд. - объемная скорость течения вдыхаемого воздуха. Вывод математической взаимосвязи Кзащи Кпрон:

Так как по принятой в литературе зависимости Кзащ*Спдк = Ср.з.0 то, принимая первое условие: Ср.з.0 = CМТ0

где Кзащ * Спдк=Ср.з.0 = СМТ0, и, следовательно, необходимо принять второе условие СМТвд=Спдк:

Следовательно, уравнение справедливо при условиях:

Проведенный математический вывод определяет условия, при которых справедливо известное соотношение между коэффициентом защиты и коэффициентом проницаемости:

Выделим еще раз условия, при которых становится справедливым это известное соотношение:

коэффициент проницаемости необходимо принять численно равным коэффициенту проницаемости масляного тумана при условии, что за концентрацию вредного вещества в рабочей зоне условно принимается концентрация масляного тумана в испытательной камере, которая всегда CМТ0=2500 мг/м3, а величина предельно допустимой концентрации численно равна концентрации вредного вещества в подмасочном пространстве.

Становится понятным, что при таких неестественных условиях известное равенство не имеет физического обоснования. Такое соотношение является искусственным и создавалось для получения численного согласования параметра внешней среды (концентрации вредного вещества в рабочей зоне) с концентрацией тест-вещества в рабочей зоне, а концентрации вредного вещества во вдыхаемом воздухе (в подмасочном пространстве) с его предельно допустимой концентрацией.

Спдк(или предельно допустимая концентрация вредного вещества - ПДК) является научно обоснованной величиной, методы определения которой утверждены государственным стандартом, и характеризует уровень воздействия на организм вредного вещества, при котором у подавляющей численности людей сохраняются в организме обменные процессы на уровне нормы.

Концентрация масляного тумана в подмасочном пространстве -Смтподм является результатом проницаемости его через негерметичности испытываемого средства защиты и дефекты фильтра. Величина этой концентрации в подмасочном пространстве определяется долей концентрации масляного тумана в испытательной камере, равной соотношению объема потока через негерметичные участки, дефекты фильтрующей системы ко всему объему вдыхаемого воздуха. Именно соотношение этих потоков определяет сущность коэффициента проницаемости. Применение в нефелометрическом методе монодисперсного аэрозоля с наиболее проникаемыми частицами является только экспериментальным приемом определения соотношения этих потоков воздуха.

Анализируя методы оценки качества СИЗОД, применяемые в новых стандартах, основное внимание обращается на сложность определения в них размеров частиц, а в производственных условиях определение размеров частиц по предлагаемым условиям становится невозможным. Но без знания размера частиц в применяемом аэрозоле контроль теряет смысл. Как решается этот важнейший вопрос при применении нефелометрического метода контроля по проницаемости маслянного тумана? В нефелометрическом методе для контроля применяется монодисперсный аэрозоль с размерами частиц в очень узком интервале: 0,28ч0,34 мкм. Из физики известно, что каждый квант света является поляризованным (в т.ч. в неполяризованном световом потоке). Поток неполяризованного света после отражения одной частицей по размерам в несколько длин электромагнитных волн, является также неполяризованным. Но поток света, рассеянный одинаковыми частицами, размеры которых меньше длины волны падающего неполяризованного светового потока, получает определенную степень поляризации. Поэтому факт поляризации рассеянного аэрозолем света говорит о том, что аэрозоль, во-первых, монодисперсный, а во-вторых, что частицы этого аэрозоля имеют размер меньше длины световой волны падающего светового потока. Известно, что диапазон длин волн видимого света составляет 0,4ч0,7 мкм.

Таким образом, монодисперсный масляный туман, частицы которого относятся к наиболее проникаемым и в то же время имеющим размер менее длины световой волны, обладают свойством поляризации падающего светового потока. Степень поляризации рассеянного света определяется размером частиц, интервалом распределения их размеров, длиной волны падающего светового потока. Аэрозольные нефелометры, применяемые в методике контроля качества СИЗОД по проницаемости масляного тумана, имеют поляризатор, с помощью которого определяется степень поляризации света. Конструкция генератора аэрозолей и метод получения масляного тумана позволяют получать аэрозоль с частицами требуемого размера, который определяется по дефекту поляризации (степени поляризации) аэрозольным нефелометром. Для определения нефелометром интенсивности рассеянного света (т.е. концентрации аэрозоля) и среднего размера частиц монодисперсного аэрозоля затрачивается времени не более 1,5 минут. Данный метод контроля и установки, определяющие метод в целом, вполне пригодны для многократного контроля в одной серии измерений, в течение рабочей смены, при многократных запусках установки, при сравнении результатов контроля на разных предприятиях, разными контролерами. Такой метод контроля, как отмечалось выше, применяется с данной целью на отечественных предприятиях, НИИ с 50-х годов предыдущего столетия.

Создание такой методики является результатом глубоких исследований и исключительно ценного для решения данного вопроса применения ряда научных решений по физическим и физико-химическим направлениям. Основоположником разработанного метода является док. хим. наук Коган Яков Ионович (22). Существенный вклад в развитие метода внесен сотрудниками научного коллектива, работающего под руководством д.х.н. Когана Я.И., Введенским А.А., Луневым В.И., к.х.н. Рыбиным Е.Н.

В то же время стандартизованные в настоящее время новыми стандартами указанные термины не позволяют вести изложение приведенных в книге исследований, т.к. эти термины являются противоречивыми. Разработанная ранее в институтах Министерства химической промышленности система терминов и определений, которая тоже является стандартизованной, позволила построить систему средств индивидуальной защиты органов дыхания по принципам сущности их защитных, конструктивных и эксплуатационных характеристик.

В основу разработанной методики определения видов СИЗОД по концентрациям вредных веществ в рабочей зоне и их токсичности, которая представлена в данной книге, положены надежности герметизации объемов их подмасочного пространства, которые определяются конструктивными особенностями лицевых частей этих средств защиты. Эти зависимости раскрываются в следующей главе данной книги.