Охрана труда и БЖД

Ранее в нашей лаборатории было показано, что во время вдоха-выдоха подача воздуха вентилятором изменяется. Это также показано при обозначении оборотов вентиляторов. Объём вдыхаемого воздуха примерно постоянен 2.32-2.42л. также показано отношение концентраций СО₂ в выдыхаемом воздухе и в испытательной камере. Обратные величины этих значений – это измеренные коэффициенты защиты респираторов при их использовании. Столбец “объём просачивания” – объёмы вдыхаемого загрязнённого воздуха, полученные умножением отношения концентраций на объём выдоха. Эти числа также соответствуют номинальному объёму просачивания респираторов.

            Несмотря на достигнутые в области фильтрации, концентрация загрязнений под маской может стать недопустимо большой, если произойдёт просачивание загрязнений в обход фильтра. Слабыми звеньями в респираторной защите являются плотность прилегания к лицу и клапан выдоха. Для оценки защитных свойств респираторов используют коэффициенты защиты – отношение наружной концентрации загрязнений к подмасочной.

            При проведении этого исследования мы использовали альтернативный способ измерения КЗ (зависящего от  просачивания под маску). Если респиратор используется в атмосфере, содержащей контрольный газ, но под маску подаётся чистый воздух без этого газа, то контрольный газ может попасть во вдыхаемый воздух только если ему удастся просочиться под маску в обход фильтра. Если проводить такую проверку с дыхательной машиной, то контрольный газ не будет ей улавливаться, и средняя концентрация газа в выдыхаемом воздухе должна быть равна подмасочной у рта (под маской). Это усреднит концентрацию загрязнений под маской, так как просочившийся  воздух плохо перемешивается с очищенным.

 

Отношение концентраций контрольного газа в уловленном выдохнутом воздухе и в окружающей респиратор атмосфере должно быть величиной, обратной КЗ – по крайней мере, с точки зрения рабочего.

            Можно заметить, что хотя у Racal подача очищенного воздуха больше, чем у Centurion, загрязнённость вдыхаемого воздуха у Racal выше, а КЗ – ниже. При КЗ, близком к                                                    1, Racal AirMate практически никакой защиты от воздушных загрязнений не обеспечивает, и их концентрация по лицевой частью близка к наружной. Centurion MAX (с неплотно прилегающей лицевой частью) обеспечивает лучшую защиту, но и он не очень эффективен.

            Респиратор SE 400, реагирующий на характер дыхания, старался поддерживать под маской постоянное избыточное давление. Видно, что вентилятор подавал воздух с таким расходом, что тот превышал пиковое потребление воздуха дыхательной машиной – 317 л/мин. при выключении вентилятора расход воздуха через него уменьшался, и СИЗОД работал как фильтрующий респиратор без ППВ. У фильтрующего респиратора без ППВ (FRM 40) был схожий расход воздуха через фильтр, но коэффициент защиты был немного ниже.

            При проверке 3 респираторов признаков просачивания загрязнений и их попадания во вдыхаемый воздух не было вообще (3M Hood, 3M и SE 400). При использовании в условиях большого расхода воздуха эти СИЗОД обеспечат наилучшую защиту. Даже после выключения вентилятора SE 400 он обеспечивал КЗ=20. У 3M Hood (респиратор с неплотно прилегающей лицевой частью – капюшоном) было достаточно большое подмасочное пространство, чтобы (при вдохе) загрязнения не достигали рта.

            Полученные в этом исследовании результаты не вполне  согласуются с ОСЗ, опубликованными OSHA (Управление по охране труда в Минтруда США, разрабатывает стандарты по применению респираторов и по охране труда) [1]. Согласно OSHA, ожидаемая степень защиты у полнолицевой маски – 50. А мы получили КЗ у респиратора без ППВ – 17, а у SE 400 с выключенным вентилятором – 20. Согласно OSHA? у респиратора с ППВ и лицевой частью – полнолицевой маской ожидаемая степень защиты = 1000. А мы получили, что КЗ у 3М и у SE 400 очень большие – бесконечность. Согласно OSHA у респираторов с ППВ и капюшоном ожидаемая степень защиты = 25. А у нас получилось: у Racal – 1.1, у Centurion MAX – 4, у 3М Hood – бесконечность.

            При измерении КЗ возникают два затруднения. Во-первых, концентрация загрязнений под маской могла быть неоднородной. Поэтому результат измерений зависел от положения (пробоотборного зонда под маской). Недавно, при проведении исследований визуализировали потоки воздуха под маской [1] (??). Выяснилось, что при движении воздуха образуются завихрения. При этом происходит чёткое разграничение между чистым и загрязнённым воздухом. При размещении пробоотборного зонда в застойной зоне может получиться так, что измеренная концентрация будет заниженной. А при расположении зонда в месте, где движется загрязнённый воздух, и где может быть большая концентрация загрязнений, измеренная концентрация может оказаться завышенной. Сейчас принято устанавливать зонд напротив рта. Это отчасти решает проблему расположения, так как воздух вдыхается в этом месте. Но это не решает проблему изменения концентрации с течением времени.

            Другая проблема – это то, что часть загрязнений может оседать в органах дыхания, так что они становятся похожи на фильтр респиратора. Из-за этого средняя измеренная подмасочная концентрация становится заниженной. Неудивительно, что полученные нами результаты не согласуются с результатами измерений другими способами.

            Часто считают, что “мёртвое пространство” под маской измеряют потому, что там накапливается выдохнутый СО₂, который при следующем вдохе попадает в органы дыхания, снижая работоспособность [2]. Но это мёртвое пространство может оказаться полезным, если оно будет буфером, мешая загрязнениям попасть в органы дыхания рабочего – особенно если выдыхаемый воздух очищает, выдувает просочившиеся загрязнения, удаляя их из подмасочного пространства (куда они попали при вдохе). Это может произойти, например, если вентилятор СИЗОД с ППВ подаёт под маску отфильтрованный воздух и во время выдоха. Ранее проводилось измерение “защитного мёртвого объёма” у некоторых респираторов, которые использовались в этом исследовании. У Centurion MAX оно было около 1.4 л, а у Racal AirMate оно было близко к 0. У фильтрующего респиратора FRM 40 (без ППВ) оно было около 1 л, и примерно такое же у двух других респираторов с плотно прилегающей лицевой частью.

 

Фиг. 2. Расходы воздуха и объёмы у респиратора с ППВ – Racal AirMate 3 (с неплотно прилегающей лицевой частью). Дыхательная машина создаёт движение воздуха синусоидальной формы (положительное направление – выдох). Подача воздуха от вентилятора практически не изменяется. Соответствующие вдыхаемые объёмы загрязнений вычислялись как концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе, умноженные на расхода выдыхаемого воздуха дыхательной машины, и проинтегрированные.

Фиг. 3. Расходы воздуха и объёмы у респиратора с ППВ – 3М Breathe Easy. При вдохе подача воздуха от вентилятора “отслеживает” потребление воздуха дыхательной машиной. Соответствующие вдыхаемые объёмы загрязнений настолько низкие, что ими можно пренебречь.

Фиг. 3. Расходы воздуха и объёмы у респиратора с ППВ – SE 400, реагирующего на характер дыхания. При вдохе подача воздуха от вентилятора “отслеживает” потребление воздуха дыхательной машиной. Соответствующие вдыхаемые объёмы загрязнений настолько низкие, что ими можно пренебречь.

Для измерения защитного мёртвого пространства у 3М Hood респиратор одели на манекен, присоединили “рот” манекена к вакуумному насосу и закрыли всасывающий конец шланга, ведущего к вентилятору. Измеряли расход воздуха через “рот” и измеряли интервал времени, через который загрязнённый воздух достигал рта. Ожидалось, что дым попадают под маску ниже ушей и у подбородка – вдоль шеи. Объём воздуха, который откачивался из-под маски перед тем, как дым достигал рта, составил 2 л.

            Насколько большим должно быть защитное мёртвое пространство? Его нужно сделать достаточно большим, чтобы даже при очень напряжённой работе загрязнённый воздух не мог достичь рта. Обычно при выполнении физической работы объём вдоха не превышает 1.5 л, а порой достигает 2 л. Он очень редко превышает 2.5 л. Если мёртвое защитное пространство будет 2.5 – 3 л, то (с точки зрения обеспечения надёжной защиты) это должно быть также эффективно, как и поддержание под маской постоянного избыточного давления – до тех пор, пока вентилятор сможет очищать это мёртвое пространство во время выдоха. Если мёртвое пространство будет больше 2.5-3 л, то потребуется очень большая подача воздуха от вентилятора, что не нужно и не желательно.

 

            Сравнение результатов визуализаций потоков с помощью дыма (которые проводились в этом и в более ранних исследованиях) показывают, что измерение защитного мёртвого пространства респиратора обычно не зависит от  способа измерения. У респиратора Centurion MAX при измерении защитного объёма при помощи дыхательной машины и визуализации получили 1.4 л. При использовании визуализации потока и использовании дыхания испытателя – 1.1 л (до того, как дым дошёл до рта) [3].

            Известно, что пиковое потребление воздуха часто превышает подачу воздуха вентилятором [2, 4-9]. Также выражается беспокойство, когда давление под маской, которое должно быть избыточным, на какое-то время становится отрицательным [10]. Считается, что до тех пор, пока под маской поддерживается избыточное давление, все просачивания направлены из-под маски наружу, и загрязнения не просачиваются под маску. Если источник питания и вентилятор будут способны подавать больше воздуха, чем пиковое потребление, то это потребует значительного увеличения их размера, а повышенный вес СИЗОД снизит работоспособность рабочего [11]. Недавно (мы) осознали, что есть альтернативное решение – сделать лицевую часть с достаточно большим мёртвым пространством так, чтобы загрязнения (просочившиеся туда во время вдоха) не могли достичь рта. Без учёта воздуха, выходящего при вдохе, подача воздуха вентилятором может не превышать значения, необходимого для очистки мёртвого пространства от загрязнений во время выдоха – так что диапазон производительности вентилятора должен позволять очищать всё мёртвое пространство. А при учёте выдыхаемого воздуха производительность вентилятора можно уменьшить ещё больше – по крайней мере, до той степени, до которой загрязнения представляют угрозу. При меньшей производительности вентилятора под лицевой частью может накапливаться СО₂. Общий итог этого и других исследований, проводившихся ранее – до тех пор, пока под лицевой частью есть запас чистого воздуха, пригодного для дыхания, нет необходимости обеспечивать подачу воздуха вентилятором с такой производительностью, чтобы она соответствовала пиковому потреблению воздуха.

            Это и другие исследования, проводившиеся ранее показали, что для надёжной защиты рабочего не обязательно поддерживать под лицевой частью постоянное избыточное давление – до тех пор, пока просочившийся загрязнённый воздух не достигает рта. (Производительность) вентилятора должна быть достаточной для того, чтобы успевать загрязнения из защитного мёртвого пространства до того, как они снова начнут просачиваться при возникновении разрежения под маской.

            Во многих новых пневмокапюшонах используется принцип защитного мёртвого пространства, и они могут считаться такими же надёжными, как и СИЗОД с ППВ и плотно прилегающей лицевой частью, и как фильтрующий респиратор. Их преимущество по сравнению с фильтрующими респираторами в том, что они не создают повышенного сопротивления дыханию, а недостаток в том, что при прекращении работы вентилятора они перестают защищать рабочего.

            Обоснованность (пригодность) методов, использовавшихся в этом исследовании, зависит от эффективности фильтров. В этом исследовании как контрольное вещество использовался СО₂, и мы не допускали его попадания в фильтры – во все входные отверстия фильтров поступал чистый воздух. Таким образом, “эффективность фильтров” была идеальна, и мы изучали главным образом просачивание.

            При использовании другого газа, который может улавливаться фильтром, во входное отверстие фильтра может поступать тот воздух, который находится вокруг СИЗОД при проверке. В этом случае также должен проверяться (проскок через фильтр).

            Clayton et al. [12] вычислял КЗ респиратора у людей, которые имитировали выполнение работы по обезвреживанию асбеста. Они использовали метод, схожий с методом, который использовался в этом исследовании. Но в их исследовании испытатели находились в камере, содержащей не СО₂, а гексафторид серы SF₆ при небольшой концентрации. Они также непрерывно измеряли концентрацию газа под маской и снаружи маски, и за счёт этого могли вычислить КЗ при его изменении при вдохе-выдохе. При проведении настоящего исследования нас больше интересовало то, сколько фактически будет вдыхаться загрязнённого воздуха (СО₂), и мы измеряли концентрацию СО₂ в воздухе, “выдыхаемом” дыхательной машиной. Очевидно, что при носке респиратора испытателями применять СО₂ как контрольный газ нельзя. Для этого больше подходят SF₆ и CH₄. Но при измерении концентрации загрязнений в выдыхаемом воздухе вместо измерения концентрации под маской можно более правильно определить коэффициент защиты рабочего, по сравнению с КЗ респиратора (который является реальными показателем защиты рабочего) – если выдыхаемый газ не адсорбируется лёгкими.

            Средняя концентрация контрольного газа в выдохнутом воздухе может не равняться средней подмасочной концентрации. Средняя концентрация загрязнений в выдохнутом воздухе отражает реальную концентрацию во вдыхаемом воздухе. Это значит, что (концентрация загрязнений) в тех местах, где воздух медленно движется (ко рту) – или не движется, оказывает меньшее влияние на концентрацию вдыхаемых загрязнений, чем их концентрация в тех местах, где воздух быстро движется (ко рту). Поэтому измерение концентрации загрязнений в выдыхаемом воздухе даёт более правильное представление о воздействии на сотрудника.

            Опубликована информация о взаимосвязи размеров лиц и изолирующими свойствами масок [13]. Одна из причин появления такой взаимосвязи – то, что несоответствие лица и маски приводит к образованию зазоров и просачиванию большого объёма загрязненного воздуха. Но результаты этого исследования показали и другую возможную причину – влияние характера движения загрязнённого воздуха (под маской). Отличие формы лиц может влиять на характер движения воздуха (у разных людей). В зависимости от положения (зонда измерительного устройства), который использовался в их исследованиях [13-15], прибор мог регистрировать большие или меньшие концентрации загрязнений, просочившихся под маску. Хотя в части из этих исследований изучались эластомерные и фильтрующие полумаски [13-17], но нет причин подозревать, что обнаруженные при изучении респираторов с ППВ и неплотно прилегающей лицевой частью, и фильтрующих респираторов с плотно прилегающей лицевой частью особенности движения воздуха под маской отсутствуют у других типов респираторов. Форма лица, особенно – выпячивание носа, может сильно повлиять на движение ко рту просочившегося воздуха.

            Вычисление “чистой недостачи” воздуха как интеграла разницы между потреблением воздуха (вдыханием) и подачей воздуха вентилятором зависит от предположения, что весь воздух, подаваемый вентилятором, попадает под маску. Аналогично, сделанное ранее заявление о том, что подача воздуха вентилятором может не превышать объём мёртвого подмасочного пространства, поделенный на время выдоха, зависит от того, что воздух не уходит из-под маски раньше чем он не очистит подмасочное пространство. Похоже, что часть подаваемого вентилятором воздуха покидает маску сразу – через зазоры, или через клапан выдоха. Это приводит к напрасному расходованию воздуха. Но для проведения таких измерений может использоваться тот же способ, что и в этом исследовании.

 

            Если загрязнённый воздух может просочиться под маску и попасть во вдыхаемый воздух, то  подаваемый вентилятором воздух может сразу вытекать из маски – не очищая защитное мёртвое пространство, и не замещая загрязнённый воздух чистым.

            Можно заметить, что у вентилятора Racal AirMate очень низкая эффективность. Это показывает, что большая часть воздуха, подаваемого вентилятором, не попадает во вдыхаемый воздух. Это согласуется со сведениями о коэффициенте защиты (этого респиратора), которые были получены в этом и в других исследованиях, проводившихся ранее [18].

            У 3М Breath Easy – респиратора с ППВ и плотно прилегающей лицевой частью, эффективность вентилятора около 1. Это показывает, что почти весь воздух, подаваемый вентилятором, попадает в органы дыхания. Это можно сказать и о SE 400 (при выключенном вентиляторе), и о фильтрующем респираторе FRM 40 APR – почти весь воздух, прошедший через вентилятор (фильтр) попадает в органы дыхания.

            При включении вентилятора SE 400 под маской, по крайней мере, почти всё время поддерживается постоянное избыточное давление, и часть воздуха, подаваемого вентилятором, вытекает наружу (возможно – через клапан выдоха).  У этого СИЗОД эффективность вентилятора ~90%. 10% воздуха, подаваемого вентилятором, впустую уходит в атмосферу.

            У Centurion MAX и 3М Hood эффективность вентилятора превышает 1.  В обоих случаях было видно, что имелось достаточно большое защитное пространство так, что тот воздух, который подавался вентилятором при вдохе (и попадал в это пространство) затем попадал во вдыхаемый воздух. В обоих случаях, работа вентилятора (и СИЗОД) подтвердила нашу рекомендацию относительно того, что не требуется, чтобы вентилятор подавал (под маску при вдохе) весь вдыхаемый воздух, но нужно, чтобы (защитное мёртвое пространство) очищалось за время выдоха. Таким образом, вентилятор может вносить вклад во вдыхаемый воздух, подавая воздух во время выдоха – хотя данные из таблицы 1 показывают, что не все загрязнения удаляются.

            В настоящее время анализ эффективности вентилятора достаточно приблизителен. Движение воздуха под маску носит сложный характер, который зависит от просачивания под маску и вытекания наружу. В мёртвом пространстве под маской скапливается воздух из всех источников. Дыхание – периодично и непостоянно. Скорее всего, характер движения воздуха под маской при вдохе и при выдохе будет отличаться, и он может изменяться и во время вдоха и во время выдоха. При выполнении подвижной работы маска респиратора может сместиться на лице, или у капюшона может значительно измениться объём воздуха, ограниченного лицевой частью. При очень большом потреблении воздуха сама маска может деформироваться, что изменит границы области, в которой движется воздух. Насколько мы знаем, в этом случае определение динамики потоков под маской – невозможно.

---

Полезная информация: