Ochrona układu oddechowego - czas działania ochronnego pochłaniaczy par i gazów organicznych

Wielu procesom technologicznym towarzyszy emisja par i gazów różnorodnych substancji organicznych. Ze względu na swoje właściwości toksyczne większość z nich stwarza poważne zagrożenie dla zdrowia i życia pracowników.

Gazy i pary substancji organicznych w warunkach przemysłowych wchłaniane są przez układ oddechowy. Należy więc zapewnić pracownikom odpowiednie środki uniemożliwiające oddziaływanie szkodliwych substancji na ich zdrowie. Przede wszystkim należy podejmować działania sprowadzające się do rozwiązań technologicznych i organizacyjnych, polegające na eliminacji lub ograniczeniu emisji czynników szkodliwych, izolacji stref niebezpiecznych, stosowaniu ochron zbiorowych oraz działań w sferze organizacji pracy. Praktyka przemy słowa wskazuje jednak, iż wymienione rozwiązania są w wielu przypadkach niemożliwe do realizacji bądź niewystarczające. Jedynym rozwiązaniem pozostaje wtedy stosowanie indywidualnych środków ochrony układu oddechowego w postaci pochłaniaczy par i gazów organicznych (typ A) kompletowanych z odpowiednim rodzajem części twarzowej.



Pochłaniacze par i gazów organicznych stanowią wymienną część sprzętu ochrony układu oddechowego, a swoje właściwości ochronne zawdzięczają dynamicznej aktywności złoża sorpcyjnego, które stanowi węgiel aktywny. Oczyszczanie powietrza z zawartych w nim toksycznych par i gazów organicznych przez pochłaniacz, przebiega z wykorzystaniem zjawiska adsorpcji fizycznej, zachodzącej dzięki oddziaływaniu sił dyspersyjnych między cząsteczkami adsorbatu a powierzchnią węgla aktywnego [1]. Tak więc, adsorpcja jest procesem zachodzącym na granicy faz: ciało stałe (adsorbent) - gaz (adsorbat) i z tego względu jej charakter i przebieg są uwarunkowane własnościami każdego z elementów tego układu.

Podstawowym problemem w praktyce bezpiecznego stosowania pochłaniaczy węglowych jest określenie faktycznego czasu ich ochronnego działania w rzeczywistych warunkach użytkowania. Badania laboratoryjne [2] funkcjonowania pochłaniaczy sprowadzają się do określenia jedynie minimalnych parametrów ochronnych danej klasy pochłaniacza dla zadanych warunków modelowych. Badania te są prowadzone w warunkach ciągłego przepływu powietrza przez pochłaniacz 30 ± 0,5 l/min, w temperaturze 20 ± 1°C i wilgotności względnej 70 ± l %, z wykorzystaniem zdefiniowanej substancji o określonych stężeniach. Ten sposób wyznaczenia parametrów ochronnych pochłaniaczy par i gazów organicznych, tj. czasu przebicia i pojemności sorpcyjnej, nie pozwala jednoznacznie oszacować, jaki jest bezpieczny czas użytkowania pochłaniaczy w warunkach przemysłowych.

Zmienne parametry środowiska pracy, takie jak: temperatura otoczenia i wilgotność względna, a także różnorodne rodzaje występujących substancji organicznych o stale zmieniających się stężeniach w powietrzu oraz tworzących złożone mieszaniny wpływają na zachowanie się złoża sorpcyjnego. Jeśli dodatkowo uwzględnimy stopień uciążliwości wykonywanych prac przez użytkownika sprzętu pochłaniającego, związany z wentylacją minutową płuc, to uzmysłowimy sobie, jak duża liczba czynników środowiska pracy ma wpływ na czas ochronnego działania pochłaniacza węglowego.

Wpływ stężenia pary i gazu w otaczającym powietrzu

W celu ustalenia wpływu tego czynnika należy przeprowadzić odpowiednie eksperymenty, polegające na badaniu czasu przebicia pochłaniacza dla różnych stężeń substancji testującej. Generalnie wykazano, że wraz ze wzrostem stężenia pary lub gazu w mieszaninie z powietrzem, czas ochronnego działania pochłaniacza ulega skróceniu. Warto wspomnieć, iż w obrębie wszystkich typów pochłaniaczy, zarówno tych chroniących przed parami i gazami organicznymi (typ A), jak i chroniących przed parami i gazami pochodzenia nieorganicznego (typ B), dwutlenkiem siarki i innymi kwaśnymi parami i gazami (typ E) oraz amoniakiem i jego organicznymi pochodnymi (typ K) wyodrębniono trzy klasy pochłaniaczy.

Kryterium podziału stanowi pojemność sorpcyjna: klasę pierwszą stanowią pochłaniacze o małej pojemności sorpcyjnej, do klasy drugiej należą pochłaniacze o średniej pojemności i do trzeciej - o dużej pojemności sorpcyjnej. Uwzględniając taki podział przyjmuje się, że pochłaniacze klasy l. należy stosować wówczas, gdy stężenie pary lub gazu w powietrzu nie przekracza 0,1% objętościowo, pochłaniacze klasy 2. - 0,5% i pochłaniacze klasy 3. - 1%. Przekroczenie stężenia 1% wymusza stosowanie odpowiedniego sprzętu izolującego.

W praktyce przemysłowej często nie prowadzi się ciągłego monitoringu stężeń na stanowiskach pracy. Zagadnienie to jest bardzo istotne, gdyż stężenia substancji szkodliwych w ciągu dnia pracy ulegają znacznym wahaniom i mogą występować sytuacje, w których poziom stężenia danej substancji przekroczy stężenie, do którego dobrany został sprzęt pochłaniający, używany przez personel.

Rodzaj par i gazów organicznych

Z praktycznego punktu widzenia przedmiotowe pochłaniacze powinny chronić układ oddechowy użytkowników przed parami i gazami pochodzącymi od wszelkiego rodzaju substancji organicznych. Przyjmując taką tezę, przeprowadzono badania polegające na wyznaczeniu czasu przebicia złoża sorpcyjnego pochłaniacza nasycanego parami i gazami alkoholi, octanów, alkanów, związków aromatycznych, ketonów i ich pochodnych. Przeczą zrozumiałą jest, iż do badań użyto tylko wytypowaną, niewielką liczbę przedstawicieli danej grupy związków, gdyż przebadanie wszystkich istniejących związków organicznych jest niemożliwe: po pierwsze z powodu ogromnej ich liczby, a po drugie - trudności technicznych. Stwierdzono, że czas przebicia pochłaniacza dla danej pary lub gazu jest uzależniony głównie od temperatury wrzenia substancji organicznej [3]. Tak więc, substancje organiczne o niższych temperaturach wrzenia przebijają złoże sorpcyjne pochłaniacza szybciej niż te o temperaturach wyższych. Na tej podstawie ustalono, że dla związków organicznych o temperaturze wrzenia poniżej 65°C, do ochrony układu oddechowego przeznaczone będą specjalne pochłaniacze oznaczone symbolem AX.

Posłużmy się porównaniem czasów przebicia dla wybranych piętnastu substancji organicznych o różnych temperaturach wrzenia (tabela) [4]. Należy wspomnieć, iż badania omawianych substancji prowadzone były w ustalonych stałych warunkach temperaturowych, wilgotnościowych, przy jednakowym stężeniu każdej substancji i przy takim samym objętościowym natężeniu przepływu przez złoże sorpcyjne.

PORÓWNANIE CZASÓW PRZEBICIA ZŁOŻA SORPCYJNEGO POCHŁANIACZA DLA SUBSTANCJI ORGANICZNYCH O RÓŻNYCH TEMPERATURACH WRZENIA

Nazwa substancji organicznej	Temperatura wrzenia, °C	Czas przebicia, min
Cykloheksanon m-Ksylen Toluen Propanol Octan izopropylu Cykloheksan Benzen Butanon Etanol Octan etylu Octan winylu n-Heksan Metanol Octan metylu Aceton	155,6 144,4 110,6 97,2 88,6 80,7 80,1 79,5 78,3 77,6 72,8 68,7 64,5 57,1 56,1	126 98,7 94,3 85,5 64,5 68,7 73,3 81,9 28,0 66,8 55,0 52,3 0,21 32,8 37,1

Na podstawie analizy uzyskanych wyników zauważamy, że najniższe czasy przebicia osiągnęły substancje najbardziej lotne w swojej grupie. Warto również zwrócić uwagę na specyficzne zachowanie się przedstawicieli o zbliżonych temperaturach wrzenia poszczególnych grup substancji organicznych. Rozważmy przypadek metanolu, który podczas doświadczeń przebił złoże sorpcyjne po niecałej minucie. Jego temperatura wrzenia wynosi 64,7°C i jest relatywnie wyższa od temperatur wrzenia innych badanych substancji organicznych, przebijających złoże znacznie wolniej (aceton, octan metylu). Przykład ten świadczy o tym, iż oprócz własności fizycznych substancji organicznych, proces ich pochłaniania jest uzależniony od budowy cząsteczki tych substancji. Zatem, nie można jednoznacznie stwierdzić, czy dana grupa substancji o podobnych własnościach fizycznych przebije pochłaniacz po zbliżonym upływie czasu.

Dodatkowym problemem dla użytkowników sprzętu pochłaniającego jest występowanie na stanowiskach pracy par i gazów substancji organicznych w postaci mieszanin. Wykazano [5], że w przypadku mieszaniny dwuskładnikowej, np. acetono-styren, układu substancji organicznych o znacznie różniących się własnościach fizycznych, szybciej przez złoże węgla aktywnego przechodzi składnik bardziej lotny. Stwierdzono, iż mieszaniny substancji organicznych ulegają rozdzieleniu w masie sorpcyjnej pochłaniacza, przy czym wcześniej zaadsorbowane substancje bardziej lotne są wypierane z porów węgla aktywnego przez mniej lotne, w następstwie czego pojawiają się za pochłaniaczem szybciej, niż miałoby to miejsce, gdyby były pochłaniane pojedynczo. Zjawisko to przyczynia się do znacznego skrócenia czasu ochronnego działania pochłaniacza. W przypadku mieszanin bardziej złożonych, trzy-, cztero- i więcej składnikowych (aceton/cykloheksan/toluen, octan etylu/cykloheksan/toluen, aceton/cykloheksan/toluen/m-ksylen) [6], zaobserwowano podobne zjawiska. Za złożem sorpcyjnym pojawiały się najpierw substancje o niższych temperaturach wrzenia, a następnie te o temperaturach wyższych.

Występowanie złożonych mieszanin par i gazów substancji organicznych, których poszczególne składniki różnią się znacznie wartością temperatury wrzenia, utrudnia dobór sprzętu pochłaniającego.

Wpływ wilgotności względnej i temperatury otoczenia

Określenie wpływu wilgotności względnej i temperatury otoczenia na przebieg procesu adsorpcji par i gazów substancji organicznych ma duże znaczenie praktyczne dla użytkowników sprzętu pochłaniającego, gdyż umożliwia - w pewnym stopniu - oszacowanie czasu ochronnego działania pochłaniacza w konkretnych warunkach klimatycznych. Przeprowadzone prace badawcze [7,8] umożliwiły wykazanie zależności między zawartością pary wodnej w powietrzu i temperaturą otoczenia a zachowaniem się złoża węgla aktywnego. Ustalono, że wilgotność względna dopiero powyżej 65% znacząco skraca czas efektywnego działania ochronnego pochłaniacza. Poniżej tej wartości wpływ tego czynnika jest niewielki. Rozpatrując wpływ temperatury otoczenia stwierdzono, że jej wzrost przyspiesza moment przebicia złoża sorpcyjnego. Ustalono zależność, z której wynika, że wzrost temperatury o 10°C powoduje skrócenie działania ochronnego pochłaniacza o 1 -10%.

Wpływ stopnia uciążliwości wykonywanych prac

Szacując czas ochronnego działania pochłaniacza par i gazów organicznych należy również uwzględnić wpływ dodatkowego czynnika, jakim jest stopień uciążliwości pracy. Czynnik ten stanowi powiązanie fizjologii oddychania użytkownika sprzętu pochłaniającego z wykonywanymi przez niego czynnościami zawodowymi. Jako wskaźnik stopnia uciążliwości wykonywanych prac przyjmuje się minutową wentylację płuc, bezpośrednio związaną z częstotliwością wykonywanego wdechu i wydechu przez pracownika, która jest efektem konkretnego wysiłku fizycznego. Intensywność cyklu oddychania determinuje warunki przepływu mieszaniny pary bądź gazu z powietrzem przez pochłaniacz, w tym: objętościowe natężenie przepływu i prędkość liniową przepływu, których wzrost ujemnie wpływa na czas działania pochłaniacza.

Ze względu na różnice wynikające m.in. z budowy ciała, kondycji fizycznej i zdrowotnej, nie można jednoznacznie przyjąć, że wykonanie określonej pracy, wymagać będzie od każdego z pracowników takiego samego wysiłku fizycznego i związanej z tym intensywności oddychania. Z tego też względu, określając zależność między czasem ochronnego działania pochłaniacza a stopniem uciążliwości wykonywanych prac, należy pamiętać o uwzględnieniu czynnika ludzkiego





Foto - INRS, FRANCJA

Ustalenie czasu bezpiecznego stosowania pochłaniaczy par i gazów organicznych

Najistotniejszym zagadnieniem dla użytkowników sprzętu pochłaniającego jest określenie czasu, w jakim można stosować pochłaniacz bez narażenia na niebezpieczeństwo wdychania zagrażających życiu par i gazów. Mając na uwadze wpływ omówionych w niniejszym artykule czynników na funkcjonowanie złoża sorpcyjnego, nie jest możliwe podanie dokładnego czasu ochronnego działania pochłaniacza dla dowolnych warunków jego użytkowania. Nie istnieje również ogólna formuła umożliwiająca jednoznaczne ustalenie takiego czasu.

Efektem określenia zależności między czasem ochronnego działania pochłaniaczy par i gazów organicznych a czynnikami związanymi z własnościami fizycznymi adsorbatów oraz zmiennymi warunkami stosowania tych pochłaniaczy jest wyprowadzenie równań empirycznych, umożliwiających obliczenie przewidywanego czasu ochronnego działania pochłaniacza w konkretnych warunkach. [3] Posługiwanie się takimi równaniami, ze względu na liczbę zmiennych, nie będzie praktycznym narzędziem pracy dla osób odpowiedzialnych w zakładzie za dobór sprzętu pochłaniającego. Służyć może bardziej rozważaniom teoretycznym prowadzącym do zastosowań modelowych. W tej sytuacji wydaje się, iż logicznym rozwiązaniem byłoby prowadzenie badań, zmierzających do oszacowania czasu ochronnego działania pochłaniacza na konkretnych stanowiskach pracy. Stwarza to jednak konieczność posiadania odpowiedniej aparatury pomiarowej, co dla większości zakładów przemysłowych - z różnych względów - nie jest możliwe [9].

W praktyce najczęściej stosuje się zasadę, w myśl której pochłaniacze można używać do momentu, aż pod częścią twarzową zaczyna być wyczuwalny zapach substancji szkodliwej. Należy jednak podkreślić, iż metoda ta oparta jest wyłącznie na subiektywnych odczuciach użytkowników sprzętu pochłaniającego. Ponadto, na podstawie wyników przeprowadzonych badań [10] należy zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo wynikające z takiego sposobu postępowania. Wykazano bowiem, że istnieją groźne substancje organiczne nie posiadające charakterystycznego zapachu, a także jest wiele substancji, których „stężenie zapachu” wyczuwalne przez człowieka przekracza wartość progową normatywów higienicznych (NDS). Lepiej więc wymieniać pochłaniacz nieco wcześniej niż zbyt późno. Jednak takie postępowanie prowadzić może do marnotrawienia sorbentów węglowych, których pojemność sorpcyjna została wykorzystana w niewielkim stopniu - a więc są to niepotrzebne wydatki.

Istnieje zatem realna potrzeba opracowania sposobu umożliwiającego wskazywanie stopnia zużycia masy sorpcyjnej pochłaniacza lub momentu jego przebicia. Rozwiązanie tego typu, na pewno byłoby najlepsze z punktu widzenia użytkowników.

Odpowiedni wskaźnik musiałby spełniać określone wymagania. Przede wszystkim powinien sprawnie pracować w dowolnych warunkach użytkowania sprzętu pochłaniającego. Idealny wskaźnik reagowałby w dostatecznie krótkim czasie na niskie stężenia substancji niebezpiecznych (co najmniej na poziomie NDS) oraz nie byłby czuły na zmiany temperatury i wilgotności. Dodatkowo, uwzględniając konstrukcje produkowanych w świecie pochłaniaczy, wskaźnik taki powinien być dostatecznie mały, lekki i wytrzymały, a jego wskazania muszą być widoczne i czytelne dla użytkownika.

Prowadzone przez Politechnikę Łódzką i Centralny Instytut Ochrony Pracy badania [11], dotyczące sygnalizacji stopnia zużycia pochłaniacza, zakładały wykorzystanie do tego celu ciekłych kryształów cholesterolowych, które dzięki swym właściwościom związanym ze zmianą barwy jako reakcji napary substancji organicznych, mogłyby stanowić wskaźnik wyczerpania masy sorpcyjnej. Uzyskane wyniki pozwoliły uznać, że możliwe jest wykorzystanie wskaźnika ciekłokrystalicznego, lecz wskazały również na konieczność prowadzenia dalszych prac w tym kierunku. Do tej pory metody nie udało się opracować do końca.

Badania prowadzone w innych ośrodkach naukowych w świecie [12,13,14,15] uwzględniały zastosowanie wskaźników kolorymetrycznych, półprzewodników z obwodem elektronicznym, czujnika chemirezysterowego niskiej mocy, a także termoelementu. Pierwsze dwa rozwiązania zakładały umieszczenie wskaźników w specjalnym łączniku umieszczanym bezpośrednio między pochłaniaczem a częścią twarzową, informowałyby więc o momencie przebicia pochłaniacza. Trzecie i czwarte rozwiązanie polegało na umieszczeniu czujnika w warstwie sorbentu, co pozwoliłoby na wskazywanie stopnia jego zużycia. Wykazano możliwość wykorzystania tych metod, jednak dotychczas brak jest jakichkolwiek sygnałów o ich wdrożeniu.

Stosowanie pochłaniaczy do ochrony układu oddechowego związane jest z rozwiązaniem kwestii ich prawidłowego doboru do konkretnego zagrożenia oraz odpowiedzią na pytanie: jak długo można bezpiecznie je użytkować? Nie należy sądzić, że pochłaniacze nie są w stanie zapewnić ochrony układu oddechowego użytkowników na odpowiednim poziomie, a ich stosowanie może stwarzać zagrożenie zdrowia. Powszechne użytkowanie na wielu stanowiskach pracy pochłaniaczy, które doskonale spełniają swoją funkcję i w niektórych przypadkach stanowią jedyną skuteczną ochronę układu oddechowego pracowników, zaprzecza takim wnioskom. Jednak brak pewnego sposobu umożliwiającego określenie momentu wymiany pochłaniacza potwierdza potrzebę kontynuacji prac zmierzających do opracowania uniwersalnej metody informującej o stopniu zużycia masy sorpcyjnej pochłaniaczy węglowych, o znaczeniu praktycznym dla użytkowników i personelu odpowiedzialnego za bezpieczeństwo pracy.

PIŚMIENNICTWO

[1] Young D.M., Crowell A.D.: Fizyczna adsorpcja gazów. PWN, Warszawa 1968

[2] PN-EN 141:1995 - Sprzęt ochrony układu oddechowego. Pochłaniacze i filtropochłaniacze. Wymagania, badanie, znakowanie

[3] Nelson G.O., Correia A.N.: Respirator cartridge efficiency studies: VIII Summary and Conclusions. Am. Ind. Hyg. Assoc. J 37:514-525,1976

[4] Young H. Y., Nelson J.H.: Effects of Humidity and Contaminant Concentration on Respirator Cartridge Breakthrough. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 51 (4):202-209, 1990

[5] Brown R.C.: Review: Activated Carbon Filters in Respiratory Protective Equipment, International Journal of Occupational Safery and Ergonomics. vol.l, No 4: 330-373, 1995

[6] Young H.Y., Nelson J.H.: Breakthrough Time and Adsorption Capacity of Respirator Cartridges. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 53(5):303-316,1992

[7] Young H.Y., Nelson J.H., Lara J., Kamei Ch., Fregeau D.: A Theoretical Model for Respirator Cartridge Service Life for Binary Systems: Application to Acetone/Styrene Mixtures. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 53(8):493-502, 1992

[8] Young H.Y., Nelson J.H., Lara J.: Respirator Cartridge Service-Life: Exposure to Mixtures. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 57:809-819, 1996

[9] Dędek K., Kotala H., Zakrzewski S.: Czas skutecznego funkcjonowania filtrów i pochłaniaczy. Prace naukowe GIG Nr 23:329-339, Katowice 1998

[10] Reist P.C, Rex F.: Odor Detection and Respirator Cartridge Replacement. Am. Ind. Hyg. Assoc. J 38(10):563-566, 1977

[11] Grossman B., Lipiński A., Panasewicz W.: Wstępne badania nad zastosowaniem ciekłych kryształów w przeciwgazowym sprzęcie ochrony dróg oddechowych. Materiały z seminarium: Teoretyczne i praktyczne zagadnienia dotyczące sprzętu ochrony dróg oddechowych, Materiały do studiów i badań. Centralny Instytut Ochrony Pracy, nr 61, Warszawa 1981

[12] Moyer E.S., Findlay M.W., Maclay G.J., Stetter J.R.: Preliminary Evaluation of Active End-of-Service-Life Indicator for Organie Vapor Cartridge Respirators. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 54(8):417-425 (1993)

[13] Tanaka S., Utunomiya T., Abe M.: Estimation ofthe Service Life of a Respirator Cartridge by Means of a Passive Colores Tube. Journal of the International Society for Respiratory Protection. vol. 12, Issue 2, 1994

[14] Yih-Shiaw H., Yueh-Wen Ch., Yea-Lin B.: Design of a Prototype Active-End-of-Service-Life Indicator for an Air Purifying Respirator. Journal ofthe International Society for Respiratory Protection. vol. 13, Issue 3, 1995

[15] Lungu C.: Temperaturę Profile of a Respirator Certridge for Organic Vapours During Adsorption. Materiały Konferencji w Pittsburgu, 1999