Вредные вещества на рабочем месте и методы их фильтрации
Вредные вещества, находящиеся в воздухе в виде аэрозолей, могут состоять из твердых частичек или жидких капелек, распределенных в воздухе. Такие вещества могут вызывать краткосрочные или долгосрочные проблемы со здоровьем, повреждая легкие или проникая в кровеносную систему. Аэрозольные частички размером более 100 микрон в диаметре обычно быстро оседают под действием силы тяжести и не представляют опасности. Однако более мелкие частички могут находиться в воздухе достаточно долго, чтобы проникнуть с воздухом в респираторный тракт. Чем меньше размер частичек, тем дольше они находятся в воздухе и тем больше вероятности их проникновения в органы дыхания. Частички диаметром менее 10 микрон называются «вдыхаемыми», они способны достигать зоны газообмена в легких человека. Аэрозоли могут быть в виде пыли, туманов или дымов.
Пыли
Аэрозольная пыль образуется в процессе разрушения твердых материалов (например, во время размалывания или шлифовки твердых минералов), при рассеивании в воздухе мелкого порошка (работа с цементом, мукой и подобными материалами) или от ранее осевшей пыли.
Некоторые пыли могут принимать аэрозольный характер в виде волокон, например, стекловолокно или другие синтетические волокна. Длина волокон, по крайней мере, в три раза больше их ширины и такая форма обуславливает специфику их осаждения в респираторном тракте.
Туманы
Туманы – это крошечные капельки, формируемые в процессе перехода жидкости в дисперсное состояние, например, во время разбрызгивания или распыления. Масляные туманы часто образуются в процессах резки и шлифовки, кислотные туманы присутствуют при нанесении гальванических покрытий, туманы красок образуются при окрашивании распылением.
Одна из разновидностей пыли и туманов - это микробиологическая аэрозоль. Такие виды аэрозолей образуются при проведении работ по хранению и переработке зерновых культур, в текстильной и хлебопекарной промышленностях, пивоварении и т.п. Микробиологические аэрозоли могут образовываться в процессах переработки и утилизации промышленных и бытовых отходов. В больницах и поликлиниках вирусы и бактерии могут присутствовать в воздухе помещений.
Дымы
Дымы образуются в процессах испарения материалов под действием высоких температур. Пары быстро охлаждаются и конденсируются, превращаясь в очень мелкие частички диаметром менее 1 микрона, которые свободно распространяются в воздухе. В большинстве случаев горячие частички реагируют с воздухом и формируют оксиды. Сварочные работы и другие процессы, генерирующие пары расплавленных металлов, могут быть источниками дымов. В некоторых случаях различные виды аэрозолей могут образовываться при проведении одной производственной операции. Например, сварка может генерировать металлическую пыль и дым одновременно.
Противоаэрозольные фильтры
Как уже упоминалось, частицы диаметром менее 10 микрон считаются вдыхаемыми и этим определяется диапазон эффективной защиты, которую должен обеспечить фильтрующий элемент.
Когда мы думаем о фильтре, обычно, мы представляем сеть, отверстия которой должны быть меньше фильтруемых частичек. Фильтр с подобной структурой (примером могут служить тканые материалы) называется абсолютным, главный принцип его работы основывается на просеивании аэрозольных частичек. Такие фильтрующие элементы имеют высокое сопротивление воздушному потоку и быстро забиваются, поэтому их использование в респираторах не практично.
В мировой практике, большей частью, для изготовления респираторов применяются неабсолютные фильтры. Поры таких фильтров в несколько раз больше фильтруемых частиц и большую часть объема материала фильтра занимает воздух. Материал состоит из множества крошечных волокон. Молекулярные силы достаточно сильны, чтобы удержать частичку, ударившуюся о волокно – принимая во внимание маленькие размеры аэрозольных частичек, практически любая преграда на ее пути, является «липкой».
Современные технологии позволяют создавать фильтрующие материалы, эффективность которых сравнима с абсолютными фильтрами, при очень низком показателе сопротивления воздушному потоку.
Механизмы фильтрации
Основные механизмы фильтрации учитывают поведение аэрозольных частичек в воздушных потоках. Чтобы несколько упростить процесс понимания различных фильтрующих механизмов, представьте себе волокно, расположенное перпендикулярно к движущимся воздушным потокам, как это показано на нижеследующих рисунках. Можно использовать следующую аналогию: воздушные потоки – это полосы скоростной трассы, а перпендикулярно полосам находится препятствие, которое выходит за пределы своей полосы.
Метод перехвата – единственный механизм, при котором частички не отклоняются от, несущих их воздушных потоков. По мере того, как воздушные потоки приближаются к волокну, происходит их разделение и компрессия с последующим восстановлением после прохождения волокна. Если частичка, движущаяся по таким воздушным потокам, приближается к поверхности волокна на расстояние ее радиуса, частичка поймана. Чем больше размер частички, тем больше вероятность ее задержания. Используя автомобильную тематику, можно это описать следующим образом: грузовик, везущий негабаритный груз, пытается поменять полосу, но его широкий груз цепляет препятствие.
При резком изменении воздушного потока, частичка с достаточной величиной инертности перестает следовать за воздушным потоком и ударяется в волокно. Инертность аэрозольной частички зависит от ее размера, плотности, конфигурации и скорости движения. Тяжело груженый грузовик мчится к препятствию с очень большой скоростью. Сила инерции заставит грузовик удариться о препятствие. В то же время легковые автомобили без труда обходят препятствие.
Метод рассеивания работает при фильтрации маленьких и легких частичек. Маленькие частички находятся в постоянном движении и могут хаотично менять воздушные потоки. По мере приближения к волокну возрастает активность рассеивания и возрастает вероятность прикосновения к волокну. Аналогия из практики автомобильного транспорта: пьяный водитель движется в одном направлении, но периодически переходит с одной полосы на другую. Его шансы встретиться с препятствием сильно возрастают.
Механические фильтры
Описанные выше механизмы присущи всем противоаэрозольным фильтрам, а фильтрующие материалы, работающие только на этих принципах, называются «механическими». Эффективность работы такого фильтра зависит от количества имеющихся волокон для улавливания аэрозольных частичек из проходящего воздуха. К сожалению, чем больше волокон в материале, тем труднее воздушному потоку пройти через них. Таким образом, высокоэффективные механические фильтры имеют высокое сопротивление воздушному потоку («сопротивление дыханию»).