Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2019
Langue
Français
Résumé
L’exposition des travailleurs aux contaminants aéroportés doit être maîtrisée et maintenue en deçà des valeurs limites réglementaires. Lorsque l’ensemble des mesures administratives, d’ingénierie et de protection collective ne permet pas d’atteindre des niveaux d’exposition sans danger pour leur santé, les travailleurs concernés doivent être équipés d’appareils de protection respiratoire (APR). En l’absence de situations de danger immédiat pour la vie et la santé (DIVS), des APR à épuration d’air sont utilisés. Dans le cas des contaminants gazeux, ou des vapeurs, ces APR sont munis de cartouches remplies d’adsorbants. Se pose alors la question du temps de service de ces cartouches. Pour les vapeurs organiques, des modèles prédictifs des temps de claquage sont utilisés, à l’image de Saturisk. Pour la famille des gaz acides, comprenant notamment le chlorure d’hydrogène (HCl), le fluorure d’hydrogène (HF), l’hydrogène sulfuré (H2S), le chlore (Cl2), le dioxyde de chlore (ClO2) ou le dioxyde de soufre (SO2), les connaissances sont si limitées qu’il n’existe pas encore, à la connaissance des auteurs, de tels outils.
Ainsi, l’objectif de ce projet était de déterminer les performances de cartouches de protection respiratoire contre les gaz acides et les effets de variables environnementales sur le temps de service. Le dioxyde de soufre a été choisi comme gaz témoin.
La littérature disponible traitant de l’épuration du SO2 dans l’air suggère un mécanisme de chimisorption quand du charbon actif ou des fibres de carbone activé sont utilisés. Le SO2, en présence d’oxygène et d’eau, serait oxydé en acide sulfurique (H2SO4) au sein même de l’adsorbant.
Afin de mener les expérimentations, une sélection de cartouches a d’abord été effectuée. L’examen des cartouches approuvées pour la protection contre les gaz acides à partir de la Certified Equipment List du National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) a permis de constituer un échantillon de 10 cartouches protégeant uniquement contre les gaz acides. Les essais de claquage réalisés avec ces cartouches en conditions de certification ont mis en évidence des courbes aux allures variées et des temps de claquage dispersés.
Une caractérisation des imprégnants métalliques des charbons, censés catalyser l’oxydation du SO2, a permis de regrouper de manière préliminaire les cartouches en 3 familles, sur la base de leur profil d’imprégnation. Une famille s’est distinguée avec de fortes teneurs en cuivre et en zinc, alors qu’une autre ne présentait quasiment aucun des métaux recherchés. Bien que préliminaire, cette caractérisation a mis de l’avant des stratégies différentes de piégeage du SO2, selon les manufacturiers.
Avec trois cartouches choisies pour leur profil d’imprégnation et leur temps de claquage différents, l’effet de la concentration a été mesuré. Globalement, les cartouches contre les gaz acides semblent, dans nos conditions d’essais, beaucoup plus sensibles au changement de concentration de contaminants que les cartouches contre les vapeurs organiques. Même si, pour les vapeurs organiques, il est admis qu’une baisse de la concentration d’un facteur 10 entraine une augmentation du temps de service d’un facteur 5, une baisse de la concentration en SO2 d’un facteur 10 entrainerait une augmentation du temps de service d’un facteur d’environ 15.
L’effet de l’humidité relative (HR) sur le piégeage du SO2 est majeur. Elle favorise grandement la rétention du SO2, car elle intervient dans la réaction de chimisorption. À faible humidité relative, les profils des courbes de claquage des cartouches, sans ou à faible imprégnation métallique mesurée, sont atypiques et présentent des paliers d’adsorption hors de l’état de saturation. En se basant sur des phénomènes similaires observés avec des lits d’adsorbants divers, une hypothèse propre aux cartouches de l’étude a été proposée pour expliquer ce phénomène. Les expérimentations à différents débits d’air confirment que la cinétique de chimisorption du SO2 peut l’expliquer partiellement. Les essais d’utilisation intermittente des cartouches montrent que le stockage des cartouches contre les gaz acides n’est pas problématique, le temps de service n’est pas affecté. La chimisorption semble irréversible.
L’équation de Wheeler-Jonas, utile pour calculer des temps de service dans le cas des vapeurs organiques, n’est pas directement applicable dans le cas du SO2 ou d’autres gaz acides, du fait des courbes à paliers obtenues pour certaines cartouches. Elle permet cependant de bien décrire l’évolution du temps de claquage en fonction de la concentration. Avant de pouvoir l’utiliser en routine pour calculer des temps de service, la connaissance approfondie des réactions se produisant dans les cartouches est essentielle. Cette connaissance permettra de mieux comprendre l’évolution de la capacité réactionnelle des cartouches selon les conditions ambiantes d’utilisation. Il faudra également s’assurer que le taux d’adsorption du SO2 est calculable à partir des expressions empiriques disponibles et établies pour des vapeurs organiques, avec suffisamment de justesse.
Abstract
Worker exposure to airborne contaminants must be controlled and maintained below established regulatory limits. When the full range of administrative, engineering and collective control measures are not sufficient to achieve safe exposure levels, endangered workers must be provided with respiratory protective devices (RPDs). When there is no immediate danger to life or health (IDLH), air-purifying RPDs are used. In the case of gaseous contaminants, or vapours, these RPDs are equipped with adsorbent-filled cartridges. This raises the question of cartridge service life. For organic vapours, predictive models of breakthrough time are used, similar to that of Saturisk . For acid gases, including hydrogen chloride (HCl), hydrogen fluoride (HF), hydrogen sulfide (H2S), chlorine (Cl2), chlorine dioxide (ClO2) and sulfur dioxide (SO2), knowledge is so limited that no such tools exist at present, as far as we know.
The goal of this project was therefore to determine the performance of respiratory protection cartridges against acid gases and the effects of environmental variables on service life. Sulfur dioxide was used as a tracer gas.
The available literature on the treatment of SO2 in the air suggests a chemisorption mechanism when activated charcoal or activated carbon fibres are used. By this mechanism, in the presence of oxygen and water, the SO2 is oxidized into sulfuric acid (H2SO4) within the adsorbent.
A number of cartridges were selected to be used in the experiments. On the basis of an examination of the cartridges approved for protection against acid gases on the National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Certified Equipment List , a sample of 10 cartridges that protect solely against acid gases was drawn up. Breakthrough testing of these cartridges under certification conditions highlighted a variety of different curves and dispersed breakthrough times.
A characterization of the metal impregnants of charcoal, meant to catalyze the oxidation of SO2, served to produce a preliminary classification of the cartridges into three groups, based on their impregnation profile. One group stood out owing to high levels of copper and zinc, while another was found to have virtually none of the metals being searched for. This characterization, albeit preliminary, shed light on some of the different SO2 capture strategies used by manufacturers.
With three cartridges chosen for their different impregnation profiles and breakthrough times, the concentration effect was measured. Overall, the acid gas cartridges seem, under our testing conditions, to be far more sensitive to changes in contaminant concentrations than the organic vapour cartridges do. Although it is generally acknowledged for organic vapours that a drop in concentration by a factor of 10 leads to an increase in service life by a factor of 5, a drop in the concentration of SO2 by a factor of 10 would lead to an increase in service life by a factor of around 15.
Relative humidity has a major effect on SO2 capture. It greatly facilitates the retention of SO2, as it plays a role in the chemisorption reaction. At low relative humidity, the profiles of the cartridge breakthrough curves, with low or no measured metal impregnation, are atypical and show stepped adsorption beyond saturation. On the basis of similar phenomena observed with various adsorbent beds, a hypothesis specific to the study cartridges was proposed to explain this phenomenon. Experiments with different airflow rates confirmed that the kinetics of SO2 chemisorption may explain it in part. Tests of intermittent use of the cartridges showed that the storage of acid gas cartridges is not a problem, as it does not affect their service life. The chemisorption seems irreversible.
The Wheeler-Jonas equation, useful for calculating service life in the case of organic vapours, cannot be directly applied in the case of SO2 or other acid gases, owing to the stepped curves obtained for some cartridges. It does, however, serve to describe the change in breakthrough time as a function of concentration. Before it can be used routinely to calculate service life, however, in-depth knowledge of the reactions occurring in the cartridges is required. This knowledge will give us a better understanding of changes in the reactional capability of the cartridges, depending on the ambient conditions of use. It will also be important to ensure that the SO2 adsorption rate can be calculated with sufficient accuracy on the basis of the available, established empirical expressions for organic vapours.
ISBN
9782897970796
Mots-clés
Filtre sorbant, Sorbent filter, Gaz, Gas, Dioxyde de soufre, Sulfur dioxide, Adsorption de gaz, Gas adsorption, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Dosage dans l'air, Determination in air, Humidité, Humidity, Durée d'exposition, Length of exposure
Numéro de projet IRSST
2014-0003
Numéro de publication IRSST
R-1062
Citation recommandée
Tuduri, L., Debernardi, A., Cloutier, Y., Roberge, B. et Lara, J. (2019). Cartouches de protection respiratoire contre les gaz acides : établissement des performances en laboratoire avec le dioxyde de soufre (Rapport n° R-1062). IRSST.