Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2016
Langue
Anglais
Résumé
On trouve des particules ultrafines (PUF), soit des particules dont le diamètre (Dp) est inférieur à 100 nm, dans de nombreux milieux de travail industriels, où leur inhalation peut, à long terme, causer de graves problèmes de santé. Dans certains contextes, les mesures d’ingénierie et les contrôles administratifs sont insuffisants pour protéger adéquatement les travailleurs contre l’exposition aux PUF. Un dispositif de protection personnel est alors requis, et les appareils de protection respiratoire à pièce faciale filtrante (APR) de type N95 sont ceux qu’utilisent le plus couramment les travailleurs de l’industrie et de la santé.
Une étude antérieure sur l’efficacité des filtres N95 à capter un aérosol polydispersé dans des conditions de débit d’air constant a révélé qu’avec ces filtres, le taux de pénétration maximale était dû à des particules dont la taille était inférieure à 100 nm, et que ce taux dépassait le seuil de pénétration de 5 % lorsque le débit d’air était supérieur à 85 l/min. La présente étude porte sur l’évaluation de l’efficacité des APR de type N95 dans des conditions de débit d’air cyclique plus représentatives de la respiration humaine.
La méthodologie expérimentale précédemment utilisée pour évaluer l’efficacité des APR de type N95 dans des conditions de débit d’air constant a été adaptée à des conditions de débit d’air cyclique. Un premier objectif était d’étudier l’impact de la fréquence respiratoire et du débit d’inhalation sur l’efficacité des APR de type N95. Des essais ont ainsi été effectués pour deux débits d’inhalation de pointe (DIP), soit 135 et 360 l/min, et deux fréquences respiratoires, soit 24 et 42 respirations par minute (RPM), pour un total de quatre débits d’air cycliques. Un second objectif était de comparer l’efficacité des APR de type N95 dans des conditions de débit d’air cyclique avec les résultats obtenus dans des conditions de débit d’air constant égal au volume minute, au débit d’inhalation moyen (DIM) et au DIP du débit d’air cyclique. Le volume minute se définit comme le volume moyen d’air inhalé pendant une minute de respiration, alors que le DIM correspond au volume moyen d’air inhalé par cycle inhalatoire, et que le DIP correspond au débit maximal enregistré durant un quelconque cycle inhalatoire. Les débits d’air cycliques et constants retenus (et les DIM équivalents) allaient de 42 à 360 l/min. Enfin, l’impact du temps de colmatage sur l’efficacité des APR de type N95 a été étudié dans des conditions de débit d’air cyclique et constant sur des périodes allant jusqu’à six heures. Un débit d’air cyclique (avec un DIM équivalent de 170 l/min) et deux débits d’air constants, respectivement de 85 et 170 l/min, ont été retenus à cette fin. Dans tous les essais, les filtres ont été exposés à des particules de NaCl polydispersées dont la taille variait de 10 à 205,4 nm.
Les résultats obtenus indiquent qu’une augmentation du DIP et de la fréquence respiratoire est susceptible de rehausser le taux de pénétration des particules à travers les APR de type N95. Cela dit, l’effet du DIP s’est avéré beaucoup plus important que l’effet de la fréquence respiratoire. Il a par ailleurs été démontré que parmi trois conditions de débit d’air constant égal au volume minute, au DIM et au DIP du débit d’air cyclique, celle où le débit d’air constant était égal au DIM constituait le meilleur prédicteur du taux de pénétration initiale observé avec des APR de type N95 dans des conditions d’air cyclique.
Enfin, on a constaté que le colmatage du filtre avait un impact significatif sur la pénétration des particules à travers les APR de type N95, et que la variation du taux de pénétration, selon le temps de colmatage, dépendait grandement du degré d’humidité relative (HR). À un faible degré d’HR, le niveau de protection augmentait avec le colmatage du filtre par des particules. Le taux de pénétration des plus petites particules (généralement < 100 nm) diminuait sensiblement à la suite d’une exposition prolongée du filtre, et on observait parallèlement une nette augmentation de la taille des particules les plus pénétrantes (TPPP). À un degré élevé d’HR, par contre, la tendance était inversée, et le taux de pénétration des particules augmentait généralement avec le temps de colmatage. Cette étude a en outre révélé que, sous l’angle du temps de colmatage, un débit d’air constant (égal au DIM du débit d’air cyclique) ne permettait pas nécessairement de prédire le taux de pénétration des particules dans des conditions de débit d’air cyclique en cas d’exposition prolongée des filtres.
Abstract
Ultrafine particles (UFPs) (diameter of particles, Dp < 100 nm) can be found in many industrial workplaces, where their long-term inhalation could result in serious detrimental impacts on health. In some situations, engineering and administrative controls are insufficient to adequately protect the workers from inhaling UFPs. Individual respiratory protection is then required, and N95 filtering facepiece respirators (FFRs) are the most widely used by industrial and healthcare workers.
A previous study on the efficiency of the N95 filter using a constant flow and a polydispersed aerosol showed that the maximum particle penetration in these filters was obtained for a size of particles of less than 100 nm and that the penetration exceeded the threshold penetration of 5 % for air flows higher than 85 L/min. The present investigation evaluates N95 FFRs efficiency by using a cyclic flow rate more representative of human breathing.
The experimental set-up previously used to evaluate the efficiency of N95 FFRs under constant flows was adapted to the cyclic flow configuration. The first objective was to investigate the individual impact of breathing frequency and inhalation flow rate on the efficiency of N95 FFRs. The experiments were performed for two peak inhalation flows (PIFs) (135 and 360 L/min) and two breathing frequencies (24 and 42 breaths per minute (BPM)) for a total of four cyclic flows. The second objective was to compare the efficiency of N95 FFRs under cyclic flows with the ones under constant flows equal to the cyclic flow minute volume, mean inhalation flow (MIF) and PIF. Minute volume is defined as the average volume of inhaled air for one minute of breathing, while MIF is determined as the average volume of inhaled air per inhalation cycle. PIF is the maximum flow obtained in any inhalation cycle. The selected constant and cyclic flows (with equivalent MIFs) were in the range of 42 to 360 L/min. Finally, the impact of particle loading time on N95 FFRs efficiency was investigated under cyclic and constant flows for periods of up to six hours. A cyclic flow (with equivalent MIF rate of 170 L/min) and two constant flow rates of 85 and 170 L/min were selected. In all experiments, the filters were exposed to polydispersed NaCl particles ranging from 10 to 205.4 nm.
The results showed that an increase in both PIF and breathing frequency could potentially raise the particle penetration through N95 FFRs. However, the effect of PIF was observed to be much more important than the effect of the frequency. It was also shown that, among three constant flows equal to the cyclic flow PIF, MIF and minute volume, a constant flow equal to MIF can much better predict the initial penetration of N95 FFRs obtained under the cyclic flow.
Finally, particle loading had a significant impact on particle penetration through N95 FFRs, while the trend in penetration changes, in terms of loading time, highly depended on the levels of relative humidity (RH). With low RH, the protection level increased with particle loading on the filter. Penetration of smaller particles (usually <100 nm) significantly dropped following a filter long-term exposure, and a distinct shift in the most penetrating particle size (MPPS) towards larger particles was also observed. With high RH, on the other hand, a reverse trend was observed, since particle penetration was generally increased with the loading time. In addition, this investigation showed that, in terms of loading time, a constant flow (equal to the cyclic flow MIF) could not necessarily predict particle penetration during cyclic flows for long-term exposure of the filters.
ISBN
9782896318711
Mots-clés
Appareil respiratoir filtrant, Air purifying respirator, Couvre-visage, Face covering, Nanoparticule, Nanoparticle, Efficacité de filtration, Filtration efficiency, Fréquence respiratoire, Respiratory rate, Essai de filtres, Filter testing, Évaluation du matériel, Evaluation of equipment, Matériel de simulation, Simulation facility, Québec
Numéro de projet IRSST
2011-0035
Numéro de publication IRSST
R-919
Citation recommandée
Bahloul, A., Haghighat, F., Mostofi, R., Mahdavi, A. et Ostiguy, C. (2016). Efficiency evaluation of N95 FFRs under cyclic and constant flows (Rapport n° R-919). IRSST.