SER GEY A. GRINSHPUN, BYUNG UK LEE, MJKHAlL YERMAKOV et ROY MCKAY
CENTRE D’ÉTUDES SUR LES AÉROSOLS LIÉS À LA SANTÉ, DÉPARTEMENT DE LA SANTÉ ENVIRONNEMENTALE DES SERVICES PULMONAIRES AU TRAVAIL,
UNIVERSITY OF CINCINNATI, CINCINNATI, OH 45267-0056, ÉTATS-UNIS
MOTS CLÉS: RESPIRATEUR, PÉNÉTRATION DES PARTICULES, FACTEUR DE PROTECTION, ÉMISSION D’IONS
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introduction
Les effets néfastes sur la santé associés aux particules en suspension dans l’air, y compris les aéroallergènes microbiens et non microbiens, ont récemment attiré une attention considérable, en particulier en raison de l’augmentation de la notification des symptômes respiratoires dans certains environnements intérieurs professionnels et résidentiels. Les dernières flambées de maladies émergentes et la menace de bioterrorisme ont ajouté du carburant au problème. Bien que les voies de transmission de certaines maladies émergentes restent à identifier (par exemple, le SRAS), de nombreux effets sur la santé induits par le virus sont connus pour se propager au cours de la phase d’aérosols. La réduction de la concentration de particules en suspension dans l’air inhalées devrait réduire le risque d’infection, car le nombre de cas parmi la population sensible est proportionnel à la concentration moyenne de noyaux de gouttelettes infectieuses dans une pièce et à la probabilité que les particules soient inhalées. Il existe une demande particulière pour augmenter l’efficacité des dispositifs de protection respiratoire existants, qui autrement pourraient ne pas offrir une protection adéquate contre les agents aérosols. Pour répondre à cette demande, nous avons développé et testé un nouveau concept qui permet d’améliorer considérablement le facteur de protection fourni par les masques respiratoires conventionnels contre les particules submicroniques en suspension dans l’air (par exemple, les virus). Le concept est basé sur l’émission continue d’ions électriques unipolaires à proximité d’un respirateur. nous avons développé et testé un nouveau concept qui permet d’améliorer considérablement le facteur de protection fourni par les respirateurs à filtre conventionnel contre les particules submicroniques en suspension dans l’air (par exemple, les virus). Le concept est basé sur l’émission continue d’ions électriques unipolaires à proximité d’un respirateur. nous avons développé et testé un nouveau concept qui permet d’améliorer considérablement le facteur de protection fourni par les respirateurs à filtre conventionnel contre les particules submicroniques en suspension dans l’air (par exemple, les virus). Le concept est basé sur l’émission continue d’ions électriques unipolaires à proximité d’un respirateur.
Méthodes
Le nouveau concept a été testé dans une chambre intérieure non ventilée (24,3 m 3 ). Un respirateur R95 (3M 8247, 3M Company, St. Paul, MN, USA) a été scellé à un mannequin avec du silicone et de la vaseline et connecté à un appareil respiratoire fonctionnant à un débit d’air constant de 30 L / min. (inhalation). Avant le début de la collecte des données, des tests de fuite (entre le masque et le visage du mannequin) ont été réalisés avec un liquide produisant des bulles (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co., Paterson, NJ, USA). Cette conception expérimentale nous a permis d’évaluer l’effet d’amélioration de l’émission continue d’ions électriques unipolaires sur la protection fournie par le filtre respiratoire (en supposant que la pénétration des particules à travers les fuites était négligeable). Les particules de taille virale (taille aérodynamique médiane d a= 0,04-0,20 µm) ont été pulvérisés dans la chambre en utilisant un générateur de fumée. Un impacteur électrique basse pression (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd, St. Paul, MN, USA) a été utilisé pour déterminer la concentration et la distribution de la taille des particules aérodynamiques en temps réel. L’échantillonnage des aérosols de l’extérieur et de l’intérieur du respirateur a été alterné. Les lignes d’échantillonnage et les débits étaient identiques en amont et en aval de l’ELPI. La résolution temporelle a été ajustée à 10 secondes. Le facteur de protection respiratoire a été déterminé comme un rapport des concentrations d’aérosols mesurées à l’extérieur ( C OUT ) et à l’intérieur ( C IN) le respirateur en 3 min. incréments pendant une période de 12 min. Le montage est présenté schématiquement sur la figure 1. Les tests de fond ont été réalisés en l’absence d’émission d’ions dans l’air. Ensuite, un émetteur d’ions unipolaire (VI-3500 *, Wein Products, Inc., Los Angeles, CA, USA) a été mis en marche à 20 cm du respirateur, et le facteur de protection a été déterminé en 3 min. incréments pendant 12 min. de son fonctionnement.L’émetteur a été caractérisé en mesurant la densité d’ions dans l’air à 1 m du point d’émission en utilisant un compteur d’ions d’air (AlphaLab Inc., Salt Lake City, UT, USA). En plus des expériences sur mannequin avec un respirateur scellé, des tests sur des sujets humains ont également été effectués. Au cours de cette phase de test, le même modèle de masque filtrant R95 a été porté par un sujet de test qui avait déjà été testé pour ce respirateur à l’aide d’un modèle TSI 8020 Portacount (TSI, Inc). Le protocole de test d’ajustement comprenait des manœuvres de tête et de respiration standard requises aux États-Unis (respiration normale et profonde, déplacement du visage et du corps de gauche à droite et de haut en bas, parler, etc.).
Résultats
Le facteur de protection mesuré avec le respirateur scellé sur le visage du mannequin était de 73 ± 6,0. Nous nous attendions à ce qu’il dépasse 20 puisque le dispositif R95 devrait avoir une efficacité de collecte d’au moins 95% dans le pire des cas. Les tests de caractérisation des émetteurs ont montré que la densité des ions négatifs de l’air dans la chambre augmentait rapidement, une fois qu’elle était allumée. Il a atteint (1,340 ± 0,037) x10 6 cm · 3 pendant 5 s, est resté approximativement à ce niveau pendant 30 min. émission continue d’ions, et a chuté au niveau initial en 3 min. après avoir été éteint (Figure 2). Par conséquent, il a été conclu que les expériences avec des respirateurs en présence de l’émetteur ont été menées à un niveau d’ionisation de l’air constant.
La figure 3 montre les données intégrées de la taille des particules en fonction du temps d’émission des ions (le temps t = 0 représente le facteur de protection déterminé sans émission d’ions d’air, tandis que t> 0 représente les données obtenues lorsque l’émetteur a fonctionné en continu pendant 3, 6 , 9 et 12 min., Respectivement.) On voit que la protection respiratoire a augmenté à 512 ± 65 (amélioration de 7) à la suite d’un 3 min. émission d’ions à proximité du respirateur.Une ionisation supplémentaire n’a pas modifié de manière significative l’amélioration des performances du respirateur (p = 0,06). On pense que puisque les particules et les fibres de filtre sont chargées unipolairement par les ions, les forces de répulsion diminuent le flux de particules vers le filtre. Cela a réduit le nombre de particules susceptibles de pénétrer à travers le masque et d’être inhalées. Les facteurs de protection (ajustement) du respirateur R95 mesurés sur le sujet humain variaient de 110 à 278, selon la procédure de respiration, avec une moyenne de 152, lorsqu’aucune émission d’ions dans l’air n’était introduite. Lorsque l’émetteur d’ions était activé, les facteurs d’ajustement variaient de 311 à 1380, avec une moyenne de 611, montrant une amélioration de 4 fois. Les données suggèrent que les fuites au joint facial peuvent quelque peu réduire, mais pas éliminer,
Conclusions
L’émission continue d’ions unipolaire à proximité d’un masque respiratoire filtrant a le potentiel d’améliorer considérablement les performances contre les particules d’aérosol de la taille d’un virus.
Remerciements
Les auteurs remercient Wein Products, Inc. (Los Angeles, Californie, États-Unis) pour avoir aidé à lancer cette recherche.
* Ce document concernait à l’origine VI-2500, Wein Products, Inc.
Version anglophone :
How To Increase The Protection Factor Provided By Existing Facepiece Respirators Against Airborne Viruses: A Novel Approach
SER GEY A. GRINSHPUN, BYUNG UK LEE, MJKHAlL YERMAKOV, and ROY MCKAY
CENTER FOR HEALTH-RELATED AEROSOL STUDIES, OCCUPATIONAL PULMONARY SERVICES DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL HEALTH,
UNIVERSITY OF CINCINNATI, CINCINNATI, OH 45267-0056, U.S.A.
KEYWORDS: RESPIRATOR, PARTICLE PENETRATION, PROTECTION FACTOR, ION EMISSION
Introduction
Adverse health effects associated with airborne particles, including microbial and non-microbial aeroallergens, have recently gained considerable attention, especially due to increased reporting of respiratory symptoms in some occupational and residential indoor environments. The latest outbreaks of emerging diseases and the threat of bioterrorism have added some fuel to the problem. Although the transmission routes for some emerging diseases are still to be identified (e.g., SARS), many virus-induced health effects are known to be spread in the aerosol phase. Reducing the concentration of inhaled airborne particulates should reduce the risk of infection, as the number of cases among susceptible population is proportional to the average concentration of infectious droplet nuclei in a room and the probability that the particles will be inhaled. There is a special demand to increase the efficiency of existing respiratory protection devices, which otherwise may not provide an adequate protection against aerosol agents. Responding to this demand, we have developed and tested a new concept that allows to drastically enhance the protection factor provided by conventional facepiece filter respirators against submicron airborne particles (e.g., viruses). The concept is based on the continuous emission of unipolar electric ions in the vicinity of a respirator.
Methods
The new concept was tested in a non-ventilated indoor chamber (24.3 m3). An R95 respirator (3M 8247, 3M Company, St. Paul, MN, USA) was sealed to a manikin with silicone and petroleum jelly and connected to a breathing machine that operated at a constant air flow rate of 30 L/min. (inhalation). Prior to the start of data collection, leak tests (between the mask and the face of the manikin) were conducted with a bubble producing liquid (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co., Paterson, NJ, USA). This experimental design allowed us to evaluate the enhancement effect of continuous emission of unipolar electric ions on the protection provided by the respirator filter (assuming that the particle penetration through the leaks was negligible). The viral-size particles (mid-point aerodynamic size da = 0.04-0.20 µm) were aerosolized into the chamber using a smoke generator. An Electrical Low Pressure Impactor (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd, St. Paul, MN, USA) was used to determine the concentration and aerodynamic particle size distribution in real-time. Aerosol sampling from outside and inside the respirator was alternated. Sampling lines and flow rates were identical up- and down-stream of the ELPI. The time resolution was adjusted to 10 seconds. The respirator protection factor was determined as a ratio of the measured aerosol concentrations outside (COUT) and inside (CIN) the respirator in 3 min. increments during a period of 12 min. The set-up is schematically presented in Figure 1. The background tests were performed in the absence of air ion emission. Then, a unipolar ion emitter (VI-3500*, Wein Products, Inc., Los Angeles, CA, USA) was turned on at 20 cm from the respirator, and the protection factor was determined in 3 min. increments during 12 min. of its operation. The emitter was characterized by measuring the air ion density at 1 m from the emission point using an Air Ion Counter (AlphaLab Inc., Salt Lake City, UT, USA). In addition, to the manikin-based experiments with a sealed respirator, human subject testing was also performed. In this phase of testing, the same model R95 filtering facepiece was worn by a test subject who was previously fit tested to this respirator using a TSI model 8020 Portacount (TSI, Inc). The fit testing protocol included standard head and breathing maneuvers required in the U.S. (normal and deep breathing, moving the face and the body left and right and up and down, talking, etc.).
Results
The protection factor measured with the respirator sealed on the manikin face was 73±6.0. We expected that it would exceed 20 since the R95 device should have at least 95% collection efficiency in the worst-case scenario. The emitter characterization tests showed that the density of negative air ions in the chamber increased rapidly, once it was turned on. It reached (1.340±0.037)x106 cm·3 during 5 sec., remained approximately at that level during a 30 min. continuous ion emission, and dropped to the initial level within 3 min. after it was turned off (Figure 2). Therefore, it was concluded that the experiments with respirators in the presence of the emitter were conducted at a constant air ionization level.
Figure 3 shows the particle size integrated data as a function of the ion emission time (time t = 0 represents the protection factor determined without emission of air ions, while t > 0 represent the data obtained when the emitter was continuously operated during 3, 6, 9, and 12 min., respectively.) It is seen that the respirator protection increased to 512±65 (enhancement of 7) as a result of a 3 min. ion emission in the vicinity of the respirator. Further ionization did not significantly change the enhancement of the respirator performance (p= 0.06). It is believed that since the particles and the filter fibers charged unipolarly by the ions, the repelling forces decreased the particle flow toward the filter. This reduced the number of particles that could potentially penetrate through the mask and be inhaled. The protection (fit) factors of the R95 respirator measured on the human subject ranged from 110 to 278, depending on the breathing procedure, with an average of 152, when no air ion emission was introduced. When the ion emitter was turned on, the fit factors ranged from 311 to 1380, with an average of 611, showing a 4-fold enhancement. The data suggest that faceseal leakage may somewhat reduce, but not eliminate, the effectiveness of respirator performance enhancement achieved due to the unipolar ion emission.
Conclusions
Continuous unipolar ion emission in the vicinity of a filtering facepiece respirator has the potential to drastically enhance performance against virus-size aerosol particles.
Acknowledgments
The authors are thankful to Wein Products, Inc. (Los Angeles, CA, USA) for helping initiate this research.
*This document originally pertained to VI-2500, Wein Products, Inc.
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