Byung Uk Lee, Mikhail Yermakov, Sergey A. Grinshpun
CENTER FOR HEALTH-RELATED AEROSOL STUDIES DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL HEALTH, UNIVERSITY OF CINCINNATI 3223 EDEN AVENUE, PO BOX 670056, CINCINNATI, OHIO 45267-0056, ÉTATS-UNIS.
ADRESSE ACTUELLE: DIVISION DE L’ENVIRONNEMENT ET DE LA TECHNOLOGIE DES PROCÉDÉS, INSTITUT CORÉEN DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE, 39-1 HAWOLGOK-DONG, SEONGBUK-GU, SÉOUL, CORÉE.
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Abstrait
Il a été récemment démontré que l’émission d’ions d’air unipolaires au voisinage d’un respirateur à masque filtrant améliore considérablement son efficacité de protection respiratoire. L’effet est entraîné par les forces de répulsion électriques qui se développent entre le masque chargé unipolaire et les particules d’aérosol, créant ainsi un bouclier pour les particules entrantes et diminuant par conséquent l’efficacité de pénétration à travers le filtre. L’évaluation préliminaire de ce concept sur mannequin a été réalisée avec un nombre très limité de variables. Dans cette étude, quatre types de dispositifs de filtrage de demi-masque (respirateurs N95, R95 et anti-brouillard de poussière, ainsi que des masques chirurgicaux), fonctionnant à deux débits respiratoires différents, ont été testés avec des émetteurs d’ions atmosphériques unipolaires présentant des taux d’émission différents. et polarités. L’efficacité de pénétration des particules à travers le filtre de la pièce faciale a été déterminée dans une chambre d’essai intérieure de la taille d’une pièce par une surveillance d’aérosol sélective de la taille des particules en temps réel effectuée à l’intérieur et à l’extérieur du masque, qui a été scellé sur un mannequin. Trois purificateurs d’air ioniques disponibles dans le commerce ont été utilisés comme émetteurs d’ions dans l’air. Pour la gamme de tailles de particules ciblées de ~ 0,04 à 1,3 µm, une ionisation de l’air de 12 minutes à proximité d’un mannequin a amélioré les performances du masque respiratoire d’un facteur allant de 1,61 à 3,250, selon le type de respirateur, le débit respiratoire et le taux d’émission d’ions. L’effet a été obtenu principalement dans les 3 premières minutes.
introduction
Les respirateurs filtrants à masque ont été largement utilisés pour réduire l’exposition humaine aux particules d’aérosol. Les performances du respirateur ont été largement étudiées au fil des ans (Brosseau et al., 1989 · Chen et al., 1994 · Hinds et al., 1988 · Huang et al., 1998; Johnson et al., 1994; Johnston et al. , 2001 · Lee et al., 2004c; Nicas et al., 2003; Oestenstad et al., 1990; Qian et al. 1997; Qian et al. 1998 · Weber et al. I 993; Willeke et al., 1996) . Une grande variété de respirateurs à particules jetables a été caractérisée en ce qui concerne leur facteur de protection. Le programme de certification des appareils respiratoires de l’Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) (Federal Register 60: 110 (1995)) a touché des millions de travailleurs qui utilisent régulièrement des appareils respiratoires sur leur lieu de travail. Basé sur la collaboration de NIOSH, les États-Unis
Bien que les efforts d’évaluation des performances et de normalisation des respirateurs à particules jetables conventionnels et des masques de soins de santé aient été plutôt fructueux, très peu de progrès ont été réalisés au cours de la dernière décennie pour améliorer l’efficacité de filtrage de ces dispositifs. Les flambées de maladies respiratoires émergentes, telles que le syndrome respiratoire aigu sévère (SRAS), ainsi que les préoccupations croissantes concernant une libération délibérée d’agents de guerre biologique en aérosol, tels que les bactéries et les virus, ont déclenché une demande urgente d’amélioration des performances des masques de protection respiratoire existants, en particulier dans les gammes de granulométrie fine et ultrafine.
Nous avons récemment développé un nouveau concept, qui améliore considérablement les performances d’un respirateur / masque filtrant à masque conventionnel contre les particules fines et ultrafines (Lee et al., 2004a). Le concept est basé sur la charge de particules d’aérosol par les ions d’air unipolaires produits par effet corona (Adachi et al., 1985; Hernandez-Sierra et al. 2003; Wiedensohler et al., 1994) à proximité d’un respirateur. Les ions émis en continu imposent des charges électriques importantes de même polarité aux particules en suspension dans l’air et à la surface du masque. Les forces de répulsion créent un «écran électrostatique» contre les particules entrantes, diminuant ainsi l’efficacité de pénétration à travers le filtre. Le concept nouvellement développé a été testé avec deux masques,
Dans la présente étude, nous avons étudié plusieurs facteurs, qui affectent l’amélioration de l’efficacité de protection d’un masque filtrant conventionnel par émission d’ions lorsqu’ils sont scellés au visage du mannequin de test. Ces facteurs comprennent le type de respirateur, le débit respiratoire (inhalation), ainsi que le taux d’émission d’ions et la polarité.
Nous avons ciblé la plage de diamètre aérodynamique des particules de d a ~ 0,04 – 1,3 µm. De nombreux agents bioaérosols qui peuvent provoquer des maladies émergentes ou être potentiellement utilisés en cas de bioterrorisme appartiennent à cette gamme de tailles de particules: par exemple, d a ~ 0,1 µm pour le virus à couronne (l’agent étiologique du SRAS) et d a ~ 1 µm pour Bacillus anthracis (bactérie responsable de l’anthrax).
Méthodes
Les expériences ont été menées dans une chambre d’essai intérieure non ventilée (L xlx H = 3,78 mx 2,44 mx 2,64 m = 24,3 m 3 ). Cette installation a été largement utilisée dans nos études précédentes (Choe et al., 2000; Grinshpun et al., 2002; Lee et al., 2004a; Lee et al., 2004b). La figure 1 montre le diagramme schématique de la configuration expérimentale. Un mannequin respiratoire avec un masque filtrant scellé a été exposé à un aérosol d’essai polydispersé. Les tests de fuite ont été réalisés avant les expériences avec un liquide de détection de fuite à base de détergent (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co. Paterson, NJ, USA) pour identifier d’éventuelles mac ro-fuites (> 1 µm) entre le masque et le visage. du mannequin. Le mannequin était situé au centre de la chambre. Les concentrations de particules à l’intérieur (C en) et à l’extérieur (C out ) du masque ont été mesurés par l’impacteur électrique basse pression (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd. St. Paul, MN, USA). Cet impacteur en cascade a une capacité de mesure en temps réel qui fournit des données sur la concentration du nombre de particules en suspension dans l’air et la distribution de la taille par incréments d’une minute. Les particules d’aérosol sont chargées par le chargeur corona, qui est situé en aval de l’entrée d’échantillonnage de l’impacteur, puis détectées par les électromètres à l’intérieur des instruments. Les données ont été enregistrées dans 12 canaux ELPI, de 0,04 à 8,4 µm. Ces dernières tailles représentent respectivement les diamètres médians du 1 er et du 12 e étage d’impaction (le point médian = la moyenne géométrique des limites de l’étage).
L’efficacité de pénétration du masque respiratoire, E p , a été calculée à partir des valeurs de concentration mesurées par l’équation suivante:
L’efficacité de pénétration a été déterminée en fonction du diamètre aérodynamique des particules. Pour chaque ensemble de conditions, le test a été réalisé, respectivement, sans ionisation de l’air et avec un purificateur d’air ionique commercial fonctionnant en continu dans la chambre pendant 12 minutes (puisque l’effet était généralement atteint pendant les 3-6 premières minutes, nous avons sélectionné le Intervalle de 12 minutes suffisant pour le test). Lorsque l’ELPI était utilisé en présence d’émission d’ions dans l’air, l’entrée d’échantillonnage d’aérosol de l’instrument était équipée du Kr 85 équilibrateur de charge (3M Company, St. Paul, MN, USA), qui nous a permis d’éviter l’effet de particules d’aérosol fortement chargées sur les performances des électromètres de l’ELPI. Une expérience de contrôle a été menée dans la chambre (sans le mannequin et le respirateur) pour démontrer les performances satisfaisantes de l’équilibrateur de charge en amont de l’ELPI. Les efficacités de pénétration d’un masque étanche obtenu avec et sans émission d’ions dans l’air ont été comparées aux instants suivants: t = 3, 6, 9 et 12 min. Comme la concentration à l’extérieur du masque diminue avec le temps en raison de la charge unipolaire des particules et de leur répulsion et de leur migration subséquentes vers les surfaces intérieures (Lee et al., 2004b), la dépendance au temps Cout (t) dans la chambre a été prise en compte à l’aide de la méthode linéaire. interpolation.
La concentration de fond d’aérosol dans la chambre d’essai n’était pas suffisante pour une mesure précise à l’intérieur du masque parce que le filtre éliminait un nombre considérable de particules en suspension. Pour augmenter la concentration de fond, nous avons utilisé un générateur de fumée sur mesure qui aérosol des particules dans les gammes de taille submicrométrique et micrométrique (Cheng et al., 1995). Cela était particulièrement adapté pour simuler des bactéries et des virus en suspension dans l’air, ainsi que des noyaux de gouttelettes qui servent souvent de vecteurs pour la transmission aérienne d’agents infectieux.
Quatre types de demi-masques filtrants ont été testés, y compris les respirateurs N95 et R95 certifiés NIOSH, les respirateurs jetables anti-poussière et les masques chirurgicaux. Tous sont disponibles dans le commerce auprès d’un grand fabricant. Les tests ont été menés à deux débits d’inhalation: 30 L / min (respiration sous charge de travail légère) et 85 L / min (respiration sous forte charge de travail). Le débit le plus bas a été établi par la pompe ELPI qui fonctionne normalement à 30 L / min. Pour le débit plus élevé, une pompe supplémentaire fonctionnant à 55 Umin a été utilisée.
Trois purificateurs d’air ioniques disponibles dans le commerce (Wein Products Inc, Los Angeles, USA) ont été utilisés pour produire des ions d’air unipolaires dans la chambre. Ceux-ci comprenaient une unité stationnaire, * VI-3500 (L xlx H = 20 cm x 16,5 cm x 8,5 cm), qui émettait des ions négatifs à un taux de ~ 2x l0 14 e – / s ( e représente la charge élémentaire unité), et deux unités portables, * AS180i Minimate (+) et * AS180i Minimate (-) (L x L x H = 6,5 cm x 4 cm x 2,2 cm), qui émettaient des ions positifs et négatifs, respectivement, en même temps taux de – 7×10 13 e ±/ s. (Wein Products Inc, Los Angeles, Californie. Communication personnelle (2002)). Pour normaliser les caractéristiques de taux d’émission d’ions de ces purificateurs d’air ioniques, la concentration d’ions a été mesurée avec le compteur d’ions dans l’air (AlphaLab Inc, Salt Lake City, UT, USA) à la même distance de la source pendant le test. L’unité stationnaire * VI-3500 Vortex a produit une concentration d’ions dans l’air de (1,34 ± 0,04) x 10 6 e – cm -3 à 1 m du point d’émission, tout en étant moins puissante * AS180i Unités portables minimales (positives et négatives) produites ( 3,62 ± 0,18) x 10 5 e + cm -3 et (3,91 ± 0,22) x 10 5 e – cm -3, respectivement (Lee et al., 2004b). Dans chaque test, un émetteur d’ions unipolaire a été activé à une distance de 20 cm du masque. Une fois l’émetteur allumé dans la chambre, la concentration en ions a rapidement augmenté jusqu’au niveau de saturation (spécifié ci-dessus pour chaque appareil). Cela s’est produit en moins de 10 secondes, après quoi la concentration d’ions dans l’air est restée à ce niveau pendant que l’appareil fonctionnait. Une fois l’émetteur éteint, la concentration d’ions a diminué au niveau initial en environ 3 minutes.
La chambre d’essai a fonctionné à une température de l’air de 23 ± 1c 0 et une humidité relative de 42 ± 9%, qui ont été contrôlées pendant chaque essai par un thermomètre / hygromètre (Tandy Co, Fort Worth, TX, USA). La valeur moyenne et l’écart type ont été calculés pour chaque ensemble de conditions à la suite d’au moins trois répétitions. Les données ont été analysées statistiquement à l’aide du logiciel Microsoft Excel (Microsoft Co, Redmond, WA, USA).
Résultats et discussion
Caractéristiques d’origine des masques de protection respiratoire à scellés faciaux (sans émission d’ions dans l’air)
Tout d’abord, les respirateurs testés dans cette étude ont été caractérisés par rapport à leur efficacité de pénétration d’origine (sans ionisation de l’air à proximité du masque). Les concentrations (fractionnaires) spécifiques à la taille des particules d’aérosol d’essai mesurées dans la chambre par l’ELPI (C out à t = 0) sont présentées à la figure 2. Le générateur d’aérosol a été ajusté pour reproduire la concentration initiale et la distribution de taille dans chaque essai avec le coefficient de variation inférieur à 50% (déterminé à partir de 30 essais répétés). On voit que les particules d’aérosol se situaient principalement dans une plage de d a ≈ 0,04 – 0,5 µm, la concentration diminuant de plus d’un ordre de grandeur lorsque la taille des particules dépassait 1 µm.
L’efficacité de pénétration des particules à travers le respirateur N95, scellé sur le visage sur le mannequin inhalant à un débit de 30 L / min, était à l’origine de – 2%. Bien que les valeurs d’efficacité moyennes aient montré une légère diminution avec l’augmentation de la taille des particules dans la plage submicrométrique, cet effet était plutôt faible. Avec un débit porté à 85 L / min, nous avons trouvé une pénétration plus élevée qu’à 30 L / min. La principale différence a été observée pour d a <0,3 µm (figure 3). L’augmentation du débit à travers le filtre respiratoire a entraîné une diminution du temps de séjour, ce qui a réduit l’efficacité du dépôt de particules diffusionnelles et électrostatiques à l’intérieur du filtre (le mécanisme s’applique aux respirateurs équipés de filtres électret). Ainsi, plus de particules submicrométriques ont pu pénétrer à travers le milieu électret du filtre N95 à des débits plus élevés. Des résultats similaires ont été obtenus avec le respirateur de type R95 fonctionnant à 30 et 85 L / min, respectivement.
Pour les respirateurs à brouillard de poussière fonctionnant à 30 L / min, l’efficacité de pénétration d’origine a diminué d’environ 11,0% ( d a = 0,04 µm) à 6,0% ( d a = 1,3 µm). Sous le même régime respiratoire, les masques chirurgicaux ont montré la pénétration la plus élevée (> 20%) pour d a = 0,04 µm et la plus faible (<15%) pour d a = µm. Aucun test n’a été effectué avec ces deux respirateurs à des débits supérieurs à 30 L / min.
Les modèles de filtration basés sur l’impaction, l’interception et la diffusion prédisent que le pic de pénétration est atteint à d aentre 0,1 et 0,3 µm, et les particules inférieures à 0,1 µm devraient être collectées plus efficacement à mesure que leur taille diminue (régime de diffusion) (Halvorsen, 1998; Hinds, 1999; Lee et Mukund, 200l). Cette tendance ne ressort pas clairement de nos données expérimentales. L’écart peut être partiellement attribué à des mécanismes supplémentaires, non pris en compte par les modèles ci-dessus. Par exemple, les forces d’image, associées aux fibres initialement chargées (par exemple, les pièces faciales filtrantes N95 sont habituellement prétraitées), peuvent déplacer la courbe d’efficacité de pénétration vers des particules plus petites. De plus, la pénétration de particules ultrafines peut se produire à travers des micro-fuites faciales non détectées, ainsi que des fuites submicrométriques entre le matériau du filtre central et le support périphérique élastique (Lee et al., 2004a). Un autre facteur pourrait être associé aux variations spatiales du diamètre de la fibre, de l’orientation, de la densité de tassement, ainsi que du niveau de charge électrostatique initiale de la fibre (Huang et al., 1998). L’influence des facteurs ci-dessus sur l’efficacité de pénétration du respirateur d’origine a été considérée comme dépassant la portée de cette étude, car l’étude s’est concentrée sur l’effet de l’émission unipolaire d’ions dans l’air. D’autres expériences sont nécessaires pour aborder les limites du protocole d’évaluation des respirateurs à base de mannequin pour les particules ultrafines.
Efficacité de pénétration de différents masques affectés par l’émission continue d’ions d’air unipolaire
La figure 4a montre l’effet de l’émission continue d’ions négatifs produite par un purificateur d’air ionique puissant * VI-3500 Vortex sur l’efficacité de filtrage d’un respirateur à brouillard de poussière étanche. Ce dernier fonctionnait à 30 L / min. On voit que l’efficacité de pénétration a diminué de 6-11% à presque 0% pour toute la gamme de tailles de particules d’essai. La figure 4b montre que l’efficacité de pénétration du respirateur N95 à masque facial au même débit d’inhalation a également considérablement diminué en raison de l’émission d’ions (les données ont été initialement rapportées dans notre article précédent (Lee et al., 2004a) et sont présentées ici. en comparaison). Le fonctionnement continu de l’émetteur * VI-2500 Vortex pendant 12 minutes a abouti à une amélioration de la protection du respirateur N95 d’environ un facteur SO.
Les facteurs d’amélioration obtenus après 12 minutes d’ionisation de l’air ont été calculés pour les respirateurs N95, R95 et anti-brouillard de poussière, ainsi que pour le masque chirurgical, en utilisant les valeurs d’efficacité de pénétration intégrées sur toute la plage de tailles de particules testées (pondérées par le nombre de particules à chaque fraction de taille):
Les données sont présentées dans le tableau I. Toutes les pièces faciales: les masques filtrants démontrent un effet d’amélioration considérable, d’environ 20 fois à plus de 3000 fois. Le respirateur de brouillard de poussière ne présentait presque aucune pénétration en raison de l’émission d’ions dans l’air. La différence des facteurs d’amélioration observés pour différents masques exposés à la même concentration d’ions dans l’air peut être attribuée à leurs matériaux filtrants. Comme très peu d’informations sur les propriétés des matériaux filtrants utilisés pour les respirateurs commerciaux sont disponibles auprès du fabricant, aucune autre discussion ne peut être proposée à ce stade.
Effet de la polarité et du taux d’émission des ions atmosphériques
L’émission continue d’ions unipolaires à la même vitesse a provoqué à peu près le même effet d’amélioration, que les ions émis soient positifs [AS150MM (+)] ou négatifs [AS150MM (-)]. L’effet de la polarité des ions d’air est illustré sur la figure 5 pour le respirateur R95 (a et b) et le masque chirurgical (c et d) fonctionnant à 30 L / min.
Le tableau 2 montre les facteurs d’amélioration fournis par le purificateur d’air ionique * VI-3500 Vortex (taux d’émission plus élevé) et les purificateurs AS150MM (taux inférieur). Les données montrent que la concentration plus élevée d’ions dans l’air à proximité du respirateur a entraîné une amélioration plus forte des performances du respirateur.
Effet du débit d’inhalation
Les courbes d’efficacité de pénétration, obtenues pour le respirateur de type N95 fonctionnant à un débit de 85 L / min, sont présentées à la Figure 6. L’émission continue d’ions négatifs par le purificateur d’air ionique * VI-3500 Vortex pendant 12 minutes a diminué la pénétration. efficacité des particules ultrafines à travers le filtre respiratoire d’environ 3,5% à <0,1%. Pour les particules plus grosses ( d a ~ 1 µm), l’efficacité de pénétration a diminué d’environ 1,9% à 0,3%. Le tableau 3 compare les facteurs d’amélioration déterminés pour les respirateurs N95 et R95 scellés au visage sur le mannequin et fonctionnant à deux débits d’inhalation (les valeurs sont la taille des particules intégrée dans la plage de test de d a = 0,04 – 1,3 µm). La modification du débit semble n’avoir aucun effet significatif sur la pénétration des particules à travers le respirateur N95. Le rôle du débit d’inhalation semblait être plus important pour le respirateur R95 car le facteur d’amélioration augmentait de près de 3 fois avec le débit augmentant de 30 à 85 L / min. La différence entre les données obtenues pour les respirateurs R95 et N95, en ce qui concerne l’effet du débit sur leur amélioration des performances, est probablement causée par des propriétés différentes des matériaux filtrants (média électret de N95 par rapport à média à base de carbone de R95).
Effet du temps d’émission des ions
À la suite des tests effectués pendant des intervalles de temps de 3, 6, 9 et 12 minutes, les valeurs d’efficacité de pénétration intégrées sur la plage de tailles de particules testées ont montré une certaine diminution avec le temps. Bien qu’observée pour tous les masques, cette tendance n’était pas statistiquement significative (les valeurs p de tous les tests t étaient supérieures à 0,05). Les résultats suggèrent que l’amélioration majeure des performances du respirateur est obtenue dans les 3 premières minutes d’émission d’ions. Le temps “caractéristique” réel de l’effet d’amélioration est susceptible d’être inférieur à 3 minutes puisque la concentration d’ions dans l’air atteint son niveau de saturation pendant l’intervalle de temps aussi court que 10 secondes après la mise sous tension de l’émetteur. Cependant, les limites de la conception de l’étude et les critères de précision des mesures ne nous ont pas permis de réaliser des essais à t << 3 min.
Conclusions
L’émission continue d’ions d’air unipolaires par des purificateurs d’air à ionisation corona à proximité d’un demi-masque respiratoire jetable a amélioré ses caractéristiques de protection contre les particules fines et ultrafines de tailles bactériennes et virales. Dans cette étude, l’effet a été prouvé pour quatre types d’appareils de protection respiratoire scellés au visage, y compris les respirateurs N95, R95 et anti-brouillard de poussière, ainsi que les masques chirurgicaux, avec une réduction de l’efficacité de pénétration des particules jusqu’à environ 3000 fois. L’amélioration de l’efficacité de filtrage du respirateur ne semble pas dépendre de la taille des particules (dans la plage de tailles testée dans cette étude). Bien qu’un taux d’émission d’ions plus élevé soit fortement associé à une meilleure performance du respirateur, la polarité des ions (négative par rapport à positive) n’a pas d’effet sur le facteur d’amélioration des performances. Les résultats sont valables pour deux débits d’inhalation testés dans cette étude: 30 et 85 L / min. Il a été conclu que l’effet d’amélioration majeur s’est produit dans les 3 premières minutes de l’émission d’ions. Dans l’ensemble, une amélioration spectaculaire de l’efficacité de filtrage des aérosols d’un respirateur jetable en raison de l’émission d’ions unipolaire continue est réalisable dans diverses conditions. Il convient de noter que nos expériences présentées dans cet article ont utilisé un protocole basé sur un mannequin avec un respirateur / masque, qui a été scellé sur le visage du mannequin, de sorte que nous avons abordé principalement la pénétration d’aérosol à travers un matériau filtrant; l’ajustement du respirateur reste au-delà de la portée de cette étude et devrait peut-être être étudié de manière plus appropriée par des tests sur des sujets humains et un protocole de test d’ajustement. 30 et 85 L / min. Il a été conclu que l’effet d’amélioration majeur s’est produit dans les 3 premières minutes de l’émission d’ions. Dans l’ensemble, une amélioration spectaculaire de l’efficacité de filtrage des aérosols d’un respirateur jetable en raison de l’émission d’ions unipolaire continue est réalisable dans diverses conditions. Il convient de noter que nos expériences présentées dans cet article ont utilisé un protocole basé sur un mannequin avec un respirateur / masque, qui a été scellé sur le visage du mannequin, de sorte que nous avons abordé principalement la pénétration d’aérosol à travers un matériau filtrant; l’ajustement du respirateur reste au-delà de la portée de cette étude et devrait peut-être être étudié de manière plus appropriée par des tests sur des sujets humains et un protocole de test d’ajustement.
Remerciements
La participation du Dr Byung Uk Lee à cette étude a été soutenue en partie par la Korea Science & Engineering Foundation (KOSEF) et le Korea Institute of Science and Technology (KIST). Les auteurs tiennent à remercier Wein Products, Inc. pour l’équipement et les ressources que la société a mis à disposition pour ce projet. Les auteurs remercient Mme Alexandra-Sasha Appatova pour son aide dans la préparation et la révision de cet article.
Avertissement
La référence à des sociétés ou à des produits commerciaux spécifiques ne constitue ni n’implique leur approbation, recommandation ou faveur par l’Université de Cincinnati ou par les enquêteurs qui mènent cette étude.
* Ce document concernait à l’origine Vortex VI-2500 et Minimate AS150MM, Wein Products, Inc.
Version anglophone :
Filtering Efficiency of N95- and R95-Type Facepiece Respirators, Dust-Mist Facepiece Respirators, and Surgical Masks Operating in Unipolarly Ionized Indoor Air Environments
Byung Uk Lee, Mikhail Yermakov, Sergey A. Grinshpun
CENTER FOR HEALTH-RELATED AEROSOL STUDIES DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL HEALTH, UNIVERSITY OF CINCINNATI 3223 EDEN AVENUE, PO BOX 670056, CINCINNATI, OHIO 45267-0056, US.A
PRESENT ADDRESS: ENVIRONMENT & PROCESS TECHNOLOGY DIVISION, KOREA INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, 39-1 HAWOLGOK-DONG, SEONGBUK-GU, SEOUL, KOREA.
Abstract
The emission of unipolar air ions in the vicinity of a filtering facepiece respirator has been recently shown to considerably enhance its respiratory protection efficiency. The effect is driven by the electric repelling forces that develop between the unipolarly charged mask and the aerosol particles, thus creating a shield for the incoming particles and consequently decreasing the penetration efficiency through the filter. The manikin-based preliminary evaluation of this concept has been performed with a very limited number of variables. In this study, four types of half-mask facepiece filtering devices (N95, R95, and dust-mist respirators, as well as surgical masks), operating at two different breathing flow rates, were tested with unipolar air ion emitters exhibiting different emission rates and polarities. The particle penetration efficiency through the facepiece filter was determined in a room-size indoor test chamber by a real-time particle size selective aerosol monitoring performed inside and outside of the mask, which was face-sealed onto a manikin. Three commercially available ionic air purifiers were utilized as air ion emitters. For the targeted particle size range of ~0.04 – 1.3 µm, a 12- minute air ionization in the vicinity of a manikin enhanced the respiratory mask performance by a factor ranging from 1.61 to 3,250, depending on the respirator type, breathing flow rate, and the ion emission rate. The effect was achieved primarily within the first 3 minutes.
Introduction
The facepiece filtering respirators has been widely used to reduce human exposure to the aerosol particles. The respirator performance has been extensively studied over the years (Brosseau et al., 1989· Chen et al., 1994· Hinds et al., 1988· Huang et al., 1998; Johnson et al., 1994; Johnston et al., 2001· Lee et al., 2004c; Nicas et al., 2003; Oestenstad et al., 1990; Qian et al. 1997; Qian et al. 1998· Weber et al. I 993; Willeke et al., 1996). A wide variety of the disposable particulate respirators have been characterized with respect to their protection factor. The ational Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH)-instituted respirator certification program (Federal Register 60:110 (1995)) has affected millions of workers that routinely use respirators in their workplaces. Based on the collaboration of NIOSH , the U.S. Army Soldier Biological and Chemical Command (SBCCOM) , and the National Institute for Standards and Technology (NIST), appropriate standards and test procedures are being developed for all classes of respirators that should provide respiratory protection from various inhalation hazards , including chemical, biological, radiological, and nuclear aerosol agents .
Although the effort towards the performance evaluation and standardization of conventional disposable particulate respirators and health-care masks have been rather successful , very little progress has been made during the last decade on the improvement of the filtering efficiency of these devices . The outbreaks of emerging respiratory diseases, such as the Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS), as well as growing concerns about a deliberate release of the aerosolized biological warfare agents , such as bacteria and viruses , have triggered an urgent demand for improving the performance of existing respiratory protection masks, especially in the fine and ultrafine particle size ranges.
We have recently developed a novel concept, which dramatically enhances the performance of a conventional facepiece filtering respirator/mask against fine and ultrafine particles (Lee et al., 2004a). The concept is based on the charging of aerosol particles by the corona-produced unipolar air ions (Adachi et al., 1985; Hernandez-Sierra et al. 2003; Wiedensohler et al., 1994) in the vicinity of a respirator. The continuously emitted ions impose significant electric charges of the same polarity on the airborne particles and the mask surface. The repelling forces create an “electrostatic shield” against incoming particles, thus decreasing the penetration efficiency through the filter. The newly-developed concept was pilot-tested with two masks , face-sealed on a manikin operated at a fix breathing flow rate of 30 L/min and one ion emitter (Lee et al., 2004a).
In the present study, we investigated several factors, which affect the ion-emission-driven enhancement of the protection efficiency of a conventional facepiece filtering mask when they are face sealed to the test manikin. These factors include the type of respirator, the breathing (inhalation) flow rate , as well as the ion emission rate and polari ty.
We targeted the particle aerodynamic diameter range of da ~ 0.04 – 1.3 µm. Numerous bioaerosol agents that can cause emerging diseases or may be potentially used in the event of bioterrorism belong to this particle size range: e.g., da ~0.1 µm for virus à couronne (the etiological agent of the SARS) and da ~ 1 µm for Bacillus anthracis (bacteria causing anthrax).
Methods
The experiments were conducted in an unventilated indoor test chamber (L x W x H = 3.78 m x 2.44m x 2.64 m = 24.3 m3). This facility has been extensively used in our previous studies (Choe et al., 2000; Grinshpun et al., 2002; Lee et al., 2004a; Lee et al., 2004b). Figure 1 demonstrates the schematic diagram of the experimental setup. A breathing manikin with a face-sealed filtering mask was exposed to a polydisperse test aerosol. The leakage tests were conducted prior to the experiments with a detergent based leakage-detecting liquid (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co. Paterson , NJ, USA) to identify possible mac ro-leaks (> 1 µm) between the mask and the face of the manikin. The manikin was located in the center of the chamber. The particle concentrations inside (Cin) and outside (Cout) the mask were measured by the electrical low pressure impactor (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd. St. Paul, MN, USA). This cascade impactor has a real-time measurement capability that provides data on the airborne particle number concentration and size distribution in one-minute time increments. The aerosol particles are charged by the corona charger, which is located downstream of the impactor’s sampling inlet , and then detected by the electrometers inside the instruments. The data were recorded in 12 ELPI channels, from 0.04 to 8.4 µm. The latter sizes represent the midpoint diameters of the 1st and the 12th impaction stages, respectively (the midpoint = the geometric mean of the stage ‘ s boundaries).
The penetration efficiency of the respiratory mask, Ep , was calculated from the measured concentration values by the following equation:
The penetration efficiency was determined as a function of the particle aerodynamic diameter. For each set of condition, the test was conducted, respectively, with no air ionization and with a commercial ionic air purifier continuously operating in the chamber for 12 minutes (since the effect was usually achieved during the first 3-6 minutes, we selected the 12-rnin interval as sufficient for the testing). When the ELPI was used in the presence of air ion emission, the aerosol sampling inlet of the instrument was equipped with the Kr85 charge equilibrator (3M Company, St. Paul, MN, USA), which allowed us to avoid the effect of highly charged aerosol particles on the performance of the ELPI’ s electrometers. A control experiment was conducted in the chamber (without the manikin and respirator) to demonstrate the satisfactory performance of the charge equilibrator upstream the ELPI. The penetration efficiencies of a face-sealed mask obtained with and without air ion emission were compared at the following time points: t = 3, 6, 9, and 12 min. As the concentration outside the mask decreases with the time due to the particle unipolar charging and their subsequent repelling and migration to indoor surfaces (Lee et al., 2004b), the time dependence Cout (t) in the chamber was accounted for using the linear interpolation. The ratio of the above efficiencies (calculated at a specific time point) was defined as a respirator performance enhancement factor.
The background aerosol concentration m the test chamber was not sufficient for an accurate measurement inside the mask because the filter removed a considerable number of airborne particles. To increase the background concentration, we used a custom-built smoke generator that aerosolized particles in the submicro meter and micrometer size ranges (Cheng et al., 1995). This was particularly suitable to simulate airborne bacteria and viruses, as well as droplet nuclei that often serve as carriers for the air transmission of infectious agents.
Four types of half-mask filtering facepieces were tested, including the NIOSH-certified N95 and R95 respirators, disposable dust-mist respirators, and surgical masks. All of them are commercially available from a major manufacturer. The tests were conducted at two inhalation flow rates: 30 L/min (breathing under light work load) and 85 L/min (breathing under heavy work load). The lower flow rate was established by the ELPI pump that normally operates at 30 L/min. For the higher flow rate, an additional pump operating at 55 Umin was employed.
Three commercially available ionic air purifiers (Wein Products Inc, Los Angeles, USA) were utilized to produce unipolar air ions in the chamber. These included one stationary unit, *VI-3500 (L x W x H = 20 cm x 16.5 cm x 8.5 cm), which emitted negative ions at a rate of ~ 2x l014e–/s (e stands for the elementary charge unit), and two wearable units, *AS180i Minimate (+) and *AS180i Minimate (-) (L x W x H = 6.5 cm x 4 cm x 2.2 cm), which emitted positive and negative ions, respectively, at the same rate of – 7×1013e±/s. (Wein Products Inc, Los Angeles, CA. Personal Communication (2002)). To standardize the ion emission rate characteristics of these ionic air purifiers, the ion concentration were measured with the Air Ion Counter (AlphaLab Inc, Salt Lake City, UT, USA) at the same distance from the source during the test. The *VI-3500 Vortex stationary unit produced an air ion concentration of (1.34 ± 0.04) x 106 e–cm-3 at 1 m from the emission point, while less powerful *AS180i Minimate wearable units (positive and negative) produced (3.62 ± 0.18) x 105 e + cm-3, and (3.91 ± 0.22) x 105 e–cm-3, respectively (Lee et al., 2004b). In each test, a unipolar ion emitter was turned on at a distance of 20 cm from the mask. Once the emitter was turned on in the chamber, the ion concentration rapidly increased to the saturation level (specified above for each device). It occurred in less than 10 seconds, after which the concentration of air ions remained at that level while the device was operating. Once the emitter was turned off, the ion concentration decreased to the initial level in about 3 minutes.
The test chamber was operated at an air temperature of 23± 1c0 and a relative humidity of 42 ± 9%, which were monitored during each test by a thermometer/hygrometer (Tandy Co, Fort Worth, TX, USA). The average value and the standard deviation were calculated for each set of conditions as a result of at least three replicates.The data were statistically analyzed using software package Microsoft Excel (Microsoft Co, Redmond, WA, USA).
Results and Discussion
Original Characteristics of the Face-Sealed Respiratory Protection Masks (No Air Ion Emission)
First, the respirators tested in this study were characterized with respect to their original penetration efficiency (with no air ionization in the vicinity of the mask). The size-specific (fractional) concentrations of test aerosol particles measured in the chamber by the ELPI (Cout at t = 0) are presented in Figure 2. The aerosol generator was adjusted to reproduce the initial concentration and size distribution in each test with the coefficient of variation below 50% (determined from 30 replicate tests). It is seen that the aerosol particles were primarily within a range of da ≈ 0.04 – 0.5 µm, with the concentration decreasing by more than an order of magnitude when the particle size exceeded 1 µm.
The particle penetration efficiency through the N95 respirator, face-sealed on the manikin inhaling at a flow rate of 30 L/min, was originally – 2%. Although the average efficiency values showed a slight decrease with increasing particle size in the submicrometer range, this effect was rather low. With a flow rate increased to 85 L/min, we found a higher penetration than at 30 L/min. The primary difference was observed for da < 0.3 µm (Figure 3). The increase in the flow rate through the respirator filter resulted in the decrease in the residence time, which reduced the efficiency of the diffusional and electrostatic particle deposition inside the filter (the mechanism applies to the respirators equipped with electret filters). Thus, more submicrometer particles were allowed to penetrate through the electret medium of the N95 filter at higher flow rates. Similar results were obtained with the R95-type respirator operated at 30 and 85 L/min, respectively.
For the dust-mist respirators operated at 30 L/min, the original penetration efficiency decreased approximately from 11.0% (da = 0.04 µm) to 6.0% (da = 1.3 µm). Under the same breathing regime, the surgical masks showed the highest penetration (>20%) for da = 0.04 µm and the lowest (<15%) for da = µm. No tests were performed with these two respirators at flow rates exceeding 30 L/min.
The impaction-, interception-, and diffusion-based filtration models predict that the peak penetration is reached at da between 0.1 and 0.3 µm, and the particles below 0.1 µm should be collected more efficiently as their size decreases (diffusion regime) (Halvorsen, 1998; Hinds, 1999; Lee and Mukund, 200l). This tendency is not clearly seen from our experimental data. The discrepancy can be partially attributed to additional mechanisms, not considered by the above models. For example, image forces, associated with the initially charged fibers (e.g., the N95 filtering facepieces are usually pre-treated), may shift the penetration efficiency curve toward smaller particles. In addition , the penetration of ultrafine particles may occur through undetected facial micro-leaks, as well as submicrometer leaks between the core filter material and the elastic peripheral support (Lee et al., 2004a). Another factor could be associated with the spatial variations in fiber diameter, orientation, packing density, as well as initial fiber electrostatic charge level (Huang et al., 1998). The influence of the above factors on the original respirator penetration efficiency was considered to be beyond the scope of this study, as the study focused on the effect of unipolar air ion emission. Further experiments are needed to address the limitations of the manikin-based respirator evaluation protocol for ultrafine particles.
Penetration Efficiency of Different Masks Affected by the Continuous Unipolar Air Ion Emission
Figure 4a demonstrates the effect of continuous negative ion emission produced by a powerful *VI-3500 Vortex ionic air purifier on the filtering efficiency of a face-sealed dust-mist respirator. The latter operated at 30 L/min. It is seen that the penetration efficiency decreased from 6-11% to almost 0% for the entire test particle size range. Figure 4b shows that the penetration efficiency of the face-sealed N95 respirator at the same inhalation flow rate also dramatically decreased due to the ion emission (the data were originally reported in our earlier paper (Lee et al., 2004a) and are presented here for comparison). Continuous operation of the *VI-2500 Vortex emitter for 12 minutes resulted in about a SO-fold enhancement the N95 respirator protection.
The enhancement factors achieved after 12-minute air ionization were calculated for the N95, R95 and dust-mist respirators, as well as the surgical mask, using the penetration efficiency values integrated over the entire tested particle size range (weighted by the number of particles at each size fraction):
The data are presented in Table I. All the facepiece :filtering masks demonstrate a considerable enhancement effect, from about 20-fold to over 3000-fold. The dust-mist respirator exhibited almost no penetration as a result of the air ion emission. The difference in the enhancement factors observed for different masks exposed to the same air ion concentration can be attributed to their filter materials. As very little information on the properties of the filter materials used for commercial respirators is available from the manufacturer, no further discussion can be offered at this point.
Effect of the Air Ion Polarity and EmissionRate
The continuous emission of unipolar ions at the same rate caused approximately the same enhancement effect, irrespective whether the emitted ions were positive [AS150MM (+)] or negative [AS150MM (-)]. The effect of the polarity of air ions is shown in Figure 5 for the R95 respirator (a and b) and surgical mask (c and d) operated at 30 L/min.
Table 2 shows the enhancement factors provided by the *VI-3500 Vortex ionic air purifier (higher emission rate) and the AS150MM purifiers (lower rate). The data show that the higher concentration of air ions in the vicinity of the respirator resulted in a stronger enhancement of the respirator performance.
Effect of the Inhalation Flow Rate
The penetration efficiency curves, obtained for the N95-type respirator operated at a flow rate of 85 L/min, are shown in Figure 6. Continuous emission of negative ions by the *VI-3500 Vortex ionic air purifier during 12 minutes decreased the penetration efficiency of ultrafine particles through the respirator filter from about 3.5% to <0.1%. For larger particles (da ~ 1 µm), the penetration efficiency decreased from approximately 1.9% to 0.3%. Table 3 compares the enhancement factors determined for N95 and R95 respirators face-sealed on the manikin and operated at two inhalation flow rates (the values are particle size integrated within the test range of da = 0.04 – 1.3 µm). The change in the flow rate seems to have no significant effect on the particle penetration through the N95 respirator. The role of the inhalation rate appeared to be more prominent for the R95 respirator as the enhancement factor increased almost 3-fold with the flow rate increasing from 30 to 85 L/min. The difference between the data obtained for the R95 and N95 respirators, with respect to the flow rate effect on their performance enhancement, is likely caused by different properties of the filter materials (electret media of N95 versus carbon-based media of R95).
Effect of the Ion Emission Time
Resulting from the tests conducted for 3-, 6-, 9-, and 12-minute time intervals, the penetration efficiency values integrated over the tested particle size range showed some decrease with the time. Although observed for all masks, this trend was not statistically significant (p-values of all t-tests were greater than 0.05). The findings suggest that the major enhancement of the respirator performance is achieved within the first 3 minutes of ion emission. The actual “characteristic” time of the enhancement effect is likely to be shorter than 3 minutes since the air ion concentration reaches its saturation level during the time interval as short as l0 seconds after the emitter is turned on. However, the study design limitations and the measurement precision criteria did not allow us to conduct tests at t<<3 min.
Conclusions
Continuous emission of unipolar air ions by corona-ionizing air purifiers in the vicinity of a disposable half-mask respirator enhanced its protection characteristics against fine and ultrafine particles of bacterial and viral size ranges. In this study, the effect was proven for four types of face-sealed respiratory protection devices, including N95, R95, and dust-mist respirators, as well as surgical masks, with the particle penetration efficiency reduction up to about 3000-fold. The enhancement of the respirator filtering efficiency does not appear to depend on the particle size (within the size range tested in this study). While a higher ion emission rate is strongly associated with greater respirator performance, the ion polarity (negative versus positive) was found to have no effect on the performance enhancement factor. The findings hold true for two inhalation flow rates tested in this study: 30 and 85 L/min. It was concluded that the major enhancement effect occurred in the first 3 minutes of the ion emission. Overall, a dramatic improvement of the aerosol filtering efficiency of a disposable respirator due to continuous unipolar ion emission is achievable under various conditions. It should be noted that our experiments presented in this paper utilized a manikin-based protocol with a respirator/mask, which was face-sealed on the manikin, so that we addressed primarily the aerosol penetration through a filter material; the respirator fit remains beyond the scope of this study and should perhaps be investigated more appropriately through tests involving human subjects and a fit-testing protocol.
Acknowledgements
The participation of Dr. Byung Uk Lee in this study was supported in parts by the Korea Science & Engineering Foundation (KOSEF) and Korea Institute of Science and Technology (KIST). The authors wish to thank Wein Products, Inc. for the equipment and resources that the company made available to this project. The authors extend their appreciation to Ms. Alexandra-Sasha Appatova for her help in prepa1ing and editing this paper.
Disclaimer
Reference to any companies or specific commercial products does not constitute or imply their endorsement, recommendation, or favoring by the University of Cincinnati or by the investigators conducting this study.
*This document originally pertained to Vortex VI-2500 and Minimate AS150MM, Wein Products, Inc.
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