Évaluation des purificateurs d’air ioniques pour réduire l’exposition aux aérosols dans les espaces intérieurs confinés

Air intérieur 2005

WWW.BLACKWELLPUBLISHING.COM
SA Grinshpun, G. Mainelis, M. Trunov, A. Adhikari, T. Reponen, K. Willeke
CENTRE D’ÉTUDES SUR LES AÉROSOLS LIÉS À LA SANTÉ, DÉPARTEMENT DE LA SANTÉ ENVIRONNEMENTALE; UNIVERSITÉ DE CINCINNATI, OHIO, ÉTATS-UNIS. ADRESSE ACTUELLE DÉPARTEMENT DES SCIENCES DE L’ENVIRONNEMENT UNIVERSITÉ RUTGERS, NOUVEAU-BRUNSWICK, NEW JERSEY, ÉTATS-UNIS. ADRESSE ACTUELLE DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE, NEW JERSEY, USA. INSTITUT DE TECHNOLOGIE, NEWARK, NEW JERSEY. ETATS-UNIS.

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Abstrait

De nombreuses techniques ont été développées au fil des ans pour réduire l’exposition aux aérosols dans les environnements d’air intérieur. Parmi les purificateurs d’air intérieur de différents types, les émetteurs ioniques ont gagné une attention croissante et sont actuellement utilisés pour éliminer les particules de poussière, les aéroallergènes et les micro-organismes en suspension dans l’air intérieur. Dans cette étude, cinq purificateurs d’air ioniques (deux portables et trois fixes) qui produisent des ions d’air unipolaires ont été évalués en ce qui concerne leur capacité à réduire l’exposition aux aérosols dans les espaces intérieurs confinés. La décroissance de concentration de particules respirables de différentes propriétés a été surveillée en temps réel à l’intérieur de la zone de respiration d’un mannequin humain, qui a été placé dans une chambre de plain-pied relativement petite (2,6 m³) pendant le fonctionnement d’un purificateur d’air ionique en air calme et sous la condition de mélange d’air. L’efficacité d’élimination des particules en fonction de la taille des particules a été déterminée en utilisant les données recueillies avec un compteur de particules optique sélectif en taille. L’efficacité d’élimination du plus puissant des deux purificateurs ioniques portables a atteint environ 50% après 15 min et presque 100% après 1,5 h de fonctionnement continu dans la chambre dans des conditions d’air calme. En l’absence de ventilation externe, un mélange d’air, particulièrement vigoureux (900 CFM), a amélioré l’effet d’épuration de l’air. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque le mannequin a été placé à l’intérieur d’une enceinte partielle qui simulait une configuration de siège d’avion. Les trois purificateurs d’air ioniques stationnaires testés dans cette étude se sont avérés capables de réduire la concentration d’aérosol dans un espace intérieur confiné. L’unité stationnaire la plus puissante a démontré une efficacité d’élimination des particules extrêmement élevée qui a fortement augmenté jusqu’à près de 90% en 5-6 min, atteignant environ 100% en 10-12 min pour toutes les tailles de particules (0,3-3 µm) testées dans la chambre. Pour les unités de même taux d’émission, les données suggèrent que la polarité ioniqueen soi (négatif ou positif) n’affecte pas les performances, mais le taux d’émission d’ions le fait. Les effets de la taille des particules (dans la plage testée) et des propriétés (NaCl, PSL, bactéries Pseudomonas fluorescens ) ainsi que les effets de la température corporelle du mannequin et de sa respiration sur les performances du purificateur ionique étaient soit faibles, soit insignifiants. Les données suggèrent que les purificateurs d’air ioniques unipolaires sont particulièrement efficaces pour réduire l’exposition aux aérosols dans la zone de respiration lorsqu’ils sont utilisés dans des espaces confinés avec un rapport surface / volume relativement élevé.

Les implications pratiques

Les purificateurs d’air ioniques sont devenus de plus en plus populaires pour éliminer les particules de poussière, les aéroallergènes et les micro-organismes en suspension dans l’air intérieur dans divers contextes. Bien que l’effet d’épuration de l’air intérieur, résultant de l’émission d’ions unipolaire et bipolaire, ait été testé par plusieurs chercheurs, il existe encore des affirmations controversées (favorables et défavorables) sur les performances des purificateurs d’air ioniques disponibles dans le commerce. Parmi les cinq purificateurs d’air ioniques testés (deux portables et trois fixes) produisant des ions d’air unipolaires, les unités avec un taux d’émission d’ions plus élevé ont fourni une efficacité d’élimination des particules plus élevée. La polarité ionique (négative vs positive), la taille des particules (0,3-3 µm) et les propriétés (NaCl, PSL, Pseudomonas fluorescensbactéries), ainsi que la température corporelle et la respiration n’ont pas considérablement affecté l’élimination des particules due à l’ionisation. Les données suggèrent que les purificateurs d’air ioniques unipolaires sont particulièrement efficaces pour réduire l’exposition aux aérosols dans la zone de respiration lorsqu’ils sont utilisés dans des espaces confinés avec un rapport surface / volume relativement élevé (comme les cabines d’automobiles, les sièges d’avion, les salles de bains, les cellules bureaux, petits locaux d’habitation et enclos pour animaux). Sur la base de nos expériences, nous avons proposé que les purificateurs avec un taux d’émission d’ions très élevé fonctionnent en mode intermittent s’ils sont utilisés à l’intérieur pendant de longues périodes. Au fur et à mesure que les particules migrent et se déposent sur les surfaces intérieures pendant le fonctionnement des purificateurs d’air ioniques, une contamination de surface excessive peut se produire, ce qui introduit le besoin de nettoyer périodiquement ces surfaces.

introduction

Les particules et les micro-organismes en suspension dans l’air peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, tels que l’asthme et des maladies allergiques (Burge, 1990; Koskinen et al., 1995; Miller, 1992; Spengler et al., 1993) ainsi que des infections aéroportées (Burge, 1990) . L’exposition aux polluants des aérosols intérieurs est devenue un problème croissant de santé publique et professionnelle (American Lung Association, 1997; Gammage et Berven, 1996; Samet et Spengler, 1991). Les flambées de maladies émergentes et la menace de bioterrorisme ont généré des besoins spéciaux en matière de purification de l’air intérieur contre les particules respirables, en particulier celles d’origine biologique. Les stratégies développées pour protéger les environnements des bâtiments contre les agents aérosols délibérément utilisés nécessitent des systèmes efficaces de filtration et de purification de l’air [Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH), 2003]. Les purificateurs d’air intérieurs conventionnels comprennent des filtres mécaniques, des purificateurs d’air électroniques, des filtres hybrides, des filtres en phase gazeuse et des générateurs d’ozone. Parmi divers mécanismes, l’émission d’ions, également appelée ionisation de l’air, s’est révélée très prometteuse. L’émission d’ions bipolaires améliore l’agglomération de particules plus petites en particules plus grosses, qui se déposent ensuite par gravitation et purifient ainsi l’air. L’ionisation peut également provoquer une attraction entre les particules et les surfaces mises à la terre, entraînant un dépôt électrostatique. qui se déposent ensuite gravitationnellement et purifient ainsi l’air. L’ionisation peut également provoquer une attraction entre les particules et les surfaces mises à la terre, entraînant un dépôt électrostatique. qui se déposent ensuite gravitationnellement et purifient ainsi l’air. L’ionisation peut également provoquer une attraction entre les particules et les surfaces mises à la terre, entraînant un dépôt électrostatique.

Les effets physiques et biologiques des petits ions de l’air sur la qualité de l’air intérieur ainsi que divers avantages pour la santé et les implications de l’ionisation de l’air ont été discutés dans la littérature (Daniell et al., 1991; Kondrashova et al., 2000; Krueger et Reed, 1976. ; Soyka et Edmonds, 1977; Van Veldhuizen, 2000; Wehner, 1987). Les émetteurs d’ions, qui répondent aux normes sanitaires (par exemple en ne générant pas d’ozone au-dessus des seuils établis), ont été incorporés dans des dispositifs commerciaux de purification d’air qui utilisent l’émission d’ions bipolaire ou unipolaire. Ces appareils sont actuellement produits par plusieurs fabricants dans le monde (Sharper Image Inc., Little Rock, AR, USA; Topway Electronic Factory Co., Guangzhou, Chine; Wein Products, Inc.,Los Angeles, Californie, États-Unis; etc.) et utilisé dans les environnements résidentiels et professionnels pour éliminer les particules de poussière, les aéroallergènes et les micro-organismes en suspension dans l’air. L’émission d’ions a été testée par plusieurs chercheurs pour sa capacité à réduire la concentration d’aérosol à l’intérieur (Bigu, 1983; Bohgard et Eklund, 1998; Grabarczyk, 2001; Harrison, 1996; Hopke et al., 1993; Khan et al., 2000 ; Kisieliev, 1966; Li et Hopke, 1991). L’effet bactéricide de l’ionisation de l’air a également été évalué (Lee, 2001; Marin et al., 1989; Seo et al., 2001; Shargavi et al., 1999). Cependant, les mécanismes impliqués dans la purification ionique de l’air inhalé dans la zone respiratoire restent mal connus. En outre, il existe encore des revendications controversées (favorables et défavorables) concernant les performances des purificateurs d’air ioniques disponibles dans le commerce.

Les purificateurs d’air ioniques sont disponibles sous forme d’appareils fixes et portables. Ces derniers ont été spécifiquement développés pour la protection respiratoire individuelle en ciblant les particules dans la zone de respiration humaine. Certains modèles sont conçus pour fonctionner dans des espaces confinés, tels que les automobiles, les cabines d’avion, les salles de bain, les cabines de bureau et les confinements pour petits animaux. Notre étude pilote a démontré que l’émission d’ions unipolaire par décharge corona peut réduire considérablement la concentration d’aérosol dans la zone de respiration (Grinshpun et al., 2001). Nous avons conclu que la diminution de la concentration, pendant l’ionisation de l’air, se produit lorsque les ions de l’air transmettent des charges électriques de la même polarité aux particules d’aérosol, et les particules chargées unipolairement se repoussent ensuite hors de la zone de respiration vers les surfaces proches, où elles se déposent. . Une enquête plus récente de notre groupe (Lee et al., 2004) a montré qu’une émission à haute densité d’ions unipolaires a un bon potentiel pour le nettoyage de l’air dans les espaces intérieurs de la taille d’une pièce uniformément contaminés par des particules d’aérosol fines et ultrafines. Un autre travail récent – une étude théorique approfondie de Mayya et al. (2004), en attente de publication au moment de la rédaction du présent article, a identifié et analysé plusieurs facteurs physiques affectant l’élimination des particules en suspension dans l’air par ionisation unipolaire et développé un modèle informatique avancé pour quantifier le processus. Un autre travail récent – une étude théorique approfondie de Mayya et al. (2004), en attente de publication au moment de la rédaction du présent article, a identifié et analysé plusieurs facteurs physiques affectant l’élimination des particules en suspension dans l’air par ionisation unipolaire et développé un modèle informatique avancé pour quantifier le processus. Un autre travail récent – une étude théorique approfondie de Mayya et al. (2004), en attente de publication au moment de la rédaction du présent article, a identifié et analysé plusieurs facteurs physiques affectant l’élimination des particules en suspension dans l’air par ionisation unipolaire et développé un modèle informatique avancé pour quantifier le processus.

Dans cette étude, nous avons déterminé les efficacités d’élimination des particules de cinq dispositifs de purification d’air ionique – deux unités portables et trois unités stationnaires – qui produisent des ions unipolaires (positifs ou négatifs). La décroissance de la concentration des particules respirables (0,3 à 3 μm) a été surveillée en temps réel à l’intérieur de la zone respiratoire d’un mannequin humain placé dans une chambre simulant un environnement intérieur confiné. Le rôle du mélange d’air dans la chambre ainsi que l’effet respiratoire et l’effet de la température corporelle sur les performances des purificateurs d’air ioniques ont également été étudiés.

Conception et méthodes de l’étude

Salle de test

Les essais ont été réalisés dans une chambre de plain-pied en bois (peintes) ayant des dimensions intérieures de L x W x H = 1,2 mx 1,0 mx 2,2 m ≈ 2,6 m³. Un mannequin humain de taille standard a été placé à l’intérieur face au centre de la chambre, voir Figure 1. Le nez du mannequin était situé à 0,3 m du fond de la chambre, à 0,5 m des parois latérales et à 1 m du sol (position assise). Cette configuration a été utilisée dans nos études précédentes sur les évaluations des respirateurs (Willeke et al., 1996).

 Mise en place expérimentale pour tester l'efficacité ou les purificateurs d'air ioniques
Fig.1 Configuration expérimentale pour tester l’efficacité des purificateurs d’air ioniques
Génération d’aérosols et modèles d’écoulement

Des particules de NaCl polydispersées et des sphères de latex de poly styrène (PSL) monodispersées, ainsi que des cellules bactériennes de Pseudomonas fluorescens ont été utilisées comme aérosols de test. Les deux types de particules biologiquement inertes (NaCl et PSL) et de bactéries P. fluorescens ont été largement utilisés dans des études antérieures pour évaluer les appareils d’échantillonnage et les respirateurs (Grinshpun et al., 1999; Mainelis et al., 2002a, b; Stewart et al. , 1995; Terzieva et al., 1996; Wang et al., 2001; Willeke et al., 1996). P. fluorescens à Gram négatifles bactéries se trouvent couramment dans les environnements aériens. Un nébuliseur Collison standard (BGI Inc., Waltham, MA, USA) fonctionnant à un débit de 6 1 / min a été utilisé pour aérosoliser les particules d’essai à partir d’une suspension liquide. Le contenu liquide des gouttelettes aérosol a été évaporé en mélangeant le flux d’aérosol avec 80 1 / min d’air filtré sec. Le flux d’air combiné est entré dans la chambre d’essai à travers une unité de laminage et de distribution d’air. L’échappement d’air, positionné au fond de la chambre, était relié à une pompe externe à travers un filtre HEPA.

 La plupart des tests ont été réalisés avec un aérosol de NaCl généré à partir d’une solution préparée en dissolvant 20 g de NaCl de qualité réactif (Fisher Chemical, Fair Lawn, NJ, USA) dans 400 ml d’eau désionisée et stérilisée. Après séchage, les particules avaient un large spectre de tailles, y compris la plage d’intérêt [0,3 à 3 um telle que mesurée par un compteur optique de particules (OPC)]. Cette gamme représente une grande variété d’aéroallergènes et d’agents microbiens (Reponen et al., 2001).

Deux fractions de taille de sphères PSL (Bangs Laboratories, Inc., Fishers, IN, USA), avec des diamètres de comptage médians de 0,44 um (ag = 1,07) et 0,95 um (ag = 1,1), ont été utilisées pour des expériences sélectionnées. Avant l’aérosolisation, la suspension de particules de PSL a été désagglomérée pendant 5 min dans un bain à ultrasons (modèle 220, Branson Cleaning Equipment Co., Shelton, CT, USA). Des bioaérosols de P. fluorescens (ATCC 13525; American Type Culture Collection, Rockville, MD, USA), des cellules bactériennes en forme de bâtonnet de dₚ ₚ 0,8 µm, ont également été utilisés pour des expériences sélectionnées. Les procédures de préparation microbienne standard utilisées dans nos études précédentes (Mainelis et al., 2002a, b; Stewart et al., 1995; Wang et al., 2001) ont été suivies avant d’aérosoliser les cellules de P. fluorescens . Les tests avec PSL etP. fluorescens ont été réalisées pour étudier l’effet du matériel physique et de l’état biologique des particules sur l’élimination des particules par émission continue d’ions dans l’air.

Surveillance des aérosols

Au cours de chaque essai, la concentration et la distribution de taille des particules en suspension dans l’air ont été surveillées en temps réel avec un OPC (modèle 1.108; Grimm Technologies Inc., Douglasville, GA, USA). Il a énuméré les particules d’aérosol toutes les minutes dans 16 canaux de détection dans la plage de tailles de particules de 0,3 à environ 30 µm. La plage d’intérêt était représentée par les huit canaux suivants (les fractions de taille sont répertoriées par leurs points médians de canal): <d p > = 0,35, 0,45, 0,58, 0,73, 0,90, 1,3, 1,8 et 2,5 um.

Un purificateur d’air portable a été placé sur la poitrine du mannequin de sorte que le point d’émission d’ions soit aligné avec le nez du mannequin, qui était à 0,2 m au-dessus du purificateur. L’entrée OPC était positionnée directement au-dessus de la sortie du purificateur, perpendiculairement à la ligne entre le purificateur et le nez du mannequin. L’efficacité d’aspiration de l’entrée OPC est d’environ 100% quelle que soit son orientation puisque les particules à tester (0,3-3,0 µm) sont pratiquement sans inertie (Grinshpun et al., 1990, 1993). Au début, les mesures OPC ont été effectuées à trois endroits: 1, 10 et 19 cm au-dessus du point d’émission d’ions. Bien que la variabilité de la concentration d’aérosol près de l’ioniseur soit très élevée, les concentrations d’aérosol mesurées à 10 cm (niveau supérieur de la poitrine) et 19 cm (zone nez-bouche) étaient essentiellement les mêmes avec une variabilité allant de 10 à 20% pour toute la gamme de tailles de particules testées. Nous avons conclu qu’il suffirait de mesurer l’aérosol au point représentant l’air inhalé.

Lors de l’évaluation des performances des purificateurs d’air fixes, un prélèvement d’aérosols a également été réalisé dans la zone de respiration, tandis que l’unité testée était placée soit sur le sol, soit sur la table (conformément à sa fonction opérationnelle). Dans l’ensemble, le point d’inhalation semble être l’emplacement le plus approprié pour l’entrée de l’OPC car l’objectif ultime est de caractériser l’effet de purification de l’air des émetteurs ioniques en termes d’exposition respiratoire aux contaminants en suspension dans l’air. Notre étude préliminaire n’a révélé aucun effet significatif de la distance entre le point d’émission et les parois de la chambre d’essai sur la concentration d’aérosol tant que cette distance dépassait 0,45 m. Les purificateurs d’air stationnaires ont été évalués à égale distance entre le visage du mannequin et le mur opposé.

Détermination de l’efficacité d’élimination des particules

La concentration d’aérosol spécifique à la taille, C ( p ) a été mesurée en fonction du temps de surveillance, t . La décomposition naturelle a été mesurée pendant 10 h comme test de base. Dans les expériences impliquant l’émission d’ions dans l’air, la durée variait de 1 à 3 h, selon le taux d’émission du purificateur d’air ionique testé. Pour chaque purificateur, deux courbes de décroissance de concentration ont été obtenues: la décroissance naturelle, c’est-à-dire lorsque l’émetteur d’ions était ‘off’ [ natural  ( p , t )], et celle avec l’émetteur d’ions ‘on’ [ ionizer ( p , t )]. L’efficacité d’élimination des particules a été déterminée comme suit:

Équation d'efficacité d'élimination des particules
Équation d’efficacité d’élimination des particules

La décomposition naturelle dépend des conditions de mélange de l’air dans la chambre. Par conséquent, des tests de référence séparés ont été menés dans de l’air calme ainsi qu’avec le ventilateur fonctionnant à 33 et 900 CFM.

Il convient de noter que la définition ci-dessus est différente du rapport entre les niveaux de concentration initiale et finale des aérosols, qui est appelé «facteur de réduction de concentration (CRF)» et souvent utilisé dans la littérature. Mayya et coll. (2004) ont reconnu la limitation du CRF en indiquant qu’il «n’est pas un indice primaire des performances de l’ioniseur». L’efficacité d’élimination des particules utilisée dans cette étude permet de comparer la diminution de la concentration induite par l’ionisation à la désintégration naturelle se produisant en raison de la sédimentation gravitationnelle, de la diffusion et d’autres mécanismes.

Procédure expérimentale

Avant chaque expérience, la chambre d’essai a été ventilée en fournissant de l’air exempt de particules et d’ions pendant environ 1 h, jusqu’à ce que la concentration totale de particules à l’intérieur de la chambre soit inférieure à 10 3 particules par litre d’air. À ce moment-là, la ventilation a été désactivée et le système de génération d’aérosol a été activé. Les ventilateurs fonctionnaient en deux points à l’intérieur de la chambre pour obtenir une concentration d’aérosol uniforme dans tout le volume. Une fois que la concentration totale a atteint environ 10⁶ particules par litre d’air, le générateur d’aérosol et le ventilateur ont été arrêtés. Après avoir attendu 5 min pour permettre à la concentration de se stabiliser, le test a commencé ( t = 0). Lors de l’utilisation d’un mannequin non respirant dans des conditions d’air calme, le seul appareil qui fonctionnait à l’intérieur de la chambre à t> 0 était l’OPC, qui fonctionnait à un débit très faible (1,2 1 / min) de sorte qu’aucun mouvement d’air considérable ne se produisait. Lors d’un test avec un mannequin respiratoire ou dans des conditions de mélange d’air, la machine de simulation de respiration ou / et le ventilateur de mélange d’air ont produit un mouvement d’air significatif à l’intérieur de la chambre. Les tests impliquant le mannequin respiratoire ont été réalisés pour déterminer si le cycle d’inhalation-expiration affecte l’efficacité d’élimination des particules du purificateur d’air ionique testé. Le flux d’air était fourni par une machine de simulation respiratoire située à l’extérieur de la chambre d’essai. La décroissance de la concentration d’aérosol résultant uniquement de la simulation de la respiration a été comparée à la décomposition naturelle de l’aérosol dans la chambre. Les tests ont également été réalisés avec le mannequin préchauffé à une température moyenne de T= 40 ° C. Ces expériences ont été menées pendant 1 h pour évaluer si la température corporelle affecte les performances du purificateur ionique. La décroissance de la concentration d’aérosol mesurée avec le mannequin préchauffé a été comparée aux résultats obtenus avec un mannequin non chauffé ( T = 23 ° C). Le mannequin était fait d’un matériau non conducteur et habillé d’une blouse de laboratoire (non représentée sur la figure 1), qui était lavée entre les tests.

Un ensemble séparé d’expériences a été réalisé avec le mannequin placé dans une enceinte partielle construite à l’intérieur de la chambre d’essai. Cet espace confiné était limité par des panneaux avant, latéraux et suspendus. La configuration simulait une section de sièges passagers dans un avion (panneau avant = siège avant, panneaux latéraux = passagers à proximité, panneau supérieur = compartiment supérieur). Le volume de l’  espace aérien partiellement clos était d’environ 0,275 m³, soit environ 0,250 m³ d’espace ouvert à l’avant et sur les côtés du mannequin et environ 0,025 m³ d’espace libre entre la tête du mannequin et le panneau supérieur. Des espaces de 7,5 cm entre les panneaux permettaient un échange d’air. Pour évaluer l’effet du volume d’air intérieur sur l’efficacité d’élimination des particules, une unité portable placée dans une très petite chambre-boîte en polystyrène ( x= 0,31 mx 0,30 mx 0,28 m ≈ 0,026 m³ = 1/100 de la chambre d’essai principale). Le purificateur était situé au milieu de la surface inférieure (les petites dimensions de la chambre-box ne permettaient pas d’utiliser le mannequin à l’intérieur de la boîte). L’entrée OPC était positionnée à 10 cm au-dessus du point d’émission d’ions.

Purificateurs d’air testés

Deux modèles de purificateurs d’air ioniques portables, fournis par Wein Products, Inc. (Los Angeles, CA, USA), ont été testés dans cette étude. L’un était équipé d’une grille métallique agissant comme un précipitateur électrostatique, le prototype Minimate * (également appelé W1), et l’autre n’avait pas de grille, le prototype Minimate * (également appelé W2). Les deux unités ont émis des ions positifs, le taux de production de W2 étant cinq à dix fois supérieur à celui de W1. Les densités ioniques estimées produites par ces appareils (sur la base des données de mesure rapportées par le fabricant) étaient comprises entre ~ 0,5 x 10⁵ et ~ 5 x 10⁵ ions par cm³ à une distance de 1 m du point d’émission, en supposant un air calme. conditions.Trois unités stationnaires (également de Wein Products, Inc.) étaient l’AS250B * (également appelé S1) avec une densité d’ions estimée de ~ 2 x 10⁵ ions positifs / cm³ à 1 m du point d’émission, l’AS1250B * (référencé comme S2) avec ~ 5 x 10⁵ ions positifs / cm³ et le VI-3500 (appelé S3) avec ~ 30 x 10⁵ ions négatifs / cm³. Pour chaque ensemble de conditions, trois tests répétés ont été effectués. Bien que la variabilité de la concentration d’aérosol mesurée soit de près de 20% pour les particules de NaCl et de PSL et d’environ 25% pour les bactéries, l’efficacité d’élimination a montré une très faible variabilité (généralement <5%). Les données ont été analysées statistiquement en utilisant le progiciel Microsoft Excel (Microsoft Co., Redmond, WA, USA).

résultats et discussion

Désintégration naturelle de la concentration de particules en suspension dans l’air

En l’absence d’émission d’ions, la concentration d’aérosol dans la chambre d’essai a diminué lentement avec le temps.

Les mécanismes naturels d’épuration de l’air dans un air calme contaminé par des particules fines (environ 0,1 à 2 µm) sont principalement la sédimentation et la diffusion gravitationnelles. Pour la plage granulométrique testée de 0,3 à 3 µm, la décroissance naturelle de la concentration d’aérosol est principalement due à la sédimentation. Les données de mesure ont montré que la concentration de 2 à 3 µm de particules de NaCl dans la chambre d’essai diminuait naturellement de 50% en environ 2 h, tandis que pour des particules de 1 µm de NaCl et P. fluorescenscellules, la diminution de 50% a pris plus de 10 h. La concentration de 0,3-0,4 µm de particules de NaCl a montré une diminution <10% pendant une période de 10 h. La plupart de nos expériences impliquant des purificateurs d’air ioniques ont été menées dans des délais beaucoup plus courts (1 à 3 h), car nos données pilotes ont montré que l’ionisation de l’air peut réduire considérablement la concentration d’aérosol pendant environ une heure (Grinshpun et al., 2001).

Purificateurs d’air ioniques portables

La figure 2 montre l’efficacité d’élimination des particules en fonction du temps pour les purificateurs d’air ioniques portables W1 et W2 fonctionnant dans un air calme. Les deux figures du haut montrent les données de mesure sélectives de taille obtenues avec des particules de NaCl et enregistrées dans les huit premiers canaux OPC. Les figures du bas montrent les données de taille intégrée pour toute la gamme de tailles de particules mesurées de 0,3 à 3 μm. Les données suggèrent que l’efficacité d’élimination n’avait pas de tendance claire avec la taille des particules (dans la plage testée). L’efficacité d’élimination des particules de W1 a augmenté progressivement de 5 à 15% à t = 15 min à environ 30 à 40% à t= 1 h. Les données à taille intégrée démontrent que le nettoyage de l’air fourni par ce purificateur a atteint des niveaux considérables après avoir fonctionné en continu dans la chambre pendant plus d’une heure: la concentration d’aérosol de NaCl dans la zone de respiration a diminué d’un facteur 2 (efficacité d’élimination = 50%) après 1,5 h et presque cinq fois (efficacité d’élimination = 80%) après 3 h. Les valeurs d’efficacité d’élimination spécifiques à la taille des particules se situaient dans un couloir de 15% les unes des autres à chaque instant spécifique.

Le purificateur étiqueté W2 a fourni un nettoyage de l’air beaucoup plus efficace que W1, ce qui peut être attribué à un taux de production d’ions plus élevé. L’efficacité d’élimination des particules de W2 a atteint environ 50% pendant les 15 premières minutes et a continué d’augmenter avec le temps. Grâce à son fonctionnement continu d’une heure et demie sur la poitrine du mannequin, près de 100% des particules initialement en suspension dans l’air ont été éliminées de la zone de respiration. La comparaison des caractéristiques de performance de W1 et W2 dans des conditions d’air calme confirme que l’épuration de l’air fournie par une émission d’ions unipolaire devient plus efficace à un taux de production d’ions plus élevé.

Fig. 2 Efficacité d'élimination des particules (spécifique à la taille et intégrée à la taille) de deux purificateurs d'air ioniques portables (W1 et W2) en fonction de leur temps de fonctionnement en air calme.
Fig. 2 Efficacité d’élimination des particules (spécifique à la taille et intégrée à la taille) de deux purificateurs d’air ioniques portables (W1 et W2) en fonction de leur temps de fonctionnement en air calme.

Lorsque le ventilateur a fonctionné dans la chambre d’essai à 33 CFM, il a produit un niveau de vitesse de l’air équivalent au taux d’échange d’air d’environ 20 AEH (aucune ventilation externe n’a été réellement introduite pendant les essais). À ce taux de mélange d’air, les efficacités d’élimination des particules des deux purificateurs d’air ioniques portables étaient légèrement plus élevées que dans des conditions d’air calme. Cependant, la différence n’était pas statistiquement significative ( test t : p > 0,05). Une fois que le mélange d’air vigoureux (900 CFM) a été introduit, le nettoyage de l’air est devenu beaucoup plus rapide. Les courants d’air intensifient la propagation des ions dans la chambre et améliorent les interactions ion-particules. Cela rend le

la charge des particules par les ions d’air est plus efficace et augmente par conséquent l’efficacité d’élimination.

Fig. 3 Effet du taux de mélange d'air (33 et 900 CFM) sur l'efficacité d'élimination des particules (spécifique à la taille et intégrée à la taille) du purificateur d'air ionique W2 en fonction du temps de fonctionnement.
Fig. 3 Effet du taux de mélange d’air (33 et 900 CFM) sur l’efficacité d’élimination des particules (spécifique à la taille et intégrée à la taille) du purificateur d’air ionique W2 en fonction du temps de fonctionnement.

La figure 3 présente les données obtenues avec W2 fonctionnant dans des conditions de mélange d’air de 33 et 900 CFM. On voit que pendant les 15 premières minutes, environ 50 à 60% des particules en suspension dans l’air ont été éliminées à 33 CFM et environ 65 à 80% à 900 CFM. L’émission d’ions semblait suffisante pour nettoyer l’air de la chambre de pratiquement toutes les particules à tester en environ 1 h de fonctionnement lorsqu’elle était renforcée par un ventilateur de 33 CFM dans la chambre: la concentration d’aérosol intégrée à la taille déterminée pour d p = 0,3 3,0 µm ont diminué à près de 1% de son niveau initial. À 900 CFM, toutes les fractions granulométriques, à l’exception des deux plus grandes, d p = 1,6-2,0 µm (<d p > = 1,8 µm) et 2,0-3,0 µm (<dp> = 2,5 µm), a montré la réduction de la concentration d’aérosol d’un facteur de ~ 10² –10³ en environ 40 min. Les courbes représentant <d p > = 1,8 et 2,5 µm montrent une variabilité excessive car un mélange d’air intensif a éliminé très rapidement les particules les plus grosses de l’air, rendant la mesure de concentration de base statistiquement peu fiable en 30 à 40 minutes environ. Par conséquent, l’efficacité intégrée de taille à 900 CFM n’est indiquée que pour d p = 0,3-1,6 µm.

Comparé à un taux d’échange d’air typique dans un environnement intérieur (Abt et al., 2000), le taux de mélange d’air de 900 CFM crée un mouvement d’air plutôt excessif (surtout lorsqu’il est appliqué à des espaces confinés), tandis que 33 CFM semble plus raisonnable. Comme les données collectées avec les deux purificateurs portables montrent que l’augmentation de 0 à 33 CFM n’a pas affecté de manière significative leurs performances, d’autres expériences ont été réalisées à 33 CFM. Ainsi, d’une part, en introduisant un certain mélange d’air, nous avons rendu nos conditions expérimentales plus représentatives d’une petite pièce ou cabine typique, et, d’autre part, nous avons maintenu le taux de mélange d’air en dessous du niveau auquel il commence à affecter de manière significative le efficacité d’élimination des particules.

Purificateurs d’air ioniques stationnaires
Fig.4 Efficacité d'élimination des particules de trois purificateurs d'air ioniques fixes (S1, S2 et S3) en fonction de leur temps de fonctionnement dans des conditions de mélange d'air (33 CFM)
Fig.4 Efficacité d’élimination des particules de trois purificateurs d’air ioniques fixes (S1, S2 et S3) en fonction de leur temps de fonctionnement dans des conditions de mélange d’air (33 CFM)

Les courbes d’efficacité d’élimination des particules pour les trois purificateurs d’air ioniques stationnaires sont présentées à la figure 4. Les courbes représentent les données de surveillance sélectives de taille obtenues avec des particules de NaCl dans des conditions de mélange d’air (33 CFM). Chacun des trois appareils a démontré une efficacité d’épuration de l’air considérable. L’efficacité d’élimination des particules du SI montre une certaine dépendance de la taille des particules, bien que cet effet ne soit pas très prononcé. Les courbes spécifiques à la taille sont similaires à celles obtenues pour l’unité portable W2, ce qui reflète le fait que leurs taux de production d’ions sont approximativement les mêmes. De manière surprenante, S2 qui a un taux de production d’ions plus élevé que S1 ne montre pas une plus grande efficacité d’élimination des particules.

Le troisième purificateur stationnaire, S3, démontre une efficacité d’élimination des particules extrêmement élevée: il a fortement augmenté à près de 90% en 5-6 min, atteignant environ 100% en 10-12 min pour toutes les tailles de particules testées. Ceci est attribué à son taux de production d’ions très élevé. Lorsque cet ioniseur d’air fonctionnait dans la chambre d’essai pendant une période de temps prolongée, telle que 1 h, le nombre élevé d’ions émis dans le volume relativement petit de 2,6 m³ produisait des champs électriques considérables qui entraînaient la charge d’objets à l’intérieur de la chambre, provoquant par la suite des décharges électrostatiques. Nos observations suggèrent que ces décharges électrostatiques indésirables occasionnelles pendant l’activité humaine représentent une limitation pour l’utilisation continue à long terme de puissants dispositifs ioniques dans des espaces confinés. Le problème de sécurité connexe peut être résolu en introduisant une limite de temps pour leur fonctionnement continu. En effet, comme l’efficacité d’élimination des particules de S3 atteint un plateau d’environ 100% en 10-12 min, il n’est pas nécessaire de maintenir ce purificateur en fonctionnement continu pendant une heure dans un volume d’air aussi petit que 2,6 m³. Nous avons examiné les performances de S3 fonctionnant en mode alterné «marche-arrêt» pendant une période de 1 h, au cours de laquelle des ions ont été émis périodiquement pendant 10 min avec une interruption subséquente de 10 min. On a constaté que l’efficacité globale d’élimination des particules dépassait 98% après une heure de son fonctionnement dans ce mode intermittent. Bien que les performances du purificateur soient restées très élevées, le problème de décharge électrostatique a été réduit.

Effet des propriétés des particules d’aérosol d’essai

Pour les cinq purificateurs d’air ioniques évalués dans cette étude, les tests effectués avec des sphères PSL et des bactéries P. fluorescens ont confirmé les résultats obtenus avec l’aérosol NaCl. Lors de l’ essai avec des particules de PSL (d p = 0,44 et 0,95 um), l’efficacité d’élimination est approximativement la même que celle des particules de NaCl de la même taille et le temps de fonctionnement. Cependant, une certaine différence a été observée lors des tests avec des bactéries en suspension dans l’air. Par exemple, les données générées avec des cellules de P. fluorescens utilisant W1r étaient environ 15% inférieures (en moyenne) à celles obtenues avec des particules de NaCl et PSL et présentaient une variabilité considérable. 

Les cellules de Pseudomonas fluorescens sont en forme de bâtonnet et peuvent donc être chargées par des ions d’air différemment des particules sphériques de PSL ou à proximité de particules de sel sphériques. En outre, les niveaux de charge des particules initiales des cellules de P. fluorescens sont susceptibles d’être différents des niveaux de charge initiaux des particules d’essai non biologiques utilisées dans cette étude. Gittens et James (1963) et Sherbet et Lakshmi (1973) ont montré que les bactéries à Gram négatif d’origine hydrique ont une charge de surface globale nette négative en raison de la présence de groupes ionisables amino (NH₂) et carboxyle (COOH) de protéines exposées à la surface cellulaire. Les données rapportées dans nos publications antérieures (Mainelis et al., 2001, 2002c) suggèrent que P. fluorescens en aérosol les bactéries peuvent transporter des charges électriques importantes (jusqu’à 10⁴ de charges élémentaires par cellule individuelle), ce qui contraste fortement avec les faibles charges électriques véhiculées par les particules de NaCl en suspension dans l’air.

Effet du microenvironnement
Fig.5 Effet d'une enceinte partielle sur l'efficacité d'élimination des particules (taille intégrée) de deux purificateurs d'air ioniques portables (W1 et W2) en fonction de leur temps de fonctionnement dans des conditions de mélange d'air (33 CFM)
Fig.5 Effet d’une enceinte partielle sur l’efficacité d’élimination des particules (taille intégrée) de deux purificateurs d’air ioniques portables (W1 et W2) en fonction de leur temps de fonctionnement dans des conditions de mélange d’air (33 CFM)

En plus des expériences décrites ci-dessus menées dans notre chambre d’essai de 2,6 m³, les purificateurs d’air ont également été testés sur un mannequin placé à l’intérieur de l’enceinte partielle (0,275 m³) qui a été placée à l’intérieur de la chambre de plain-pied pour simuler les sièges d’avion. . La figure 5 compare les performances de W1 et W2 dans la chambre de plain-pied (sans enceinte intégrée à l’intérieur) à celles à l’intérieur de l’enceinte. Les efficacités d’élimination des particules présentées ici sont les données intégrées de taille obtenues avec l’aérosol de NaCl au cours d’une expérience de 90 minutes à 33 CFM. La réduction de la concentration d’aérosol s’est avérée se dérouler à un rythme similaire avec et sans l’enceinte partielle. L’efficacité d’élimination des particules était un peu plus élevée à l’intérieur de l’enceinte pour l’unité W2, bien que la différence entre les valeurs intégrées de taille correspondantes pour les deux types d’enceinte soit généralement inférieure à 10%. L’efficacité d’élimination des particules de W2 a atteint environ 40% après 10 min de fonctionnement continu, et environ 70% après 20 min. Après 40 min, il dépassait 90% et se situait entre 95 et 98% entre 60 et 90 min. Pour W1, l’efficacité d’élimination des particules mesurée sur le mannequin à l’intérieur de l’enceinte partielle était inférieure à celle du W2 plus puissant, similaire aux résultats obtenus dans une chambre de plain-pied sans enceinte.

On pense que les performances d’un purificateur d’air ionique dans un microenvironnement spécifique dépendent du volume de ce microenvironnement. Étant donné que le volume d’air à l’intérieur de l’enceinte partielle est d’environ un ordre de grandeur inférieur à celui de la chambre de plain-pied pleine grandeur, il était quelque peu surprenant de trouver une si petite différence entre les données obtenues dans ces deux paramètres. Dans le même temps, cela peut s’expliquer par le fait que l’enceinte partielle présente des espaces importants permettant à l’air «  enfermé  » d’échanger avec l’air de la chambre (représentant les sièges d’avion de passagers, qui n’est pas non plus complètement séparé de l’air dans cabine). Une expérience supplémentaire menée dans une très petite chambre (0,026 m³ a révélé que la concentration de particules dans cette boîte diminuait beaucoup plus rapidement que dans la chambre 100 fois plus grande. Par exemple, lorsque W1 a fonctionné à l’intérieur de cette boîte, l’efficacité d’élimination des particules a atteint 50% en environ 2 minutes et 90% en environ 8 minutes. Les données collectées dans les deux microenvironnements entièrement clos (0,026 et m³) confirment que le temps nécessaire pour éliminer un certain pourcentage de particules d’un microenvironnement entièrement clos par émission d’ions unipolaire est plus important pour le plus grand volume d’air. L’émetteur d’ions fonctionnant dans un volume d’air spécifique crée un nuage d’aérosol chargé, dans lequel les particules (i) se repoussent vers les parois de la chambre où elles se déposent ensuite et (ii) créent des «  charges d’image  » (même magnitude, mais polarité opposée) dans les surfaces non conductrices environnantes de sorte qu’elles soient attirées par ces surfaces et déposées sur elles. Les surfaces de paroi de la petite boîte (en polystyrène diélectrique) favorisent un dépôt électrostatique plus élevé des particules chargées par les ions d’air que les parois en bois peintes de la chambre de plain-pied. De plus, le haut de la petite chambre, qui était proche de l’émetteur d’ions, a dévié le vent ionique d’environ 0,5 m / s. En raison de cette déviation, les ions ont été rapidement et uniformément répartis dans le petit volume d’air de la chambre, provoquant un dépôt considérable de particules sur les surfaces des parois.

Effets de la respiration et de la température corporelle

On pourrait s’attendre à ce que lorsqu’un simulateur de respiration est utilisé avec le mannequin, l’air dans la chambre soit lentement nettoyé en raison du processus d’inhalation-expiration lui-même (certaines particules inhalées seront perdues à l’intérieur de la machine). À une fréquence respiratoire de 30 1 / min (charge de travail moyenne), tout le volume d’air de 2,6 m³ circulerait à travers la machine pendant environ 1,5 h, en supposant qu’aucune molécule d’air n’entrera et ne sortira deux fois. À 85 1 / min (forte charge de travail), cela se produirait pendant environ une demi-heure. La décroissance naturelle de la concentration d’aérosol dans la zone respiratoire, mesurée respectivement avec et sans l’appareil respiratoire fonctionnant avec le mannequin, a permis de déterminer la contribution relative de l’effet respiratoire à la réduction de la concentration particulaire en fonction du temps. À 30 1 / min, cette contribution a progressivement augmenté de 0 à environ 20-40% en 1 h (avec la contribution intégrée dans le temps d’environ 15%). À 85 1 / min, il atteint environ 40-60% en une heure (contribution intégrée dans le temps 25%). Ainsi, la réduction de la concentration d’aérosol qui se produit en raison de la respiration du mannequin est plus petite que l’effet d’épuration de l’air fourni par l’émission d’ions. Il a été conclu que le fonctionnement de l’appareil respiratoire attaché au mannequin avait peu d’effet sur l’évaluation des performances des purificateurs d’air ioniques basée sur le mannequin.

Pour explorer l’effet potentiel de la température corporelle sur le mouvement des ions et des particules et donc sur l’élimination des particules de la zone de respiration, nous avons comparé les données obtenues avec des mannequins non chauffés et préchauffés. Le préchauffage a été choisi plutôt que le chauffage électrique continu, car le système de chauffage électrique a affecté le comportement des ions en suspension près du mannequin pendant le test et, par conséquent, les performances du purificateur d’air. Les efficacités d’élimination des particules du purificateur W2 tracées en fonction du temps ont été comparées pour un mannequin non chauffé maintenu à 23 ° C et un mannequin qui a été préchauffé pour maintenir sa température corporelle moyenne à environ 40 ° C pendant une heure. Les données spécifiques à la taille montrent que la température corporelle n’a pas d’effet significatif sur les performances du purificateur d’air ionique, quelle que soit la taille des particules ( t-test: P > 0,05).

Conclusions et travaux futurs

Les cinq purificateurs d’air ioniques unipolaires testés se sont révélés capables de réduire considérablement la concentration d’aérosol dans la zone de respiration d’un mannequin humain, en particulier dans un espace confiné. Le mélange d’air, particulièrement vigoureux (900 CFM), établi dans une chambre non ventilée a amélioré l’effet d’épuration de l’air. Tout en observant le nettoyage de l’air le plus efficace avec l’émetteur d’ions unipolaire le plus puissant, nous avons constaté que son fonctionnement à long terme (~ 1 h) dans un espace confiné peut charger excessivement les objets à proximité, provoquant des décharges électrostatiques occasionnelles. Comme ce dernier peut limiter l’utilisation continue à long terme de dispositifs ioniques dans des environnements à faible volume, nous proposons que les purificateurs avec un taux de production d’ions très élevé devraient fonctionner en «mode intermittent». Notre test a confirmé la faisabilité de cette approche. Aditionellement, l’utilisation d’émetteurs ioniques en mode intermittent peut réduire le niveau d’ozone qui peut être préoccupant lorsqu’un ioniseur puissant fonctionne pendant une période prolongée (Niu et al., 2001). Une autre limitation (assez évidente) vient du fait que les particules d’aérosol, qui migrent vers les surfaces intérieures et s’y déposent éventuellement, contaminent ces surfaces (les cas extrêmes sont appelés «effet de mur noir»). Ainsi, du point de vue pratique, la purification de l’air basée sur l’émission continue d’ions dans l’air ajoute la nécessité de nettoyer périodiquement les surfaces pour éviter une accumulation excessive de particules. Dans cette optique, il semble important d’étudier l’effet des matériaux de paroi sur l’élimination des particules d’aérosol par ionisation ainsi que sur le nettoyage ultérieur des surfaces intérieures.

Les données suggèrent que la polarité des ions n’affecte pas les performances, mais le taux d’émission d’ions le fait. Les effets de la taille des particules (dans la plage testée) et des propriétés (NaCl, PSL, bactéries P. fluorescens ) ainsi que les effets de la température corporelle et de la respiration du mannequin sur les performances du purificateur d’air ionique étaient soit faibles, soit insignifiants. Il semble que le rôle de la taille des particules devrait être approfondi. Étude expérimentale de Grabarczyk (2001) et travaux théoriques de Mayya et al. (2004) indiquent que le CRF d’un purificateur d’air ionique dépend de la taille des particules. D’autre part, contrairement au CRF, l’efficacité d’élimination des particules définie par l’équation 1 peut avoir montré un effet de taille supprimé parce que ses deux composants, [ ioniseur ( dp , t )] et [ C naturel ( d p , t )], dépendent de la taille des particules.

Les purificateurs d’air ioniques unipolaires semblent être plus efficaces pour réduire l’exposition aux aérosols dans la zone de respiration lorsqu’ils sont utilisés dans des espaces confinés caractérisés par un petit volume et – par conséquent – par un rapport surface / volume relativement élevé (comme l’automobile cabines, sièges d’avion, salles de bains, bureaux cellulaires, petites pièces résidentielles et confinements pour animaux). Davantage de données sont nécessaires pour mieux prédire les performances des purificateurs ioniques dans des pièces présentant des rapports surface / volume différents.

Un autre problème qui mérite une étude plus approfondie est une situation où la génération continue de particules se produit dans un environnement d’air intérieur pendant l’émission d’ions. Nos tests présentés dans cet article ont été effectués lorsque la concentration d’aérosol n’était pas soutenue par une source de particules; par conséquent, la concentration s’est appauvrie essentiellement à zéro après un certain temps. Cependant, si la source de particules est présente, la concentration doit atteindre un niveau d’équilibre, qui est généralement différent de zéro (Mayya et al., 2004). Ce niveau peut être déterminé à partir de l’équation d’équation tenant compte de la vitesse de migration des particules vers les surfaces intérieures et du taux de production de particules par la source. Dans ce travail, nous n’avions pas «l’intention» d’étudier l’effet de la concentration initiale des aérosols sur les performances des purificateurs d’air ioniques. Ainsi, la concentration initiale n’a pas fait l’objet de variations considérables dans nos tests. Cependant, la modélisation théorique menée par Mayya et al. (2004) pour les niveaux de fond couvrant une gamme de six ordres de grandeur a révélé que le processus de chargement des particules dépend de la concentration initiale de l’aérosol. En conséquence, à une concentration initiale élevée, la réduction de concentration devrait se produire rapidement au début (en raison d’un effet de charge d’espace considérable) et ensuite atteindre une quasi-linéarité lorsque la concentration diminue davantage. À des concentrations initiales relativement faibles, il faut s’attendre à un taux d’élimination constant résultant en une réduction approximativement linéaire sur une échelle log-linéaire (Mayya et al., 2004). 

Reconnaissance

Les auteurs sont reconnaissants de la coopération de Wein Products, Inc., qui a aidé à lancer cette recherche et mis à disposition divers dispositifs de purification de l’air pour le projet. L’assistance technique fournie par M. Dainius Martuzevicius lors de la préparation du manuscrit est également appréciée.

* Les unités testées sont des prototypes du purificateur d’air personnel Minimate AS150MM actuellement disponible qui a un taux de production d’ions de 1,2 x 10¹⁴ ions par seconde, comme indiqué par le fabricant.

* Purificateur ionique Sanimate Washroom AS250B

* Automatiser le purificateur ionique enfichable pour voiture AS1250

* Ioniseur de bureau Vortex VI-2500

Version Anglophone :

Evaluation of ionic air purifiers for reducing aerosol exposure in confined indoor spaces

Indoor Air 2005

WWW.BLACKWELLPUBLISHING.COM
S. A. Grinshpun, G. Mainelis, M. Trunov, A. Adhikari, T. Reponen, K. Willeke
CENTER FOR HEALTH-RELATED AEROSOL STUDIES, DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL HEALTH; UNIVERSITY OF CINCINNATI, OHIO, USA. PRESENT ADDRESS DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCES RUTGERS UNIVERSITY, NEW BRUNSWICK, NEW JERSEY, USA. PRESENT ADDRESS MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT, NEW JERSEY, USA. INSTITUTE OF TECHNOLOGY, NEWARK, NEW JERSEY. USA.

Abstract

Numerous techniques have been developed over the years for reducing aerosol exposure in indoor air environments. Among indoor air purifiers of different types, ionic emitters have gained increasing attention and are presently used for removing dust particles, aeroallergens and airborne microorganisms from indoor air. In this study, five ionic air purifiers (two wearable and three stationary) that produce unipolar air ions were evaluated with respect to their ability to reduce aerosol exposure in confined indoor spaces. The concentration decay of respirable particles of different properties was monitored in real time inside the breathing zone of a human manikin, which was placed in a relatively small (2.6 m³) walk-in chamber during the operation of an ionic air purifier in calm air and under mixing air condition. The particle removal efficiency as a function of particle size was determined using the data collected with a size-selective optical particle counter. The removal efficiency of the more powerful of the two wearable ionic purifiers reached about 50% after 15 min and almost 100% after 1.5 h of continuous operation in the chamber under calm air conditions. In the absence of external ventilation, air mixing, especially vigorous one (900 CFM), enhanced the air cleaning effect. Similar results were obtained when the manikin was placed inside a partial enclosure that simulated an aircraft seating configuration. All three stationary ionic air purifiers tested in this study were found capable of reducing the aerosol concentration in a confined indoor space. The most powerful stationary unit demonstrated an extremely high particle removal efficiency that increased sharply to almost 90% within 5-6 min, reaching about 100% within 10-12 min for all particle sizes (0.3-3 µm) tested in the chamber. For the units of the same emission rate, the data suggest that the ion polarity per se (negative vs. positive) does not affect the performance but the ion emission rate does. The effects of particle size (within the tested range) and properties (NaCl, PSL, Pseudomonas fluorescens bacteria) as well as the effects of the manikin’s body temperature and its breathing on the ionic purifier performance were either small or insignificant. The data suggest that the unipolar ionic air purifiers are particularly efficient in reducing aerosol exposure in the breathing zone when used inside confined spaces with a relatively high surface-to-volume ratio.

Practical Implications

Ionic air purifiers have become increasingly popular for removing dust particles, aeroallergens and airborne micro­ organisms from indoor air in various settings. While the indoor air cleaning effect, resulting from unipolar and bipolar ion emission, has been tested by several investigators, there are still controversial claims (favorable and unfavorable) about the performance of commercially available ionic air purifiers. Among the five tested ionic air purifiers (two wearable and three stationary) producing unipolar air ions, the units with a higher ion emission rate provided higher particle removal efficiency. The ion polarity (negative vs. positive), the particle size (0.3-3 µm) and properties (NaCl, PSL, Pseudomonas fluorescens bacteria), as well as the body temperature and breathing did not considerably affect the ionization-driven particle removal. The data suggest that the unipolar ionic air purifiers are particularly efficient in reducing aerosol exposure in the breathing zone when they are used inside confined spaces with a relatively high surface-to-volume ratio (such as automobile cabins, aircraft seating areas, bathrooms, cellular offices, small residential rooms and animal confinements). Based on our experiments, we proposed that purifiers with a very high ion emission rate be operated in an intermittent mode if used indoors for extended time periods. As the particles migrate to and deposit on indoor surfaces during the operation of ionic air purifiers, some excessive surface contamination may occur, which introduces the need of periodic cleaning these surfaces.

Introduction

Inhaled airborne particles and microorganisms can cause adverse health effects, such as asthma and allergic diseases (Burge, 1990; Koskinen et al., 1995; Miller, 1992; Spengler et al., 1993) as well as airborne infections (Burge, 1990). Exposure to indoor aerosol pollutants has become a growing public and occupational health concern (American Lung Association, 1997; Gammage and Berven, 1996; Samet and Spengler, 1991). The outbreaks of emerging diseases and the threat of bioterrorism have generated special needs in indoor air cleaning against respirable particles, especially those of biological origin. Strategies developed for protecting building environments from deliberately used aerosol agents require efficient air filtration and air cleaning systems [National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), 2003]. Conventional indoor air purifiers include mechanical filters, electronic air cleaners, hybrid filters, gas phase filters and ozone generators. Among various mechanisms, the emission of ions, also referred to as air ionization, has shown considerable promise. Emission of bipolar ions enhances the agglomeration of smaller particles into larger ones, which then gravitationally settle and thereby purify the air. Ionization may also cause attraction between particles and grounded surfaces resulting in electrostatic deposition.

The physical and biological effects of small air ions on indoor air quality as well as various health benefits and implications of air ionization have been discussed in the literature (Daniell et al., 1991; Kondrashova et al., 2000; Krueger and Reed, 1976; Soyka and Edmonds, 1977; Van Veldhuizen, 2000; Wehner, 1987). The ion emitters, which meet health standards (e.g. by not generating ozone above the established thresholds), have been incorporated in commercial air purification devices that utilize either bipolar or unipolar ion emission. These devices are currently produced by several manufactures worldwide (Sharper Image Inc., Little Rock, AR, USA; Topway Electronic Factory Co., Guangzhou, China; Wein Products, Inc., Los Angeles, CA, USA; etc.) and used in residential and occupational settings for removing dust particles, aeroallergens, and airborne microorganisms from the air. The ion emission has been tested by several investigators for its ability to reduce the indoor aerosol concentration (Bigu, 1983; Bohgard and Eklund, 1998; Grabarczyk, 2001; Harrison, 1996; Hopke et al., 1993; Khan et al., 2000; Kisieliev, 1966; Li and Hopke, 1991). The bactericidal effect of air ionization has also been assessed (Lee, 2001; Marin et al., 1989; Seo et al., 2001; Shargavi et al., 1999). However, the mechanisms involved in the ionic purification of inhaled air in the breathing zone remains poorly understood. Furthermore, there are still controversial claims (favorable and unfavorable) about the performance of commercially available ionic air purifiers. This controversy reflects a lack of quantitative data on the purifiers’ efficiency in peer-reviewed scientific journals.

Ionic air purifiers are available as stationary and wearable devices. The latter have been specifically developed for personal respiratory protection by targeting particles in the human breathing zone. Some models are designed to operate in confined spaces, such as automobiles, aircraft cabins, bathrooms, office cubicles, and small animal confinements. Our pilot study has demonstrated that unipolar ion emission by corona discharge may considerably reduce the aerosol concentration in the breathing zone (Grinshpun et al., 2001). We concluded that the concentration decrease, during the air ionization, occurs as air ions impart electrical charges of the same polarity on aerosol particles, and the unipolarly-charged particles then repel each other out of the breathing zone towards nearby surfaces, where they are deposited. More recent investigation by our group (Lee et al., 2004) has shown that a high-density emission of unipolar ions has a good potential for air cleaning across room-size indoor spaces uniformly contaminated with fine and ultrafine aerosol particles. Another recent work – an extensive theoretical study of Mayya et al. (2004), which was awaiting publication when the present paper was being completed – has identified and analyzed several physical factors affecting the airborne particle removal by unipolar ionization and developed advanced computational model to quantify the process.

In this study, we determined the particle removal efficiencies of five ionic air purifying devices – two wearable and three stationary units – that produce unipolar ions (either positive or negative). The concentration decay of respirable particles (0.3- 3 μm) was monitored in real time inside the breathing zone of a human manikin placed in a chamber that simulated a confined indoor environment. The role of air mixing in the chamber as well as the breathing effect and the body temperature effect on the performance of the ionic air purifiers were also investigated.

Study design and methods

Test room

The tests were conducted in a walk-in chamber made of wood (painted) with interior dimensions of L x W x H = 1.2 m x 1.0 m x 2.2 m ≈ 2.6 m³. A standard size human manikin was placed inside facing the chamber center, see Figure 1. The manikin’s nose was located 0.3 m from the back of the chamber, 0.5 m from the side walls, and 1m from the floor (sitting position). This configuration was used in our previous studies on evaluations of respirators (Willeke et al., 1996).

 Experimental set up for testing the efficiency or ionic air purifiers
Fig. 1 Experimental set up for testing the efficiency or ionic air purifiers
Aerosol generation and flow patterns

Polydisperse NaCl particles and monodisperse poly­ styrene latex (PSL) spheres, as well as bacterial cells of Pseudomonas fluorescens were used as test aerosols. Both types of biologically inert particles (NaCl and PSL) and P. fluorescens bacteria have been extensively utilized in earlier studies for evaluating sampling devices and respirators (Grinshpun et al., 1999; Mainelis et al., 2002a,b; Stewart et al., 1995; Terzieva et al., 1996; Wang et al., 2001; Willeke et al., 1996). Gram-negative P. fluorescens bacteria are commonly found in air environments. A standard Collison nebulizer (BGI Inc., Waltham, MA, USA) operated at a flowrate of 6 1/min was employed to aerosolize the test particles from a liquid suspension. The liquid content of the aerosolized droplets was evaporated by mixing the aerosol flow with 80 1/min of dry filtered air. The combined airflow entered the test chamber through an air laminarizing and distributing unit. The air exhaust, positioned at the bottom of the chamber, was connected to an external pump through a HEPA filter.

 Most of the tests were performed with NaCl aerosol generated from a solution prepared by dissolving 20 g of reagent quality NaCl (Fisher Chemical, Fair Lawn, NJ, USA) into 400 ml of deionized and sterilized water. After drying, the particles had a broad size spectrum, including the range of interest [0.3- 3 μm as measured by an optical particle counter (OPC)]. This range represents a wide variety of aeroallergens and microbial agents (Reponen et al., 2001).

Two size fractions of PSL spheres (Bangs Laboratories, Inc., Fishers, IN, USA), with median count diameters of 0.44 µm (ag = 1.07) and 0.95 µm (ag = 1.1), were used for selected experiments. Prior to aerosolization, the suspension of PSL particles was deagglomerated for 5 min in an ultrasonic bath (model 220, Branson Cleaning Equipment Co., Shelton, CT, USA). Bioaerosols of P. fluorescens (ATCC 13525; American Type Culture Collection, Rockville, MD, USA), rod-shaped bacterial cells of dₚ ≈ 0.8 µm, were also used for selected experiments. Standard microbial preparation procedures utilized in our previous studies (Mainelis et al., 2002a,b;  Stewart et  al., 1995; Wang et al., 2001) were followed prior to aerosolizing the P. fluorescens cells. The tests with PSL and P. fluorescens were performed to study the effect of the physical material and biological status of particles on the particle removal by continuous air ion emission.

Aerosol monitoring

During each test, the concentration and size distribution of the airborne particles were monitored in real time with an OPC (model 1.108; Grimm Technologies Inc., Douglasville, GA, USA). It enumerated aerosol particles every minute in 16 detection channels within the particle size range of 0.3 to about 30 µm. The range of interest was represented by the following eight channels (the size fractions are listed by their channel mid-points): < dp > = 0.35, 0.45, 0.58, 0.73, 0.90, 1.3, 1.8 and 2.5 µm.

A wearable air purifier was positioned on the manikin’s chest so that the ion emission point would be in line with the manikin’s nose, which was 0.2 m above the purifier. The OPC inlet was positioned directly above the purifier’s outlet, perpendicular to the line between the purifier and the manikin’s nose. The aspiration efficiency of the OPC inlet is approximately l00% regardless of its orientation since the test particles (0.3-3.0 µm) are virtually inertialess (Grinshpun et al., 1990, 1993). At first the OPC measurements were performed at three locations: 1, 10 and 19 cm above the ion emission point. Although the variability of the aerosol concentration near the ionizer was very high, the aerosol concentrations measured at 10 cm (upper chest level) and 19 cm (nose-mouth area) were essentially the same with a variability ranging from 10 to 20% for the entire tested particle size range. We concluded that it would be sufficient to measure the aerosol at the point representing inhaled air.

When evaluating the performance of stationary air purifiers, aerosol sampling was also performed in the breathing zone, while the tested unit was placed either on the floor or on the table (in accordance with its operational function). Overall, the inhalation point seems the most appropriate location for the OPC inlet as the ultimate objective is to characterize the air purification effect of ionic emitters in terms of respiratory exposure to airborne contaminants. Our preliminary study revealed no significant effect of the distance from the emission point to the walls of the test chamber on the aerosol concentration as long as this distance exceeded 0.45 m. Stationary air purifiers were evaluated at equal distance between the manikin’s face and the opposite wall.

Determination of the particle removal efficiency

The size-specific aerosol concentration, C (dp), was measured as a function of monitoring time, t. The natural decay was measured for 10 h as a baseline test. In the experiments involving air ion emission, the time varied from 1 to 3 h, depending on the emission rate of the ionic air purifier being tested. For each purifier, two concentration decay curves were obtained: the natural decay, i.e. when the ion emitter was ‘off’ [Cnatural (dpt)], and the one with the ion emitter ‘on’ [Cionizer (dpt)]. The particle removal efficiency was determined as follows:

Particle removal efficiency equation
Particle removal efficiency equation

The natural decay depends on the air mixing conditions in the chamber. Therefore, separate baseline tests were conducted in calm air as well as with the fan operating at 33 and 900 CFM.

It should be noted that the above definition is different from the ratio of the initial to the final aerosol concentration levels, which is referred to as the ‘concentration reduction factor (CRF)’ and often used in the literature. Mayya et al. (2004) acknowledged the limitation of CRF indicating that it ‘is not a primary index of ionizer performance.’ The particle removal efficiency used in this study allows comparing the ionization-driven concentration decrease to the natural decay occurring because of gravitational settling, diffusion and other mechanisms.

Experimental procedure

Prior to each experiment, the test chamber was ventilated by supplying particle- and ion-free air for about 1 h, until the total particle concentration inside the chamber was below 10³ particles per liter of air. At that time, the ventilation was turned off and the aerosol generation system was activated. The fans operated at two points inside the chamber to achieve uniform aerosol concentration across the volume. Once the total concentration reached about 10⁶ particles per liter of air, the aerosol generator and the fan were turned off. After waiting for 5 min to allow the concentration to stabilize, the test began (t = 0). When using a non-breathing manikin under calm air-conditions, the only device that was operating inside the chamber at t > 0 was the OPC, which ran at a very low flow rate (1.2 1/min) so that no considerable air movement occurred. When testing with a breathing manikin or under air mixing conditions, the breathing simulation machine or/and the air mixing fan produced significant air movement inside the chamber. The tests involving the breathing manikin were conducted to determine whether the inhalation-exhalation cycle affects the particle removal efficiency of the tested ionic air purifier. The air flow was supplied by a breathing simulation machine located outside the test chamber. The aerosol concentration decay solely resulting from the breathing simulation was compared with the natural aerosol decay in the chamber. The tests were also conducted with the manikin pre-heated to an average temperature of T = 40°C. These experiments were carried out for 1 h to assess whether the body temperature affects the performance of the ionic purifier. The aerosol concentration decay measured with the pre­heated manikin was compared with the results obtained with a non-heated manikin (T = 23°C). The manikin was made of non-conductive material and dressed in a laboratory coat (not shown in Figure 1), which was washed between the tests.

A separate set of experiments was performed with the manikin placed in a partial enclosure built inside the test chamber. This confined space was restricted by front, side and overhead panels. The configuration simulated a passenger seating section in an aircraft (front panel = front seat, side panels = nearby passengers, overhead panel = overhead compartment). The volume of the partially enclosed air space was about 0.275 m³ consisting of about 0.250 m³ of open space in the front and on the sides of the manikin and about 0.025 m³ of open space between the manikin’s head and the overhead panel. Gaps of 7.5 cm between the panels allowed air exchange. To evaluate the effect of indoor air volume on the particle removal efficiency, one wearable unit placed in a very small Styrofoam chamber-box (L x W x H = 0.31 m x 0.30 m x 0.28 m ≈ 0.026 m³ = 1/100 of the main test chamber). The purifier was located at the mid­point of the bottom surface (the small dimensions of the chamber-box did not allow using the manikin inside the box). The OPC inlet was positioned 10 cm above the ion-emission point.

Tested air purifiers

Two models of wearable ionic air purifiers, provided by Wein Products, Inc. (Los Angeles, CA, USA), were tested in this study. One was equipped with a metal grid acting as an electrostatic precipitator, the Minimate prototype* (further referred to as W1), and the other had no grid, the Minimate prototype*(further referred to as W2). Both units emitted positive ions with the production rate of W2 being five- to l0-fold higher than that of W1. The estimated ion densities produced by these devices (based on the measurement data reported by the manufacturer) were in the range of ~0.5 x l0⁵ to ~5 x 10⁵ ions per cm³ at a distance of 1 m from the emission point, assuming calm air conditions. Three stationary units (also by Wein Products, Inc.) were the AS250B* (further referred to as S1) with an estimated ion density of ~2 x 10⁵ positive ions/cm³ at 1 m from the emission point, the AS1250B* (referred to as S2) with ~5 x l0⁵ positive ions/cm³ and the VI-3500 (referred to as S3) with ~30 x l0⁵ negative ions/cm³. For each set of conditions, three replicate tests were performed. Although the variability of the measured aerosol concentration was almost 20% for NaCl and PSL particles and about 25% for bacteria, the removal efficiency showed very low variability (usually < 5%). The data were statistically analyzed by using the Microsoft Excel software package (Microsoft Co., Redmond, WA, USA).

Results and discussion

Natural decay of airborne particle concentration

In the absence of ion emission, the aerosol concentration in the test chamber slowly decreased with time.

The natural air cleaning mechanisms in calm air contaminated with fine particles (about 0.1- 2 µm) are primarily gravitational sedimentation and diffusion. For the tested particle size range of 0.3- 3 µm, the natural aerosol concentration decay is driven mainly by sedimentation. The measurement data showed that the concentration of 2- 3 µm NaCl particles in the test chamber naturally decreased by 50% in about 2 h, while for 1 µm particles of NaCl and P. fluorescens cells, the 50% decrease took over 10 h. The concentration of 0.3-0.4 µm particles of NaCl showed < 10% decrease during a l0-h period. Most of our experiments involving ionic air purifiers were conducted within much shorter time periods (1-3 h), because our pilot data showed that the air ionization can significantly reduce the aerosol concentration during about an hour (Grinshpun et al., 2001).

Wearable ionic air purifiers

Figure 2 shows the particle removal efficiency as a function of time for the W1 and W2 wearable ionic air purifiers operating in calm air. The top two figures show the size-selective measurement data obtained with NaCl particles and recorded in the first eight OPC channels. The bottom figures show the size-integrated data for the entire measured particle size range of 0.3-3 μm. The data suggest that the removal efficiency did not have a clear trend with the particle size (within the tested range). The particle removal efficiency of W1 increased gradually from 5-15% at t = 15 min to about 30-40% at t = 1 h. The size-integrated data demonstrate that the air cleaning provided by this purifier reached considerable levels after it had continuously operated in the chamber for more than an hour: the aerosol concentration of NaCl in the breathing zone decreased by a factor of 2 (removal efficiency = 50%) after 1.5 h and almost fivefold (removal efficiency = 80%) after 3 h. The particle size-specific removal efficiency values lay within a 15% corridor from each other at each specific time point.

The purifier labeled as W2 provided much more efficient air cleaning as compared with W1, which can be attributed to a higher ion production rate. The particle removal efficiency of W2 reached approximately 50% during the first 15 min and continued increasing with the time. As a result of its 1.5-h continuous operation on the manikin’s chest, almost 100% of the initially airborne particles were eliminated from the breathing zone. Comparison of the performance characteristics of W1 and W2 under calm air conditions confirms that the air cleaning provided by a unipolar ion emission becomes more efficient at a higher ion production rate.

Fig. 2 Particle removal efficiency (size-specific and size-integrated) of two wearable ionic air purifiers (W1 and W2) as a function of their operation time in calm air.
Fig. 2 Particle removal efficiency (size-specific and size-integrated) of two wearable ionic air purifiers (W1 and W2) as a function of their operation time in calm air.

When the fan was operated in the test chamber at 33 CFM, it produced an air velocity level equivalent to the air exchange rate of about 20 AEH (no external ventilation was actually introduced during the tests). At this air mixing rate, the particle removal efficiencies of both wearable ionic air purifiers were slightly higher than under calm air conditions. However, the difference was not statistically significant (t-test: P > 0.05). Once vigorous air mixing (900 CFM) was introduced, the air cleaning became much more rapid. The air currents intensify the ion propagation in the chamber and enhance the ion-particle interactions. This makes the

particle charging by air ions more efficient and consequently increases the removal efficiency.

Fig. 3 Effect of air mixing rate (33 and 900 CFM) on the particle removal efficiency (size-specific and size-integrated) of the W2 ionic air purifier as a function of operation time.
Fig. 3 Effect of air mixing rate (33 and 900 CFM) on the particle removal efficiency (size-specific and size-integrated) of the W2 ionic air purifier as a function of operation time.

Figure 3 presents the data obtained with W2 operating under air mixing conditions of 33 and 900 CFM. It is seen that during the first 15 min about 50-60% of the airborne particles were removed at 33 CFM and about 65-80% at 900 CFM. The ion emission appeared to be sufficient to clean the chamber air of essentially all the test particles in about 1 h of operation when it was enhanced by a 33 CFM fan in the chamber: the size-integrated aerosol concentration determined for dp = 0.3- 3.0 µm decreased to almost 1% of its initial level. At 900 CFM, all particle size fractions, except the two largest ones, dp = 1.6-2.0 µm (< dp > = 1.8 µm), and 2.0-3.0 µm (< dp > = 2.5 µm), showed the aerosol concentration reduction by a factor of ~10² –10³ in about 40 min. The curves representing < dp > = 1.8 and 2.5 µm show excessive variability because intensive air mixing removed the larger particles from the air very quickly making the baseline concentration measurement statistically unreliable in about 30-40 min. Consequently, the size ­integrated efficiency at 900 CFM is shown only for dp = 0.3-1.6 µm.

Compared with a typical air exchange rate in an indoor environment (Abt et al., 2000), the air mixing rate of 900 CFM creates rather excessive air movement (especially when it is applied to confined spaces), while 33 CFM seems more reasonable. As the data collected with both wearable purifiers show that the increase from 0 to 33 CFM did not significantly affect their performance, further experiments were performed at 33 CFM. Thus, on one hand, by introducing some air mixing we made our experimental conditions more representative of a typical small room or cabin, and, on the other hand, we kept the air mixing rate below the level at which it begins to significantly affect the particle removal efficiency.

Stationary ionic air purifiers
Fig. 4 Particle removal efficiency of three stationary ionic air purifiers (S1, S2 and S3) as a function of their operation time under air mixing condition (33 CFM)
Fig. 4 Particle removal efficiency of three stationary ionic air purifiers (S1, S2 and S3) as a function of their operation time under air mixing condition (33 CFM)

The particle removal efficiency curves for the three stationary ionic air purifiers are shown in Figure 4. The curves represent the size-selective monitoring data obtained with NaCl particles under air mixing conditions (33 CFM). Each of the three devices demonstrated considerable air cleaning efficiency. The particle removal efficiency of SI shows some dependence on particle size, although this effect was not very pronounced. The size-specific curves are similar to those obtained for the wearable W2 unit, which reflects the fact that their ion production rates are approximately the same. Surprisingly, S2 that has a higher ion production rate than S1 does not show greater particle removal efficiency.

The third stationary purifier, S3, demonstrates extremely high particle removal efficiency: it increased sharply to almost 90% within 5-6 min, reaching about 100% within 10-12 min for all tested particle sizes. This is attributed to its very high ion production rate. When this air ionizer was operating in the test chamber for a prolonged period of time, such as 1 h, the high number of ions emitted in the relatively small volume of 2.6 m³ produced considerable electric fields that resulted in charging of objects inside the chamber, subsequently causing electrostatic discharges. Our observations suggest that these occasional undesirable electrostatic discharges during human activity represent a limitation for the long-term continuous use of powerful ionic devices in confined spaces. The related safety issue may be resolved by introducing a time limit for their continuous operation. Indeed, as the particle removal efficiency of S3 reaches a plateau of about 100% in 10-12 min, there is no need to keep this purifier operating continuously for an hour in an air volume as small as 2.6 m³. We examined the performance of S3 operating in an ‘on-and-off’ alternating mode for a period of 1 h, during which ions were periodically emitted for 10-min with a subsequent 10-min interruption. It was found that the overall particle removal efficiency exceeded 98% after an hour of its operation in this intermittent mode. Although the purifier’s performance remained very high, the electrostatic discharge problem was reduced. We believe that the above strategy can be used in the field if the device is equipped with a timer allowing it to emit air ions in an intermittent mode.

Effect of properties of the test aerosol particles

For all five ionic air purifiers evaluated in this study, the tests performed with PSL spheres and P. fluorescens bacteria confirmed the findings obtained with the NaCl aerosol. When testing with PSL particles (dp = 0.44 and 0.95 µm), the removal efficiency was approximately the same as that of NaCl particles of the same sizes and operational time. However, some difference was observed when testing with airborne bacteria. For instance, the data generated with P. fluorescens cells using W1r were about 15% lower (on average) than those obtained with NaCl and PSL particles and had considerable variability. 

Pseudomonas fluorescens cells are rod-shaped and thus can be charged by air ions differently than the spherical PSL particles or close to spherical salt particles. Furthermore, the initial particle charge levels of P. fluorescens cells are likely to be different from the initial charge levels of the non­biological test particles used in this study. Gittens and James (1963) and Sherbet and Lakshmi (1973) have shown that Gram-negative water-borne bacteria have an overall net negative surface charge because of the presence of ionizable amino (NH₂) and carboxyl (COOH) groups of proteins exposed at the cell surface. The data reported in our earlier publications (Mainelis et al., 2001, 2002c) suggest that the aerosolized P. fluorescens bacteria can carry significant electrical charges (up to 10⁴ elementary charges per individual cell), which sharply contrasts with the low electrical charges carried by airborne NaCl particles.

Effect of microenvironment
Fig. 5 Effect of partial enclosure on the particle removal efficiency (size-integrated) of two wearable ionic air purifiers (W1 and W2) as a function of their operation time under air mixing condition (33 CFM)
Fig. 5 Effect of partial enclosure on the particle removal efficiency (size-integrated) of two wearable ionic air purifiers (W1 and W2) as a function of their operation time under air mixing condition (33 CFM)

In addition to the above-described experiments conducted in our 2.6 m³ walk-in test chamber, the air purifiers were also tested on a manikin placed inside the partial enclosure (0.275 m³) that was placed inside the walk-in chamber to simulate aircraft seating. Figure 5 compares the performances of W1 and W2 in the walk-in chamber (with no enclosure built inside) to those inside the enclosure. The particle removal efficiencies shown here are the size-integrated data obtained with the NaCl aerosol during a 90-min experiment at 33 CFM. The reduction in aerosol concentration was found to proceed at a similar pace with and without the partial enclosure. The particle removal efficiency was somewhat higher inside the enclosure for the W2 unit, although the difference between corresponding size-integrated values for the two typed of enclosure was mostly below 10%. The particle removal efficiency of W2 reached about 40% after 10 min of continuous operation, and about 70%after 20 min. After 40 min it exceeded 90%, and was in the range of 95- 98% between 60 and 90 min. For W1, the particle removal efficiency measured on the manikin inside the partial enclosure was lower than that of the more powerful W2, similar to the results that were obtained in a walk-in chamber with no enclosure.

The performance of an ionic air purifier in a specific microenvironment is believed to depend on the volume of this microenvironment. Given that the air volume inside the partial enclosure is about an order of magnitude lower than that of the full-size walk-in chamber, it was somewhat surprising to find such a small difference between the data obtained in these two settings. At the same time, it can be explained by the fact that the partial enclosure has sizable gaps allowing the ‘enclosed’ air to exchange with the air in the chamber (representing passenger aircraft seating, which is also not fully separated from the air in the cabin). An additional experiment conducted in a very small chamber-box (0.026 m³ revealed that the particle concentration in that box decreased much more rapidly than in the 100-times larger walk-in chamber. For example, when W1 was operated inside this box, the particle removal efficiency reached 50% in about 2 min and 90% in about 8 min. The data collected in the two fully-enclosed microenvironments (0.026 and m³) confirm that the time needed to remove a certain percentage of particles from a fully enclosed microenvironment by unipolar ion emission is greater for the larger air volume. The ion emitter operating in a specific air volume creates a charged aerosol cloud, in which the particles (i) repel each other towards the chamber walls where they subsequently deposit and (ii) create ‘image charges’ (same magnitude, but opposite polarity) in the surrounding non-conductive surfaces so that they are attracted to these surfaces and deposited on them. The wall surfaces of the small box (made of dielectric Styrofoam) promote higher electrostatic deposition of the particles charged by air ions than the painted wooden walls of the walk-in chamber. In addition, the top of the small chamber, which was close to the ion emitter, deflected the ion wind of ~ 0.5 m/s. Resulting from this deflection, the ions were quickly and uniformly distributed throughout the small chamber air volume, causing considerable particle deposition on the wall surfaces.

Effects of breathing and body temperature

One would expect that when a breathing simulator is used with the manikin, the air in the chamber would slowly be cleaned because of the inhalation-exhalation process itself (some inhaled particles will be lost inside the machine). At breathing rate of 30 1/min (medium work load), the entire air volume of 2.6 m³ would circulate through the machine during about 1.5 h, assuming that no air molecule will move in and out twice. At 85 1/min (heavy work load), this would occur during about half an hour. The natural aerosol concentration decays in the breathing zone, measured respectively with and without the breathing machine operating with the manikin, allowed determining the relative contribution of the breathing effect to the particle concentration reduction as a function of time. At 30 1/min, this contribution gradually increased from 0 to about 20-40% in 1 h (with the time-integrated contribution of approximately 15%). At 85 1/min, it reached about 40-60% in an hour (time-integrated contribution 25%). Thus, the aerosol concentration reduction occurring because of the manikin breathing is smaller than the air cleaning effect provided by ion emission. It was concluded that the operation of the breathing machine attached to the manikin has little effect on manikin-based performance evaluation of ionic air purifiers.

To explore the potential effect of body temperature on the ion and particle movement and thus on the particle removal from the breathing zone, we compared the data obtained with non-heated and pre-heated manikins. Pre-heating was chosen over continuous electrical heating since the electric heating system affected the behavior of the airborne ions near the manikin during the test and, thus, the air purifier’s performance. The particle removal efficiencies of the W2 purifier plotted as a function of time were compared for a non-heated manikin maintained at 23°C and a manikin that was pre-heated to maintain its average body temperature at about 40°C for an hour. The size-specific data show that the body temperature has no significant effect on the performance of the ionic air purifier, regardless of particle size (t-test: P > 0.05).

Conclusions and future work

All five tested unipolar ionic air purifiers were shown capable to significantly reduce the aerosol concentration in the breathing zone of a human manikin, especially in a confined space. Air mixing, especially vigorous one (900 CFM), established in a non-ventilated chamber enhanced the air cleaning effect. While observing most efficient air cleaning with the most powerful unipolar ion emitter, we found that its long term (~1 h) operation in a confined space can excessively charge objects in the vicinity causing occasional electrostatic discharges. As the latter may limit long term continuous use of ionic devices in low-volume environments, we propose that purifiers with a very high ion production rate should be operated in an ‘intermittent mode.’ Our test confirmed the feasibility of this approach. Additionally, the use of ionic emitters in an intermittent mode may reduce the ozone level that may be of concern when a powerful ionizer operates during a prolonged period of time (Niu et al., 2001). Another (rather obvious) limitation comes from the fact that the aerosol particles, which migrate to indoor surfaces and eventually deposit there, contaminate these surfaces (extreme cases are referred to as ‘the black wall effect’). Thus, from the practical stand point, the air purification based on the continuous air ion emission adds the need of cleaning of the surfaces periodically to avoid an excessive particle accumulation. In this light, it seems important to investigate the effect of wall materials on the ionization-based aerosol particle removal as well as on the subsequent cleaning of indoor surfaces.

The data suggest that the ion polarity does not affect the performance, but the ion emission rate does. The effects of particle size (within the tested range) and properties (NaCl, PSL, P. fluorescens bacteria) as well as the effects of the manikin’s body temperature and breathing on the ionic air purifier performance were either small or insignificant. It seems that the role of particle size should be further investigated. Experimental study of Grabarczyk (2001) and theoretical work of Mayya et al. (2004) indicate that the CRF of an ionic air purifier is particle size dependent. On the other hand, in contrast to CRF, the particle removal efficiency defined by Equation 1 may have shown a suppressed size effect because both of its components, [Cionizer (dp, t)] and [Cnatural (dpt)], are particle size dependent.

The unipolar ionic air purifiers seem to be more efficient in reducing aerosol exposure in the breathing zone when used in confined spaces characterized by a small volume and — as a result — by a relatively high surface-to-volume ratio (such as automobile cabins, aircraft seating areas, bathrooms, cellular offices, small residential rooms, and animal confinements). More data are needed to better predict the performance of ionic purifiers in rooms with different surface-to­volume ratios.

Another issue that deserves further investigation is a situation when continuous particle generation occurs in indoor air environment during ion emission. Our tests presented in this paper were conducted when the aerosol concentration was not sustained by a particle source; therefore, the concentration depleted essentially to zero after certain time. However, if the particle source is present, the concentration should attain a steady-state level, which is generally different from zero (Mayya et al., 2004). This level can be determined from the balance equation accounting for the velocity of the particle migration to indoor surfaces and the particle production rate by the source. In this work, we did not “intend” to study the effect of initial aerosol concentration on the performance of ionic air purifiers. Thus, the initial concentration was not a subject of considerable variation in our tests. However, theoretical modeling conducted by Mayya et al. (2004) for the background levels covering a six order of magnitude range has revealed that the particle charging process depends on the initial aerosol concentration. As a result, at high initial concentration, the concentration reduction should occur rapidly in the beginning (because of a considerable space charge effect) and then attain near linearity as the concentration further decreases. At relatively low initial concentrations, a constant removal rate should be expected resulting in approximately linear reduction in a log-linear scale (Mayya et al., 2004). More experiments are needed to address this issue.

Acknowledgement

The authors are grateful for the cooperation of Wein Products, Inc., which helped initiate this research and made available various air purifying devices to the project. The technical assistance provided by Mr. Dainius Martuzevicius during the manuscript preparation is also appreciated.

*The tested units are prototypes of the currently available Minimate Personal Air Purifier AS150MM that has an ion production rate of 1.2 x 10¹⁴ ions per second as reported by the manufacturer.

* Sanimate Washroom Ionic Purifier AS250B

*Automate Car Plug-in Ionic Purifier AS1250

*Vortex Desktop Ionizer VI-2500

Lien de la version originale :

https://weinproducts.com/news/entry/evaluation-of-ionic-air-purifiers-for-reducing-aerosol-exposure-in-confined-indoor-spaces

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