Environnement atmosphérique

BYUNG UK LEE, MIKHAIL YERMAKOV, SERGEY A. GRINSHPUN

DÉPARTEMENT DE LA SANTÉ ENVIRONNEMENTALE, CENTRE D’ÉTUDES SUR LES AÉROSOLS LIÉS À LA SANTÉ, UNIVERSITÉ DE CINCINNATI

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Abstrait

Nous avons développé un nouveau concept qui permet d’améliorer considérablement les performances des respirateurs à masque filtrant conventionnellement utilisés contre les aérosols fins et ultrafins, y compris les agents viraux et bactériens. Le concept est basé sur l’émission continue d’ions unipolaires. L’effet a été évalué grâce à la surveillance en temps réel de la distribution de taille de concentration des particules d’aérosol fines et ultrafines. Les mesures ont été effectuées à l’intérieur et à l’extérieur d’un masque respiratoire scellé sur un mannequin respiratoire. Un respirateur et un masque chirurgical de type N95 couramment utilisés ont été utilisés pour les tests. Le mannequin a été placé dans un 24,3 m ³chambre d’essai intérieure et exposée à des aérosols de substitution polydispersés simulant des particules virales et bactériennes par rapport à la taille aérodynamique. On a constaté que la pénétration des particules à travers le masque diminuait d’un à deux ordres de grandeur en raison de l’émission d’ions unipolaire continue dans la chambre. Le flux d’ions d’air a migré vers la zone de respiration et a transmis des charges électriques de même polarité aux particules d’aérosol et à la surface du filtre du respirateur. Cela a créé un écran électrostatique le long de la surface externe du filtre, améliorant ainsi les caractéristiques de protection fournies par le respirateur.

1. introduction

Les flambées de maladies émergentes (par exemple le SRAS) et la menace de bioterrorisme ont déclenché une demande urgente de protection respiratoire adéquate contre les agents bioaérosols, y compris les virus et les bactéries en suspension dans l’air. Un intérêt particulier s’est porté sur l’augmentation de l’efficacité des dispositifs de protection respiratoire existants.

Les masques à masque filtrant, y compris les respirateurs de type N95, sont fréquemment utilisés dans les environnements d’air intérieur pour empêcher ou réduire considérablement l’inhalation de noyaux de gouttelettes qui peuvent potentiellement transporter des micro-organismes viables. Des millions de travailleurs, y compris le personnel de santé, utilisent régulièrement des respirateurs sur leur lieu de travail (United States Department of Labor, 1995). En cas d’attachement bioterroriste dans une grande zone urbaine, il peut y avoir un besoin de millions d’appareils de protection respiratoire facilement disponibles. Les respirateurs existants ont été largement évalués contre les particules fines (par exemple, Brosseau, Evans, Ellenbecker, & Feldstein, 1989; Chen, Ruuskanen, Pilacinski, & Willeke, 1990; Chen & Willeke, 1992; Huang, Willeke, Qian, Grinshpun, & Ulevicius, 1998; Johnston, Myers, Colton, Birkner et Campbell, 2001; Qian, Willeke, Grinshpun, Donnelly et Coffey, 1998; Halvorsen, 1998) et des micro-organismes (Centers for Disease Control and Prevention, 1994; Lee, Slavcev, & Nicas, 2004a; Qian, Willeke, Grinshpun, & Donnelly, 1997; Qian et al., 1998; Reponen, Wang, Willeke, & Grinshpun, 1999; Willeke, Qian, Donnelly, Grinshpun et Ulevicius, 1996). Dans le même temps, l’efficacité de protection des masques respiratoires existants n’a pas été bien caractérisée en ce qui concerne les particules ultrafines, c’est-à-dire celles inférieures à 0,1 µm (Hinds, 1999).

Les respirateurs diffèrent les uns des autres par leur efficacité de filtration, qui dépend des propriétés du filtre et de la taille des particules. Par exemple, un respirateur de type N95 peut permettre jusqu’à 5% de pénétration dans «le pire des cas», lorsque les particules de chlorure de sodium les plus pénétrantes d’un diamètre aérodynamique médian massique de 0,3 µm sont aspirées à travers le filtre à un débit de 85 1 min ^-1 (Federal Register, 1995). L’efficacité de pénétration de Mycobacterium tuberculosis plus grandebactéries (Mtb, 0,8 µm) à travers un respirateur N95 à masque facial à une charge de travail intense est aussi faible qu’environ 0,5% (Qian et al., 1998). Le filtre scellé du visage d’un masque de soins de santé conventionnel, qui assure une chute de pression relativement faible et par conséquent un bon niveau de confort, permet à environ 15% des bactéries de substitution Vtt en suspension dans l’air de pénétrer, offrant ainsi une protection de 85% contre ces bactéries (Willeke et al. , 1996).

Si la concentration bactérienne dans l’air est de 1000 m ^-3 , un individu non protégé respire à 30 1 min ^-1inhale 1800 micro-organismes par heure, tandis que celui qui porte un respirateur N95 parfaitement ajusté inhale jusqu’à 90 micro-organismes par heure. Si la dose infectieuse d’un bioaérosol d’intérêt est inférieure à 90, le respirateur N95 peut ne pas fournir une protection respiratoire adéquate une fois que le temps d’exposition dépasse une heure. L’utilisation d’un respirateur ajusté mal ajusté peut réduire davantage le niveau de protection respiratoire en raison de la pénétration supplémentaire de particules qui se produit à travers les fuites du joint facial (Chen et al., 1990; Chen & Willeke, 1992; Oestenstad, Dillion , Et Perkins, 1990a; Oestenstad, Perkins et Rose, 1990b). Sur la base des considérations ci-dessus, il semble très utile que l’efficacité de filtration des respirateurs existants puisse être augmentée alors que le niveau de confort fourni par ces dispositifs resterait le même.

En ce qui concerne l’exposition et la protection respiratoires, la plage de diamètre aérodynamique des particules de d _a ~ 0,04-2 µm est d’un intérêt public particulier en raison de son importance pour la santé. De nombreux agents bioaérosols, y compris les virus et les bactéries à l’origine de maladies émergentes ainsi que ceux qui peuvent être utilisés pour la guerre biologique ou en cas de bioterrorisme, appartiennent à cette gamme de tailles. Par exemple, selon le National Center for Biotechnology Information ( http://www.ncbi.nlm.nih.gov ), la dimension du virion du virus à couronne (l’agent étiologique du SRAS) est (60-120) x (160 -200) nm, ce qui correspond à d _a ~ 0,1 µm. Pour Bacillus anthracis (bactérie responsable du charbon), d_a ~ 1 µm. Comme la plage ci-dessus est large et comprend à la fois les fractions de particules fines et ultrafines (Baron & Willeke, 2001; Hinds, 1999), l’efficacité de pénétration des particules à travers le média filtrant peut être affectée par plusieurs mécanismes et est généralement caractérisée par l’aérodynamique des particules. Taille. Cela permet de tester les performances des filtres respiratoires contre des agents pathogènes à l’aide de substituts d’aérosol non pathogènes qui simulent les caractéristiques aérodynamiques des particules d’intérêt.

Dans cette étude, nous avons développé et évalué un nouveau concept qui améliore considérablement les performances des respirateurs à masque filtrant conventionnels contre les particules d’aérosol fines et ultrafines. Le concept est basé sur l’émission continue d’ions unipolaires dans l’air à proximité du respirateur. Les particules d’aérosol sont chargées unipolairement par les ions de l’air principalement en raison du mécanisme de charge par diffusion (Adachi, Kousaka, & Okuyama, 1985; Frank, Cederfelt, & Martinsson, 2004; Hernandez-Sierra, Alguacil, & Alonso, 2003; Wiedensohler et al. , 1994). L’interaction ion-filtre et le dépôt de particules chargées unipolaires sur la surface externe du filtre imposent une charge unipolaire importante sur le filtre. Cela crée un bouclier pour les particules entrantes (car elles portent des charges de même polarité),

1. Mesures expérimentales

Le nouveau concept a été évaluée expérimentalement dans une chambre de test, à l’ intérieur non ventilé non occupée ( L x W x H = 3,78 mx 2,44 mx 2,64 m = 24,3 m ³ ). Cette installation, développée dans le Center for Health-Related Aerosol Studies de l’Université de Cincinnati, a été utilisée dans nos études précédentes (Choe et al., 2000; Grinshpun et al., 2002, 2004).

La configuration expérimentale est schématisée sur la figure 1. Un mannequin respiratoire avec un masque respiratoire scellé a été exposé aux aérosols de substitution polydispersés en suspension dans l’air qui simulaient des particules virales et bactériennes par rapport à leur taille aérodynamique. Les tests de fuite ont été réalisés entre le masque et la face du mannequin avec un liquide produisant des bulles (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co., Paterson, NJ, USA). Le mannequin fonctionnait à un débit respiratoire de 30 1 min ^-1 , représentant la respiration humaine pendant des charges de travail légères (Mineral Resources, 1994; Johnson, Weiss et Grove, 1992).

L’impacteur électrique basse pression (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd., St. Paul, MN, USA) a été utilisé pour déterminer la concentration et la distribution de la taille des particules aérodynamiques en temps réel. Cet instrument utilise le principe d’impaction en cascade et – en plus – a une capacité de lecture directe. Les particules d’aérosol sont chargées par le chargeur corona en aval de l’entrée ELPI et ensuite détectées par les électromètres à l’intérieur de l’impacteur en cascade.

Les particules ont été collectées par l’ELPI à l’intérieur et à l’extérieur du respirateur en utilisant des lignes d’échantillonnage identiques. Pour ces mesures, un équilibreur de charge 10-mCi Kr ⁸⁵ (3M Company, St. Paul, MN, USA) a été installé en amont de l’entrée ELPI pour neutraliser les particules à l’équilibre de charge de Boltzmann. Cela nous a permis d’éviter l’influence des charges électriques élevées, transmises par les particules du fait de leur interaction avec les ions de l’air, sur les performances de l’ELPI. La résolution temporelle de l’instrument a été ajustée à 10 s. Les données ont été enregistrées dans 12 canaux ELPI (chaque canal = étage d’impaction), de 0,04 à 8,4 µm. Ces derniers représentent les tailles des diamètres de point médian de la première et de la 12 ^ème étages d’impaction (le point médian = la moyenne géométrique des limites de la scène).

La concentration naturelle d’aérosol dans la chambre d’essai intérieure n’était pas suffisante, en particulier pour la mesure à l’intérieur du masque, car le filtre éliminait un nombre considérable de particules en suspension dans l’air ambiant. Pour augmenter la concentration initiale d’aérosol de fond, nous avons utilisé un générateur de fumée. Les particules de fumée couvraient principalement la plage de taille aérodynamique submicrométrique (Cheng, Bechtold, Yu et Hung, 1995) avec une forte diminution du nombre de particules à d _a > 1,5-2 µm. Ainsi, les données enregistrées dans les 8 premiers canaux de mesure de l’ELPI ( d _a = 0,04-1,3 µm) ont été utilisées pour l’analyse.

Les concentrations d’aérosols mesurées à l’intérieur ( C _IN ) et à l’extérieur ( C _OUT ) du masque ont été incorporées dans l’équation de l’efficacité de pénétration du respirateur, E _p :

qui a été déterminée en fonction du diamètre aérodynamique des particules. E _p est en fait le facteur de protection inversé qui est fréquemment utilisé comme indice de performance des respirateurs.

Initialement, les tests de fond ont été réalisés en mesurant l’efficacité de pénétration du masque sans émission d’ions. Ensuite, un émetteur d’ions unipolaires a été mis en marche à une distance de 20 cm à partir du masque, et E _p ( d _a ) a été déterminée à des intervalles de temps de 3 min pendant 12 min. L’émission continue d’ions dans l’air dans la chambre a diminué la C _OUT lorsque les particules, chargées par des ions à la même polarité, se sont repoussées et ont ensuite migré vers les parois de la chambre et se sont déposées sur ces parois (Grinshpun et al., 2004). Le changement de la valeur C _OUT survenu pendant chaque intervalle de temps de 3 min en raison de la purification ionique de l’air dans la chambre a été pris en compte par l’interpolation linéaire deC _OUT ( t ).

Dans cette étude, nous avons utilisé un émetteur d’ions négatifs (VI-3500 *, Wein, Inc., Los Angeles, CA, USA) produisant une concentration d’ions dans l’air de N _i ~ 1,3 x 10 ⁶ charges élémentaires par cm ^3, comme déterminé à un distance de 1 m de la source. La concentration d’ions a été mesurée par le compteur d’ions d’air (AlphaLab Inc., Salt Lake City, UT, USA) qui fonctionne dans la gamme de 10 à 2 x 10 ⁶ ions par cm ³ .

Deux types de masques respiratoires à masque filtrant disponibles dans le commerce auprès d’un grand fabricant ont été testés dans cette étude. L’un était le respirateur N95 certifié NIOSH (US National Institute for Occupational Safety and Health) et l’autre était un masque chirurgical jetable conventionnel. Le respirateur N95 se compose de toiles de protection intérieure et extérieure en rayonne. Son filtre en polyester et polypropylène avec des microfibres chargées électrostatiquement assurant une efficacité de filtration relativement élevée. Dans le masque chirurgical, le filtre en polypropylène est pris en sandwich entre des bandes intérieure et extérieure en rayonne. Le filtre d’un masque chirurgical a une efficacité de filtration inférieure à celle d’un respirateur N95. Ainsi,

Les valeurs moyennes et les écarts types de l’efficacité de pénétration ont été calculés pour chaque ensemble de conditions à la suite d’au moins trois répétitions. Les données ont été analysées statistiquement à l’aide du progiciel Microsoft Excel (Microsoft Co., Redmond, WA, USA).

1. Résultats

La figure 2 montre la concentration d’aérosol initiale normalisée mesurée à l’extérieur du masque respiratoire. Chaque point de données représente une moyenne de six répliques. On voit que les particules d’aérosol se situaient principalement dans une plage de d _a ≈ 0,04-0,5 µm (la concentration Δ N / Δlog d _a était comprise entre> 10 ⁴ et> 10 ⁵ cm ^-3 ), tandis que moins de particules de taille micronique étaient détecté (Δ N / Δlog d _a ~ 10 ³ cm ^-3). Pour chaque taille de particule mesurée, la concentration initiale de l’aérosol était reproductible avec la variabilité (le coefficient de variation) ne dépassant pas environ 50% pour six répétitions.

La figure 3 présente les données obtenues avec deux types de respirateurs à masque facial: un respirateur N95 et un masque chirurgical. Lorsqu’aucune émission d’ions dans l’air n’était introduite, la valeur E _p , calculée en moyenne sur la plage de test de d _a , était d’environ 1,8% pour le respirateur N95. La taille des particules n’affectait pas considérablement la pénétration à travers le filtre du respirateur N95, bien qu’une certaine diminution de E _p avec l’augmentation de d _{a ait} été observée pour d _a ≈ 0,04-0,5 µm. Une fois que l’émission d’ions négatifs a commencé, la pénétration a diminué à 0,27% pendant les 3 premières minutes. À t= 12 min, il a encore diminué à environ 0,11%, améliorant les performances du filtre respiratoire N95 d’environ un facteur de 17 (Fig. 3a). Pour le masque chirurgical, l’efficacité de pénétration initiale variait de 18,7% ( d _a = 0,04 µm) à 11,1% ( d _a = 1,3 µm). Résultat de l’émission d’ions négatifs, l’efficacité moyenne de pénétration à travers le masque chirurgical est passée de 15,4% ( t = 0) à 0,19% ( t = 12 min), démontrant une amélioration de 80 fois (Fig. 3b). Les données de la figure 3 montrent que l’effet le plus prononcé s’est produit dans le premier intervalle de 3 minutes.

1. Discussion

4.1 Test de base

Il était surprenant d’observer que l’efficacité de pénétration initiale ( t = 0) des particules ultrafines à travers les deux masques augmentait légèrement avec la diminution de la taille des particules. En revanche, les modèles de filtration disponibles prédisent que le pic de pénétration est atteint à d _aentre 0,1 et 0,3 µm, et les particules inférieures à 0,1 µm devraient être collectées plus efficacement à mesure que leur taille diminue (régime de diffusion) (Halvorsen, 1998; Hinds, 1999; Lee et Mukund, 2001). Les considérations suivantes expliquent les résultats de notre test de base pour les particules ultrafines. Ces modèles (et les données expérimentales générées en laboratoire qui les soutiennent) caractérisent la pénétration des particules à travers un matériau filtrant fibreux homogène parfaitement scellé, mais pas à travers un masque respiratoire. La conception d’un respirateur à masque filtrant n’assure pas une connexion périphérique parfaite de l’ensemble, de sorte que des micro-fuites peuvent être présentes entre le matériau du filtre central et le support périphérique élastique. Ces fuites peuvent contribuer à la pénétration des particules ultrafines. De plus, bien que le masque ait été «collé» sur le mannequin, des fuites très petites, micromètres ou inférieures au micromètre peuvent subsister. La plupart des méthodes de détection des fuites d’air à base de bulles de savon sont capables d’identifier les micro-fuites supérieures à 1 µm. Sid _a est bien inférieur à la taille caractéristique des micro-fuites (⪡ 1 µm), les particules peuvent pénétrer à travers ces micro-fuites subsistantes sous micromètres, affectant ainsi l’efficacité globale de pénétration des aérosols à travers le masque filtrant. Un autre facteur possible est associé aux variations spatiales du diamètre de la fibre, de l’orientation, de la densité de tassement, ainsi qu’au niveau de charge électrostatique initiale de la fibre (pour les masques utilisant un média filtrant à électret). Il a été démontré que ces variations affectent de manière significative les performances du respirateur en augmentant l’efficacité de pénétration des particules de ~ 0,1 µm (Huang et al., 1998).

4.2 Amélioration due à l’émission unipolaire d’ions dans l’air

L’amélioration des performances du respirateur, observée presque immédiatement après que l’émetteur d’ions a commencé à fonctionner, peut être attribuée à l’effet électrostatique. Les ions négatifs émis ainsi que les particules chargées par ces ions dans l’air, imposent une charge négative importante sur le filtre du respirateur. Cela forme le «bouclier électrostatique» contre les particules se déplaçant vers le masque. Les forces de répulsion diminuent le nombre de particules pouvant s’approcher du filtre. L’effet décrit ci-dessus fonctionne à l’extérieur du respirateur, contrairement à la filtration des aérosols par diffusion, impaction, interception et dépôt électrostatique (Lee & Mukund, 2001) qui a lieu à l’intérieur du filtre. Par conséquent,

Pour caractériser quantitativement l’effet, nous avons calculé la vitesse de migration des particules induite par l’interaction électrostatique au voisinage du filtre. Elle a ensuite été comparée à la vitesse du flux d’air à travers le filtre causé par l’inhalation. Dans ce calcul, nous avons utilisé des informations sur les charges électriques des particules en suspension dans l’air et la densité d’ions dans l’air, obtenues respectivement par l’ELPI et le compteur d’ions d’air. La taille des particules de d _a= 0,1 µm a été choisi, car il représente la plage de taille dominante utilisée dans nos expériences. De plus, cette valeur se situe à la limite entre les gammes de granulométrie fine et ultrafine. De plus, de nombreuses particules virales ont un diamètre aérodynamique d’environ 0,1 µm. Deux hypothèses principales ont été émises. Premièrement, les particules d’aérosol et les ions d’air qui interagissaient avec le respirateur étaient supposés transmettre toutes leurs charges électriques au filtre du respirateur. Deuxièmement, le filtre chargé était supposé agir comme une charge ponctuelle située au centre de la surface du respirateur. En tant que niveau d’émission d’ions produit dans notre expérience, une particule de 0,1 µm porte, en moyenne, 10 charges élémentaires (Lee, Yermakov, & Grinshpun, 2004b). Le calcul a montré que la charge électrique totale acquise par le filtre respiratoire,¹³ charges élémentaires, si le débit respiratoire est de 30 1 min ^-1 . La concentration d’ions au centre du respirateur a été déterminée à environ 1,6 x 10 ⁸ cm ^-3(ce point situé à 20 cm de la source d’émission d’ions). Ainsi, on a constaté que la vitesse de migration des particules dépassait la vitesse d’écoulement d’air, créée par l’inhalation dans la zone de respiration, d’environ un facteur de 75. Cela suggère que l’effet de la force de répulsion entre les particules chargées unipolairement et la surface du filtre est beaucoup plus fort que la force aérodynamique. Par conséquent, bien que nos hypothèses ne soient pas suffisamment prudentes, l’évaluation ci-dessus démontre que l’amélioration des performances du respirateur par l’émission d’ions unipolaire est régie par le mécanisme de «bouclier» électrostatique.

La diminution drastique de la pénétration des particules à travers le filtre du respirateur en raison de l’émission continue d’ions unipolaire peut être critique pour fournir une protection respiratoire supplémentaire par les masques existants contre les particules virales et bactériennes. Par exemple, un individu exposé à une concentration de virus de la grippe de 10000 m ^-3 inhale environ 4500 x 0,18 = 810 virus pendant 15 min en respirant à travers un masque chirurgical conventionnel à 30 1 min ^-1 en l’absence d’émission d’ions ( E _p ≈ 18% pour les particules de 0,1 µm). L’émission continue d’ions d’air négatifs ( N _i ~ 10 ⁶ e ^– cm ^-3 ) dans un 25 m ³chambre réduirait la concentration virale à l’intérieur d’un facteur 9 pendant cet intervalle de 15 min (Lee et al., 2004a, b). En outre, il permettrait d’ améliorer la protection de masque chirurgical réduisant E _p de 18% à au moins 0,19%. Ainsi, seulement environ (4500/9) x 0,0019 = 0,95 ≈ 1 virus serait inhalé en 15 min. Étant donné que la dose infectieuse de la grippe A2 est de 790 virus (Lawrence Berkeley National Laboratory), l’effet d’émission d’ions ferait une différence importante en ce qui concerne le risque pour la santé.

Bien que cette étude se limite à l’émission d’ions négatifs, nous prévoyons que l’effet d’amélioration des performances du respirateur peut être obtenu également en générant des ions d’air positifs, tant que la concentration d’ions à proximité du masque (zone de respiration) est suffisamment élevée. Des études futures porteront sur les effets de la polarité et du taux d’émission d’ions sur l’efficacité de pénétration des particules à travers les filtres des respirateurs.

Généralement, le facteur de protection du masque dépend non seulement de son efficacité de pénétration du filtre, mais également de son ajustement sur le visage (en pratique, le masque du masque n’est pas scellé sur le visage humain permettant aux particules de pénétrer à travers la fuite). Cette voie peut devenir particulièrement apparente lorsque le matériau filtrant est très efficace. Par conséquent, de futurs tests impliquant des sujets humains, différents facteurs d’ajustement et d’autres conditions expérimentales (débits et différents masques) sont nécessaires pour mieux caractériser l’effet d’amélioration, découvert dans cette étude, et le relier à l’exposition.

Remerciements

La partie évaluation expérimentale de cette enquête a été soutenue par Wein Products Inc., Los Angeles, CA, USA. La participation du Dr Lee à cette étude était en partie due au programme de bourses postdoctorales et au programme Advanced Environmental Monitoring Research Center (ADEMRC) de la Korea Science & Engineering Foundation (KOSEF). Les auteurs sont reconnaissants pour ce soutien.

* Ce document concernait à l’origine le Vortex VI-2500, Wein Products, Inc.

Version anglophone :

Unipolar Ion Emission Enhances Respiratory Protection Against Fine and Ultrafine Particles

Atmospheric Environment

BYUNG UK LEE, MIKHAIL YERMAKOV, SERGEY A. GRINSHPUN

DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL HEALTH, CENTER FOR HEALTH-RELATED AEROSOL STUDIES, UNIVERSITY OF CINCINNATI

Abstract

We developed a novel concept that allows to considerably improve the performance of conventionally used filtering-facepiece respirators against fine and ultrafine aerosols including viral and bacterial agents. The concept is based on the continuous emission of unipolar ions. The effect was evaluated through the real-time monitoring of the concentration size distribution of fine and ultrafine aerosol particles. The measurements were conducted inside and outside of a respiratory mask that was face sealed on a breathing manikin. A commonly used Type N95 respirator and surgical mask were utilized for the tests. The manikin was placed in a 24.3-m³ indoor test chamber and exposed to polydisperse surrogate aerosols simulating viral and bacterial particles with respect to the aerodynamic size. The particle penetration through the mask was found to decrease by one-to-two orders of magnitude as a result of continuous unipolar ion emission in the chamber. The flux of air ions migrated to the breathing zone and imparted electrical charges of the same polarity to the aerosol particles and the respirator filter surface. This created an electrostatic shield along the external surface of the filter, thus enhancing the protection characteristics provided by the respirator. The above performance enhancement effect is crucial for minimizing the infectious risk in the cases when the conventional filtering-facepiece respirators are not able to provide an adequate protection against airborne viruses and bacteria.

1. Introduction

The outbreaks of emerging diseases (e.g. SARS) and the threat of bioterrorism have triggered an urgent demand for adequate respiratory protection against bioaerosol agents, including airborne viruses and bacteria. Particular interest has been directed towards increasing the efficiency of existing respiratory protection devices.

The filtering-facepiece masks, including Type N95 respirators, are frequently used in indoor air environments to prevent or considerably reduce inhalation of droplet nuclei that can potentially carry viable microorganisms. Millions of workers, including health-care personnel, routinely use respirators in their workplaces (United States Department of Labor, 1995). In case of bioterrorist attach in a major urban area, there may be a need in millions readily available respiratory protection devices. The existing respirators have been extensively evaluated against fine particles (e.g., Brosseau, Evans, Ellenbecker, & Feldstein, 1989; Chen, Ruuskanen, Pilacinski, & Willeke, 1990; Chen & Willeke, 1992; Huang, Willeke, Qian, Grinshpun, & Ulevicius, 1998; Johnston, Myers, Colton, Birkner, & Campbell, 2001; Qian, Willeke, Grinshpun, Donnelly, & Coffey, 1998; Halvorsen, 1998) and microorganisms (Centers for Disease Control and Prevention, 1994; Lee, Slavcev, & Nicas, 2004a; Qian, Willeke, Grinshpun, & Donnelly, 1997; Qian et al., 1998; Reponen, Wang, Willeke, & Grinshpun, 1999; Willeke, Qian, Donnelly, Grinshpun, & Ulevicius, 1996). At the same time, the protection efficiency of existing facepiece respirators have not been well characterized with respect to ultrafine particles, i.e. those below 0.1 µm (Hinds, 1999).

The respirators differ from one another by their filtration efficiency, which is dependent on the filter properties and the particle size. For example, a Type N95 respirator may allow up to 5% penetration in “a worst-case scenario,” when most-penetrating sodium chloride particles of 0.3 µm mass median aerodynamic diameter are drawn through the filter at a flow rate of 85 1 min^-1 (Federal Register, 1995). The penetration efficiency of larger Mycobacterium tuberculosis bacteria (Mtb, 0.8 µm) through a face-sealed N95 respirator at strenuous workload is as low as about 0.5% (Qian et al., 1998). The face-sealed filter of a conventional health-care mask, which ensures relatively low pressure drop and consequently good comfort level, allows approximately 15% of airborne Mtb surrogate bacteria to penetrate, thus providing 85% protection against these bacteria (Willeke et al., 1996).

If the bacterial concentration in the air is 1000 m^-3, an unprotected individual breathing at 30 1 min^-1 inhales 1800 microorganisms per hour, whereas the one wearing a perfectly fit N95 respirator inhales up to 90 microorganisms per hour. If the infectious dose of a bioaerosol agent of interest is less than 90, the N95 respirator may not provide an adequate respiratory protection once the exposure time exceeds one hour. The use of an improperly fit-tested tight-fitting respirator may further decrease the respiratory protection level because of the additional particle penetration that occurs through the face-seal leaks (Chen et al., 1990; Chen & Willeke, 1992; Oestenstad, Dillion, & Perkins, 1990a; Oestenstad, Perkins, & Rose, 1990b). Based on the above considerations, it seems very useful if the filtration efficiency of existing respirators can be increased while the comfort level provided by these devices would remain the same.

With respect to the respiratory exposure and protection, the particle aerodynamic diameter range of d_a~ 0.04-2 µm is of special public interest because of its health relevance. Many bioaerosol agents, including viruses and bacteria that cause emerging diseases as well as those that can be used for biological warfare or in the event of bioterrorism, belong to this size range. For example, according to the National Center for Biotechnology Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov), the dimension of the virus à couronne virion (the etiological agent of the SARS) are (60-120) x (160-200) nm, which corresponds to d_a~ 0.1 µm. For Bacillus anthracis (bacteria causing anthrax), d_a~ 1 µm. As the above range is broad and includes both the fine and the ultrafine particle fractions (Baron & Willeke, 2001; Hinds, 1999), the particle penetration efficiency through the filter media can be affected by several mechanisms and is generally characterized by the particle aerodynamic size. This allows testing the performance of respirator filters against pathogenic agents using non-pathogenic aerosol surrogates that simulate the aerodynamic characteristics of the particles of interest.

In this study, we developed and evaluated a novel concept that drastically enhances the performance of conventional filtering-facepiece respirators against fine and ultrafine aerosol particles. The concept is based on the continuous emission of unipolar ions into the air in the vicinity of the respirator. The aerosol particles are unipolarly charged by air ions primarily due to the diffusion charging mechanism (Adachi, Kousaka, & Okuyama, 1985; Frank, Cederfelt, & Martinsson, 2004; Hernandez-Sierra, Alguacil, & Alonso, 2003; Wiedensohler et al., 1994). The ion-filter interaction and the deposition of unipolarly charged particles on the external surface of the filter impose significant unipolar charge on the filter. This creates a shield for the incoming particles (as they carry charges of the same polarity), which decreases the penetration efficiency through the filter.

1. Experimental measurements

The new concept was experimentally evaluated in a non-occupied, unventilated indoor test chamber (L x W x H = 3.78 m x 2.44 m x 2.64 m = 24.3 m³). This facility, developed in the Center for Health-Related Aerosol Studies at the University of Cincinnati, has been used in our previous studies (Choe et al., 2000; Grinshpun et al., 2002, 2004).

The experimental setup is schematically shown in Fig. 1. A breathing manikin with a face-sealed respiratory mask was exposed to the airborne polydisperse surrogate aerosols that simulated viral and bacterial particles with respect to their aerodynamic size. The leakage tests were conducted between the mask and the face of the manikin with a bubble-producing liquid (Trubble Bubble, New Jersey Meter Co., Paterson, NJ, USA). The manikin operated at a breathing flow rate, 30 1 min^-1, representing human breathing during light workloads (Mineral Resources, 1994; Johnson, Weiss, & Grove, 1992).

The electrical low-pressure impactor (ELPI, TSI Inc./Dekati Ltd., St. Paul, MN, USA) was used to determine the concentration and aerodynamic particle size distribution in real-time. This instrument utilizes the cascade impaction principle and – in addition— has a direct-reading capability. The aerosol particles are charged by the corona charger downstream of the ELPI inlet and subsequently detected by the electrometers inside the cascade impactor.

The particles were collected by the ELPI inside and outside the respirator using identical sampling lines. For these measurements, a 10-mCi Kr⁸⁵ charge equilibrator (3M Company, St. Paul, MN, USA) was installed upstream of the ELPI inlet to neutralize the particles to Boltzmann charge equilibrium. This allowed us to avoid the influence of high electric charges, imparted by the particles as a result of their interaction with air ions, on the ELPI performance. The time resolution of the instrument was adjusted to 10 s. The data were recorded in 12 ELPI channels (each channel = impaction stage), from 0.04 to 8.4 µm. The latter sizes represent the midpoint diameters of the first and the 12^th impaction stages (the midpoint = the geometric mean of the stage’s boundaries).

The natural aerosol concentration in the indoor test chamber was not sufficient, particularly for the measurement inside the mask, because the filter removed a considerable number of ambient airborne particles. To increase the initial background aerosol concentration, we used a smoke generator. The smoke particles covered primarily the submicrometer aerodynamic size range (Cheng, Bechtold, Yu, & Hung, 1995) with a sharp decrease in the particle number at d_a > 1.5-2 µm. Thus, the data recorded in the first 8 measurement channels of the ELPI (d_a = 0.04-1.3 µm) were used for the analysis.

The measured aerosol concentrations inside (C_IN) and outside (C_OUT) the mask were incorporated into the equation for the respirator penetration efficiency, E_p:

which was determined as a function of the particle aerodynamic diameter. E_p is actually the inversed protection factor that is frequently used as a respirator performance index.

Initially, the background tests were conducted by measuring the penetration efficiency of the mask with no ion emission. Then, a unipolar ion emitter was turned on at a distance of 20 cm from the mask, and E_p(d_a) was determined in 3-min time intervals during 12 min. The continuous air ion emission in the chamber decreased C_OUT as the particles, charged by ions to the same polarity, repelled and subsequently migrated toward the chamber’s walls and deposited on these walls (Grinshpun et al., 2004). The change in the C_OUT-value that occurred during each 3-min time interval due to ionic air purification in the chamber was taken into the account through the linear interpolation of C_OUT(t).

In this study, we used a negative ion emitter (VI-3500*, Wein, Inc., Los Angeles, CA, USA) producing an air ion concentration of N_i ~ 1.3 x 10⁶ elementary charges per cm³ as determined at a distance of 1 m from the source. The ion concentration was measured by the Air Ion Counter (AlphaLab Inc., Salt Lake City, UT, USA) that operates within the range of 10 – 2×10⁶ ions per cm³.

Two types of filtering-facepiece respiratory masks commercially available from a major manufacturer were tested in this study. One was the NIOSH (US National Institute for Occupational Safety and Health) certified N95 respirator and the other one was a conventional disposable surgical mask. The N95 respirator consists of inner and outer cover webs made of rayon. Its filter made of polyester and polypropylene with the electrostatically charged microfibers providing relatively high filtering efficiency. In the surgical mask, the polypropylene filter is sandwiched between inner and outer webs made of rayon. The filter of a surgical mask has lower filtration efficiency as compared to the one of an N95 respirator. Thus, the effect of ion emission on the respirator filter efficiency was tested for the masks having two distinctly different original performance characteristics.

The average values and the standard deviations of the penetration efficiency were calculated for each set of conditions as a result of at least three replicates. The data were statistically analyzed using the Microsoft Excel software package (Microsoft Co., Redmond, WA, USA).

1. Results

Fig. 2 shows the normalized initial aerosol concentration measured outside the respirator mask. Each data point represents an average of six replicates. It is seen that the aerosol particles were primarily within a range of d_a ≈ 0.04-0.5 µm (the concentration ΔN/Δlog d_a was between > 10⁴ and > 10⁵ cm^-3), while fewer micron-size particles were detected (ΔN/Δlog d_a ~ 10³ cm^-3). For each measured particle size, the initial aerosol concentration was reproducible with the variability (the coefficient of variation) not exceeding about 50% for six replicates.

Fig. 3 presents the data obtained with two types of face-sealed respirators: N95 respirator and a surgical mask. When no air ion emission was introduced, the E_p-value, averaged over the test range of d_a, was about 1.8% for the N95 respirator. The particle size did not considerably affect the penetration through the N95 respirator filter, although some decrease of E_p with increasing d_a was observed for d_a ≈ 0.04-0.5 µm. Once the negative ion emission began, the penetration decreased to 0.27% during the first 3 min. At t = 12min, it further decreased to about 0.11%, enhancing the N95 respirator filter performance approximately by a factor of 17 (Fig. 3a). For the surgical mask, the initial penetration efficiency ranged from 18.7% (d_a = 0.04 µm) to 11.1% (d_a = 1.3 µm). Resulting from the emission of negative ions, the average penetration efficiency through the surgical mask dropped from 15.4% (t = 0) to 0.19% (t = 12 min), demonstrating an 80-fold enhancement (Fig. 3b). The data in Fig. 3 show that the most pronounced effect occurred within the first 3-min interval.

1. Discussion

4.1 Baseline test

It was surprising to observe that the initial penetration efficiency (t=0) of ultrafine particles through both masks slightly increased with decreasing particle size. In contrast, the available filtration models predict that the peak penetration is reached at d_a between 0.1 and 0.3 µm, and the particles below 0.1 µm should be collected more efficiently as their size decreases (diffusion regime) (Halvorsen, 1998; Hinds, 1999; Lee & Mukund, 2001). The following considerations explain the results of our baseline test for the ultrafine particles. These models (and the laboratory-generated experimental data that support them) characterize the particle penetration through a homogeneous perfectly sealed fibrous filter material but not through a respirator mask. The design of a filtering-facepiece respirator does not assure a perfect peripheral connection of the assembly, so micro-leaks may be present between the core filter material and the elastic peripheral support. These leaks can contribute to the penetration of the ultrafine particles. In addition, although the mask was “glued” on the manikin, some very small, micrometer- or sub micrometer-size leaks may still remain. Most of soap-bubble-based air leak detection methods are capable to identify micro-leaks greater than 1 µm. If d_a is much lower than the characteristic size of the micro-leaks (⪡ 1 µm), the particles may penetrate through these remaining sub micrometer micro-leaks, thus affecting the overall aerosol penetration efficiency through the filtering mask. One more possible factor is associated with the spatial variations in fiber diameter, orientation, packing density, as well as initial fiber electrostatic charge level (for those masks utilizing electret filter media). These variations have been shown to significantly affect the respirator performance increasing the penetration efficiency of particles of ~ 0.1 µm (Huang et al., 1998).

4.2 Enhancement due to the unipolar air ion emission

The enhancement of the respirator performance, observed almost immediately after the ion emitter started operating, can be attributed to the electrostatic effect. The emitted negative ions as well as the particles charged by these ions in the air, impose significant negative charge on the respirator filter. This forms the “electrostatic shield” against the particles moving toward the mask. The repelling forces decrease the number of particles that can approach the filter. The above-described effect works outside of the respirator, as opposite to the aerosol filtration by diffusion, impaction, interception, and electrostatic deposition (Lee & Mukund, 2001) that takes place inside the filter. Therefore, the ion-induced decrease in the particle penetration efficiency does not cause the pressure drop increase through the filter providing the enhanced performance with the same comfort level.

To quantitatively characterize the effect, we calculated the velocity of particle migration induced by the electrostatic interaction in the vicinity of the filter. It was then compared to the velocity of the air flow through the filter caused by inhalation. In this calculation, we used information about the airborne particle electric charges and the air ion density, obtained by the ELPI and the Air Ion Counter, respectively. The particle size of d_a = 0.1 µm was chosen, as it represents the dominant size range used in our experiments. Furthermore, this value is at the borderline between the fine and ultrafine particle size ranges. In addition, many viral particles have an aerodynamic diameter of ~ 0.1 µm. Two main assumptions were made. First, the aerosol particles and air ions that interacted with the respirator were assumed to give all their electric charges to the respirator filter. Second, the charged filter was assumed to act as a point-charge located at the center of the respirator’s surface. As the ion emission level produced in our experiment, a 0.1 µm particle carries, on average, 10 elementary charges (Lee, Yermakov, & Grinshpun, 2004b). The calculation showed that the total electric charge acquired by the respirator filter, as a result of a 3-min continued emission from the VI-3500 ion source, is abut 1.5 x 10¹³ elementary charges, if the breathing flow rate is 30 1 min^-1. The ion concentration at the center of the respirator was determined to be approximately 1.6 x 10⁸ cm^-3 (this point located 20 cm from the ion emission source). Thus, the particle migration velocity was found to exceed the air flow velocity, created by the inhalation in the breathing zone, approximately by a factor of 75. This suggests that the effect of the repelling force between the unipolarly charged particles and filter surface is much stronger than the aerodynamic force. Therefore, although our assumptions may not be sufficiently conservative, the above assessment demonstrates that the enhancement of the respirator performance by the unipolar ion emission is governed by the electrostatic “shield” mechanism.

The drastic decrease of the particle penetration through the respirator filter due to continuous unipolar ion emission may be critical in providing additional respiratory protection by existing masks against viral and bacterial particles. For example, an individual exposed to the influenza virus concentration of 10,000 m^-3 inhales approximately 4500 x 0.18 = 810 viruses during 15 min when breathing through a conventional surgical mask at 30 1 min^-1 in the absence of ion emission (E_p ≈ 18% for 0.1 µm particles). The continuous emission of negative air ions (N_i ~ 10⁶ e^– cm^-3) in a 25-m³ room would reduce the indoor viral concentration by a factor of 9 during that 15-min interval (Lee et al., 2004a, b). In addition, it would enhance the surgical mask protection reducing E_p from 18% to at least 0.19%. Thus, only about (4500/9) x 0.0019 =0.95 ≈ 1 virus would be inhaled in 15 min. Given that the infectious dose of influenza A2 is 790 viruses (Lawrence Berkeley National Laboratory), the ion emission effect would make an important difference with respect to the health risk.

While this study is limited to the negative ion emission, we anticipate that the respirator performance enhancement effect can be achieved also by generating positive air ions, as long as the ion concentration in the vicinity of the mask (breathing zone) is sufficiently high. Future studies will address the effects of polarity and the ion emission rate on the particle penetration efficiency through respirator filters.

Generally, the mask protection factor depends not only on its filter penetration efficiency but also on its face fit (in practice, the facepiece mask is not sealed to the human face allowing the particles to penetrate through the leak). This pathway may become especially apparent when the filter material is highly efficient. Therefore, future tests involving human subjects, different fit factors, and other experimental conditions (flow rates and different masks) are needed to better characterize the enhancement effect, discovered in this study, and link it to the exposure.

Acknowledgments

The experimental evaluation part of this investigation was supported by the Wein Products Inc., Los Angeles, CA, USA. The participation of Dr. Lee in this study was partly due to the Post-doctoral Fellowship Program and the Advanced Environmental Monitoring Research Center (ADEMRC) Program of the Korea Science & Engineering Foundation (KOSEF). The authors are thankful for this support.

*This document originally pertained to the Vortex VI-2500, Wein Products, Inc.

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https://weinproducts.com/news/entry/unipolar-ion-emission-enhances-respiratory-protection-against-fine-and-ultrafine-particles