Mise à jour de l'IRSST : Développement d'une procédure de mesure de l'efficacité des filtres d'appareils de protection respiratoire N95 contre les nanoparticules

Développement d'une procédure de mesure de l'efficacité des filtres d'appareils de protection respiratoire N95 contre les nanoparticules

Haghighat, Fariborz; Bahloul, Ali; Lara, Jaime; Mostofi, Reza; Mahdavi, Alireza

Études et recherches / Rapport  R-776, Montréal, IRSST, 2013,.

Résumé

Les risques pour la santé et la sécurité des travailleurs exposés à l’inhalation de nanoparticules (NP) soulèvent de plus en plus d’inquiétudes. Parmi les sources d’émission de nanoparticules en milieu de travail figurent les effluents et les émanations de divers procédés, tels l’ablation et le fraisage laser. Les nanoparticules ont des propriétés potentiellement toxiques, à savoir une surface totale, une concentration en nombre et une réactivité surfacique élevées. Il a été démontré que l’inhalation – la voie d’exposition la plus courante aux nanoparticules – a des effets nocifs sur les fonctions pulmonaires, et que les particules déposées dans les poumons peuvent atteindre le système sanguin en traversant les barrières de protection pulmonaire. La filtration est la méthode de contrôle des aérosols la plus simple et la plus répandue. Elle est largement utilisée dans la ventilation mécanique et la protection respiratoire. Des inquiétudes ont toutefois été formulées en ce qui concerne l’efficacité des filtres à capter les nanoparticules.

Pour obtenir un niveau satisfaisant de protection sanitaire contre les NP, les travailleurs font amplement usage d’appareils de protection respiratoire (APR) à pièce faciale filtrante (PFF). Les filtres de type N, R et P sont trois catégories de filtres respiratoires approuvés et homologués par le National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH). L’APR à pièce faciale filtrante N95 est l’un des plus couramment utilisés. Mis au service d’un large éventail d’industries, les masques de protection respiratoire N95 sont notamment reconnus pour la facilité avec laquelle on peut s’en débarrasser, leur faible coût et leur convenance à l’usage auquel ils sont destinés. Conformément aux normes du NIOSH (42 CFR 84, NIOSH, 1997), les filtres N95 sont approuvés pour leur capacité à filtrer au moins 95 % des particules de 300 nm à un débit d’air de 85 litres/min. Pour ses essais d’homologation, le NIOSH utilise des particules dont la taille moyenne est de 300 nm parce que ce sont celles qui pénètrent le plus facilement les filtres mécaniques. Cependant, des études antérieures ont démontré que, dans le cas des filtres chargés électrostatiquement (filtres électret), la taille des particules les plus pénétrantes (TPPP) appartient à des particules plus fines encore. Quoi qu’il en soit, il manque encore beaucoup de données pour caractériser l’efficacité des filtres respiratoires à capter les nanoparticules dans les multiples contextes de travail, notamment en ce qui concerne l’influence de la température, de l’humidité et du rythme respiratoire.
Dans le cadre de cette étude, la performance d’un modèle d’APR à pièce faciale filtrante N95 approuvé par le NIOSH a été caractérisée pour des NP poly-disperses et mono-disperses dans deux contextes d’expérimentation différents. Dans le cas des NP poly-disperses, une méthodologie a été élaborée pour mesurer l’efficacité des filtres N95 contre des aérosols de NaCl dont la taille variait entre 15 nm et 200 nm, et ce, selon trois scénarios. Premièrement, le taux de pénétration initiale des particules à travers une PFF N95 a été examiné sous quatre débits d’air constants (85, 135, 270 et 360 litres/min). Deuxièmement, l’effet de la durée d’exposition des filtres N95 sur leur performance a été analysé pour une durée d’exposition de 5 heures. Troisièmement, l’influence de l’humidité relative (HR) (10 %, 30 % et 70 %) sur la pénétration des particules a été évaluée à un débit constant de 85 litres/min.
La performance de la PFF a également été étudiée à 85 litres/min contre 12 aérosols de NaCl dont la taille variait entre 20 nm et 200 nm. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés avec les taux de pénétration initiale des particules d’aérosols poly-disperses de 20 nm à 200 nm.
Les résultats des essais sur les aérosols poly-disperses ont démontré que le taux de pénétration initiale des particules augmentait considérablement lorsque le débit d’air augmentait, et parallèlement révélé une réduction de la taille des particules les plus pénétrantes. Le taux de pénétration des particules diminuait avec la durée d’exposition des filtres N95, alors qu’il augmentait progressivement dans le cas des particules de plus grande taille. De même, la taille des particules les plus pénétrantes augmentait de 41 nm à 66 nm. Quant aux particules de moins de 100 nm, leur taux de pénétration augmentait légèrement avec l’humidité relative. Dans le cas des particules de plus grande taille, le taux de pénétration était comparable pour des HR de 10 % et 30 %, mais elle augmentait lorsque l’HR était de 70 %.

Les essais sur les aérosols mono-disperses ont été effectués à un débit constant de 85 litres/min; le taux de pénétration initiale des nanoparticules était inférieur à 5 %, ce qui est conforme à la certification du NIOSH (norme 42 CFR 84). En outre, à taille égale, le taux de pénétration initiale mesuré pour des particules mono-disperses était légèrement plus élevé que pour des particules poly-disperses.

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English-language version : 

Development of a Procedure to Measure the Effectiveness of N95 Respirator Filters against Nanoparticles

Abstract

There is an increasing concern about the potential health hazards posed to workers exposed to inhalation of nanoparticles (NPs). Common sources of nanoparticles in working environments include fumes and exhausts from different processes like laser ablation and milling. Nanoparticles have potential toxic properties: a high particle surface area, number concentration, and surface reactivity. Inhalation, the most common route of nanoparticle exposure, has been shown to cause adverse effects on pulmonary functions, and the deposited particles in the lung can be translocated to the blood system by passing through the pulmonary protection barriers. Filtration is the simplest and most common method of aerosol control. It is widely used in mechanical ventilation and respiratory protection. However, concerns have been raised regarding the effectiveness of filters for capturing nanoparticles.
In order to reach a certified level of health protection from exposure to NPs, filtering face-piece respirators are widely used by workers. N, R and P Series are three classes of such respirators approved and certified by the National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH). The N95 face-piece respirator is one of the most commonly used masks. Serving a broad range of industries, N95 face piece respirators are known for their disposability, low cost, suitability, etc. According to NIOSH standards (42 CFR 84, NIOSH, 1997), N95 respirators are approved to remove at least 95% of 300 nm particles under an airflow rate of 85 liters/min. NIOSH uses the average particle size of 300 nm for the approval tests, because they correspond to the most penetrating particle size (MPPS) on mechanical filters. However, previous studies demonstrated that the MPPS shifts to smaller particle sizes for electrostatic charged filters. However, a lot of information is lacking to characterize the performance of respiratory filters for nanoparticles in the different situations encountered in the working environment. Examples include the effect of temperature, humidity and respiratory flow rates.
In this study, the performance of one model of N95 NIOSH approved filtering face-piece respirator (FFR) was characterized against poly-dispersed and mono-dispersed NPs using two different experimental set-ups. With poly-dispersed NPs, a methodology was developed to measure the performance of the N95 respirators against NaCl aerosols in the size range of 15 to 200 nm in three scenarios. First, the initial particle penetration through N95 respirator was examined at four constant airflow rates: 85, 135, 270 and 360 liters/min. Second, the effect of time on the particle loading was investigated for duration of five hours. Third, the effect of the relative humidity (RH) (10, 30 and 70%) on the particle penetration was assessed at 85 liters/min. 
In addition, the FFR performance was also characterized at 85 liters/min against twelve mono-sized NaCl aerosols with sizes ranging from 20 to 200 nm. The results were compared with the initial penetrations of the corresponding particle size on the FFR tested against poly-dispersed aerosols.
Using the poly-dispersed aerosols test (PAT) method, the results demonstrated that the initial particle penetration was significantly enhanced with the increased airflows and a shift toward smaller particle size was observed for the most penetrating particle. The particle penetration decreased with further loading, while a gradual increase in penetration was observed for the larger particle sizes. The MPPS was also found to shift toward the larger sized particles; from 41 to 66 nm. In addition, for the particles below 100 nm, the particle penetration augmented slightly as the RH increased. However, for the larger size particles, penetration was similar at RH of 10 and 30%; and subsequently increased as RH elevated to 70%.
The mono-dispersed aerosol test (MAT) method was performed at 85 liters/min constant flow rate; the initial particle penetration at the MPPS was below 5% NIOSH certification criterion. Moreover, the initial particle penetration value, measured with MAT method was higher than the one measured with PAT method at each corresponding particle size. 



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