Un cartucho de respirador o un cartucho de máscara de gas es un tipo de filtro que elimina gases, compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros vapores del aire a través de la adsorción , absorción o quimisorción . Es uno de los dos tipos básicos de filtros que utilizan los respiradores purificadores de aire . El otro es un filtro mecánico , que elimina solo partículas . Los filtros híbridos combinan los dos.
El aire del lugar de trabajo contaminado con partículas finas o gases nocivos pero que contiene suficiente oxígeno (en los EE. UU., se considera que es una concentración superior al 19,5 %; en la Federación Rusa, superior al 18 % [ cita requerida ] ) se puede volver inocuo mediante respiradores purificadores de aire. Los cartuchos son de diferentes tipos y deben elegirse correctamente y reemplazarse según un cronograma apropiado. [1] [2]
La captura de gases nocivos se puede lograr mediante absorbentes . [3] Estos materiales ( carbón activado , óxido de aluminio , zeolita , etc.) tienen una gran superficie específica y pueden absorber muchos gases. Normalmente, estos absorbentes se presentan en forma de gránulos y llenan el cartucho. El aire contaminado viaja a través del lecho de gránulos absorbentes del cartucho. Las moléculas de gas nocivo móviles chocan con la superficie del absorbente y permanecen en ella. El absorbente se satura gradualmente y pierde su capacidad para capturar contaminantes. La fuerza de unión entre las moléculas capturadas y el absorbente es pequeña, y las moléculas pueden separarse del absorbente y regresar al aire. La capacidad del absorbente para capturar gases depende de las propiedades de los gases y sus concentraciones, incluida la temperatura del aire y la humedad relativa . [4]
La quimisorción utiliza una reacción química entre el gas y el absorbente. La capacidad de algunos gases nocivos de reaccionar químicamente con otras sustancias se puede utilizar para capturarlos. La creación de enlaces fuertes entre las moléculas de gas y un absorbente puede permitir el uso repetido de un recipiente si tiene suficiente absorbente insaturado. Las sales de cobre , por ejemplo, pueden formar compuestos complejos con amoníaco. [3] Una mezcla de iones de cobre (+2), carbonato de zinc y TEDA puede desintoxicar el cianuro de hidrógeno . [5] Al saturar el carbón activado con productos químicos, la quimisorción se puede utilizar para ayudar al material a crear enlaces más fuertes con las moléculas de gases atrapados y mejorar la captura de gases nocivos. La saturación de yodo mejora la captura de mercurio , la saturación de sales metálicas mejora la captura de amoníaco y la saturación de óxidos metálicos mejora la captura de gases ácidos . [6] [4]
Algunos gases nocivos pueden neutralizarse mediante oxidación catalítica . Una hopcalita puede oxidar el tóxico monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono inocuo (CO2 ) . La eficacia de este catalizador disminuye considerablemente a medida que aumenta la humedad relativa . Por ello, a menudo se añaden desecantes . El aire siempre contiene vapor de agua y, tras la saturación del desecante, el catalizador deja de funcionar.
Los cartuchos y botes combinados o multigas protegen contra los gases nocivos mediante el uso de múltiples sorbentes o catalizadores. Un ejemplo es el bote de carbón ASZM-TEDA que utiliza el ejército de los EE. UU . en las máscaras CBRN . Se trata de una forma de carbón activado saturado con compuestos de cobre, zinc, plata y molibdeno, así como con trietilendiamina (TEDA). [5]
La selección de cartuchos se realiza después de evaluar la atmósfera. NIOSH guía la elección de cartuchos (y botes) en los EE. UU. [7] junto con las recomendaciones del fabricante.
En virtud del Título 42 del Código de Reglamentos Federales, 84, los cartuchos químicos y los botes de las máscaras de gas se definen por separado. El uso de la lista de botes TC-14G o la lista de cartuchos químicos TC-23C para un respirador determinado depende de si el "gas ácido" es un contaminante designado, que está destinado únicamente a los botes de las máscaras de gas, o si el fabricante está obligado a enumerar todos los contaminantes designados que admite un cartucho químico determinado. [8]
La subsección L del 42 CFR 84 describe siete tipos de respiradores con cartuchos químicos con concentraciones máximas de uso y penetración, y señala que los colores y las marcas se basan definitivamente en la norma ANSI K13.1-1973. [9] Una guía TB, publicada por NIOSH en 1999, describe 13 combinaciones de contaminantes con marcas de color únicas. [10] La guía definitiva de ANSI, que, desde la aprobación del 42 CFR 84 en 1995, ha publicado una revisión de 2001 de K13.1-1973, denominada Z88.7-2001, describe 14 combinaciones de contaminantes con marcas de color únicas, basadas en 13 de las 28 designaciones de protección de NIOSH. [11] [12] La norma ANSI también señala que estas clasificaciones no se aplican en respiradores de aviación o militares. [12]En la Unión Europea (UE) y la Federación Rusa (RF), [13] [14] [15] [16] [17] los fabricantes pueden certificar cartuchos destinados a limpiar el aire de diversos contaminantes gaseosos. Los códigos están cubiertos por la norma EN 14387 ; además, se utilizan los códigos de partículas P1, P2 y P3. Por ejemplo, A1P2 es el código para filtros de uso común en la industria y la agricultura que brindan protección contra gases de tipo A, partículas de aparición común y otras partículas orgánicas.
Los cartuchos AX, SX y NO no se distinguen por la capacidad de sorción (como en EE. UU.) cuando se clasifican y certifican.
Si el cartucho está diseñado para proteger contra varios tipos diferentes de gases nocivos, la etiqueta incluirá todas las designaciones en orden. Por ejemplo: A2B1 , color: marrón y gris.
Otras jurisdicciones que utilizan este estilo de clasificación incluyen Australia/Nueva Zelanda (AS/NZS 1716:2012) y China (GB 2890:2009).
La vida útil de todos los tipos de cartuchos es limitada, por lo tanto, el empleador está obligado a reemplazarlos de manera oportuna.
El uso de cartuchos en una atmósfera contaminada provoca la saturación del absorbente (o del secador, si se utilizan catalizadores). La concentración de gases nocivos en el aire purificado aumenta gradualmente. La entrada de gases nocivos en el aire inhalado puede provocar una reacción en el sistema sensorial del usuario : olor , sabor , irritación del sistema respiratorio , mareos , dolores de cabeza y otros problemas de salud, incluso la pérdida de la conciencia . [19]
Estas señales (conocidas en los EE. UU. como "propiedades de advertencia" - p. 28 [19] ) indican que uno debe abandonar el área de trabajo contaminada y reemplazar el cartucho por uno nuevo. Esto también puede ser un síntoma de un ajuste flojo de la máscara a la cara y la fuga de aire sin filtrar a través de los espacios entre la máscara y la cara. Históricamente, este método es el más antiguo.
Las ventajas de este método son que si los gases nocivos tienen propiedades de advertencia en concentraciones inferiores a 1 PEL , el reemplazo se producirá a tiempo ( al menos en la mayoría de los casos ); la aplicación de este método no requiere el uso de cartuchos especiales (más caros) y accesorios; el reemplazo se produce cuando es necesario, después de la saturación del sorbente y sin ningún cálculo; la capacidad de sorción de los cartuchos se agota por completo (lo que reduce los costos de protección respiratoria).
La desventaja de este método es que algunos gases nocivos no tienen propiedades de advertencia. Por ejemplo, en la Guía de selección de respiradores [20] hay una lista de más de 500 gases nocivos y más de 60 de ellos no tienen propiedades de advertencia, y no existe información similar para más de 100 de ellos. Por lo tanto, si se utilizan propiedades de advertencia para reemplazar los cartuchos, esto puede provocar que se respire aire con una concentración excesiva de gases nocivos en algunos casos.
Según la ICHS , no todas las sustancias enumeradas en la tabla pueden detectarse de forma fiable mediante el olfato en concentraciones peligrosas. Por otra parte, todas las publicaciones que solo contienen información sobre los umbrales medios de percepción de olores pueden ser parcialmente engañosas, ya que crean la impresión de que los umbrales son estables y constantes. [23]
Si el olor umbral del benceno es de 20 PEL y su concentración es de solo 10 PEL, no se pueden cambiar oportunamente los cartuchos usando el olor: se pueden "usar" para siempre , pero no pueden proteger para siempre.
La práctica ha demostrado que la presencia de propiedades de advertencia no siempre conduce a un reemplazo oportuno del cartucho. [25] Un estudio [26] mostró que, en promedio, el 95% de un grupo de personas tiene un umbral individual de sensibilidad olfativa en el rango de 1/16 a 16 de la media. Esto significa que el 2,5% de las personas no podrán oler gases nocivos en una concentración 16 veces mayor que el umbral medio de percepción de un olor. El umbral de sensibilidad de diferentes personas puede variar en dos órdenes de magnitud. Es decir, el 15% de las personas no huelen en concentraciones cuatro veces superiores al umbral de sensibilidad. El valor del umbral olfativo depende en gran medida de la atención que le presten las personas y de su estado de salud.
La sensibilidad puede verse reducida, por ejemplo, debido a resfriados y otras dolencias. Resulta que la capacidad de un trabajador para percibir olores también depende de la naturaleza del trabajo que debe realizar: si requiere concentración, el usuario puede no reaccionar al olor. La exposición prolongada a gases nocivos (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno ) en bajas concentraciones puede provocar fatiga olfativa que reduce la sensibilidad. En un grupo de trabajadores, el umbral medio del olor a estireno aumentó en un orden de magnitud debido a la adaptación. Sin embargo, la percepción de olores de otras sustancias no cambió. Y los trabajadores podrían creer erróneamente que su órgano olfativo también seguía siendo sensible al estireno. [27]
Esta fue la razón por la que se prohibió utilizar este método de reemplazo de cartuchos en los EE. UU. desde 1996 (norma OSHA de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional ). [19]
Para proteger a los trabajadores del monóxido de carbono, los cartuchos suelen utilizar el catalizador hopcalita . Este catalizador no cambia sus propiedades con el tiempo de uso, pero cuando se humedece, el grado de protección puede reducirse significativamente. Como el vapor de agua siempre está presente en el aire, el aire contaminado se deshumidifica en el cartucho (para el uso del catalizador). Como la masa de vapor de agua en el aire contaminado es mayor que la masa de gases nocivos, la retención de humedad del aire conduce a un aumento significativamente mayor en la masa de los cartuchos que la de los gases atrapados. Esta es una diferencia sustancial y puede usarse para determinar si se deben seguir utilizando cartuchos de gas sin reemplazarlos. El cartucho se pesa y se puede tomar una decisión en función de la magnitud del aumento de su masa. Por ejemplo, el libro [28] describe cartuchos de gas (modelo "СО"), que se reemplazaron después de un aumento de peso (en relación con el inicial) de 50 gramos.
En los documentos [28] [29] se describen cartuchos soviéticos (modelo "Г"), diseñados para proteger contra el mercurio. Su vida útil estaba limitada a 100 horas de uso (cartuchos sin filtro de partículas) o 60 horas de uso (cartuchos con filtro de partículas), después de las cuales era necesario sustituir el cartucho por uno nuevo.
Los documentos [30] [31] describen un método no destructivo para determinar la vida útil restante de los cartuchos de gas nuevos y usados. Se bombeó aire contaminado a través del cartucho. El grado de purificación del aire depende de la cantidad de sorbente insaturado que haya en el cartucho, por lo tanto, la medición precisa de la concentración de gas en el aire limpio permite estimar la cantidad de sorbente insaturado. El aire contaminado ( 1-bromobutano ) se bombeó durante un tiempo muy corto y, por lo tanto, estas pruebas no reducen considerablemente la vida útil. La capacidad de sorción disminuyó debido a la absorción de este gas en aproximadamente un 0,5% de la capacidad de sorción de un cartucho nuevo. El método también se utilizó para el control de calidad del 100% de los cartuchos fabricados por la firma inglesa Martindale Protection Co. (10 microlitros de 1-bromobutano inyectados en la corriente de aire), y para verificar los cartuchos entregados a los trabajadores de las firmas Waring, Ltd. y Rentokil, Ltd. Este método se utilizó en el Chemical Defence Establishment a principios de los años 70. Los expertos que desarrollaron este método recibieron una patente . [32]
El documento [33] describe brevemente dos métodos para evaluar objetivamente el grado de saturación del sorbente en los cartuchos. Recomienda utilizar métodos espectrales y microquímicos. El método espectral se basa en la determinación de la presencia de sustancias nocivas en el cartucho mediante muestreo, con posterior análisis en un dispositivo especial (стилоскоп - en ruso ). Un método microquímico se basa en una determinación capa por capa de la presencia de sustancias nocivas en el sorbente mediante muestreo con posterior análisis por método químico. Si el aire está contaminado con las sustancias más tóxicas, el libro recomienda limitar la duración posterior del uso del cartucho y recomienda aplicar el método espectral ( arsina y fosfina , fosgeno , flúor , organoclorado , compuestos organometálicos ) y métodos microquímicos ( cianuro de hidrógeno , cianógenos ).
Desafortunadamente, en ambos casos, no hay una descripción de cómo extraer una muestra del sorbente de la carcasa del cartucho (la carcasa generalmente no es desmontable) y usar el cartucho después de esta prueba, si la prueba muestra que no tiene muchos sorbentes saturados.
La certificación de los cartuchos proporciona un valor mínimo de su capacidad de sorción. La norma de la OSHA de EE. UU. para el 1,3-butadieno indica la vida útil específica de los cartuchos. [34]
Si la empresa dispone de un laboratorio con el equipamiento adecuado, los especialistas pueden hacer pasar el aire contaminado por el cartucho y determinar el grado de limpieza necesario. Este método permite determinar la vida útil en un entorno en el que el aire está contaminado con una mezcla de diferentes sustancias que afectan a su captura con un sorbente (unas afectan a la captura de otras). Los métodos de cálculo de la vida útil para tales condiciones se han desarrollado hace relativamente poco tiempo. Sin embargo, esto requiere información precisa sobre las concentraciones de sustancias nocivas, y a menudo no son permanentes.
Las pruebas en laboratorios permiten determinar el saldo de vida útil de los cartuchos después de su uso. [35] Si el saldo es grande, se pueden utilizar cartuchos similares en tales circunstancias durante un período de tiempo más largo. En algunos casos, un saldo grande permite el uso repetido de cartuchos. Este método no requiere información precisa sobre las concentraciones de sustancias nocivas. El programa de reemplazo de cartuchos se elabora sobre la base de los resultados de su prueba en el laboratorio. Este método tiene un serio inconveniente. La empresa debe tener un equipo complejo y costoso y profesionales capacitados para usarlo, lo que no siempre es posible. Según una encuesta, [36] el reemplazo de cartuchos en los EE. UU. se realizó sobre la base de pruebas de laboratorio en aproximadamente el 5% de todas las organizaciones. [ cita requerida ]
Desde la década de 1970, en los países desarrollados se han llevado a cabo investigaciones para determinar si es posible calcular la vida útil de los cartuchos de los respiradores (si se conocen las condiciones de su uso). Esto permite reemplazar los cartuchos de manera oportuna sin el uso de equipos sofisticados y costosos. [ cita requerida ]
Los principales fabricantes de respiradores del mundo ofrecieron a sus clientes ya en el año 2000 programas informáticos para calcular la vida útil.
El programa 3M [40] permitió calcular la vida útil de los cartuchos expuestos a más de 900 gases nocivos y sus combinaciones en 2013. El programa MSA [41] permite tener en cuenta cientos de gases y sus combinaciones. El mismo programa fue desarrollado por Scott [44] y Dragerwerk . [45] J. Wood desarrolló un modelo matemático y un software que ahora permite calcular la vida útil de cualquier cartucho con propiedades conocidas. [46] [47] Ahora OSHA lo utiliza en su programa Advisor Genius. [48]
La ventaja de este método de sustitución de los cartuchos es que permite al empresario utilizar cartuchos normales, "comunes", y si dispone de los datos exactos, puede sustituirlos a tiempo. La desventaja es que, como la contaminación del aire no suele ser constante y la naturaleza del trabajo a realizar no siempre es estable (es decir, el flujo de aire a través de los cartuchos no es permanente), se recomienda utilizar para los cálculos condiciones de trabajo equivalentes al peor de los casos para una protección fiable. Sin embargo, en todos los demás casos, los cartuchos se sustituirán por un absorbente parcialmente usado. Esto aumenta los costes de protección respiratoria debido a la mayor frecuencia de sustitución de los cartuchos.
Además, la precisión del cálculo se reduce en condiciones de humedad relativa muy elevada , porque el modelo matemático no tiene en cuenta algunos de los efectos físicos en esos casos.
Si un cartucho tiene un dispositivo para advertir al usuario de la proximidad del vencimiento de la vida útil (indicador de fin de vida útil, ESLI), la indicación se puede utilizar para el reemplazo oportuno de los cartuchos. ESLI puede ser activo [49] o pasivo. [50] Un indicador pasivo a menudo utiliza un sensor que cambia de color. Este elemento se instala en el cartucho a cierta distancia de la salida de aire filtrado para que el cambio de color se produzca antes de que los gases nocivos comiencen a pasar a través del cartucho. Un indicador activo puede utilizar una luz o una alarma audible para señalar que es necesario reemplazar un cartucho.
Indicadores pasivos de fin de vida útil [50]
Los indicadores activos utilizan una luz o una alarma sonora para avisar al usuario que se activa mediante un sensor que suele estar instalado en el cartucho. Estos indicadores permiten sustituir los cartuchos a tiempo con cualquier luz y no requieren que el trabajador preste atención al color del indicador. También pueden ser utilizados por trabajadores que no distinguen bien los colores.
A pesar de la existencia de soluciones para los problemas técnicos y de la existencia de requisitos de certificación establecidos para el ESLI, [59] durante el período de 1984 (primera norma de certificación con requisitos para el ESLI activo) hasta 2013, no se aprobó ningún cartucho con ESLI activo en los EE. UU. Resultó que los requisitos para los cartuchos no son del todo exactos y los empleadores no están obligados a utilizar estos indicadores específicamente. Por lo tanto, los fabricantes de respiradores temen el fracaso comercial cuando venden productos nuevos e inusuales, aunque continúan realizando trabajos de investigación y desarrollo en este área.
Indicadores activos de fin de vida útil:
Un estudio sobre el uso de respiradores en los EE. UU. mostró que más de 200 000 trabajadores pueden estar expuestos a gases nocivos excesivos debido al reemplazo tardío de los cartuchos. [36] Por lo tanto, el Laboratorio de EPI ( NPPTL ) del NIOSH comenzó a desarrollar un ESLI activo. Una vez completado el trabajo, sus resultados ayudarán a establecer requisitos legales claros que los empleadores deberán cumplir y la tecnología resultante se transferirá a la industria para su uso en nuevos RPD mejorados. [50]
Dado que no siempre es posible reemplazar los cartuchos de manera oportuna mediante el uso de sus desodorantes, [ aclaración necesaria ] OSHA ha prohibido el uso de este método. El empleador está obligado a utilizar solo dos formas de reemplazar los cartuchos: [66] según un cronograma y mediante ESLI (porque solo estos métodos proporcionan una preservación confiable de la salud de los trabajadores). Las instrucciones de OSHA a los inspectores brindan orientación específica sobre la inspección de la implementación de tales requisitos. [67] Por otro lado, el estado requiere que los fabricantes proporcionen al consumidor toda la información necesaria sobre los cartuchos para permitirle hacer un cronograma para su reemplazo oportuno. Existen requisitos similares en la norma sobre seguridad ocupacional, que rige la selección y aplicación de RPD en la UE. [68] En Inglaterra, un tutorial sobre la selección y el uso de respiradores recomienda obtener información del fabricante y reemplazar los cartuchos según un cronograma o usar ESLI, y prohíbe reutilizar los cartuchos después de la exposición a sustancias volátiles que pueden migrar. [69]
Si el cartucho contiene una gran cantidad de sorbente y la concentración de contaminantes es baja, o si el cartucho se utilizó durante un período de tiempo breve, después de finalizar su uso aún tiene una gran cantidad de sorbente insaturado (que puede capturar gases), esto puede permitir volver a utilizar dichos cartuchos.
Las moléculas de los gases atrapados pueden desabsorberse durante el almacenamiento del cartucho. Debido a la diferencia de concentraciones dentro del cuerpo del cartucho (en la entrada la concentración es mayor; en la salida para aire purificado la concentración es menor), estas moléculas desabsorbidas migran dentro del cartucho hacia la salida. El estudio de cartuchos expuestos al bromuro de metilo mostró que esta migración puede impedir la reutilización del almacenamiento. [73] La concentración de sustancias nocivas en el aire purificado puede superar el PEL (incluso si se bombea aire limpio a través del cartucho). Para proteger la salud de los trabajadores, la ley estadounidense prohíbe la reutilización del cartucho cuando se expone a sustancias nocivas que pueden migrar, incluso si el cartucho tiene mucho sorbente no saturado después del primer uso. Según las normas, las sustancias "volátiles" (aquellas capaces de migrar) se consideran sustancias con un punto de ebullición inferior a 65 °C. Pero los estudios han demostrado que en el punto de ebullición superior a 65 °C la reutilización del cartucho puede ser insegura. Por lo tanto, el fabricante debe proporcionar al comprador toda la información necesaria para el uso seguro del cartucho. Así, si el período de vida útil continua del cartucho (calculado por el programa - ver arriba) supera las ocho horas (ver tablas 4 y 5), la legislación puede limitar su uso a un turno.
El artículo [74] ofrece un procedimiento para calcular la concentración de sustancias nocivas en el aire purificado al comienzo de la reutilización de los cartuchos, lo que permite determinar exactamente dónde se pueden reutilizar de forma segura. Pero estos resultados científicos aún no se reflejan en ninguna norma o directriz sobre el uso de respiradores. El autor del artículo, que trabaja en los EE. UU., ni siquiera intentó considerar el uso de cartuchos de gas más de dos veces. En el sitio web del autor, se puede descargar un programa informático gratuito que permite calcular la concentración de sustancias nocivas inmediatamente después del inicio de la reutilización del cartucho (lo que permite determinar si es seguro). [47]
El carbón activado no se une fuertemente a los gases nocivos, por lo que puede liberarse más tarde. Otros sorbentes experimentan reacciones químicas con el peligro y forman enlaces fuertes. Se han desarrollado tecnologías especiales para la recuperación de cartuchos usados. Se crearon condiciones que han estimulado la desorción de las sustancias nocivas atrapadas anteriormente. Para ello se utilizó vapor o aire caliente en la década de 1930 [75] [76] u otros métodos. [77] El procesamiento del sorbente se llevó a cabo después de su extracción del cuerpo del cartucho, o sin retirarlo.
En 1967, los especialistas intentaron utilizar resina de intercambio iónico como absorbente. Los autores propusieron regenerar el absorbente lavándolo en una solución de álcali o soda. [78]
El estudio [73] también mostró que los cartuchos se pueden regenerar eficazmente después de la exposición al bromuro de metilo (cuando se soplan con aire caliente a 100 a 110 °C, caudal de 20 L/min, duración de aproximadamente 60 minutos).
La regeneración de sorbentes se utiliza de forma sistemática en la industria química , ya que permite ahorrar costes en la sustitución de sorbentes y realizar la regeneración de los dispositivos de depuración de gases industriales de forma exhaustiva y organizada. Sin embargo, en el uso masivo de máscaras de gas en diferentes condiciones es imposible controlar la precisión y la corrección de dicha regeneración de los cartuchos de los respiradores. Por ello, a pesar de la viabilidad técnica y las ventajas comerciales, la regeneración de los cartuchos de los respiradores en tales casos no se lleva a cabo.
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