Un cartucho o recipiente de respirador es un tipo de filtro que elimina gases, compuestos orgánicos volátiles (COV) y otros vapores del aire mediante adsorción , absorción o quimisorción . Es uno de los dos tipos básicos de filtros utilizados por los respiradores purificadores de aire . El otro es un filtro mecánico , que elimina sólo las partículas . Los filtros híbridos combinan los dos.
El aire del lugar de trabajo que está contaminado con partículas finas o gases nocivos pero que contiene suficiente oxígeno (en los EE. UU., se considera una concentración superior al 19,5%; en la Federación de Rusia, superior al 18% [ cita necesaria ] ), se puede transformar seguro mediante respiradores purificadores de aire. Los cartuchos son de diferentes tipos y deben elegirse correctamente y reemplazarse según un cronograma adecuado. [1] [2]
La captura de gases nocivos se puede lograr mediante sorbentes . [3] Estos materiales ( carbón activado , óxido de aluminio , zeolita , etc.) tienen una gran superficie específica y pueden absorber muchos gases. Normalmente, estos sorbentes 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 móviles de gases nocivos chocan con la superficie del sorbente y permanecen allí. El sorbente se satura gradualmente y pierde su capacidad para capturar contaminantes. La fuerza de unión entre las moléculas capturadas y el sorbente es pequeña y las moléculas pueden separarse del sorbente y regresar al aire. La capacidad del sorbente 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. Para capturarlos se puede aprovechar la capacidad de algunos gases nocivos para reaccionar químicamente con otras sustancias. La creación de vínculos fuertes entre las moléculas de gas y un sorbente puede permitir el uso repetido de un recipiente si tiene suficiente sorbente insaturado. Las sales de cobre , por ejemplo, pueden formar compuestos complejos con el 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 formar vínculos 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 se pueden neutralizar mediante oxidación catalítica . Una hopcalita puede oxidar el tóxico monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono (CO 2 ) inofensivo. La eficacia de este catalizador disminuye fuertemente a medida que aumenta la humedad relativa . Por lo tanto, 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 combinados o multigas protegen de gases nocivos mediante el uso de múltiples sorbentes o catalizadores. Un ejemplo es el carbono ASZM-TEDA utilizado en máscaras QBRN por el ejército de EE. UU . 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 del cartucho se realiza después de evaluar la atmósfera. NIOSH guía la elección de cartuchos en los EE. UU. [7] junto con las recomendaciones del fabricante.
En los EE. UU., la aprobación para la clasificación y certificación de la eficiencia de filtración de partículas de los cartuchos de respiradores es administrada por el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) como parte de la Parte 84 del Título 42 del Código de Regulaciones Federales (42 CFR 84). [8] Los fabricantes pueden certificar cartuchos destinados a purificar el aire del lugar de trabajo de diversos contaminantes gaseosos. [9]
En la Unión Europea (UE) y la Federación de Rusia (RF), [10] [11] [12] [13] [14] los fabricantes pueden certificar cartuchos destinados a limpiar el aire de diversos contaminantes gaseosos. Los códigos están cubiertos por EN14387, además se utilizan los códigos de partículas P1, P2 y P3. Por ejemplo, A1P2 es el código para filtros comúnmente utilizados en la industria y la agricultura que brindan protección contra gases tipo A, partículas comunes 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 enumerará 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 que el empleador está obligado a reemplazarlos oportunamente.
El uso de cartuchos en una atmósfera contaminada provoca la saturación del sorbente (o del secador, cuando 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 reacciones en el sistema sensorial del usuario : olor , gusto , irritación del sistema respiratorio , mareos , dolores de cabeza y otros problemas de salud hasta la pérdida del conocimiento . [dieciséis]
Estas señales (conocidas en EE.UU. como "propiedades de advertencia" - p. 28 [16] ) indican que se debe abandonar el lugar de trabajo contaminado y sustituir el cartucho por uno nuevo. Esto también puede ser un síntoma de un ajuste flojo de la mascarilla a la cara y de la fuga de aire sin filtrar a través de los espacios entre la mascarilla 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) ni accesorios; el reemplazo ocurre cuando es necesario hacerlo, 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 costes de protección respiratoria).
La desventaja de este método es que algunos gases nocivos no tienen propiedades de advertencia. Por ejemplo, hay una lista de más de 500 gases nocivos en la Guía de selección de respiradores [17] y más de 60 de ellos no tienen propiedades de advertencia, y no existe dicha información para más de 100 de ellos. Por lo tanto, si se utilizan propiedades de advertencia para reemplazar los cartuchos, esto puede llevar a respirar aire con una concentración excesiva de gases nocivos en algunos casos.
Según la ICHS , todas las sustancias enumeradas en la tabla no pueden detectarse de forma fiable mediante el olfato en concentraciones peligrosas. Por otro lado, todas las publicaciones que contienen información únicamente sobre los umbrales medios de percepción de olores pueden desinformar en parte al lector, ya que crean la impresión de que los umbrales son estables y constantes. [20]
Si el umbral de olor del benceno es 20 PEL; y si su concentración es sólo de 10 PEL, no se pueden cambiar los cartuchos a tiempo mediante el uso del olor: podrían "utilizarse" 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. [22] Un estudio [23] demostró 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 huele en concentraciones cuatro veces superiores al umbral de sensibilidad. El valor del umbral del olfato depende en gran medida de cuánta atención le presta la gente 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 detectar olores también depende de la naturaleza del trabajo a realizar: si requiere concentración, es posible que el usuario no reaccione al olor. La exposición prolongada a gases nocivos (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno ) en bajas concentraciones puede generar fatiga olfativa que reduce la sensibilidad. En un grupo de trabajadores, el umbral medio de olor a estireno aumentó en un orden de magnitud debido a la adaptación. Pero la percepción de los olores de otras sustancias no cambió. Y los trabajadores podían creer erróneamente que su órgano olfativo también seguía siendo sensible al estireno. [24]
Este fue el motivo de la prohibición del uso de este método de reemplazo de cartuchos en los EE. UU. desde 1996 (la norma OSHA de la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional ). [dieciséis]
Para proteger a los trabajadores de los cartuchos de monóxido de carbono se suele 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). Dado que la masa de vapor de agua en el aire contaminado es mayor que la masa de gases nocivos, la captura 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 se puede utilizar para determinar si se deben seguir usando cartuchos de gas sin reemplazarlos. Se pesa el cartucho y se puede tomar una decisión en función de la magnitud del aumento de su masa. Por ejemplo, el libro [25] describe cartuchos de gas (modelo "СО"), que fueron reemplazados después de un aumento de peso (con respecto al inicial) de 50 gramos.
Los documentos [25] [26] describían 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), tras las cuales era necesario sustituir el cartucho por uno nuevo.
Los documentos [27] [28] describen una forma no destructiva de determinar la vida útil restante de 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, una 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 muy poco tiempo 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 Establecimiento de Defensa Química a principios de los años 1970. Los expertos que desarrollaron este método recibieron una patente . [29]
El documento [30] 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, seguido de un análisis en un dispositivo especial (стилоскоп - en ruso ). El método microquímico se basa en la determinación capa por capa de la presencia de sustancias nocivas en el sorbente mediante muestreo y posterior análisis mediante método químico. Si el aire está contaminado con las sustancias más tóxicas, el libro recomienda limitar la duración adicional del uso de los cartuchos y recomienda aplicar el método espectral ( arsina y fosfina , fosgeno , flúor , organocloruros , 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 cómo usar el cartucho después de esta prueba, si la prueba muestra que no tiene una muchos sorbentes saturados.
La certificación de los cartuchos proporciona un valor mínimo de su capacidad de sorción. La norma estadounidense OSHA para 1,3-butadieno indica la vida útil específica de los cartuchos. [31]
Si la empresa dispone de un laboratorio con el equipamiento adecuado, los especialistas pueden pasar el aire contaminado a través del cartucho y determinar el grado de limpieza necesario. Este método permite determinar la vida útil en un ambiente donde el aire está contaminado con una mezcla de diferentes sustancias que afectan su captura con un sorbente (una afecta la captura de otra). Los métodos de cálculo de la vida útil para tales condiciones se han desarrollado relativamente recientemente. Sin embargo, esto requiere información precisa sobre las concentraciones de sustancias nocivas y, a menudo, no son permanentes.
Las pruebas en laboratorios pueden identificar el equilibrio de la vida útil de los cartuchos después de su uso. Si el resto 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 de cartuchos repetidamente. Este método no requiere información precisa sobre las concentraciones de sustancias nocivas. El calendario de sustitución de los cartuchos se basa en los resultados de sus pruebas en el laboratorio. Este método tiene un serio inconveniente. La empresa debe disponer de equipos complejos y costosos y de profesionales capacitados para utilizarlos, lo que no siempre es posible. Según una encuesta, [32] la sustitución de los cartuchos en los EE.UU. se llevó a cabo basándose en pruebas de laboratorio en aproximadamente el 5% de todas las organizaciones.
Desde la década de 1970 se han llevado a cabo en países desarrollados investigaciones para determinar si es posible calcular la vida útil de los cartuchos de respirador (si se conocen las condiciones de su uso). Esto permite reemplazar los cartuchos de manera oportuna sin el uso de equipos sofisticados y costosos.
Ya en el año 2000 , los principales fabricantes de respiradores del mundo ofrecieron a sus clientes programas informáticos para calcular la vida útil.
El programa 3M [36] permitió calcular la vida útil de los cartuchos expuestos a más de 900 gases nocivos y sus combinaciones en 2013. El programa MSA [37] permite tener en cuenta cientos de gases y sus combinaciones. El mismo programa fue desarrollado por Scott [40] y Dragerwerk . [41] J. Wood desarrolló un modelo matemático y un software que ahora permite calcular la vida útil de cualquier cartucho con propiedades conocidas. [42] [43] Ahora OSHA lo utiliza en su programa Advisor Genius. [44]
El mérito de esta forma de reemplazar los cartuchos es que permite al empleador utilizar cartuchos normales, "comunes", y si tiene los datos exactos, puede reemplazarlos a tiempo. La desventaja es que debido a que la contaminación del aire a menudo no es 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 condiciones de trabajo para cálculos, iguales al peor de los casos, para una protección confiable. Pero en todos los demás casos, los cartuchos se sustituirán por un sorbente parcialmente usado. Esto aumenta los costos de protección respiratoria debido al reemplazo más frecuente de los cartuchos.
Además, la precisión de los cálculos se reduce en condiciones de humedad relativa muy alta , porque el modelo matemático no tiene en cuenta algunos de los efectos físicos en tales casos.
Si un cartucho tiene un dispositivo para advertir al usuario de la próxima expiración 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 [45] o pasivo. [46] 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 del 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 indicar que es necesario reemplazar un cartucho.
Indicadores pasivos de fin de vida útil [46]
Los indicadores activos utilizan una luz o una alarma audible para notificar al usuario que se activa mediante un sensor que generalmente está instalado en el cartucho. Dichos indicadores permiten reemplazar 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 distinguen mal los distintos colores.
A pesar de la presencia de soluciones a problemas técnicos y la disponibilidad de requisitos de certificación establecidos para el ESLI, [55] durante el período comprendido entre 1984 (primer estándar de certificación con requisitos para ESLI activo) hasta 2013, no se aprobó ni un solo cartucho con ESLI activo en el A NOSOTROS. Resultó que los requisitos para los cartuchos no son del todo exactos y los empresarios no están obligados a utilizar estos indicadores específicamente. Por ello, los fabricantes de respiradores temen un fracaso comercial a la hora de vender nuevos productos inusuales, aunque siguen realizando trabajos de investigación y desarrollo en este ámbito.
Indicadores activos de fin de vida útil:
Un examen del uso de respiradores en los EE. UU. mostró que más de 200.000 trabajadores pueden estar expuestos a un exceso de gases nocivos debido al reemplazo tardío de los cartuchos. [32] Entonces, el Laboratorio de PPE ( NPPTL ) del NIOSH comenzó a desarrollar un ESLI activo. Una vez finalizado el trabajo, sus resultados ayudarán a establecer requisitos legales claros que los empleadores deben seguir y la tecnología resultante se transferirá a la industria para su uso en nuevos RPD mejorados. [46]
Dado que no siempre es posible reemplazar los cartuchos de manera oportuna mediante el uso de sus olores, [ se necesita aclaración ] OSHA ha prohibido el uso de este método. El empleador está obligado a utilizar sólo dos métodos para reemplazar los cartuchos: [62] a tiempo y utilizando ESLI (porque sólo estos métodos garantizan 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 dichos requisitos. [63] Por otro lado, el estado exige que los fabricantes proporcionen al consumidor toda la información necesaria sobre los cartuchos para permitirle establecer un cronograma para su reemplazo oportuno. Existen requisitos similares en la norma sobre seguridad laboral, que rige la selección y aplicación de RPD en la UE. [64] 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. [sesenta y cinco]
Si el cartucho contiene una gran cantidad de sorbente y si la concentración de contaminantes es baja; o si el cartucho se usó por un corto período de tiempo, después de completar su uso, todavía tiene mucho sorbente insaturado (que puede capturar gases). Esto puede permitir el uso de dichos cartuchos nuevamente.
Las moléculas de los gases atrapados pueden desorberse 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 desorbidas migran dentro del cartucho hacia la salida. El estudio de los cartuchos expuestos al bromuro de metilo mostró que esta migración puede impedir la reutilización del almacenamiento. [69] La concentración de sustancias nocivas en el aire purificado puede exceder 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 que pueden migrar) se consideran sustancias con un punto de ebullición inferior a 65 °C. Pero los estudios han demostrado que a un punto de ebullición superior a 65 °C, la reutilización del cartucho puede resultar peligrosa. Por lo tanto, el fabricante debe proporcionar al comprador toda la información necesaria para un uso seguro del cartucho. Por lo tanto, si el período de vida útil continua del cartucho (calculado por el programa, ver arriba) excede las ocho horas (ver tablas 4 y 5), la legislación puede limitar su uso a un turno.
El artículo [70] proporciona un procedimiento para calcular la concentración de sustancias nocivas en el aire purificado al inicio 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 Estados Unidos, 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). [43]
El carbón activado no se adhiere fuertemente a los gases nocivos, por lo que pueden liberarse más tarde. Otros sorbentes sufren reacciones químicas con el peligro y forman enlaces fuertes. Se han desarrollado tecnologías especiales para la recuperación de cartuchos usados. Crearon condiciones que estimularon la desorción de sustancias nocivas capturadas anteriormente. Para ello se utilizaba vapor o aire caliente en la década de 1930 [71] [72] u otros métodos. [73] El procesamiento del sorbente se llevó a cabo después de retirarlo del cuerpo del cartucho o sin retirarlo.
Los especialistas intentaron utilizar resina de intercambio iónico como absorbente en 1967. Los autores propusieron regenerar el sorbente lavándolo en una solución alcalina o de soda. [74]
El estudio [69] también demostró que los cartuchos se pueden regenerar eficazmente después de la exposición al bromuro de metilo (cuando se soplan con aire caliente de 100 a 110 °C, caudal de 20 l/min, duración de unos 60 minutos).
La regeneración de sorbentes se utiliza de forma constante y sistemática en la industria química , ya que permite ahorrar costes en la sustitución de sorbentes y la regeneración de dispositivos de limpieza de gases industriales que se realizan de forma exhaustiva y organizada. Sin embargo, en el uso masivo de máscaras antigás en diferentes condiciones, es imposible controlar la precisión y corrección de dicha regeneración de los cartuchos de los respiradores. Por lo tanto, a pesar de la viabilidad técnica y los beneficios comerciales, en tales casos no se lleva a cabo la regeneración de los cartuchos de respirador.
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