Grima Olmedo, Carlos
Laboratorio Oficial J.M. Madariaga. Universidad Politécnica de Madrid+34 913 366 469 / cgrima@lom.upm.es
Querol Aragón, Enrique
Laboratorio Oficial J.M. Madariaga. Universidad Politécnica de Madrid+34 913 367 009 / equerol@qyc.upm.esGarcía Torrent, JavierLaboratorio Oficial J.M. Madariaga. Universidad Politécnica de Madrid+34 913 367 009 / jgtorrent@qyc.upm.es
Fernández Ramón, Carlos
Laboratorio Oficial J.M. Madariaga. Universidad Politécnica de Madrid+34 913 367 009 / cfernandez@lom.upm.es
ABSTRACT
El objetivo del estudio es valorar mediante ensayos específicamente diseñados la eficacia de los filtros y mascarillas utilizados habitualmente en ambientes de trabajo pulvígenos.
El sistema de ensayos se basa en una simulación automatizada de los ciclos respiratorios del hombre, en los que los filtros y mascarillas analizadas se sitúan dentro de un ambiente controlado con partículas de polvo industrial en suspensión.
Se introduce el polvo que forma la atmósfera respirable dentro de la cámara de recirculación y para cada ensayo se fija tanto el caudal como el ciclo respiratorio.
Las partículas que atraviesan los filtros se recogen por vía húmeda. La muestra de polvo inicial y la que pasa a través de la mascarilla son comparadas y analizadas cuantitativa y cualitativamente mediante gravimetría y difracción láser. Está previsto realizar análisis basados en microscopía y otras técnicas analíticas.
De esta forma se han analizado 16 filtros contra partículas correspondientes a mascarillas autofiltrantes del tipo FFP1, FFP2 y FFP3, y a máscaras de filtros intercambiables del tipo P1 y P3.
Palabras clave
Mascarilla, máscara, filtros partículas, fracción respirable, fracción inhalable, ciclo respiratorio.
INTRODUCCIÓN
La mayor o menor facilidad de penetración del polvo en el organismo humano, por vía respiratoria, depende del tamaño de las partículas puestas en suspensión en el ambiente de trabajo.
Una partícula suspendida en un fluido se mueve a través de él debido a la existencia de una diferencia de densidad entre ambos. La partícula dentro de la masa de aire está sometida a la fuerza de la gravedad, a la fuerza de arrastre y al rozamiento.
Mientras que para las partículas más pesadas el efecto que predomina es el gravitatorio, para las más ligeras predomina el efecto de arrastre y flotación. El polvo más fino prácticamente carece de movimiento independiente del aire, en el que permanece suspendido largo tiempo o es arrastrado hasta puntos distantes de su lugar de origen.
La neumoconiosis es la reacción patológica del tejido orgánico desencadenada por la infiltración en el aparato respiratorio del polvo de diversas sustancias minerales. Una de las más frecuentes es la silicosis, causada por el polvo de sílice (SiO2).
El poder patógeno de la sílice tiene relación con el tamaño de las partículas, la forma y la cantidad inhalada. Debido a la abundancia del cuarzo (SiO2) en la corteza terrestre, se encuentra presente en la mayoría de las neumoconiosis asociadas a la actividad minera extractiva.
Actualmente, son numerosas las actividades tanto industriales como mineras que presentan un alto riesgo de producir silicosis a sus trabajadores.
OBJETIVOS
El objetivo principal del estudio es valorar mediante ensayos específicamente diseñados la eficacia de los filtros y mascarillas utilizados habitualmente en la industria para la protección de los trabajadores frente a partículas respirables.
Inicialmente se ha hecho un estudio y análisis de las diferentes mascarillas y filtros comerciales disponibles en el mercado. Los dos tipos diferenciables son las mascarillas autofiltrantes (desechables) y las máscaras de filtros intercambiables.
Las mascarillas y filtros se ensayan dentro de una cámara de ambiente controlado donde se diluye la fracción de polvo industrial recirculado. En los ensayos las variables establecidas para cada serie son el tiempo de muestreo, el caudal y los ciclos respiratorios (reposo, esfuerzo), y el polvo respirable (carbón, arena, cebada).
Finalmente se puede establecer una clasificación de las 16 mascarillas analizadas en función del rendimiento filtrante para las condiciones de ensayo fijadas para cada serie.
ANTECEDENTES
En la Directiva 88/642/CEE [1] sobre la protección de los trabajadores contra riesgos relacionados con la exposición a agentes químicos, físicos y biológicos se incluyen dos definiciones:
- Fracción inspirable: Fracción de partículas que se inspira de todo el conjunto de materias en suspensión, presentes en el aire que respira el trabajador.
- Fracción respirable: Parte de la fracción inspirable que penetra en los
alveolos pulmonares.
El polvo respirable, referido a partículas esféricas de densidad 1, incluye el 98% de las partículas de tamaño ≥1 micrómetro de diámetro, el 75% de las ≥3,5 micrómetros de diámetro, el 50% de las ≥5 micrómetros y ninguna partícula de diámetro >7 micrómetros (véase figura siguiente).
Curva de Johannesburgo
Las partículas de polvo de tamaño superior a 7 µm suspendidas en el aire inhalado, se depositan, por sedimentación e impacto inercial, en las vías respiratorias altas (nariz, cavidad nasal, laringe, tráquea). Estas partículas serán eliminadas en un corto período de tiempo por el transporte mucociliar.
Las partículas de polvo de tamaño inferior a 7 µm arrastradas por la corriente aérea inspiratoria, son capaces de penetrar y quedar retenidas, por difusión, en las vías respiratorias bajas (pulmones, bronquios, alveolos). Tienen mayor importancia desde el punto de vista fisiopatológico, ya que la probabilidad de alcanzar los alveolos pulmonares aumenta a medida que disminuye su diámetro.
La Norma UNE-EN 481 [2] define los convenios para el muestreo de las fracciones en función del tamaño de las partículas, que han de ser utilizados para evaluar los posibles efectos contra la salud que resultan de la inhalación del polvo en suspensión (denominado aerosol) en el lugar de trabajo. Estos convenios se derivan de datos experimentales para adultos sanos, definiéndose así los correspondientes para las fracciones inhalable, torácica y respirable:
- Fracción inhalable: Fracción másica del aerosol total que se inhala a través de nariz y boca.
- Fracción torácica: Fracción másica de las partículas inhaladas que penetran más allá de la laringe.
- Fracción respirable: Fracción másica de las partículas inhaladas que penetran en las vías respiratorias no ciliadas.
Los convenios de muestreo tienen en cuenta el hecho de que solamente se inhala una fracción que esta cerca de la nariz y de la boca. Esta fracción, como hemos visto, se llama fracción inhalable.
Algunas sustancias tienen especial significación para la salud como la sílice, cuyas subfracciones llegan más allá de la laringe o hasta las vías respiratorias no ciliadas.
Se definen así por convenio unas curvas relativas a la penetración de partículas sólidas respirables, que son aproximaciones a las fracciones que llegan a una
determinada región del tracto respiratorio.
Fracciones partículas de polvo
Fracción inhalable Fracción torácica Fracción respirable
100
80
 |
|
6040200 |
1 10 100
Diámetro partícula polvo (micrómetros)
Según estas definiciones, la fracción respirable incluye el 74 % de las partículas de tamaño ≥3 µm, el 50% de las ≥4 µm y el 1,3% ≥10 µm.
La fracción de polvo respirable según el convenio de Johannesburgo abarca más en las fracciones finas, mientras que la curva dada en la norma UNE-EN 481 [2] llega hasta tamaños mayores.
ENSAYOS DE SIMULACIÓN DE LOS CICLOS RESPIRATORIOS
El sistema de ensayos se basa en una simulación automatizada de los ciclos respiratorios del hombre, en los que los filtros y mascarillas analizadas se sitúan dentro de un ambiente controlado con partículas de polvo industrial en suspensión.
Las partículas que atraviesan los filtros se recogen por borboteo en agua a su paso por el interior de dos recipientes de vidrio toma-muestras. La muestra de polvo inicial y la que pasa a través de la mascarilla, recogida en los recipientes, son comparadas y analizadas cuantitativa y cualitativamente mediante gravimetría y difracción láser. Está previsto realizar análisis basados en microscopía y otras técnicas analíticas.
Materiales y equipos
El dispositivo experimental desarrollado para la realización de ensayos sobre unidades filtrantes consta de los siguientes elementos:
Cámara de polvo
- Bomba de recirculación
- Depósito de polvo industrial
• Cabeza soporte mascarillas (con conductos inspiración/ espiración) Elementos de control
- Válvulas (regulación, antirretorno)
- Manómetros (presiones)
- Rotámetro (caudales)
• Temporizador (ciclos de respiración)
• Variador de frecuencia (caudal de inspiración)
Unidades de conducción y captación
• Tubos, bridas y conexiones
• Frascos toma-muestras
• Bomba de inspiración
• Bomba de espiración Instrumentos de análisis• Básculas electrónicas (gravimetría)
• Analizador de partículas Malvern (difracción láser)
• Otras posibles técnicas analíticas (difracción rayos X, microscopía, etc.)
En la siguiente figura se representan esquemáticamente los equipos del dispositivo experimental desarrollado.
Curva granulométrica polvo recirculado
Cámara recirculación polvo industrial
Temporizador digital
Respiración humana
Mascarilla
Electroválvulas
Variador frecuencia
Válvulas regulación
Bomba c.espiración
Rotámetro
Bomba vacío c.inspiración
Toma-muestras
Polvo recogido
Medidores presión
Bomba recirculación
Curva granulométrica polvo que atraviesa el filtro
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Ensayos de simulación automatizada de los ciclos respiratorios del hombre |
Procedimiento de muestreo
Primeramente se introduce el polvo industrial en la cámara de recirculación en cuyo interior se formará la atmósfera pulvígena.
Se acopla la mascara o mascarilla (filtro) a la cabeza de muestreo de tal forma que quede perfectamente adaptada y asegurada a la misma.
La cabeza de muestreo dispone de dos tubos, uno de inspiración y otro de espiración, que parten de la unidad filtrante y se unen al sistema de simulación respiratoria a través de dos conexiones realizadas en la pared de la cámara.
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Cámara de muestreo Unidad ensayada |
La captación del polvo no retenido por el filtro se realiza en vía húmeda en dos recipientes de vidrio (toma-muestras). El aire, a su paso a través de los recipientes con una cantidad de agua conocida, borbotea liberando y depositando las partículas de polvo arrastradas.
El caudal de inspiración se consigue a través de una bomba de vacío conectada a los toma-muestras y al rotámetro mediante tubos y conexiones. La regulación del caudal de inspiración se ajusta a las condiciones del ensayo mediante un variador de frecuencia acoplado a la bomba de vacío, y se controla mediante el rotámetro.
El circuito de inspiración se acopla a través de tubo flexible a su conexión en la pared de la cámara de polvo.
El circuito de espiración parte de la bomba, dispuesta en configuración soplante, y a través de tubo flexible se acopla a la pared de la cámara de polvo.
La regulación del caudal de espiración se realiza mediante válvulas acopladas al circuito.
Los ciclos de respiración (inspiración/espiración) se regulan mediante un sistema de electroválvulas gobernadas con un temporizador digital.
Parámetros medidos
Se analizan las muestras de polvo introducidas en la cámara de recirculación con el Analizador de partículas Malvern Mastersizer 2000, basado en la tecnología de difracción láser.
Analizador de partículas Malvern
El agua actúa como agente dispersante para las partículas de polvo retenidas una vez atravesada la mascarilla. Se añade un elemento tensoactivo para conseguir una adecuada dispersión de la muestra previa a su análisis y cálculo de la curva granulométrica.
La técnica de difracción láser, basada en que el ángulo de difracción es inversamente proporcional al tamaño de las partículas, permite obtener distribuciones de superficies y volúmenes equivalentes. Al medir los tamaños de todas las partículas se obtiene una distribución característica del producto que se está midiendo.
Para simular las condiciones reales de respiración humana se varía el caudal y los ciclos de inspiración/espiración ajustando, en el primer caso, el régimen de funcionamiento de la bomba de vacío con el variador de frecuencia y, en el segundo caso, actuando sobre las electroválvulas con el temporizador digital programable.
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Respiración |
Caudal(l/min) |
Ciclos(emboladas/min) |
|
En reposo |
4 |
16 |
|
En esfuerzo |
20 |
24 |
En cada serie de ensayos se obtiene la curva granulométrica del polvo recirculado en la cámara (polvo total), la de cada una de las 16 mascarillas analizadas (polvo no retenido)y las correspondientes al ensayo en blanco (sin polvo) y al ensayo en negro (sin mascarilla). Con el ensayo en blanco se evalúan las pérdidas de agua (peso) por evaporación en cada ensayo, mientras que el ensayo en negro nos da la curva granulométrica correspondiente al polvo respirado sin mascarilla, equivalente a la fracción inhalable según UNE-EN 481.
Se compara la curva granulométrica del polvo total recirculado en la cámara con las obtenidas, en 2 horas de muestreo, con el ensayo en negro (sin mascarilla) para los dos tipos de respiración. Se puede observar que frente a la fracción de polvo total inferior a 600 µm, la fracción inhalada está por debajo de 20 µm, para una respiración en reposo, y por debajo de las 150 µm, para una respiración en esfuerzo.
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Particle Size Distribution8 Volumen (%)6 420 µm 150 µm 600 µm 00.01 0.1 1 10 100 1000 3000 Tamaño partícula (µm) |
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— Polvo total cámara (carbón) |
Averaged Result, viernes, 10 de marzo de 2006 18:28:03 Averaged Result, miércoles, 22 de febrero de 2006 10:45:50carbon DMT comprobacion, viernes, 03 de febrero de 2006 17:52:12
COMPARACIÓN ENSAYOS-CONVENIOS
Fracción inhalable Fracción torácica Fracción res pirable
Polvo total (carbón) N repos o N es fuerzo
100
80
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60402001 10 100 Diámetro partícula de polvo (micrómetros) |
En la figura anterior se observa como la curva azul, correspondiente al polvo total, recirculado dentro de la cámara de ensayo, se encuentra dentro de la región de fracción inhalable. La curva verde correspondiente al ensayo en negro con respiración en reposo (4 l-16 emboladas)/min se sitúa en la región de fracción respirable. Cuando el ensayo en negro se realiza con una respiración en esfuerzo (20 l-24 emboladas)/min se obtiene la curva roja similar a la anterior pero con su tramo final prolongado hasta la región de fracción torácica.
COMPARACIÓN CON LOS ENSAYOS NORMATIVOS
Actualmente para valorar la eficacia de los filtros y mascarillas frente a la retención de partículas sólidas respirables se recurre a las normas UNE-EN 149 [3] y UNE-EN 143 [4].
La UNE-EN 149 [3] establece los requisitos mínimos de las medias máscaras para su utilización frente a partículas sólidas respirables (incluye las mascarillas autofiltrantes). Establece 3 clases en orden creciente de eficacia FFP1, FFP2 y FFP3.
La UNE-EN 143 [4] clasifica los filtros para su utilización frente a partículas sólidas respirables para su utilización como componentes de equipos de protección respiratoria no asistidos (incluye las máscaras con filtros intercambiables). Establece 3
clases en orden creciente de eficacia P1, P2 y P3.
En ambas normas, el ensayo de penetración de partículas consiste en hacer pasar, en el interior de una cámara, a través de cada filtro un caudal de 95 l/min de los dos aerosoles de ensayo cloruro de sodio (8±4 mg/m3) y aceite de parafina (20±5 mg/m3). Se compara la concentración del aerosol antes del filtro y la medida por medio de un fotómetro después del mismo.
A diferencia de los ensayos normativos, en este estudio de investigación se ensayan los filtros directamente con el polvo que forma parte de la atmósfera de trabajo. Además, tanto el caudal como los ciclos de inspiración/espiración se ajustan a los rangos habituales de la respiración humana.
Pesando el polvo recogido en los toma-muestras y analizando sus curvas granulométricas, podemos establecer una comparación de los filtros ensayados.
De una muestra de 16 filtros para partículas correspondientes a las marcas comerciales más conocidas y con diferentes clases de eficiencia, se han realizado ensayos de 2 horas de duración con polvo de carbón recirculado y régimen de respiración en reposo (4 l-16 emboladas)/min. Se representa en abscisas el número de identificación del filtro (*) y en ordenadas la masa en gramos del polvo recogido (no retenido por el filtro).
Marcas
- 3M
- MSA
- SEYBOL
- DRÄGER • MOLDEX
- CLIMAX
- MANFER
• MPL
10090
807060
50403020
100
Rendimiento filtros polvo carbón 2 horas ensayo - caudal 4 l/min
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Nº identificación filtro
Modelos
• Mascarillas autofiltrantes
FFP1 FFP2 FFP3
• Máscaras filtros intercambiables P1
P3
A1 (vapores orgánicos)
(*) Nota: El número de identificación de los filtros no se corresponde con el orden de las fotografías.
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[1]. Directiva 88/642/CEE (1988) que modifica la Directiva 80/1107/CEE sobre la protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a agentes químicos, físicos y biológicos durante el trabajo. [2]. Norma UNE-EN 481 (1993). Atmósferas en los puestos de trabajo. Definición de las fracciones por el tamaño de las partículas para la medición de aerosol. [3]. Norma UNE-EN 149 (2001). Dispositivos de protección respiratoria. Medias máscaras filtrantes de protección contra partículas. Requisitos, ensayos, marcado. [4]. Norma UNE-EN 143 (2000). Equipos de protección respiratoria. Filtros contra partículas. Requisitos, ensayos, marcado. |