Способы замены противогазных фильтров респираторов

Некоторые вредные газы могут поглощаться сорбентами, как правило твёрдыми материалами с большой удельной площадью поверхости (например, активированный уголь)[11]. Обычно такие сорбенты готовят в виде гранул и наполняют ими корпус фильтра. При прохождении загрязнённого воздуха через фильтр сорбент избирательно поглощает вредные вещества, удерживая их на своей поверхности. По мере насыщения сорбент утрачивает способность задерживать газы, и загрязнённый воздух начинает проходить через фильтр. При длительной работе фильтра концентрация вредных веществ в очищенном воздухе возрастает и может превысить ПДК. Таким образом, срок службы адсорбирующих противогазных фильтров ограничен. Связывание газов на поверхности сорбента является обратимым процессом и при определённых условиях может происходить десорбция — выделение связанных газов в очищаемый воздух. Способность сорбента связывать различные газы зависит от химических свойств газов, температуры и других факторов. Для лучшего поглощения некоторых вредных газов в фильтр добавляются вещества, образующие более прочные связи этими газами. Так добавление иода улучшает поглощение ртути, солей металлов — аммиака, оксидов металлов — кислых газов[12].

Фильтр респиратора (3М 6009), предназначенный для защиты от паров ртути и хлора. Фильтр снабжён индикатором, который при воздействии паров ртути (не имеющих запаха) постепенно меняет цвет с жёлтого на чёрный (1 — 2 — 3 — 4). Изменение цвета индикатора является объективным признаком необходимости заменить фильтр (по воздействию ртути). В зависимости от условий применения (например, при очень низкой концентрации ртути и большой концентрации других газообразных загрязнений) замена фильтров должна проводиться раньше.

Некоторые вредные вещества могут задерживаться за счёт образования химических связей с поверхностью сорбента. Так, например, описана способность солей меди образовывать с аммиаком комплексные соединения[11]. Химическое связывание вредных веществ более прочно и, как правило, необратимо. Это позволяет использовать противогазный фильтр неоднократно, пока в нём есть достаточное количество неизрасходованного поглотителя. Срок службы таких фильтров ограничен.

Некоторые токсичные вещества могут быть обезврежены путём химического превращения. Для этого используются различные катализаторы, вещества, которые не расходуются при протекании химической реакции. Например, для окисления токсичного монооксида углерода до безвредного углекислого газа может использоваться гопкалит. Эффективность этого катализатора сильно уменьшается при высокой влажности. Поэтому для исправной работы фильтра перед катализатором дополнительно устанавливается осушитель. При насыщении осушителя водяными парами эффективность катализатора существенно уменьшается и фильтр начинает пропускать угарный газ. Срок службы таких противогазных фильтров ограничен.

Каталитическое разложение может происходить и при использовании фильтрующих СИЗОД для защиты от карбонила никеля или железа. Возможные варианты окисления кислородом воздуха:

2 Ni(CO)₄ + O₂ → 2 NiO + 8 CO

Ni(CO)₄ + O₂ → NiO + 3 CO + CO₂

4 Fe(CO)₅ + 3 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 20 CO

Эффект вытеснения, концентрация стирола в загрязнённом воздухе — 3800 мг/м³, ацетона — 230,4 мг/м³, источник[14]

Очистка воздуха фильтрами с сорбентом за счёт адсорбции широко распространена, но в некоторых случаях использование таких фильтров затрудняет десорбция. Если при непрерывном использовании срок службы фильтра большой — это не всегда означает, что его можно использовать длительное время, если планируется его применение с перерывами. При первом использовании слои сорбента, находящиеся у отверстия для входа загрязнённого воздуха, накапливают молекулы токсичных газов. При хранении (например, в течение субботы и воскресенья), если молекулы плохо удерживаются сорбентом, они могут перместиться к отверстию для выхода очищенного воздуха. Тогда, при начале применения второй раз, даже в незагрязнённой атмосфере, концентрация токсичных газов в «очищенном» воздухе может превысить ПДКрз.

Если воздух загрязнён двумя и более газами, их молекулы мешают друг другу занимать места на поверхности и в порах активированного угля. Хуже удерживаемые молекулы вытесняются другими. В результате, после того, как сорбент насытился хуже удерживаемым веществом, он перестаёт очищать от него воздух (например, при одновременном улавливании сероводород вытесняется сероуглеродом[15]). Но в это время уже уловленные молекулы вытесняются с сорбента в воздух молекулами лучше удерживаемых веществ. Они попадают в поток воздуха, который перестал уже очищаться от этого (плохо удерживаемого) вещества, и концентрация такого вещества в прошедшем через фильтр воздухе может превысить концентрацию в не очищенном воздухе. На рисунке показано, как вытеснение молекулами стирола молекул ацетона приводит к тому, что (при использовании фильтра достаточно длительное время) концентрация ацетона в очищенном воздухе может превысить концентрацию в не очищенном воздухе в 3 раза.

В некоторых случаях, веществом, вытесняющим молекулы токсичного вещества в маску, могут стать пары воды, всегда присутствующие в воздухе[16].

В противогазных фильтрах, обеспечивающих защиту от сочетания разных газов, размещают поглотители, необходимые для улавливания этих газов, и на них распространяются все соответствующие ограничения.

Исторически, фильтрующие СИЗОД для защиты от газов, получили широкое распространение после начала применения химического оружия. Полное отсутствие приборов для обнаружения газов, применение новых боевых отравляющих веществ, и то, что если в группе людей с разной чувствительностью органа обоняния достаточно чтобы газ был обнаружен одним человеком - привело к использованию субъективной реакции органов чувств для определения срока службы фильтра. Но и в этой ситуации учитывали разную индивидуальную чувствительность. Так, во французской армии отбирали в "наблюдателей Z" солдат с хорошим обонянием (для обнаружения начала газовой атаки)[17]. Этот подход позднее широко использовался и в промышленности, для замены фильтров[18]. Однако условия заметно отличались от военных - хорошая чувствительность органов обоняния у одного работника (использующего противогаз) никак не могла помочь другому, с худшей чувствительностью, обнаружить момент окончания срока службы. Но низкий уровень развития науки и техники затруднял разработку более безопасных методов замены фильтров.

По мере насыщения сорбента, химического поглотителя (или осушителя — при использовании катализаторов) концентрация вредных газов в очищенном воздухе постепенно возрастает. Если рабочий чувствует характерный запах, привкус, раздражение органов дыхания и т. д. (вплоть до головокружения, головной боли, и других возможных ухудшений самочувствия, в том числе потери сознания), то такие признаки (называемые в США «предупреждающими свойствами»[19]) указывают на необходимость покинуть участок с загрязнённой атмосферой и замену фильтра на новый. Кроме того, эти признаки могут указывать на неплотное прилегание маски к лицу. Исторически, такой способ замены является самым старым.

Если у вредных газов при концентрации, меньшей ПДК, есть предупреждающие свойства, то замена фильтров, как правило, будет производиться своевременно. Применение такого способа не требует использования специальных (более дорогих) фильтров и дополнительного оборудования, замена фильтров проводится при необходимости, по мере расходования поглотительной способности фильтров, без каких-либо вычислений. Сорбционная ёмкость фильтра к моменту замены используется полностью (что уменьшает расходы на респираторную защиту).

Недостатком такого способа является то, что многие вредные газы не обладают предупреждающими свойствами. Например, в справочнике 3M[20] перечислено более 500 вредных газов, из них у 62 нет предупреждающих свойств, а ещё 113 вредных газов помечены как вещества, в отношении которых неизвестно, есть ли у них предупреждающие свойства. Поэтому в ряде случаев замена фильтров при появлении запаха под маской будет приводить к отравлению рабочих загрязнённым воздухом с превышением ПДК вредных веществ. В таблице показано, при какой концентрации (выраженной в ПДК) люди в среднем реагируют на запах разных вредных газов:

Таблица 1. Некоторые вредные вещества с плохими предупреждающими свойствами[20]:

В списке[22] приводится неполный перечень вредных газов, у которых отсутствуют или плохие предупреждающие свойства, а в списке[23] перечислены газы, в отношении которых не установлено, имеются ли у них предупреждающие свойства или нет. Очевидно, что если порог восприятия запаха пентаборана составляет 194 ПДК, то при загрязнённости воздуха 10 ПДК замена фильтров при появлении запаха под маской невозможна в принципе.

Практика показывает, что и в тех случаях, когда у газов есть предупреждающие свойства, своевременная замена фильтров происходит не всегда, поскольку порог чувствительности к различным запахам изменяется от человека к человеку. В учебнике по респираторной защите в промышленности[24] упомянуто исследование[25], в котором показано, что в среднем у 95 % от группы людей индивидуальный порог обонятельной чувствительности может находиться в пределах от 1/16 до 16 от среднего значения. Это означает, что 2,5 % людей не смогут почувствовать запах при концентрации, в 16 раз большей, чем средний порог восприятия запаха. У разных людей величина порога чувствительности может изменяться на два порядка. То есть, половина людей не почувствует запах при концентрации, равной среднему порогу чувствительности, и 15 % людей не почувствует запах при концентрации, в 4 раза большей порога чувствительности. Способность людей чувствовать запах сильно зависит от того, сколько внимания они этому уделяют. Чувствительность к запахам может снижаться, например, при простудных и других заболеваниях. Способность людей обнаруживать запах также зависит и от выполняемой работы: если она требует концентрации внимания, люди на запах не реагируют. При длительном воздействии вредных газов низкой концентрации может произойти «привыкание», уменьшающее чувствительность. Во всех перечисленных случаях вдыхание воздуха с превышением ПДК вредных веществ может остаться незамеченным.

Поэтому, в соответствии с требованиями нового стандарта по охране труда 1997 г. Управления по охране труда OSHA, в США использование этого способа замены противогазных фильтров было полностью запрещено[19].

При проверке противогазных фильтров, заменявшихся «по появлению запаха» (в Иране) оказалось, что 7 из 10 перестали защищать работников[26].

Для защиты от угарного газа часто используются фильтры с катализатором гопкалитом. При использовании катализатор не расходуется, но его защитные свойства сильно ослабевают при увеличении влажности воздуха. Чтобы этого избежать, в таких фильтрах устанавливается осушитель. При насыщении осушителя вес фильтра заметно увеличивается. Эта особенность использовалась для определения пригодности повторного использования противогазного фильтра. Например, в альбоме «Индивидуальные средства защиты органов дыхания»[27] описаны противогазные фильтры марки «СО», которые должны были заменяться при увеличении веса (по отношению к начальному) на 50 граммов.

В указанном выше альбоме[27] и каталоге «Промышленные противогазы и респираторы»[10] описаны советские противогазные коробки марки «Г», предназначенные для защиты от ртути. Их срок службы ограничивался 100 часами использования (коробка без противоаэрозольного фильтра) или 60 часами использования (коробка с противоаэрозольным фильтром), после чего требовалась замена фильтра на новый.

В английском издании «Respiratory Protection. Principles and Applications»[28] и в статье «A Non-destructive Test of Vapour Filters»[29] описан способ неразрушающего определения оставшегося срока службы использованных и новых противогазных фильтров. Для этого через фильтр пропускается загрязнённый воздух и измеряется концентрация загрязняющих веществ в очищенном воздухе. Точное измерение концентрации загрязняющих веществ в очищенном воздухе позволяет оценить количество неизрасходованного сорбента. Для уменьшения влияния испытаний на срок службы, используется кратковременная подача загрязнённого воздуха. Уменьшение сорбционной ёмкости в результате испытаний составляет около 0,5 % от сорбционной ёмкости нового фильтра. Способ использовался также для 100 % контроля качества фильтров, изготавливаемых английской фирмой Martindale Protection Co (в поток воздуха впрыскивали 10 микролитров 1-бромбутана), и для проверки фильтров, выдаваемых рабочим в фирмах Waring Ltd и в Rentokil Ltd. Способ использовался в Chemical Defence Establishment в начале 1970-х. На этот способ проверки был выдан патент[30].

В каталоге «Средства индивидуальной защиты работающих на железнодорожном транспорте»[31] кратко описаны два способа объективной оценки степени насыщения сорбента противогазного фильтра. Автор раздела «Универсальные СИЗОД» Т. С. Тихова рекомендовала использовать спектральный и микрохимический методы. Спектральный метод основан на определении наличия вредного вещества в коробке противогаза путём отбора пробы с последующим анализом её на стилоскопе. Микрохимический метод основан на послойном определении наличия вредного вещества в шихте противогаза путём отбора пробы с последующим её анализом химическим методом.

Для наиболее токсичных веществ, кроме метода по фиксированию времени использования фильтра, рекомендовалось применять спектральный метод (мышьяковистый и фосфористый водород, фосген, фтор, хлорорганические соединения, металлоорганические соединения, и микрохимические методы (синильная кислота, дициан).

К сожалению, в обоих случаях не описывается, как извлечь образец шихты из корпуса фильтра (они обычно не разбираются), и можно ли будет использовать после этого фильтр, если анализ покажет, что в нём достаточно много не насыщенного сорбента.

Стандарт США, регламентирующий мероприятия по охране труда при работе с этим вредным веществом (29 CFR 1910.1051), содержит конкретные указания по периодичности замены противогазных фильтров (раздел Respirator selection 1910.1051(h)(3)(i)), основанные на соответствии минимальным требованиям и ожидаемых условиях применения респираторов при защите от 1,3-Бутадиена.

Если на предприятии есть лаборатория, которая позволяет имитировать использование фильтров в производственных условиях (пропуская через них воздух, который загрязнён так же, как и воздух в производственных помещениях), то можно экспериментально установить срок службы фильтров. Этот метод особенно эффективен тогда, когда воздух загрязнён смесью различных газов и/или паров, которые по-разному влияют на поглощение их фильтром (математическая модель взаимодействия разных газов при их фильтрации разработана сравнительно недавно). Однако это требует точной информации о загрязнённости воздуха, а она обычно непостоянна.

Другой вариант использования лабораторных испытаний — проверка остатка срока службы уже использованных фильтров. Если он большой, то подобные фильтры в подобных условиях можно использовать дольше (в некоторых случаях неоднократно). В этом случае точная информация о химическом составе и концентрации загрязнений не требуется. Полученные сведения о сроке службы фильтров позволяют составить расписание их замены. Недостатком этого способа является то, что проведение таких испытаний может потребовать применения сложного и дорогого оборудования, требующего квалифицированного обслуживания, что не всегда возможно. По данным опроса[32] в 2001 г. в США замену противогазных фильтров по результатам лабораторных испытаний проводило около 5 % от всех предприятий.

Один из способов отбора проб очищенного воздуха[7]

Если концентрация загрязнений непостоянна, и нет возможности (оборудование, квалифицированный персонал) провести испытания фильтров в лабораторных условиях, имитирующих производственные — можно проверить, происходит ли замена фильтров вовремя. Для этого можно определить загрязнённость воздуха, очищенного фильтром, в момент времени, когда период использования фильтра на рабочем месте завершается, или близок к завершению. Если серия таких замеров покажет, что загрязнённость очищенного воздуха не превышает допустимую, то с большой вероятностью можно считать, что фильтры заменяются не запоздало. Этот способ проверки может использоваться для контроля качества программы респираторной защиты (той её части, где определён порядок замены фильтров). Другое достоинство способа в том, что он позволяет учесть условия использования — например, при большой влажности воздуха компьютерные программы (описанные в следующем разделе) пока (2019 г.) не всегда позволяют точно спрогнозировать время защитного действия.

Для использования этого способа можно, например, попросить работника выйти из загрязнённой атмосферы; снять один из фильтров; установить на маску тройник и на тройник — фильтр; и присоединить к тройнику шланг для отбора проб. После входа работника в загрязнённую атмосферу проводится отбор проб воздуха из тройника. Это позволяет получить образец, прошедший фильтр (но не из маски — клапан вдоха не пропустит воздух в тройник). Отобранный воздух можно пропустить через соответствующую индикаторную трубку, что позволит определить концентрацию вредного вещества в очищенном воздухе. Как тройник можно использовать стандартное приспособление для проверки изолирующих свойств маски[8].

Иранские специалисты по охране труда использовали этот способ на заводе, где изготавливалась краска, и обнаружили, что в большинстве случаев фильтры заменяются запоздало. После коррекции расписания замены фильтров этот способ показал, что фильтры всегда заменялись вовремя[33].

Этот способ не позволяет определять время защитного действия до начала применения СИЗОД. В развитых странах с 1970-х годов проводились научные исследования для определения того, можно ли вычислить срок службы противогазного фильтра респиратора, если известны условия его использования. Это позволяет своевременно заменять фильтры без использования сложного и дорогого оборудования, если известна загрязнённость воздуха.

В США научными исследованиями в области математического моделирования срока службы противогазных фильтров с 1980-х занимался специалист Лос-Аламосской национальной лаборатории Джерри Вуд[34][35][36][37][38][39][40]; и другие исследователи[41]. Используя изотерму адсорбции Дубинина-Радушкевича[42], Вуд разработал и длительное время совершенствовал математическую модель и программное обеспечение, которое сейчас позволяет вычислять не только срок службы фильтров (с известными свойствами сорбента, его количеством и геометрической формой фильтра) при воздействии какого-то одного вещества, но и при воздействии смесей (когда одни газы мешают улавливанию других) при разных температуре, влажности и расходе воздуха. Сейчас Управление по охране труда (OSHA) воплотило его разработку в программу Advisor Genius[43]. Программа учитывает свойства сорбента, геометрию фильтра и условия его применения.

Опубликованные работы Джерри Вуда стали основой, базой, для подавляющего большинства программ, предлагаемых потребителям производителями СИЗОД[44].

К 2000 г. ведущие мировые изготовители предложили потребителям ряд программ, позволяющих проводить такие вычисления для разного числа вредных газов:

Таблица 2. Компьютерные программы (2000 год) для определения срока службы противогазных фильтров[45], первоисточник[44].

В 2013 году программа 3М[47] уже позволяла вычислять срок службы фильтров для более чем 900 вредных газов и их сочетаний, сотни газов и их сочетаний могла учитывать программа MSA[48]. Обе программы учитывают концентрацию вредных газов и расход воздуха (тяжесть выполняемой работы: лёгкая, средняя или тяжёлая), а также другие параметры. Drager разработал большую базу данных по вредным химическим веществам VOICE (требуется регистрация). В этой базе данных (версия для США) имеется программа вычисления срока службы фильтров End-of-ServiceLife Calculator, которая учитывает концентрацию загрязнённого воздуха и желаемую проскоковую (в очищенном воздухе); температуру, давление и влажность воздуха; позволяет выбрать интенсивность работы из 7 возможных, и рекомендует использовать полнолицевые маски при большой загрязнённости воздуха[51].

Программа для СИЗОД с принудительной подачей воздуха в лицевую часть разработана компанией Bullard[52].

Респиратор North 7700 с фильтром RT41 — это одна из моделей фильтра North, у которой есть пассивный индикатор

Фирма Scott разработала программу[53], которая работает при температуре от −10 до +40°С, относительной влажности о 3-95 %, расходе воздуха 20-80 л/мин, и учитывает более 300 вредных веществ, а также их сочетаний. Ниже приводятся примеры вычисления влияния на срок службы противогазного фильтра Scott (742 OV — органические соединения) температуры и влажности (слева), концентрации и расхода воздуха (справа) при воздействии разных веществ и давлении 1 атм.

Можно увидеть, что увеличение влажности и/или температуры, а также увеличение концентрации и/или расхода воздуха, уменьшают срок службы фильтра. При фильтрацииии водорастворимых газов срок службы слабо зависит от относительной влажности воздуха.

Достоинством этого способа замены фильтров является то, что он позволяет использовать обычные фильтры, и при наличии точных исходных данных (условия применения, свойства сорбента, геометрия фильтра) вовремя заменять их. Однако загрязнённость воздуха часто непостоянна и характер выполняемой работы не всегда стабилен (то есть изменяется расход воздуха), поэтому для надёжной защиты рабочих при вычислениях рекомендуется брать показатели, близкие к наихудшим возможным. При этом фильтры, которые работали в лучших условиях, будут заменяться преждевременно. Это является существенным недостатком данной методики.

По результатам испытаний воздействия различных веществ различной концентрации на фильтр составляются таблицы со сроками службы фильтра при таких условиях[54].

В СССР в 1974 году был издан каталог[55] (и переиздан в 1982 году[10]), в котором приводились сведения о сроке службы стандартных советских фильтров при воздействии 63 вредных газов при концентрациях 5, 15, 100 и даже 1000 ПДК. Ниже приводится часть данных из этого каталога для противогазной коробки «А» с противоаэрозольным фильтром. Информация о расходе воздуха, температуре и влажности отсутствует. Срок службы противогазного фильтра сильно зависит от вредного газа.

Чтобы избежать ошибок при замене противогазных фильтров по субъективным ощущениям рабочего, могут использоваться индикаторы окончания срока службы (End of Service Life Indicator ESLI). При насыщении поглотителя парами ртути кружок в центре пассивного индикатора меняет цвет с оранжевого на коричневый

Информации о проведении дальнейших работ в этом направлении после 1982 г. нет. Данные из этих каталогов были позднее приведены в справочном пособии «Средства индивидуальной защиты»[56].

На сайте OSHA приводятся таблицы значений срока службы стандартного фильтра (то есть фильтра, соответствующего минимальным требованиям, предъявляемым при сертификации), для случаев воздействия нескольких десятков разных вредных веществ при разных концентрациях — что позволяет примерно определить срок службы. Также там приводится информация о том, что точность этих значений (вычисленных с помощью программы Джерри Вуда) хорошо соответствует результатам измерений (экспериментальных) для разных вредных веществ и разных условий использования. Однако сравнение проводилось для случая умеренной влажности воздуха.

По данным 2004 г.[57] попадание влаги на поверхность активированного угля, и заполнение водой пор сорбента, может значительно уменьшить срок службы фильтра — это зависит от того, какое вредное вещество он улавливает. Причём вычисление этого влияния было (на момент подготовки документа) невозможно. Джерри Вуд учёл это[37][39], усовершенствовав свою программу. Возможно, его улучшения были заложены и в программу компании 3М. Во всяком случае, в статье[58] сравнивалось вычисленное и измеренное время защитного действия для случаев воздействия на фильтр 6 органических веществ разных классов: гептан (алканы), метилизобутилкетон (кетоны), толуол (ароматические соединения), тетрахлорэтилен (галогенированный алкан), н-бутилацетат (сложный эфир) и втор-бутанол (спирты). При относительной влажности 50 % отличие не превысило 30 % ни разу, и для некоторых веществ было пренебрежимо мало. Но при росте влажности (проверяли гептан, толуол; и метилизобутилкетон) до 70 % у гептана и толуола вычисленный срок службы сократился (программа учла рост влажности), и оказался вдвое меньше реального. А у метилизобутилкетона, при росте влажности до 85 %, вычисленный срок службы сократился в 11 раз, и при этом стал в 3 раза меньше реального. Таким образом, учёт всех факторов, влияющих на срок службы, в программе компании 3М пока что не достигнут.

Стараясь улучшить защиту работников от токсичных газов, японские специалисты провели ряд исследований, включая моделирование времени защитного действия противогазных фильтров. В работе[59] проверялась точность вычисления срока службы при воздействии на фильтр 10 веществ (ацетон, бензол, толуол, четырёххлористый углерод, циклогексан, н-гексан, н-гептан, метилацетат, метанол, 2-пропанол). Программа Джерри Вуда показала прекрасный результат для всех веществ при относительной влажности 50 % и менее. При росте влажности точность снизилась. Авторы сделали вывод: если вредное вещество хорошо растворяется в воде, то точность вычислений хорошая (а срок службы в некоторых случаях даже возрастает — вредное вещество может растворяться в воде, полностью заполнившей капилляры, и улавливаться не активированным углём, а водой; у метанола срок службы с ростом влажности возрос). В то же время заполнение пор активированного угля водой мешает улавливанию веществ, плохо растворяющихся в воде. Например, при росте влажности с 50 до 65 % у циклогексана вычисленный срок службы сократился с 175 до 143 минут (программа учла влажность воздуха); но измеренный сократился с 169 до 12 минут. К недостатку исследования можно отнести то, что для удобства, авторы работали в диапазоне концентраций (у 10 вредных веществ), который может не соответствовать ПДКрз этих веществ.

Таким образом, при умеренной влажности воздуха программа Джерри Вуда MultiVapor™ версия 2.2.3 позволяет точно вычислить ВЗД. Вероятно, другие программы также могут это делать. Но при влажности воздуха 60-65 % и выше, и при защите от веществ, плохо растворяющихся в воде, проявляются такие эффекты, которые программа пока не учитывает; и вычисленное время защитного действия может оказаться заметно ниже (или выше) реального. В таких случаях в[57] рекомендуется использовать результаты экспериментального измерения срока службы (что за плату делали некоторые организации). Также можно использовать изолирующие СИЗОД.

Иранские специалисты проверили, насколько своевременно заменяются фильтры на заводе, изготавливающем краску. Оказалось, что половина из них на момент замены на новые уже не защищает работников. Определев параметры фильтра и узнав у изготовителя параметры сорбента, авторы[60] ввели эти сведения (вместе с данными о наихудшей ожидаемой загрязнённости воздуха) в программу Д. Вуда MultiVapor. На основе вычислений расписание замены фильтров изменили — их стали менять каждые 4 часа, а не раз в 2-3 дня. Проверка показала, что после изменения расписания все фильтры хорошо очищали воздух (непосредственно перед заменой на новые).

Аналогичный результат был получен на автомобильном заводе[26]: при замене фильтров «по появлению запаха под маской» их меняли 1 раз в 2-3 смены, после 16-24 часов (суммарная длительность использования). Проверка показала, что из 10 фильтров (сразу после замены на новые) 7 уже перестали защищать маляров. Испытангия фильтров и пычисление их срока службы позволили составить новое расписание — замена каждые 4 часа. Проверка 10 фильтров показала, что все защищают работника в течение всего времени использования.

Чтобы вовремя заменять противогазные фильтры, используемые в условиях нестабильной загрязнённости воздуха, можно использовать устройства, которые предупреждают рабочего о приближении конца срока службы фильтров — индикаторы окончания срока службы (End of Service Life Indicators, ESLI). Такие индикаторы бывают активными и пассивными. В пассивных индикаторах часто используют чувствительный элемент, меняющий цвет, который устанавливается в фильтре на некотором расстоянии от отверстия для выхода очищенного воздуха (чтобы изменение цвета произошло до того, как вредные газы начнут проходить через фильтр). А в активных индикаторах сигнал датчика используется для подачи светового или звукового сигнала рабочему — чтобы он покинул загрязнённую атмосферу и поменял фильтр.

Специалисты Национального института охраны труда (NIOSH) разработали требования[6][61] к таким индикаторам. В частности, они должны срабатывать до того, как будет использовано 90 % срока службы — чтобы рабочий успел уйти из загрязнённой атмосферы, и у пассивных индикаторов чувствительный элемент должен располагаться так, чтобы рабочий видел его при одетом респираторе. Требования закреплены в стандарте по сертификации респираторов 42 CFR 84, например в разделе 84.255[62].

Пассивный индикатор окончания срока службы стандартного (переделанного) противогазного фильтра, описан С. Тороповым в 1960-е

По данным[5] первый пассивный индикатор был разработан в 1925 г.[63]. В нём использовалась индикаторная бумага, расположенная вдоль прозрачного окошка, вытянутого в направлении от входного отверстия фильтра к выходному. По мере изменения длины окрашенного участка можно было определить — какая часть сорбента не израсходована.

В 1957 году в ФРГ был запатентован индикатор, который находился в поле зрения рабочего в подмасочном пространстве[64]. Недостатком индикатора было то, что он срабатывал при достаточной большой концентрации — под маской.

В 1976 г. был запатентован фильтр, в котором для выявления необходимости замены использовалась индикаторная бумага, реагировавшая на винилхлорид[65].

В 1987 г. Dragerwerk запатентовала индикатор, менявший цвет, и находившийся в полости внутри сорбента[66] Были разработаны фильтры, в которых часть сорбента насыщалась пахучим веществом (например — изоамилацетатом). При попадании на этот сорбент токсичного газа, он вытеснял пахучее вещество, и работник чувствовал — фильтр требует замены[67][68].

В 1979 году корпорация American Optical Corporation получила несколько патентов на индикаторы окончания срока службы фильтров респираторов, которые предназначались для использования в фильтрах, улавливавших водорастворимые и водо-нерастворимые органические соединения[69]. К сожалению, главной проблемой при использовании этого индикатора было то, что его срок хранения (перед началом использования) был значительно меньше, чем срок хранения самого фильтра и сорбента — по данным[70] через 2 года после изготовления индикаторы не использовавшихся фильтров меняли цвет, и поэтому такие фильтры в Японии не сертифицировались.

В феврале 2002 года из продажи было изъято много фильтров с пассивными индикаторами, поскольку при их установке на полнолицевые маски во время использования респиратора индикатор не было видно[71].

Комбинированный фильтр, предназначенный для защиты от кислых газов, тип «БКФ». Использован прозрачный корпус и сорбент, меняющий цвет при насыщении (Пассивный End of Service Life Indicator ESLI). Производится, предположительно, в г. Дзержинск Нижегородской области (РФ).

Фирма North Safety Products изготавливает несколько видов фильтров с пассивными индикаторами — для защиты от кислых газов (хлористого водорода, фтористого водорода, диоксида серы, сероводорода), от паров органических соединений; от аммиака; и от ртути и хлора. Недостатком этих индикаторов является то, что они могут предупредить рабочего только о определённых газах, и не могут адекватно предупреждать при использовании атмосфере, загрязнённой разными газами.

Компания 3М изготавливает и продаёт противогазные фильтры с пассивным индикатором, предназначенные для защиты от ртути и хлора[72].

Достоинством пассивных индикаторов является их низкая стоимость, а недостатком — то, что для обнаружения их срабатывания рабочему нужно следить за индикатором, а характер выполняемой работы не всегда это позволяет. Кроме того, чтобы вовремя обнаружить изменение цвета, требуется хорошее освещение. Рабочие, которые плохо различают цвета, не могут использовать такие фильтры.

В СССР к 1960 году был разработан респиратор для защиты от сероводорода[73]. Использовалась стандартная противогазная коробка, которая модифицировалась путём врезки индикатора, менявшего цвет при приближении сероводорода к отверстию для выхода очищенного воздуха.

Позднее были разработаны противогазные коробки из прозрачной пластмассы, в которых для улавливания аммиака использовался поглотитель из ионообменной смолы, менявший цвет по мере насыщения[74]. Публикаций о практическом применении таких фильтров, изготавливаемых ЗАО «Инсорб» — нет, но сообщалось, что их использование позволило также избежать преждевременной замены фильтров[75].

Аналогичные фильтры (с полностью прозрачным корпусом, и меняющим цвет сорбентом) описаны в[76]. В фильтре для защиты от сероводорода и других кислых газов использован сорбент — макропористый сульфокатионат КУ-23 в форме переходных металлов (меди, кобальта, никеля); а для поглощения аммиака КУ-23-15/100 модифицированный ионами меди. При поглощении газа цвет гранул меняется с приблизительно светло-синего до чёрного. Срок службы фильтров примерно в 1.7-2 раза больше, чем у аналогичных фильтров с сорбентом Купрамит.

Специалисты NIOSH разработали оптические индикаторы, которые могут предупредить о насыщении сорбента цианистым водородом[77] и сероводородом[78]. В индикаторах использован cobinamide.

Пассивные индикаторы ВЗД[5]

• 
  Патент Yablick 1925[63]
• 
  ChemMotif 2000 г.
• 
  THO 1998 & Linders[67]
• 
  ТНО 2004[68]
• 
  Dragerwerk 1986[66]
• 
  Wallace 1975 г.
• 
  Wallace 1975[79]
• 
  Roberts 1976[65]
• 
  Патент КНР 2001 г.
• 
  Dragerwerk 1957[64]

Активный индикатор окончания срока службы фильтра — новая разработка NIOSH

В активных индикаторах для предупреждения рабочего используется световая или звуковая сигнализация, которая срабатывает по сигналу датчика, устанавливаемого обычно в противогазный фильтр. Такие индикаторы позволяют вовремя заменять фильтры при любой освещённости, и не требуют от рабочего обращать внимание на цвет индикатора. Они могут также использоваться рабочими, которые плохо различают разные цвета.

По данным[5] одним из первых активных индикаторов был разработанный в 1965 году фильтр, в котором две проволоки соединялись с помощью воска[80]. При размягчении воска парами органических соединений проволоки касались друг друга, и включался предупреждающий световой сигнал. Недостатками устройства были его сложность и зависимость срабатывания от температуры.

Wallace запатентовал предупредительную систему для респиратора, которая обнаруживала токсичные газы. В этой конструкции два электрода (по крайней мере один из которых был покрыт изолятором с низкой температурой плавления, например — воском) устанавливались в глубине фильтра. Автор заявил, что в присутствии токсичных газов уголь начнёт нагреваться, это расплавит воск и замкнёт электрическую цепь между электродами в активированном угле, что вызовет срабатывание сигнализации[79].

Компания American Optical запатентовала датчик, находившийся в разъеме для крепления фильтра, или под маской. Он реагировал на тепло, выделявшегося при адсорбции газов на поверхности активированного угля. Датчик следил за температурой, которая повышалась при адсорбции газа углём.[81]

В дальнейшем стали широко использовать химрезисторы и полупроводниковые датчики.

В 1989 г. был запатентовано устройство, предупреждавшее о появлении вредных газов. Оно обнаруживало их с помощью электрохимического датчика. Устройство должно было устанавливаться между маской и фильтром[82].

В 1991 г. Transducer Research, Inc. сообщила об успешном испытании активного индикатора, в котором датчик реагировал на пары циклогексана. В качестве датчика использовался химрезистор; при обнаружении циклогексана срабатывала светодиодная индикация[83].

В 2002 году в Японии разработали респиратор с датчиком, расположенным после фильтра[84].

В 2003 году был разработан респиратор с полупроводниковым датчиком, находившимся между фильтром и маской[85]. Недостатком устройства было большое потребление энергии — требовалась замена батареек каждую смену.

В 2002 году был получен патент на недорогой оптоволоконный датчик, устанавливавшийся в фильтр[86]. Устройство отличалось низкой стоимостью, простотой, способностью реагировать на разные загрязнения.

Датчики для активного индикатора, разрабатываемые сейчас в США

В 2002 году фирма Cyrano Sciences разработала «электронный нос», состоявший из 32 разных датчиков. Обработка их сигналов микрокомпьютером позволяла определять наличие разных вредных веществ[87].

Разными организациями ведётся активная разработка более совершенных индикаторов окончания срока службы[5].

Несмотря на решение технических проблем, и наличие установленных требований к активным индикаторам окончания срока службы, за период 1984 г. (первый стандарт по сертификации с требованиями к индикаторам) до 2013 г. в США не был сертифицирован ни один фильтр с активным индикатором. Оказалось, что требования к фильтрам не вполне точные, требования к работодателям не обязывают их использовать такие индикаторы достаточно конкретно, и поэтому изготовители СИЗОД опасаются коммерческой неудачи при продаже новой непривычной продукции — хотя и продолжают проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Поэтому, на основании исследования применения респираторов (которое показало, что в США более 200 тыс. человек могут подвергаться чрезмерному воздействию вредных газов из-за несвоевременной замены фильтров) лаборатория средств индивидуальной защиты (NPPTL) в Институте охраны труда (NIOSH) стала разрабатывать активный индикатор. После завершения работы, по её результатам, будут уточнены требования законодательства, требования к работодателю, а полученные технологии будут переданы промышленности для применения в новых СИЗОД[88] .

Публикаций о разработке активных индикаторов в СССР и РФ нет;

упоминается[89] размещение «газоанализатора в прозрачной клапанной коробке серийно выпускаемой лицевой части (ШМП)» для контроля момента отработки поглотителя ФПК (комплект «Индикатор).»

Активные индикаторы ВЗД[5]

• 
  American Optical[81]
• 
  Auergesellschaft 1989[82]
• 
  Auergesellschaft 1989
• 
  Bernard 1998[86]
• 
  Dragerwerk 1994 г.
• 
  FOGS 1998 г.
• 
  Geraetebau 1991 г.
• 
  Shigematsu 2002[84]
• 
  Stetter 1991[83]