Персональный пробоотбо́рник воздуха (personal sampler) — это носимое устройство для отбора проб воздуха в зоне дыхания работающих в загрязнённой атмосфере. Замеры именно в зоне дыхания позволяют более точно определить опасность вдыхания воздушных загрязнений, когда их концентрация в воздухе не постоянна, или когда работник перемещается с места на место. Например, по данным, сравнение результатов измерений персональными пробоотборниками с результатами измерений, выполненными при проведении специальной оценке условий труда, обнаружило занижение воздействия на работников вредных веществ, свинца до 143 раз, и мышьяка до 60 раз.

Общие сведения Вдыхание вредных веществ при их чрезмерной концентрации создаёт повышенный риск развития профессиональных заболеваний (в том числе неизлечимых и необратимых: пневмокониозы — силикоз и антракоз, и др). Для правильной оценки концентрации вредных веществ в зоне дыхания необходимо проведение регулярных и систематичных измерений. Однако результаты многочисленных исследований показали, что и мгновенное значение, и среднесменное значение концентрации вредных веществ в зоне дыхания (около лица) может значительно отличаться от концентрации на расстоянии всего 2-3 метра от рабочего из-за непостоянства концентрации веществ в пространстве. Это побудило разработать нестационарное носимое оборудование для отбора проб воздуха именно в зоне дыхания. Правильное измерение загрязнённости вдыхаемого воздуха позволяет точно определить — превышаются ли значения предельно-допустимой концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКрз), и при их превышении — правильно выбрать достаточно эффективное средство индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД).

Предельно-допустимые концентрации (ПДКрз) Принято считать, что в тех случаях, когда воздействие вредных веществ на человека при, например, вдыхании, становится ниже некоторого «граничного» значения, риск развития профессионального заболевания становится пренебрежимо мал. Такие значения концентрации вредных веществ в воздухе в Российской Федерации (ранее в СССР) названы ПДКрз, в США — PEL (OSHA), REL (NIOSH), TWA (ACGIH); в Великобритании — OEL и т. д. Значения научно обосновываются путём проведения изучения случаев отравления работников, экспериментов на людях и животных и т. п., и закрепляются в национальном законодательстве, регулирующем вопросы безопасности и охраны труда. Работодатель обязан обеспечить такие условия работы, при которых концентрация вредных веществ не будет превышать ПДКрз, что предполагает проведение её измерений (а при невозможности избежать превышение ПДКрз — обязан обеспечить работников достаточно эффективными средствами индивидуальной защиты органов дыхания в соответствии с установленными требованиями к их выбору и применению). Но концентрация вредных веществ в воздухе может быть непостоянна в пространстве (и по времени), и её измерение должно проводиться так, чтобы учитывать это. Измерение концентрации вредных веществ в воздухе рабочего помещения с помощью стационарного оборудования может дать результат, отличающийся от реального в несколько раз.

История В 1957 г в ядерном центре AERE в Харвеле (Великобритания) были сделаны первые удачные модели персональных пробоотборников с электрическим насосом и гальваническим источником питания. Устройство размещалось в корпусе от электрического велосипедного фонаря, и одной батарейки хватало на неделю работы (1 смена в день). Испытание этого устройства объективно показало, что средняя концентрация вредных веществ в зоне дыхания рабочего может быть, например, в 41 раз выше, чем на расстоянии 2-3 метра от неё (при использовании стационарного измерителя).

+ Отношение концентраций радиоактивных частиц: измеренных персональным пробоотборником, к концентрации, измеренной стационарным пробоотборником (средние значения за 4 месяца измерений), 1966г Место проведения замеров Вид излучения Отношение концентраций — средние (mean) значения Область активного выполнения работы Альфа

Бета 0.7

4.1 Область проведения дезактивации Альфа

Бета 2.7

41

Результаты, полученные Робертом Шервудом в Харвеле, стимулировали разработку и применение подобных устройств, а также проведение исследований, в которых сравнивались результаты измерений стационарных и персональных пробоотборников. В документе NIOSH сделан обзор подобных исследований, в которых одновременно измерялись концентрации в зоне дыхания персональным пробоотборником и в воздухе рабочей зоны стационарным пробоотборником. Они показали, что: Средняя концентрация вредных веществ в зоне дыхания может быть значительно выше, чем в воздухе рабочей зоны. Средняя концентрация вредных веществ в зоне дыхания не имеет ни прямой, ни иной взаимосвязи с концентрацией вредных веществ в воздухе рабочей зоны, и измерение последней не позволяет получить значения первой (например — путём пересчёта). Поэтому авторы документа, который не был юридически обязательным для выполнения, рекомендовали измерять воздействие воздушных загрязнений на рабочих исключительно с помощью отбора проб воздуха в зоне дыхания. А во многих случаях это невозможно без использования персонального пробоотборника (если во время работы сотрудник перемещается на большие расстояния и т. п.). Рекомендации этого документа использовались при разработке стандартов по охране труда при работе с вредными веществами, которые юридически обязательны для выполнения работодателем (свинец, асбест и др., а также инструкции для инспекторов по охране труда (OSHA), которая требует измерять воздействие воздушных загрязнений на рабочих только персональными пробоотборниками.

Из ~1.5 млн замеров, сделанных инспекторами по охране труда в США (OSHA) за период 1979—2013 гг, 78,4 % замеров было сделано персональными пробоотборниками.

Конструкция

Существуют различные способы определения концентрации пыли — осаждение на фильтре с последующим взвешиванием или подходящим химическим анализом; измерение оптических свойств запылённого воздуха, прокачиваемого через детектор и т.п. Для улавливания газов может использоваться прокачивание загрязнённого воздуха через сорбент или, например, раствор химического вещества, которое реагирует с газообразным загрязнителем (например — формальдегидом). Персональные пробоотборники должны быть лёгкими и не мешать выполнению работы, поэтому для них применима лишь часть имеющихся методов определения концентрации веществ в воздухе.

Обычный («активный») пробоотборник Наибольшее распространение получили пробоотборные устройства, в которых для улавливания вредных веществ используется принудительное прокачивание загрязнённого воздуха через улавливающую среду с помощью насоса. Обычно используют насосы с электроприводом от аккумулятора. У устройства может быть один, два и более каналов, расход воздуха обычно регулируется и может достигать 20 л/мин. Чтобы правильно определить концентрацию (отношение количества вредного вещества к объёму воздуха) необходимо точно знать количество воздуха, прокачанного через улавливающую среду во время замера. Расход воздуха через пробоотборник может измениться из-за, например, увеличения сопротивления аэрозольного фильтра (при его загрязнении в процессе измерений) и разрядки аккумуляторов. Поэтому во второй половине XX-го века старались провести калибровку приборов и до начала замера, и после замера, а при проведении серии последовательных замеров калибровку могли проводить в начале и в конце смены. Для измерения расходов воздуха могли использоваться, например, пузырьковые расходомеры (bubble flow meter). Позднее в насосный блок стали встраивать маленькие расходомеры — (ротаметры), что позволяло следить за сохранением постоянного расхода воздуха прямо во время работы без выключения прибора.

Улавливающая среда могла быть различной, и зависела от вида загрязнений. Для улавливания аэрозолей могут использоваться аэрозольные фильтры и мембраны. При использовании мембран можно использовать сканирующий электронный микроскоп для определения формы и размера частиц. Если необходимо провести химический анализ для определения состава пыли, на результат анализа может повлиять присутствие определяемых химических веществ в самом материале фильтра/мембраны — фоновое загрязнение при изготовлении. В таких случаях может быть проведён анализ фильтров, которые вообще не использовались, и измеренное среднее фоновое загрязнение вычитается из величины, получаемой при анализе фильтров, на которых осела пыль.

Для определения распределения частиц аэрозоля по размерам могут использоваться импакторы (impactor). В этих устройствах воздух проходит через сопла разного диаметра (сначала через большие, потом — через маленькие), и получаемые струи соударяются о подложкой. Чем больше частица аэрозоля, и чем меньше диаметр отверстия, тем больше её инерционные свойства и вероятность соударения и оседания на подложке. Сравнение содержания пыли на подложками после отверстий разного диаметра позволяет оценить доли пыли с разными диапазонами размеров частиц. Для предотвращения отскока пыли от подложки на неё могут наносить «липкое» покрытие. Если частицы большие и непрочные, они могут разрушаться при соударении, что искажает результат измерений.

Стандарты по охране труда промышленно-развитых стран во многих случаях ограничивают концентрацию нерастворимой пыли в воздухе промышленных предприятий не для всех частиц, а только для маленьких (респирабельная фракция), которые при вдыхании могут проникнуть глубоко в лёгкие и оседать в альвеолах, нанося максимальный вред здоровью. Для замера респирабельной концентрации пыли могут использоваться предфильтры, отделяющие крупные частицы, например — маленькие циклоны диаметром ~10 мм. Измерения показали, что пульсации расхода воздуха (при использовании поршневых пробоотборных насосов) могут влиять на эффективность измерений.

Для улавливания газообразных загрязнений может использоваться трубка с активированным углём, импинджер, барботер и др. Импинджер — это сосуд с соплом, направленным на поверхность улавливающей жидкости. При встрече струи загрязнённого воздуха и специальной жидкости может происходить массообмен, и измерение количества загрязняющего газа в жидкости, или количества прореагировавшего с загрязняющим газом специально подобранного химического реагента (растворённого в жидкости), позволяет определить количество газообразных вредных веществ в прокачиваемом воздухе.

При улавливании биоаэрозолей возникают проблемы, схожие с проблемами при улавливании твёрдых крупных непрочных частиц: соударение с осаждающей поверхностью (твёрдой или жидкой) может разрушить микроорганизм, или убить его, что снижает качество результатов измерений.

Пассивные диффузионные пробоотборники

В попытке снизить вес, сложность и затраты на техобслущивание пробоотборников с насосом, были разработаны пассивные пробоотборники. Они используют диффузию молекул вредных газов для улавливания последних, и не имеют никаких подвижных частей. При различии концентрации молекул какого-то вещества в пространстве, молекулы последнего из-за диффузии начнут двигаться в направлении уменьшения концентрации. Если поместить в загрязнённую атмосферу улавливающую среду (например — активированный уголь), то около неё концентрация молекул будет пониженной, и новые молекулы начнут двигаться к улавливающей среде. Если эта среда находится в ёмкости с открытым отверстием (например — на дне цилиндрической коробочки с газопроницаемым противоположным торцом), то зная параметры ёмкости, скорость диффузии и массу уловленных молекул (после анализа улавливающей среды) можно вычислить соответствующую концентрацию перед отверстием.