Optimization of Parameters Used in Predictive Models for Respirator Cartridge Service Life for Toxic Organic Vapors

Les appareils de protection respiratoire munis de cartouches chimiques contenant du charbon actif, sont les appareils les plus utilisés en milieu de travail pour protéger les travailleurs contre les vapeurs organiques toxiques.  Cependant, étant donné que les indicateurs de fin de service pour les cartouches ne sont pas encore au point, il est recommandé d’utiliser des modèles de prédiction pour estimer la durée de vie des cartouches.  Dans le cas des mélanges, ces modèles de prédiction ne tiennent pas compte de la toxicité des contaminants.  Ainsi, l’objectif principal de cette thèse fut d’optimiser les modèles théoriques de prédiction à partir de réalisation de trois sujets de recherche : (1) le développement d’une méthode expérimentale pour caractériser la microstructure des charbons actifs dans des conditions environnementales semblables à celles de leur utilisation; (2) la conception d’une approche expérimentale dans un montage réduit avec une cartouche miniature (Mini) permettant de mieux contrôler les conditions environnementales et de réduire la quantité de solvants utilisés lors des essais ; et (3) l’intégration d’une approche toxicologique qui applique le principe de l’indice de risque (HI) aux mélanges pour l’utilisation sécuritaire des cartouches.   En ce qui concerne la caractérisation de la microporosité des charbons, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des isothermes d’adsorption de type I en exposant les charbons à des vapeurs organiques différentes, ayant des rapports de tensions de vapeurs variant de 0.001 à 0.1.  Ces isothermes ont permis d’obtenir les microporosités des charbons et, à l’aide de l‘équation de Dubinin-Radushkevich, de calculer les capacités d’adsorption des charbons des cartouches chimiques qui sont semblables aux valeurs expérimentales.  La mise au point d’un système réduit a démontré qu’une cartouche Mini représentant une section de la cartouche de taille réelle était capable de reproduire les temps de claquage à 10% d’un contaminant et la capacité d’adsorption de la cartouche tout en reproduisant des courbes de claquages parfaitement symétriques.  Cette approche a permis de mieux contrôler les paramètres expérimentaux (température, humidité et débit d’air) et de diminuer la quantité de solvants utilisés pour les essais, tout en obtenant des résultats plus fiables.   L’étude sur les mélanges de vapeurs comprenant un contaminant très volatil et peu toxique a démontré que l’intégration de l’indice de risque dans le calcul du temps de service pour les mélanges permettait une utilisation efficace et sécuritaire des cartouches. Cette approche est valable lorsque la concentration du contaminant le plus volatil est < 50 ppm et que le rapport des concentrations du contaminant volatil au moins volatil est inférieur à 2.   Ces travaux ont démontré, dans l’ensemble, l’amélioration de l’approche expérimentale et théorique, ce qui apporte une plus haute précision des paramètres des modèles de prédiction du temps de service des cartouches chimiques et par conséquent, une meilleure protection des travailleurs. Air-purifying respirators equipped with activated carbon cartridges are among the most widely used respirators in the workplace to protect against toxic organic vapors.  Because end-of-service-life-indicators (ESLI) are limited for organic vapors, mathematical models are recommended to yield the cartridge service life (CSL).  Moreover, in the case of mixture contaminants, the toxicity of the breakthrough vapors is not even considered in the estimation of CSL.  Hence, the main objective of this study was to improve predictive models by investigating three research topics: (1) developing an experimental approach to characterize the pore structure of activated carbons in respirator cartridges using adsorption isotherms obtained with different organic vapors of different vapor pressure at environmental conditions similar to the ones found in the workplace; (2) designing a miniaturized (Mini) cartridge device to allow better control of environmental conditions and reducing the amount of solvent used while providing reliable data; (3) integrating a toxicological approach in the estimation of CSL for vapor mixtures by using the Hazard Index (HI) principle to indicate the safe use of respirators.   The characterisation of the microporous structure of the activated carbons showed that a type I characteristic multi-vapor adsorption isotherm can be obtained with organic vapors of relative vapor pressures ranging from 0.001 to 0.1.  The obtained micropore values were used in the Dubinin-Radushkevich equation to calculate the micropore volumes and the adsorption capacities of the activated carbons, which showed agreement with the experimental data. The Mini cartridge device was designed to reproduce a small section of a given respirator cartridge and have the same carbon bed thickness as the full size respirator cartridge.  The Mini was able to reproduce symmetrical breakthrough curves of the full size cartridge and gave results comparable to the 10% breakthrough times and adsorption capacities of the cartridges.  This efficient approach provided better control over environmental conditions (temperature, humidity, and flow) in breakthrough tests to obtain reliable data, and reduced the amount of solvent used. The study on vapor mixtures involving a volatile and low toxic component showed that applying the Hazard Index (HI) was suitable for optimal and safe use of respirator cartridges. This approach was reliable at low concentrations of acetone (< 50 ppm) and when the ratio of the contaminants of the volatile to the less volatile was < 2.   Overall, this thesis has showed that the experimental and theoretical approaches have improved the predictive models for cartridge the service life by improving the precision of the intrinsic parameters of these models to better protect the workers.

Keyphrases: Vapeurs organiques, Cartouches chimiques, Mélanges, Temps de service, Charbon actif, Capacité d’adsorption, Appareil respiratoire, Indice de risque, Organic vapors, Cartridge service life, Breakthrough time, Activated carbon, Models, Mixtures, Adsorption Capacity, Hazard index, Air-purifying respirator