Study on protective ability of typical respiratory protective equipment against different airborne metal particles in workplaces
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+ English摘要:目的 通过测定焊接工人佩戴的不同呼吸防护用品（respiratory protection equipment，RPE）对不同金属的工作场所防护因数（workplace protection factor，WPF），比较不同类型RPE对不同金属颗粒物的防护能力。方法 选择上海某船厂焊接岗位工人18人（17名男性和1名女性）为研究对象，根据工人日常工作实际佩戴的RPE类型，确定相应的RPE测试，其中5人佩戴过滤式半面罩（RPE1），13人佩戴三折折叠式防颗粒物口罩（RPE2），采用改良的美国WPF测试方法分别测试RPE内、外的金属颗粒物浓度，计算WPF值并进行对数转换，组间相关性采用Pearson相关分析，组间比较采用两因素非参数Scheirer-Ray-Hare检验。结果 锰颗粒和铁颗粒的WPF值符合对数正态分布，呼吸防护用品对锰颗粒和铁颗粒的WPF第5百分位数（WPF5%）分别为15.01和13.60，几何均数（GM）分别为114.76和82.37，RPE1和RPE2的WPF5%分别为11.25和22.28，GM分别为86.49和123.01。两种RPE对空气中金属粉尘颗粒物的WPF数值差异无统计学意义（P > 0.05），而铁和锰两种金属的WPF数值差异亦无统计学意义（P > 0.05），且RPE类型和不同金属颗粒物之间对防护效果不存在交互作用（P > 0.05）。结论 改良的WPF测试方法能有效测试RPE的WPF值，本次测试的2种RPE对不同金属颗粒物均能起到防护作用，防护效果接近。
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工作场所工人佩戴呼吸防护用品（respiratory protection equipment，RPE）的关键目的是将佩戴者吸入的空气污染物浓度从过高降低到可接受的水平，从而保护佩戴者呼吸道健康。工作场所防护因数（workplace protection factor，WPF）指在工作条件下危害因素（如颗粒物）的环境浓度和RPE内浓度的比值，可以作为RPE实际防护性能的指标。WPF值越大，说明RPE降低污染物浓度的能力越强，防护性能越好。RPE的指定防护因数（assigned protection factor，APF）是以WPF为基础，由政府和标准化机构按照一定方法制定的，代表各类防护用品通常可以接受的某种防护能力。根据美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）ANSI Z88.2和美国职业安全与健康管理局（The Occupational Safety and Health Administration，OSHA）OSHA29 CFR 1910.134法规推荐，半面罩式RPE的推荐APF值为10 [1-2]。本次研究拟采用改良美国的WPF测试方法，比较典型呼吸防护用品对工作场所空气中不同金属颗粒物的防护能力，现将结果报告如下。
1. 对象与方法
1.1 研究对象
选择上海某船厂某车间焊接岗位的所有18名焊接工人为研究对象，其中男性17名，女性1名。研究对象对本研究内容均知晓同意。
选用上海某公司生产的两种RPE：一种为过滤式半面罩呼吸防护用品（RPE1），每次采样完毕后，在下一时段采样只更换过滤元件；另一种为三折折叠式防颗粒物一次性口罩（RPE2），每次采样完毕即更换新口罩。进行WPF测试时，工人佩戴RPE的类型取决于工人日常工作时实际佩戴的RPE类型，其中5人佩戴RPE1，13人佩戴RPE2。
1.2 方法
1.2.1 适合性检验
采用3M FT-30定性适合性检验设备（苦味）为本次研究的RPE进行适合性检验，其满足OSHA呼吸防护标准29 CFR 1910.134 [2]，可以更好地帮助使用者选择适合的口罩或面具。FT-30根据受试者能否尝到苯甲地那铵溶液的能力来判断呼吸防护用品的密合性。每次测试之前，每个受试者都要进行敏感性检验，以确定受试者能辨别所使用的试剂，确保所有受试者在每次敏感性检验中都能尝到特定浓度的苯甲地那铵。敏感性检验结束后，喝水并清洗嘴唇和口腔，然后进行适合性检验。受试者在适合性检验期间应始终没有感觉到苦味的苯甲地那铵，否则就定义为其佩戴的RPE未通过适合性检验。
1.2.2 采样方法
同时采集焊接工人工作时RPE外呼吸带空气中和RPE内空气中铁、锰颗粒物样品。采样设备（流量校准）：采样泵为苏州兰化仪器有限公司生产的SP500个体采样泵（采样流量：20 ~ 5 000 mL/min；分辨率：1 mL/min；准确度：优于± 4%）；滤膜：25 mm微孔滤膜。采样流量：2 L/min；采样体积：100 ~ 240 L。
RPE内、外采样均为个体采样，分别用硅胶管连接采样泵和采样夹进行样本收集。为了解决RPE内采样时采样泵和采样夹之间产生水汽的问题，RPE内采样在采样泵和采样夹之间增加了装有干燥剂的防湿装置，采样夹通过安装在RPE上的螺纹式铝合金连接装置连接，此连接方式从美国铆钉式连接改良而来，避免了连接装置只能使用一次的弊端，此装置可以重复使用，且增强了连接的牢固性，采样过程中采样夹不容易从RPE脱落。
现场采样流程：研究对象通过RPE适合性检验后，在现场调查员的帮助下调试好采样设备，然后在正常工作的情况下进行采样。采样过程中研究对象按照日常工作内容工作，在整个采样过程中调查员监测工人采样情况，采样全过程须保证采样设备正常佩戴，且RPE全程佩戴，不得摘下。采样结束后仪器设备由现场调查员取回，调查员取下滤膜，2次对折后保存在专用塑料样品袋内，送实验室分析。每名研究对象1 d内采集2个样品（上午和下午各一次），每个时间段采集2 h，采集3 d，在采样过程中去除采样泵异常停止、滤膜损坏、工人自主摘下RPE等异常情况的样品，以确保检测结果的准确，最后一共收集样本83份。
1.2.3 检测方法
锰及其化合物按照GBZ/T 300.17—2017 [3]进行分析，检出限为0.003 mg/L。锌及其化合物按照GBZ/T 300.31—2017 [4]进行分析，检出限为0.018 mg/L。镍及其化合物按照GBZ/T 160.16—2004 [5]进行分析，检出限为0.015 mg/L。铬及其化合物按照GBZ/T 300.9—2017 [6]进行分析，检出限为0.006 mg/L。铜及其化合物按照GBZ/T 300.11—2017 [7]进行分析，检出限为0.005 mg/L。铁按照GBZ/T 300.33—2017 [8]进行分析，检出限为0.027 mg/L。镉按照GBZ/T 300.6—2017 [9]进行分析，检出限为0.002 mg/L。
1.2.4 数据计算
WPF = C0/Ci，其中C0为RPE外环境样本浓度，Ci为RPE内样本浓度。若样本浓度低于检出限，计算时按照检出限来替代。
用几何均数（geometric mean，GM）、几何标准差（geometric standard deviation，GSD）和第五百分位数（WPF5%）描述WPF检测数据，其中，WPF5% = GM/GSD1.645 [10]。
数据筛选方法：不满足C0最低可接受标准的数据予以剔除[11]。本次选择的两种RPE的APF都是10，故C0最低可接受标准= 10 × APF ×空白样品检出限。
1.2.5 质量控制
调查员在开展研究前统一接受培训，确保采样流程一致，采集样品时每批次设置2个空白样品进行质量控制。
1.2.6 统计学分析
采用R4.1.3软件进行统计分析，结合Origin 2021软件进行绘图。针对WPF值不满足正态性和方差齐性的特征，进行对数转换，组间相关性采用Pearson相关分析，组间比较采用两因素非参数Scheirer-Ray-Hare检验，显著性检验水准α = 0.05。
2. 结果
2.1 金属浓度检测情况
为了找出浓度相对较高的金属颗粒物，本研究针对同一滤膜样品，进行了锰、镍、锌、镉、铁、铬、铜等7种金属的浓度分析，发现铁、锰两种金属的浓度数据符合C0最低可接受标准，而其他金属C0检测结果浓度较低，不符合C0最低可接受标准。根据实验室检测结果以及C0筛选标准，本研究数据分析仅针对铁和锰两种金属计算WPF值，并进行相应的分析。7种金属检测情况见表 1。
表 1 7种金属WPF检测情况金属 样品数 C0（/mg/L） Ci（/mg/L） WPF值 锰 69 0.324 ~ 51.986 0.003 ~ 0.214 4.864 ~ 1 652.095 铁 49 0.806 ~ 96.099 0.027 ~ 1.085 5.035 ~ 1 267.090 镍① 83 0.015 0.015 ~ 0.427 锌① 83 0.018 ~ 0.165 0.018 ~ 5.919 镉① 83 0.002 0.002 铬① 83 0.003 ~ 0.010 0.003 ~ 0.131 铜① 83 0.005 ~ 0.011 0.005 ~ 1.771 注：①该金属颗粒物测得的浓度范围由未经筛选之前的全部样本得出，鉴于C0检测结果浓度较低，不符合C0最低可接受标准，未进行WPF值计算。 2.2 RPE工作场所防护因数（WPF）数据特征
空气中锰金属颗粒物共获得有效WPF值69个，铁金属颗粒物共获得有效WPF值49个。经检验，锰颗粒和铁颗粒的WPF对数值符合正态分布。
锰颗粒和铁颗粒的WPF5%分别为15.01和13.60，GM分别为114.76和82.37。RPE1和RPE2的WPF5%分别为11.25和22.28，GM分别为86.49和123.01。见表 2。
表 2 不同RPE对不同金属颗粒防护效果类型 参数 WPF值 总计 锰 铁 RPE1 样品数 25 19 44 GM 93.62 77.94 86.49 GSD 3.85 3.03 3.46 WPF5% 13.27 12.55 11.25 RPE2 样品数 44 30 74 GM 128.84 85.31 123.01 GSD 3.22 3.01 2.83 WPF5% 18.82 13.91 22.28 合计 样品数 69 49 118 GM 114.76 82.37 107.87 GSD 3.44 2.99 3.08 WPF5% 15.01 13.60 16.93 2.3 不同RPE对不同金属颗粒的防护效果比较
对不同金属和不同RPE防护性能（WPF值）进行统计描述和分析，结果显示：锰颗粒物的中位数为125.09（n = 69），铁的中位数为88.36（n = 49）。RPE1的中位数为93.612（n = 44），RPE2的中位数为122.99（n = 74）。
采用Scheirer-Ray-Hare检验WPF分布差异，分析RPE对锰和铁的防护能力是否存在差异，以明确不同金属颗粒物和RPE对WPF的影响，并确定两因素之间是否存在交互作用。结果表明：两种RPE对金属颗粒物的WPF数值差异无统计学意义（P > 0.05），而铁和锰两种金属的WPF数值差异亦无统计学意义（P > 0.05），且RPE类型和锰与铁金属颗粒物之间对防护效果不存在交互作用（P > 0.05）。R软件输出结果见表 3。
表 3 两因素非参数Scheirer-Ray-Hare检验项目 自由度 均方 H值 P值 RPE类型 1 1 287 1.099 52 0.294 37 金属类型 1 3 046 2.603 0 0.106 66 RPE和金属交互作用 1 618 0.528 32 0.467 31 残差 114 131 853 2.4 C0、Ci和WPF之间相关性
相关分析结果显示：（1）铁的lgC0和lgCi之间无相关性（r = 0.272，r2 = 0.074，n = 49，P = 0.272），锰的lgC0和lgCi之间存在中等偏弱的正相关（r = 0.453，r2 = 0.205，n = 69，P < 0.05），即随着工作场所空气中锰颗粒物浓度的增加，在RPE防护性能不变的情况下，RPE内相应金属颗粒物浓度也随之增加，且成对数正相关，见图 1的A1、B1。（2）铁和锰的lgWPF与lgCi均成中等强度的负相关（铁：r = - 0.601，r2 = 0.361，P < 0.05，n = 49；锰：r = - 0.504，r2 = 0.254，P < 0.05，n = 69），即随着RPE内铁颗粒物和锰颗粒物浓度增加，相应WPF降低，成对数负相关，见图 1的A2、B2。（3）铁和锰的lgWPF与lgC0均成中等强度的正相关（铁：r = 0.606，r2 = 0.367，P < 0.05，n = 49；锰：r = 0.542，r2 = 0.294，P < 0.05，n = 69），即随着工作场所空气中的铁和锰颗粒物浓度增加，对应的WPF也增加，成对数正相关关系，见图 1的A3、B3。
3. 讨论
当Ci在大部分样本中被检出时，其对应的WPF通常服从对数正态分布[11-12]，本研究结果与其一致。GM和WPF5%通常被用作建立RPE的APF的数据支持[13]。本次研究显示，与其他研究[11]测试的N95防颗粒物口罩（GM为119，WPF5%为19）比较，本研究RPE对铁金属颗粒物的防护能力GM（82.37）和WPF5%（13.60）较低，可能原因是本研究的研究对象均为中国人，与国外人体的面部结构不同，劳动者和呼吸防护用品的贴合度不高，作业过程中贴合度还会下降，使得环境中部分金属颗粒物进入RPE内部，导致Ci升高，WPF降低。
焊接过程中产生的有害粉尘颗粒主要包括MnO2、Fe2O3等，其中以MnO2的毒性危害最大[14]。本次研究结果显示测试的RPE对锰和铁的防护能力没有差别，且WPF5%均大于国家标准规定的APF（即10），说明RPE可以有效预防作业场所空气中铁和锰金属颗粒物的职业危害。两种RPE的防护能力也没有差别（APF对于RPE的数值界定是针对半面罩式，本研究采用的两种RPE均为半面罩），与其他研究结果[15]一致，其原因可能是工作场所空气中两种金属颗粒物的浓度没有超过RPE的防护极限，均在两种RPE防护能力范围之内，故两种RPE的防护能力未见差别。
将WPF与C0、Ci取对数做相关性研究发现：（1）铁颗粒和锰颗粒的lgWPF与lgC0成中等强度正相关，提示RPE内铁颗粒物浓度和锰颗粒物浓度不会对工作场所防护因数结果造成明显偏倚[12]，这和前人的研究结果（r2 = 0.06 [16]、0.28 [17]、0.11 [12]、0.11 [18]）类似。（2）铁和锰的lgWPF与lgCi成中等强度负相关（r = - 0.601、r2= 0.361和r = - 0.504、r2 = 0.254），与国外研究[8]（r2 = 0.47）结果类似。（3）锰的lgC0和lgCi之间存在中等偏弱的正相关关系（r = 0.453、r2 = 0.205），这和国外研究[18]类似。由于lgC0和lgCi的动态性和独立性，本研究结果显示两者之间的相关性较弱。
但本次研究也存在一些不足。首先，本次研究对象涉及的岗位仅有焊接岗位，且工作时间尚未完全统一，所以并未使用时间加权的WPF值。在条件允许情况下，今后的研究将尽可能选用时间加权浓度下测得的WPF以揭示焊接工人在一个工作周期内的完整暴露情况[11]。其次，本研究只进行了定性适合性检验。研究表明定量适合因子和WPF存在正相关关系[19]，所以今后应进一步明确定量适合因子和WPF之间的关系，以便能选择性能更好的呼吸防护用品。最后，现场应尽量能够对空气中的有毒有害物质颗粒大小进行实时监测，识别出不同颗粒危害物质的大小分布，观察WPF是否存在颗粒大小依赖性[20]。
作者声明 本文无实际或潜在的利益冲突 -
表 1 7种金属WPF检测情况
金属 样品数 C0（/mg/L） Ci（/mg/L） WPF值 锰 69 0.324 ~ 51.986 0.003 ~ 0.214 4.864 ~ 1 652.095 铁 49 0.806 ~ 96.099 0.027 ~ 1.085 5.035 ~ 1 267.090 镍① 83 0.015 0.015 ~ 0.427 锌① 83 0.018 ~ 0.165 0.018 ~ 5.919 镉① 83 0.002 0.002 铬① 83 0.003 ~ 0.010 0.003 ~ 0.131 铜① 83 0.005 ~ 0.011 0.005 ~ 1.771 注：①该金属颗粒物测得的浓度范围由未经筛选之前的全部样本得出，鉴于C0检测结果浓度较低，不符合C0最低可接受标准，未进行WPF值计算。 
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表 2 不同RPE对不同金属颗粒防护效果
类型 参数 WPF值 总计 锰 铁 RPE1 样品数 25 19 44 GM 93.62 77.94 86.49 GSD 3.85 3.03 3.46 WPF5% 13.27 12.55 11.25 RPE2 样品数 44 30 74 GM 128.84 85.31 123.01 GSD 3.22 3.01 2.83 WPF5% 18.82 13.91 22.28 合计 样品数 69 49 118 GM 114.76 82.37 107.87 GSD 3.44 2.99 3.08 WPF5% 15.01 13.60 16.93
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表 3 两因素非参数Scheirer-Ray-Hare检验
项目 自由度 均方 H值 P值 RPE类型 1 1 287 1.099 52 0.294 37 金属类型 1 3 046 2.603 0 0.106 66 RPE和金属交互作用 1 618 0.528 32 0.467 31 残差 114 131 853
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期刊类型引用(1)
1. 孙云凤，黄沪涛，张超，李雪纯，孙原，赵乾魁，杨洋，刘武忠. 呼吸防护装备的工作场所防护因数研究进展. 职业卫生与应急救援. 2024(05): 695-698 . 
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