A Study on the Correlation Between Static Electricity and Filtration Efficiency of Particulate Respirators

Abstract

서론: 마스크(호흡보호구)는 작업장에서 유해인자로부터 근로자의 호흡기를 보호하기 위해 사용되어왔으나, 황사나 미세먼지 등 일상의 환경적 요인이 악화되면서 작업자들뿐만 아니라 일반 시민들도 마스크를 착용하는 것이 보편화되었다. 마스크의 여과기전은 중력침강, 관성충돌, 차단, 확산 그리고 정전기가 있다. 고효율의 섬유필터를 얻기 위해 섬유를 일정한 공간에 많이 넣어 촘촘하게 만들어야 한다. 하지만 섬유사이의 구멍이 작아질수록 압력강하가 커지고, 숨쉬기 힘들어진다. 이러한 단점을 보완하기위해 마스크에 정전기력을 이용하여 입자를 포집하기 시작했다. 정전기는 마스크의 여과기전 중 20-30% 정도를 차지하나, 더 미세한 입자를 거르기 우세하다. 하지만 정전기는 장기간 수분에 노출되거나 하전입자와의 접촉 등 다양한 요인들로 감소한다. 이에 본 연구의 목적은 시간경과, 온도, 습도 그리고 입자 노출에 따른 마스크의 정전기와 여과효율을 파악하고, 둘간의 상관성을 평가하고자 한다. 연구 방법: 시험 마스크 선정은 4개 제조사의 1급 방진마스크(산업용)와 KF-94(보건용)마스크를 선정했다. 먼저, 마스크 여과효율에 관여하는 정전기의 영향을 보기 위해, 이소프로판올을 이용하여 정전기를 제거했다. 정전기를 제거하기 전과 후 마스크의 여과효율을 비교했다. 시간 경과 영향을 보기 위해 하룻동안 마스크 착용 온·습도 조건에 8시간을 노출시킨 후 16시간 동안은 상온에 보관했다. 이를 1, 2, 4, 8일 동안 반복했다. 그 다음 습도와 온도의 영향을 보기 위해 온도를 25℃로 고정시키고, 습도 30, 50, 98%에 노출시켰고, 습도를 50%로 고정시키고, 온도 -30, 50, 70℃에 노출 시켰다. 마지막으로, 실제 착용한 마스크를 연구하기 위해 10명의 참가자를 모집하여 1, 2, 4일을 착용 시킨 후 수거했다. 이때 착용 시 성별, 착용시간, 행동 등을 기록했다. 마스크의 정전기는 표면전위 측정기를 이용해 마스크의 겉 표면과 마스크를 자른 후 내부 필터 층별로 측정했고, 여과효율은 필터테스터를 이용하여 NaCl과 파라핀 오일에 대한 여과효율을 보았다. 연구 결과: 마스크의 정전기를 제거한 결과, 산업용마스크의 여과효율은 21.72%, 보건용마스크는 19.53%만큼 감소했다. 시간경과에 따라 한 제품을 제외한 마스크에서 정전기의 감소가 보였으나, 여과효율의 감소는 한 보건용마스크에서 관찰됐다(p<0.001). 이 마스크의 8일 경과 후 여과효율은 94% 이하로 감소했다. 습도에 따른 정전기와 여과효율은 모두 감소했다. 산업용과 보건용마스크 모두에서 유의한 차이가 보였다(p<0.05). 온도에 따른 마스크의 정전기와 여과효율은 습도조건에서와 달리 유의한 차이가 나타나지 않았다(p>0.05). 한 개의 보건용마스크에서만 여과효율의 감소가 있었다(p<0.05). 실제 착용한 마스크는 착용 기간이 증가함에 따라 정전기와 여과효율 각 11.26와 6.51%정도 감소했다. 압력강하 또한 시간이 증가함에 따라 감소했다(10.29%). 상관성 분석 결과 습도조건에서 강한 양의 상관성을 보였고, 온도조건에서는 약한 상관성을 보였다. 고습환경에서 마스크의 여과효율 감소는 정전기 감소로 설명되었으나, 고온에서 마스크 여과효율 감소는 정전기 보다는 마스크 성질이 변형되어 다른 기전의 기여로 보였다. 결론: 마스크의 정전기와 여과효율의 감소는 습도가 높아짐에 따라 감소율이 가장 높았으며, 그 다음 시간경과 그리고 온도 순 이였다. 상관성 역시 습도조건에서 가장 강했으며, 온도조건에서 가장 약했다. 본 연구의 결과는 마스크 시험 시 고려되어야 할 필요가 있다. 또한, 마스크 필터 내부의 정전기를 보유하기 위한 기술 발전이 앞으로도 계속 필요하다.

Introduction: Respirators have been widely used to protect workers' health from airborne chemicals and bioaerosols in the workplace. However, due to environmental factors such as yellow dust and fine dust, it has become common for workers as well as all residents to wear masks. Aerosols are absorbed in the respirator via various mechanisms such as gravity sedimentation, inertial impaction, interception, diffusion, and electrostatic attraction. However, increasing the efficiency of the respirator filter causes the pressure drop to increase as well, which can be a problem. By adding static electricity to the respirator, the efficiency can be improved while maintaining an almost constant pressure drop. However, static electricity could be reduced when exposed to moisture for a long time. Contact with charged particles also reduces static electricity. The objective of this study was to evaluate the electrostatic properties and filtration efficiency of respirators according to their age, changes in ambient humidity and temperature, and the mask-wearing duration. Furthermore, this study compared occupational-use and public-use of respirators. Methods: Respirators from four manufacturers were selected for this study, and two types of respirators from each manufacturer were tested; occupational-use respirators (1st class) and public-use respirators (KF-94). First, in order to observe how much static electricity contributes to filtration efficiency, static electricity was removed. To study the effect of time, the respirator was exposed to mask-wearing temperature (38℃) and humidity condition (85%) for 8 hours, and subsequently stored at room temperature (20℃, 50% RH) for 16 hours per day. This was repeated for 1, 2, 4, and 8 d. To study the effect of humidity and temperature on the efficiency of the masks, i) the temperature was fixed at 25℃, and the samples were exposed to humidity of 30, 50, and 98%, and ii) humidity was fixed at 50%, and samples were exposed to temperatures of ‒30, 50, and 70℃. Finally, ten participants were recruited for this study, who had actually worn masks for a significant duration. The respirator was collected after wearing it for 1, 2, or 4 d. While wearing, the gender, wear time, and behavioral changes were recorded among the participants. The static electricity on the surface of the respirator and on each inner layer filter (sampled after cutting the respirator) were measured using a surface potential meter, and the filtration efficiency was measured for NaCl and paraffin oil using a filter tester. Results: Owing to the removal of static electricity from respirators, the filter efficiency of 1st class and KF-94 respirators decreased by 21.72% and 19.53%, respectively. Over time, a decrease in static electricity was observed in all respirators except for one product, and a decrease in filtration efficiency was also observed in one KF-94 (p<0.001). The filter efficiency decreased to less than 94% after 8 d. Both static electricity and filter efficiency decreased according to humidity, and the decrease was significant in both 1st class and KF-94 (p<0.05) respirators. The static electricity and filtration efficiency did not differ significantly according to temperature (p>0.05), unlike humidity conditions. There was a decrease in filtration efficiency for only one KF-94 (p<0.05). The masks that were actually worn by the participants exhibited a decrease in static electricity and filtration efficiency by 11.26% and 6.51%, respectively, as the wearing duration increased. The pressure drop also decreased with increasing time (10.29%). Correlation analysis indicated a strong positive correlation between static electricity and filtration efficiency with respect to changing humidity; however, the correlation was weaker at variable temperature conditions. The decrease in the filtration efficiency of respirators in high humidity environments can be explained by the reduction in static electricity, however, the decrease in filtration efficiency at high temperatures was found to be the result of deformation of respirator properties rather than effect of static electricity. Conclusion: The rate of decrease in static electricity and filtration efficiency of respirator was the highest for increasing humidity, followed by increasing time lapse and temperature. We suggest that the results of this study should be considered while testing a mask. Furthermore, technological advances are required in the future for retaining static electricity inside respirator filter.