Opracowanie systemu monitorowania w czasie rzeczywistym poziomu zużycia sprzętu ochrony układu oddechowego pochłaniającego substancje organiczne o niskim progu wyczuwalności zapachowej

Kierownik projektu: dr hab. inż. Agnieszka Brochocka

Streszczenie projektu:

Celem projektu była poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy w zakładach, w których występuje ryzyko utraty życia i zdrowia pracowników w wyniku narażenia na zagrożenia w postaci par i gazów substancji szkodliwych o niskim progu wyczuwalności zapachowej.

W ramach realizacji 2. etapu projektu zaprojektowano oraz wykonano specjalne urządzenie do wytwarzania cienkich warstw chemoczułych na podłożach polimerowych z nadrukowanymi ścieżkami przewodzącymi metodą natryskiwania. Urządzenie to pozwoliło zautomatyzować proces wytwarzania czujników, tak aby w sposób ciągły oraz powtarzalny możliwa była produkcja sensorów na bazie mieszanek materiałów o rozwiniętej powierzchni właściwej, a także aby możliwe było przeniesienie technologii wytwarzania prototypów sensorów na większą skalę – do przemysłu. Warianty formulacji warstwy chemoczułej opierały się głównie na bazie takich materiałów jak: wielościenne nanorurki węglowe (MWCNs), zredukowany tlenek grafenu (rGO) oraz polimer przewodzący w postaci polianiliny (PANi) w dwóch formach chemicznych – zasadowej i soli, dla których bazę stanowił roztwór poliwęglanu (PC) w chlorku metylenu lub polistyrenu (PS) w chlorku metylenu lub polimetakrylanu metylu (PMMA) w chlorku metylenu (matryca polimerowa). Kolejnym krokiem było wykonanie badań w warunkach przypływu mieszaniny testowej w celu opracowania najlepszego wariantu pod względem czułości detekcji wybranych substancji chemicznych oraz powtarzalności otrzymywanych wyników.

Warstwy chemoczułe na bazie wytworzonych układów dyspersyjnych, zawierające polianilinę w postaci soli w matrycy polimerowej (PS) wykazały najwyższą procentową zmianę rezystancji – 32% oraz charakteryzowały się powtarzalnością otrzymywanych wyników. Sensory zawierające MWCNs w matrycy PS cechowały się zmianą rezystancji o wartości jedynie 0,1%. Natomiast czujniki na bazie rGO w matrycy PS wykazały zmianę rezystancji o wartości 6% i charakteryzowały się w przeciwieństwie do czujników z PANI i MWCNs odwrotną odpowiedzią elektryczną czujników – spadkiem rezystancji w kontakcie z gazem testowym. Po przeprowadzeniu szeregu badań odrzucono matryce polimerowe na bazie PC i PMMA, ponieważ czujniki (niezależnie od składu warstwy chemoczułej) wykazywały znacznie niższe zmiany rezystancji oraz zaobserwowano pękanie warstwy aktywnej, co powodowało zniszczenie czujników. Czujniki zawierające w składzie warstwy chemoczułej więcej niż jeden składnik aktywny w matrycy PS wykazały najwyższe zmiany rezystancji: PANI + MWCNs – 45%; PANI + rGO – 75%.

Wykazano, że opracowana metoda nanoszenia cienkich warstw jest odpowiednią metodą do uzyskiwania działających i czułych sensorów na substancje chemiczne. Zbudowane urządzenie do natryskiwania cienkich warstw chemoczułych pozwoliło wytwarzać sensory w sposób zautomatyzowany. Czujniki na bazie matrycy polimerowej (PS) charakteryzowały się dużą powtarzalnością oraz czułością na substancje szkodliwe i niebezpieczne, stanowiące zagrożenie inhalacyjne dla pracowników, co pozwala określić proces wytwarzania sensorów na podłożach polimerowych z nadrukowanymi ścieżkami przewodzącymi oraz skład warstw chemoczułych jako zoptymalizowany i gotowy do dalszych etapów projektu. Wytworzone czujniki zostały przeanalizowane również pod względem wytrzymałości i możliwości wielorazowego użytku oraz sposobu działania w różnych warunkach temperatury i wilgotności. Na podstawie przeprowadzonych badań opracowano prototyp sensora oraz metodę jego integracji z pochłaniaczem.

W ramach realizacji 3. etapu projektu opracowano system monitorujący w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza poprzez bezprzewodowe sprzężenie z sensorem wybranych szkodliwych substancji o niskim progu wyczuwalności zapachowej.

Projekt III.PB.17. Inteligentny system monitorujący w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza

W ramach zakresu prac zaprojektowano i wykonano urządzenie elektroniczne oraz obudowę inteligentnego systemu monitorującego w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza, którą stanowi łącznik między pochłaniaczem a częścią twarzową (półmaską/maską). Wewnątrz obudowy umiejscowiono detektor chemiczny (sensor) opracowany w ramach 2. etapu projektu oraz urządzenie elektroniczne odczytujące sygnał z detektora chemicznego, pozwalając na odczyt zmiany rezystancji układu sensorycznego detektora chemicznego oraz transmisję uzyskanych wartości drogą bezprzewodową na urządzenie mobilne (telefon komórkowy/ tablet/ komputer). Oprogramowanie urządzenia elektronicznego umożliwia ustawienie wartości granicznej mierzonej rezystancji, po przekroczeniu której urządzenie zgłasza alarm dźwiękowy oraz świetlny. Przeprowadzono badania pochłaniającego sprzętu ochrony układu oddechowego wyposażonego w łącznik specjalny i inteligentny system monitorujący w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza w zakresie: pola widzenia, oporów oddychania i szczelności całego układu z wykorzystaniem metody całkowitego przecieku wewnętrznego. Badania wykazały szczelność układu i dobrą ergonomię kompletnego pochłaniającego sprzętu ochrony układu oddechowego wyposażonego w inteligentny system monitorowania w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza. Następnie przeprowadzono badania określające czas reakcji inteligentnego systemu monitorującego w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza w zależności od stężenia substancji chemicznej. Wykazano, że sensor załącza sygnał dźwiękowy i świetlny przy wartościach par amoniaku na poziomie już 1 ppm. Gwarantuje to pełne bezpieczeństwo użytkownikowi pochłaniającego sprzętu ochrony układu oddechowego. Przeprowadzono weryfikację funkcjonowania rozwiązania w symulowanych warunkach pracy. Respondenci bardzo wysoko ocenili przydatność opracowanego systemu monitorowania w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza, formę alarmowania o przebiciu pochłaniacza i łatwość użycia systemu.

Uzyskane wyniki realizacji projektu zostały wykorzystane do opracowania multimedialnych materiałów informacyjnych dla producentów pochłaniającego sprzętu ochrony układu oddechowego i użytkowników końcowych, zgłoszenia wniosku patentowego do Urzędu Patentowego RP oraz stworzenia dokumentacji technicznej inteligentnego systemu monitorującego w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniacza.

W materiałach przedstawiono opis, budowę i zasadę działania inteligentnego systemu monitorującego w czasie rzeczywistym zużycie pochłaniającego sprzętu ochrony układu oddechowego. Przedstawiono również kluczowe cechy systemu, np. w zakresie odporności zmęczeniowej oraz reakcji sensora na pary amoniaku. Zorganizowano seminarium informacyjno-szkoleniowe dla odbiorców końcowych, krajowych producentów oraz inspektorów PIP prezentujące opracowane rozwiązanie, na którym ocenie weryfikacyjnej poddano multimedialne materiały informacyjne.

Wyniki 2. i 3. etapu projektu przedstawiono w 3 publikacjach naukowych oraz zaprezentowano na 5 konferencjach międzynarodowych i 2 konferencjach krajowych, a także na seminariach krajowych.

Jednostka: Pracownia Sprzętu Ochrony Układu Oddechowego

Okres realizacji: 01.01.2020 – 31.12.2022