قد تفكر في الأقنعة الواقية من الغاز أنها أجهزة باهظة الثمن ومخيفة وذات مظهر عسكري لا توجد إلا في أفلام التجسس أو متاحف الحرب العالمية الأولى. لكن من المحتمل أنك تمتلك بالفعل قناعًا يستخدم تقنية مشابهة بشكل ملحوظ. وفي المستقبل القريب، قد نحتاج إلى الاعتماد على هذه الفلاتر كجزء من حياتنا اليومية. بالإضافة إلى الأمراض الناشئة، زادت وتيرة حرائق الغابات بأكثر من ثلاثة أضعاف من عام 1996 إلى عام 2021. وبما أن الحرائق تشتعل أطول وتنتشر أكبر فدخانها يؤثر على عدد أكبر من الأشخاص. يتسبب تغير المناخ أيضًا في المزيد من الأيام الحارة والمشمسة، مما يسرع إنتاج الأوزون السام على مستوى الأرض. إذن، كيف تعمل هذه الأقنعة، وهل يمكنها حمايتنا من التهديدات المحمولة جواً الجديدة والقديمة؟
You might think of gas masks as clunky, spooky, military-looking devices only found in spy movies or World War I museums. But you probably already own a mask that uses remarkably similar technology. And in the near future, we may need to rely on these filters as part of our everyday lives. In addition to emerging diseases, wildfire frequency has more than tripled from 1996 to 2021. As fires burn longer and cover more land, their smoke affects more people each year. Climate change is also causing more hot, sunny days, which accelerates the production of toxic ground level ozone. So, how do these masks work, and can they protect us from new and old airborne threats?
حسنًا، القاعدة الأولى للفلاتر هي التأكد من وجود ختم محكم. بدون ذلك، حتى أفضل قناع في العالم لا فائدة منه. بافتراض أن القناع الخاص بك مشدود، يمكن لهذه التقنية التقاط الملوثات بإحدى طريقتين: تصفيتها حسب الحجم أو جذب مركبات كيميائية معينة.
Well, the first rule of filters is making sure you have a tight seal. Without that, even the best mask in the world is useless. So assuming your mask is on tight, this technology can capture pollutants in one of two ways: filtering them out by size or attracting specific chemical compounds.
للحصول على مثال للنهج الأول، دعونا ننظر إلى دخان حرائق الغابات. عندما تحترق الغابات، فإنها تنتج مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية. من مسافة قريبة، هناك العديد من الملوثات المختلفة بتركيزات عالية بحيث لا يمكن لأي مرشح مساعدتك - وهذا هو السبب في أن رجال الإطفاء يسافرون بإمدادات الهواء الخاصة بهم. ولكن على مسافة أبعد، فإن الوضع مختلف. بالرغم من استمرار وجود مواد الكيميائية، إلا أنها تتجمع في الغالب في جزيئات صلبة أو سائلة صغيرة يقل قطرها عن 2.5 ميكرون. هذه الجسيمات هي الكثير مما تراه وتشمه في الدخان، وهي خطيرة بشكل خاص للأطفال وكبار السن والذين يعانون من أمراض الجهاز التنفسي أو القلب والأوعية الدموية.
For an example of the first approach, let’s look at wildfire smoke. When forests burn, they generate a wide variety of chemicals. At close range, there are so many different pollutants at such high concentrations that no filter could help you— this is why firefighters travel with their own air supply. But further away, the situation is different. While there's still a range of chemicals, they’ve mostly aggregated into tiny solid or liquid particles smaller than 2.5 microns in diameter. This particulate matter is much of what you're seeing and smelling in smoke, and it's especially dangerous for children, the elderly, and those with respiratory or cardiovascular diseases.
لحسن الحظ، لا تزال غالبية هذه الجسيمات كبيرة بما يكفي ليتم التقاطها بواسطة المرشحات الأساسية المصنوعة من مادة البولي بروبيلين أو خيوط زجاجية بعرض 1/10 تقريبًا من شعر الإنسان. تحت المجهر، تبدو وكأنها غابة كثيفة، وعلى هذا النطاق، تتمتع هذه الفروع بخاصية خاصة.
Luckily, the majority of these particulates are still large enough to be captured by the most basic filters, which are made of polypropylene or glass strands roughly 1/10 the width of a human hair. Under a microscope, they look like a thick forest, and at this scale, these branches have a special property.
عادةً، عندما تستخدم منخلًا، فإنك تقوم بتصفية الأشياء الأكبر من ثقوب المنخل. لكن فروع البولي بروبيلين هذه يمكنها التقاط جزيئات أصغر بكثير من الفجوات بينها.
Typically, when you use a sieve, you’re filtering out objects larger than the sieve’s holes. But these polypropylene branches can catch particles much smaller than the gaps between them.
هذا لأنه عندما يصطدم جسيم بخيط، تتسبب قوى فان دير فال في التصاقه كما لو كان مصنوعًا من الفيلكرو. كما يمكن للفلاتر القائمة على الحجم استخدام الألياف المشحونة كهربائيًا التي تجذب الجسيمات غير الموجودة بالفعل في مسار التصادم. هذه هي الطريقة التي يمكن بها حتى قناع N95 البسيط التقاط 95٪ على الأقل من الجسيمات. ولماذا يمكن أن يلتقط قناع N100 أو جهاز تنقية الهواء المزود بفلتر هواء عالي الكفاءة 99.97٪ على الأقل من الجسيمات. بفضل الختم المحكم، سيعمل هذا المستوى من الحماية على تصفية معظم التلوث الجوي.
That’s because, when a particle collides with a thread, van der Waals forces cause it to stick as if it were made of Velcro. Plus, size-based filters can use electrically charged fibers that attract particles not already on a collision course. This is how even a simple N95 mask can catch at least 95% of particulate matter. And why an N100 mask or an air purifier with a high efficiency particulate air filter can catch at least 99.97% of particulates. With a tight seal, this level of protection will filter out most airborne pollution.
لسوء الحظ، لا تزال بعض الملوثات صغيرة جدًا بالنسبة لهذا النهج، بما في ذلك جزيئات الأوزون. وهي بالكاد أكبر من الأكسجين الذي نحتاجه للتنفس ويرتبط التعرض بالربو وأمراض الجهاز التنفسي وحتى الموت المبكر. أفضل فرصة لدينا لتصفيتها هي أقنعة الكربون المنشط. على المستوى المجهري، يبدو الكربون المنشط مثل قرص العسل الأسود الواسع، ويمكن لبنيته الدقيقة للغاية أن تحبس جزيئات الأوزون الصغيرة. لكن هذه المادة لا تزال بحاجة لمساعدة لالتقاط الملوثات الأخرى مثل كبريتيد الهيدروجين والكلور والأمونيا. بالنسبة لهذه التهديدات، نحتاج إلى الجمع بين الكربون المنشط وبعض الكيمياء البسيطة. إذا كان الملوث حمضيًا، فيمكننا ضخ الفلتر بمادة كيميائية أساسية. ثم عندما يلتقي الاثنان، يتفاعلان، ويحتجز الغاز. وبالمثل، يمكننا استخدام الأحماض لاحتجاز الملوثات الأساسية.
Unfortunately, some pollutants are still too small for this approach, including ozone molecules. These are barely bigger than the oxygen that we need to breathe and exposure is associated with asthma, respiratory conditions, and even premature death. Our best chance to filter them are activated carbon masks. At the microscopic level, activated carbon looks like a vast black honeycomb, and it's highly microporous structure can trap tiny ozone molecules. But this material still needs help to capture other pollutants like hydrogen sulfide, chlorine, and ammonia. For these threats, we need to combine the activated carbon with some simple chemistry. If the pollutant is acidic, we can infuse the filter with a basic chemical. Then when the two meet, they react, and the gas is trapped. Similarly, we can use acids to trap basic pollutants.
حتى مع القناع المناسب، لا يزال من الذكاء التحقق من مؤشرات جودة الهواء والبقاء في الداخل عندما يرتفع مستوى التهديد. ومثل القناع تمامًا، ستحتاج إلى التأكد من أن منزلك مغلق جيدًا. يمكنك القيام بذلك عن طريق إغلاق النوافذ وإيقاف المراوح التي تنفث في الخارج واستخدام أجهزة تنقية الهواء المجهزة بفلتر HEPA أو صندوق Corsi-Rosenthal الأرخص ثمناً الذي تصنعه بنفسك. يمكن أن يساعدنا اتباع هذه الإرشادات على التنفس بسهولة حيث نعمل على منع هذه الملوثات في المقام الأول.
Even with the right mask, it's still smart to check air quality indicators and to stay indoors when the threat level is high. And just like a mask, you'll want to make sure your house is well sealed. You can do this by closing windows, turning off fans that vent outside, and using HEPA filter equipped air purifiers or their cheaper, DIY cousin, the Corsi-Rosenthal box. Following these guidelines can help us breathe easy as we work on preventing these pollutants in the first place.