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?
כשאתם חושבים על מסכות גז, אתם בטח מדמיינים אותן כמכשירים מגושמים, מפחידים וצבאיים שרואים אותן רק בסרטי ריגול או במוזיאונים של מלחמת העולם הראשונה. אבל סביר להניח שכבר יש לכם מסכה המשתמשת בטכנולוגיה דומה להפליא. ובעתיד הקרוב, ייתכן שנצטרך להסתמך על הסינון שבמסכות כחלק מחיי היומיום שלנו. בנוסף למחלות מתעוררות, תדירות השריפות גדלה פי 3 משנת 1996 עד 2021. ככל ששריפות בוערות ומכסות על עוד שטח, העשן שלהן משפיע על יותר אנשים מדי שנה. בנוסף, שינוי האקלים גורם לימי שמש חמים מהרגיל, מה שמאיץ את ייצור האוזון הרעיל בגובה הקרקע. אז, איך המסכות האלו עובדות, והאם הן יכולות להגן עלינו מפני איומים מוטסים חדשים וישנים?
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.
ובכן, הכלל הראשון של המסננים הוא לוודא שהחותם הדוק. בלי זה, אפילו המסכה הטובה בעולם היא חסרת תועלת. בהנחה שהמסכה אכן צמודה, טכנולוגיית הסינון יכולה ללכוד זיהומים באחת משתי הדרכים: סינון ע“פ גודל או משיכת תרכובות כימיות ספציפיות.
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.
עבור דוגמה בשביל הגישה הראשונה: בואו נבחן עשן בשדה קוצים. כאשר יערות נשרפים, הם מייצרים מגוון רחב של כימיקלים. במבט מקרוב, ישנם כ“כ הרבה מזהמים שונים בריכוזים עד כדי כך גבוהים שאף סינון לא יכול לעזור זו הסיבה שכבאים נוסעים עם אספקת אוויר משלהם. במבט מרחוק, המצב שונה. אמנם עדיין יש מגוון כימיקלים, אך הם התחלקו בעיקר למוצקים זעירים או לחלקיקים נוזליים שקוטרם קטן מ-2.5 מיקרון (1 מיקרומטר = 0.001 מילימטר). החומר החלקיקי הזה הוא מה שאתם רואים ומריחים כשיש עשן, והוא מסוכן במיוחד לילדים, קשישים ואלה הסובלים ממחלות נשימה או לב וכלי דם.
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.
למרבה המזל, רוב החלקיקים הללו עדיין גדולים מספיק כדי להיתפס על ידי המסננים הבסיסיים ביותר, העשויים מחוטי פוליפרופילן או זכוכית שהם בערך עשירית מרוחב שערה אנושית. תחת מיקרוסקופ, הם נראים כמו יער סמיך, ובקנה מידה זה, לענפים אלה יש תכונה מיוחדת.
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.
בדרך כלל, כאשר אתם משתמשים במסננת, אתם מסננים חפצים גדולים יותר מחורי המסננת. אבל ענפי פוליפרופילן אלה יכולים לתפוס חלקיקים קטנים בהרבה מהפערים שביניהם.
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.
הסיבה לכך היא שכאשר חלקיק מתנגש בחוט, קשרי ואן דר ואלס גורמים לו להידבק אל הענף כאילו היה עשוי מסקוטש. בנוסף, מסננים מבוססי גודל יכולים להשתמש בסיבים טעונים חשמלית המושכים חלקיקים שאינם במסלול התנגשות. כך אפילו מסכת N95 פשוטה יכולה לתפוס לפחות 95% מהחלקיקים. ומדוע מסכת N100 או מטהר אוויר עם מסנן אוויר חלקיקי בעל יעילות גבוהה יכולים לתפוס לפחות 99.97% מהחלקיקים. עם חותם הדוק, המסנן יצליח לסנן את רוב הזיהום הנמצא באוויר.
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.
אך למרבה הצער, ישנם זיהומים אשר עדיין מצליחים לעבור למרות החותם ההדוק. ביניהם, מולקולות אוזון. מולקולות שבקושי גדולות יותר ממולקולות החמצן שאנחנו נושמים והחשיפה מתקשרת לאסטמה, מצבי נשימה ואפילו מוות בטרם עת. הסיכוי הטוב ביותר שלנו לסנן אותם הן מסכות הפחמן הפעיל. ברמה המיקרוסקופית, פחמן פעיל נראה כמו חלת דבש שחורה עצומה, והמבנה המיקרו-נקבובי שלו יכול ללכוד מולקולות אוזון זעירות. אך חומר זה עדיין זקוק לעזרה ללכידת מזהמים אחרים כמו מימן גופרתי, כלור ואמוניה. עבור איומים אלה, עלינו לשלב את הפחמן הפעיל עם כימיה פשוטה. אם המזהם חומצי, נוכל להחדיר את המסנן בכימיקל בסיסי. ואז כשהשניים נפגשים, הם מגיבים, והגז נלכד. באופן דומה, אנו יכולים להשתמש בחומצות כדי ללכוד מזהמים בסיסיים.
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.
גם כשחובשים את המסכה הנכונה, עדיף לבדוק אינדיקטורים לאיכות האוויר ולהישאר בבית כאשר רמת האיום גבוהה. ובדיוק כמו מסכה, תרצו לוודא שהבית שלכם אטום היטב. אתם יכולים לעשות זאת ע“י סגירת חלונות, כיבוי מאווררים העובדים מבחוץ ושימוש במטהרי אוויר מצוידים במסנן HEPA או בן דודם הזול יותר, עשה זאת בעצמך, תיבת קורסי-רוזנטל. ביצוע הנחיות אלה יכול לעזור לנו לנשום בקלות כשאנחנו עובדים על מניעת מזהמים אלה מלכתחילה.