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?
A gázmaszkokról azt hihetik, hogy böhöm, rémisztő, katonás külsejű eszközök, melyeket csak kémfilmekben vagy világháborús múzeumokban látni. De talán már van hasonló elven működő maszkjuk. A közeljövőben előfordulhat, hogy mindennapi életünkben efféle szűrőket kell használnunk. A szaporodó betegségek mellett az erdőtűz gyakorisága 1996 és 2021 között több mint háromszorosára nőtt. Mivel a tüzek tovább égnek, füstjüktől mind többen szenvednek. Az éghajlatváltozás forróbb, naposabb időjárást is okoz, ami felgyorsítja a mérgező ózon keletkezését talajszinten. Hogyan működnek e maszkok, és megvédhetnek-e minket a levegőben terjengő veszélyektől?
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.
A szűrőknél az első szabály, hogy szorosan tömítsenek. Enélkül még a legjobb maszkok is haszontalanok. Feltételezve, hogy a maszk szoros, kétféle technológia képes felfogni a szennyező anyagokat: méret szerint kiszűri őket, vagy egyes vegyületeket vonz.
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.
Az első megközelítés példájaként nézzük meg az erdőtűz füstjét. Az égő erdő sokféle vegyi anyagot termel. Olyan sok nagy koncentrációjú szennyező anyag van, hogy ellenük egyetlen szűrő sem hatékony, ezért van a tűzoltóknak saját levegőellátásuk. De távolabb a helyzet más. A keletkező vegyi anyagok többnyire 2,5 mikronnál kisebb átmérőjű szilárd vagy folyékony részecskékké állnak össze. E részecskék láthatók és szagolhatók a füstben, és különösen veszélyesek a gyerekekre, az idősekre, valamint a szív-érrendszeri és légzőszervi betegségekben szenvedőkre.
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.
A részecskék zöme még elég nagy ahhoz, hogy a legtöbb szűrő felfogja őket, amelyek polipropilénből vagy üvegszálakból készülnek, melyek mérete az emberi haj átmérőjének tizedrésze. Mikroszkóp alatt sűrű erdőnek tűnnek, és ágaik különleges tulajdonságúak.
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.
Ha szűrőt használunk, akkor a szűrő a lyukainál nagyobb tárgyakat szűr ki. De a polipropilén szálak sokkal kisebb részecskéket szűrnek ki, mint a közöttük lévő rések.
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.
Ennek oka, hogy amikor a részecske szálba ütközik, a van der Waals-erők miatt hozzáragad, mintha tépőzár lenne. Ráadásul a méret alapú szűrőkben villamos töltésű szálakat használnak, amelyek vonzzák a még nem ütközési pályán lévő részecskéket. Így még az egyszerű N95 maszk is felfogja a részecskék legalább 95%-át. Miért képes egy N100-as maszk vagy egy nagy hatásfokú részecskeszűrős légtisztító a részecskék legalább 99,97%-át felfogni? Szoros tömítéssel ez a védelmi szint a levegőben lévő legtöbb szennyezést kiszűri.
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.
Sajnos néhány szennyező anyag még mindig túl kicsi ehhez, beleértve az ózonmolekulákat is. Ezek alig nagyobbak, mint a légzéshez kellő oxigén, és belégzésük asztmával, légúti betegségekkel és korai halállal is jár. Az aktívszén-maszkok szűrik a legjobban. Mikroszkóp alatt az aktív szén hatalmas fekete méhsejtnek látszik, és mikroporózus szerkezete apró ózonmolekulákat képes csapdába ejteni. De a szénnek még mindig segítség kell más szennyező anyagok, pl. hidrogén-szulfid, klór és ammónia befogásához. E veszély elhárításához össze kell kapcsolnunk az aktív szenet pár egyszerű vegyi anyaggal. Ha a szennyező anyag savas, akkor a szűrőt bázikus vegyszerrel kezelik. Amikor találkoznak, reagálnak, és a gáz csapdába esik. Savakat használunk a bázikus szennyező anyagok befogására.
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.
A levegőminőségi mutatókat még a megfelelő maszknál is ellenőrizni kell, és ha magas a veszélyszint, bent kell maradnunk, és mint a maszknál, meg kell győződnünk, hogy házunk jól zár-e: be kell csuknunk az ablakokat, kikapcsolni a kívülről szellőztető ventilátorokat, és HEPA szűrős légtisztítót vagy olcsóbb barkácsváltozatát, a Corsi-Rosenthal dobozt használjuk. Az irányelvek betartása segít könnyebben lélegezni, mivel elsősorban e szennyező anyagok megelőzésén dolgozunk.