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?
Si pensa alle maschere antigas come a cose goffe, losche e dall’aspetto militare riconoscibili solo nei film di spionaggio o nei musei della Grande guerra. Ma forse possedete già una maschera che utilizza una tecnologia simile. E nel futuro, potremmo doverci affidare a questi filtri come parte della nostra vita quotidiana. Oltre alle nuove malattie, la frequenza degli incendi boschivi è più che triplicata dal 1996 al 2021. Siccome gli incendi bruciano a lungo coprendo aree estese, il fumo ha effetti su più persone ogni anno. Il cambiamento climatico sta inoltre causando giornate più calde e soleggiate accelerando la produzione di ozono troposferico tossico. Come funzionano queste maschere? Possono proteggerci da nuove e vecchie minacce aeree?
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.
La prima regola dei filtri è assicurarsi di avere una chiusura ermetica. Senza di essa, anche la maschera migliore del mondo sarebbe inutile. Se la maschera è ben aderente, questa tecnologia può catturare le sostanze inquinanti in due modi: filtrandole per dimensione o attirando composti chimici specifici.
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.
Riguardo al primo approccio, diamo uno sguardo al fumo degli incendi boschivi. Quando le foreste bruciano, generano un'ampia varietà di sostanze chimiche. A distanza ravvicinata, ci sono così tanti inquinanti diversi a concentrazioni così elevate che nessun filtro sarebbe utile: ecco perché i vigili del fuoco viaggiano con scorte d’aria. Ma a maggiore distanza, la situazione è diversa. Nonostante ci siano un serie di sostanze chimiche, queste si sono per lo più aggregate in minuscole particelle solide o liquide di diametro inferiore a 2,5 micron. Questo particolato è in gran parte ciò che si vede e si odora nel fumo, ed è particolarmente pericoloso per i bambini, gli anziani e le persone con malattie respiratorie o cardiovascolari.
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.
Fortunatamente, la maggior parte di queste particelle è abbastanza grande da essere bloccato dai filtri più basici, che sono realizzati in polipropilene o in fili di vetro larghi circa 1/10 della larghezza di un capello umano. Al microscopio, sembrano una fitta foresta e a questa scala, questi rami hanno una proprietà speciale.
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.
In genere, quando si utilizza un setaccio, si filtrano oggetti più grandi dei fori del setaccio. Ma questi rami di polipropilene possono catturare particelle molto più piccole degli spazi tra di loro.
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.
Questo perché, quando una particella si scontra con un filo, le forze di van der Waals la fanno aderire come se fosse fatta di velcro. Inoltre, i filtri di dimensioni variabili possono usare fibre caricate elettricamente che attraggono particelle che non sono già in rotta di collisione. Ecco come anche una semplice maschera N95 può bloccare il 95% del particolato. E perché una maschera N100 o un purificatore d’aria con filtro antiparticolato ad alta efficienza possono catturare almeno il 99,97% del particolato. Con una chiusura ermetica, tale livello di protezione filtrerà la maggior parte degli inquinanti atmosferici.
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.
Sfortunatamente, alcuni di questi sono ancora troppo piccoli per questo approccio comprese le molecole di ozono. Sono appena più grandi dell’ossigeno di cui abbiamo bisogno per respirare e l'esposizione è associata all'asma, alle malattie respiratorie e persino alla morte prematura. Il modo migliore di filtrarli sono le maschere a carbone attivo. Al microscopio, il carbone attivo si presenta come un enorme nido d’ape nero e la sua struttura altamente microporosa può bloccare minuscole molecole di ozono. Ma questo materiale ha ancora bisogno di aiuto per bloccare altri inquinanti come l'acido solfidrico, il cloro e l'ammoniaca. Per queste minacce, dobbiamo combinare il carbone attivo con un po’ di semplice chimica. Se l’inquinante è acido, si può infondere nel filtro una sostanza chimica di base. Poi, quando i due si incontrano, reagiscono e il gas rimane intrappolato. Allo stesso modo, possiamo usare gli acidi per intrappolare gli inquinanti di base.
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.
Anche con la maschera giusta, è bene verificare gli indici di qualità dell’aria e rimanere in casa quando il livello di minaccia è elevato. Proprio come una maschera, assicuratevi che la vostra casa sia ben sigillata. Chiudete le finestre, spegnete le ventole che danno sull’esterno e usate purificatori d’aria dotati di filtro HEPA o il loro cugino fai-da-te più economico, la scatola Corsi-Rosenthal. Seguire queste linee guida può aiutarci a respirare facilmente mentre lavoriamo innanzitutto per prevenire questi inquinanti.