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?
Podem pensar nas máscaras de gás como dispositivos desajeitados, assustadores, de aspeto militar que só existem em filmes de espiões ou nos museus da I Guerra Mundial. Mas provavelmente vocês já possuem uma máscara que usa tecnologia notavelmente semelhante. Num futuro próximo, talvez tenhamos de usar estes filtros na nossa vida quotidiana. Para além das doenças emergentes, a frequência de incêndios florestais mais do que triplicou entre 1996 e 2021. À medida que os incêndios duram mais tempo e cobrem mais terras, o fumo afeta mais pessoas, a cada ano que passa. A alteração climática também está a causar dias mais quentes e soalheiros, o que acelera a produção de ozono tóxico ao nível do solo. Como funcionam estas máscaras? Poderão proteger-nos de novas e antigas ameaças aéreas?
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 primeira regra dos filtros é garantir que há um bom vedante. Sem isso, mesmo a melhor máscara do mundo é inútil. Supondo que a máscara esteja bem ajustada, esta tecnologia pode capturar poluentes de duas maneiras: filtrando-os por tamanho ou atraindo compostos químicos específicos.
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.
Como exemplo da primeira abordagem, vejamos o fumo dos incêndios florestais. Quando as florestas ardem, geram uma grande variedade de produtos químicos. A curta distância, há tantos poluentes diferentes em concentrações tão altas que nenhum filtro pode ajudar. Por isso, os bombeiros têm o seu próprio abastecimento de ar. Mas, mais longe, a situação é diferente. Embora ainda haja uma gama de produtos químicos, estes agregaram-se principalmente em partículas minúsculas, sólidas ou líquidas com menos de 2,5 micrómetros de diâmetro. Este material pulverizado é a base do que vemos e cheiramos no fumo e é especialmente perigoso para crianças, para idosos e para pessoas com doenças respiratórias ou cardiovasculares.
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.
Felizmente, a maioria destas partículas ainda é suficientemente grande para ser capturada pelos filtros mais básicos, que são feitos de polipropileno ou fios de vidro com cerca de um décimo do diâmetro de um cabelo humano. Ao microscópio, parecem uma floresta espessa e, a esta escala, estes ramos têm uma propriedade especial.
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.
Normalmente, quando usamos uma peneira, estamos a filtrar objetos maiores que os orifícios da peneira. Mas estes ramos de polipropileno podem apanhar partículas muito mais pequenas do que os espaços entre eles.
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.
Quando uma partícula colide com um fio, as forças de Van der Waals fazem-na aderir ao fio como se o fio fosse feito de velcro. Além disso, os filtros baseados em tamanho podem usar fibras eletricamente carregadas que atraem partículas que ainda não estão em rota de colisão. É assim que mesmo uma simples máscara N95 pode captar pelo menos 95% de partículas. E é assim que uma máscara N100 ou um purificador de ar com um filtro de ar de partículas de alta eficiência pode captar, pelo menos, 99,97% de partículas. Com um bom vedante, este nível de proteção filtrará a maior parte da poluição atmosférica.
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.
Infelizmente, alguns poluentes continuam a ser demasiado pequenos para esta abordagem, incluindo as moléculas de ozono. São pouco maiores do que o oxigénio de que precisamos para respirar e a exposição está associada à asma, a doenças respiratórias e até a morte prematura. A melhor oportunidade de os filtrar são as máscaras de carvão ativado. A nível microscópico, o carvão ativado parece um grande favo de mel preto, e a sua estrutura altamente microporosa pode prender pequenas moléculas de ozono. Mas este material ainda precisa de ajuda para capturar outros poluentes como o sulfeto de hidrogénio, o cloro e o amoníaco. Para estas ameaças, precisamos de combinar o carvão ativado com alguma química simples. Se o poluente for ácido, podemos impregnar o filtro com um produto químico de base. Depois, quando os dois se encontram, reagem, e o gás fica preso. Da mesma forma, podemos usar ácidos para reter os poluentes básicos.
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.
Mesmo com a máscara certa, convém verificar os indicadores de qualidade do ar e ficar dentro de casa quando o nível de ameaça é alto. E tal como uma máscara, é preciso garantir que a casa está bem fechada. Podem fazer isso fechando janelas, desligando os ventiladores no exterior e usando purificadores de ar equipados com filtro HEPA ou com o seu primo DIY mais barato, a caixa Corsi-Rosenthal. Seguir estas orientações pode ajudar-nos a respirar tranquilamente enquanto trabalhamos na prevenção destes poluentes.