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?
คุณอาจคิดว่าหน้ากากแก๊สเป็นอุปกรณ์ที่ใหญ่ เทอะทะ น่ากลัว เหมือนอุปกรณ์ทางทหาร ที่พบได้ในภาพยนตร์สายลับ หรือพิพิธภัณฑ์สงครามโลกครั้งที่ 1 เท่านั้น แต่คุณอาจเป็นเจ้าของหน้ากากที่มีเทคโนโลยี ที่คล้ายคลึงกันอย่างน่าทึ่งนี้อยู่แล้ว และในอนาคตอันใกล้ เราอาจต้องพึ่งพาอุปกรณ์เหล่านี้ เพื่อใช้เป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวัน นอกจากโรคต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นแล้วนั้น ความถี่ของการเกิดไฟป่ายังเพิ่มขึ้น มากกว่าสามเท่า ตั้งแต่ปี 1996 จนถึงปี 2021 เนื่องจากไฟไหม้นานและกินพื้นที่มากขึ้น ควันจึงส่งผลกระทบต่อผู้คนมากขึ้นในแต่ละปี การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ยังทำให้อากาศร้อนและแดดจัดขึ้น ซึ่งถือเป็นตัวเร่งการผลิต โอโซนภาคพื้นดินที่เป็นพิษ ดังนั้น หน้ากากพวกนี้ทำงานอย่างไร และ มันจะสามารถปกป้องเราจาก ภัยคุกคามทางอากาศทั้งใหม่และเก่าได้หรือไม่
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.
อันที่จริง กฎแรกของตัวกรองคือ แน่ใจว่าคุณมีตัวปิดที่แน่นหนา หากไม่มี แม้แต่หน้ากาก ที่ดีที่สุดในโลกก็ไร้ประโยชน์ ดังนั้น สมมติว่าคุณสวมหน้ากากไว้แน่น เทคโนโลยีนี้สามารถดักจับมลพิษได้ด้วย วิธีใดวิธีหนึ่งในสองวิธี นั่นคือ การกรองมลพิษออกตามขนาด หรือ การดึงดูดสารประกอบทางเคมีเฉพาะ
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.
สำหรับตัวอย่างของวิธีการแรก ลองมาดูที่ควันไฟป่ากัน เมื่อป่าเกิดการเผาไหม้ ก็จะมีสารเคมีเกิดขึ้นหลากหลายประเภท มองในระยะใกล้จะเห็นว่ามีมลพิษ หลายชนิดแตกต่างกันมากมาย ซึ่งมีความเข้มข้นสูงมากเสียจน ไม่มีตัวกรองใดช่วยคุณได้ นี่คือ เหตุผลที่นักผจญเพลิง มีแหล่งจ่ายอากาศติดตัวขณะเดินทาง แต่ในระยะไกลกว่านั้น สถานการณ์ก็แตกต่างกัน แม้ว่ายังมีสารเคมีหลายชนิด แต่สารส่วนใหญ่มักรวมตัวกันเป็น ของแข็งหรือของเหลวที่เป็นอนุภาคขนาดเล็ก ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 2.5 ไมครอน อนุภาคนี้คือ สิ่งที่คุณกำลังเห็น และได้กลิ่นจากควัน อีกทั้งยังเป็นอันตรายอย่างยิ่ง สำหรับเด็ก ผู้สูงอายุ และผู้ป่วยโรคระบบทางเดินหายใจ หรือผู้ป่วยโรคหัวใจและหลอดเลือด
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.
โชคดีที่อนุภาคเหล่านี้ส่วนใหญ่ ยังคงมีขนาดใหญ่พอ ที่จะถูกดักจับได้โดยตัวกรองสุดแสนจะธรรมดา ที่ทำจากโพลีโพรพิลีน หรือเส้นใยแก้ว ที่มีความกว้างประมาณหนึ่งในสิบ ของเส้นผมของมนุษย์ ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ พวกมันดูเหมือนป่าหนาทึบ และในระดับนี้ กิ่งสาขาเหล่านี้ล้วนมีคุณสมบัติพิเศษ
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.
โดยปกติ เมื่อคุณใช้ตะแกรง คุณจะกรองวัตถุที่ใหญ่กว่ารูของตะแกรง แต่กิ่งก้านโพลีโพรพิลีนเหล่านี้ สามารถจับอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า ช่องว่างระหว่างตัวมันเองมาก
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.
นั่นเป็นเพราะเมื่ออนุภาค ชนกับโครงสร้างแบบเส้น แรงแวนเดอร์วาลส์จะทำให้โครงสร้างนั้น ติดอยู่ราวกับว่ามันทำจากตีนตุ๊กแก นอกจากนี้ ตัวกรองพื้นฐาน ยังสามารถใช้เส้นใยที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งใช้ดึงอนุภาคที่ไม่ได้อยู่ ในเส้นทางชนได้ นี่คือ วิธีที่แม้แต่หน้ากาก N95 ธรรมดาๆ สามารถจับอนุภาคได้อย่างน้อย 95% แล้วทำไมหน้ากาก N100 หรือเครื่องฟอกอากาศที่มีแผ่นกรอง อนุภาคในอากาศประสิทธิภาพสูง (HEPA) ถึงสามารถจับอนุภาค ได้อย่างน้อยตั้ง 99.97% นั่นเอง ด้วยการปิดที่แน่นสนิท การป้องกันในระดับนี้จะสามารถ กรองมลพิษทางอากาศส่วนใหญ่ออกไปได้
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.
แต่น่าเสียดายที่มลพิษบางชนิด มีขนาดเล็กเกินไปสำหรับวิธีนี้ รวมถึงโมเลกุลโอโซนต่าง ๆ โมเลกุลโอโซนใหญ่กว่าออกซิเจน ที่เราต้องใช้ในการหายใจเพียงเล็กน้อย และการสัมผัสโอโซนเกี่ยวโยงกับ โรคหอบหืด โรคภาวะทางเดินหายใจ หรือแม้แต่การเสียชีวิตก่อนวัยอันควร หนทางที่ดีที่สุดที่จะกรองมันออกได้คือ การใส่หน้ากากถ่านกัมมันต์ ในระดับจุลทรรศน์ ถ่านกัมมันต์ ดูเหมือนรังผึ้งสีดำขนาดใหญ่ โครงสร้างรูพรุนขนาดเล็กของมัน สามารถดักจับโมเลกุลโอโซนขนาดจิ๋วได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุนี้ยังต้องการตัวช่วย ในการดักจับมลพิษอื่น ๆ เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ คลอรีน และแอมโมเนีย สำหรับภัยคุกคามเหล่านี้ เราจำเป็นต้องผสมถ่านกัมมันต์ เข้ากับสารเคมีพื้นฐาน หากสารมลพิษเป็นกรด เราสามารถ ใส่สารเคมีพื้นฐานลงในแผ่นกรอง เมื่อทั้งสองพบและทำปฏิกิริยาต่อกัน ก๊าซมลพิษก็จะถูกดักจับ ในทำนองเดียวกัน เราสามารถใช้กรด เพื่อดักจับมลพิษพื้นฐานได้
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.
แม้จะมีหน้ากากที่ใช่ เราก็ควรที่จะ ตรวจสอบตัวบ่งชี้คุณภาพอากาศ หรืออยู่แต่ในบ้านเมื่อระดับภัยคุกคามสูง เช่นเดียวกับหน้ากาก คุณจะต้องแน่ใจว่า คุณปิดบ้านอย่างแน่นหนาดีแล้ว คุณสามารถทำได้โดยการปิดหน้าต่าง ปิดพัดลมที่ระบายอากาศด้านนอก และใช้เครื่องฟอกอากาศ ที่ติดตั้งตัวกรอง HEPA หรือลูกพี่ลูกน้องฉบับ DIY ที่ราคาถูกกว่า อย่างกล่อง Corsi-Rosenthal การปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้ จะทำให้เราหายใจได้ง่าย เหมือนกับตอนที่เราพยายามหาทางป้องกัน มลพิษเหล่านี้ตั้งแต่แรก