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?
Bạn có thể nghĩ mặt nạ phòng độc là những thiết bị trông hầm hố, ma quái, mang phong cách quân đội chỉ được thấy trong các bộ phim gián điệp hoặc bảo tàng Thế chiến thứ nhất. Nhưng có lẽ bạn cũng đã sở hữu một chiếc mặt nạ sử dụng công nghệ tương tự. Và trong tương lai gần, chúng ta có thể sẽ cần phải dựa vào những bộ lọc này như một phần trong cuộc sống hàng ngày của mình. Ngoài các bệnh mới nổi, tần suất cháy rừng còn tăng hơn gấp ba lần từ năm 1996 đến năm 2021. Đám cháy càng kéo dài và lan rộng hơn, thì khói càng ảnh hưởng đến nhiều người hơn mỗi năm. Biến đổi khí hậu cũng đang gây ra nhiều ngày nắng nóng hơn, đẩy nhanh quá trình sản xuất tầng ozone độc hại trên mặt đất. Vậy những chiếc mặt nạ này hoạt động ra sao, và liệu chúng có bảo vệ ta khỏi mối đe dọa trong không khí mới và cũ không?
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.
Vâng, quy tắc đầu tiên của bộ lọc là đảm bảo sự che chắn chặt chẽ. Nếu không có điều đó, ngay cả mặt nạ tốt nhất trên thế giới cũng vô dụng. Giả sử khẩu trang của bạn đã được đeo kín, công nghệ này có thể thu giữ các chất ô nhiễm theo một trong hai cách: lọc chúng theo kích thước hoặc thu hút các hợp chất hóa học cụ thể.
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.
Để hiểu ví dụ về cách tiếp cận đầu tiên, chúng ta hãy xem xét khói lửa cháy rừng. Khi rừng bị cháy, chúng tạo ra nhiều loại chất hóa học. Ở cự ly gần, có rất nhiều chất ô nhiễm khác nhau ở nồng độ cao đến mức không bộ lọc nào có thể giúp được bạn— đây là lý do tại sao lính cứu hỏa phải di chuyển bằng nguồn cấp khí của riêng họ. Nhưng ở xa hơn, tình hình lại khác. Mặc dù vẫn còn nhiều loại chất hóa học, nhưng chúng chủ yếu chỉ tập hợp thành các hạt rắn hoặc lỏng nhỏ hơn 2,5 micron đường kính. Vật chất dạng hạt này là phần lớn những gì bạn nhìn thấy và ngửi thấy trong khói, và nó đặc biệt nguy hiểm cho trẻ em, người già và những người mắc các bệnh về đường hô hấp hoặc tim mạch.
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.
May mắn thay, phần lớn các hạt này vẫn đủ lớn để được thu giữ bởi các bộ lọc cơ bản nhất, được làm bằng polypropylen hoặc sợi thủy tinh có chiều rộng gần bằng 1/10 chiều rộng của một sợi tóc người. Dưới kính hiển vi, chúng trông giống như một khu rừng rậm, và ở quy mô này, những cấu trúc dạng nhánh này có một đặc tính đặc biệt.
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.
Thông thường, khi sử dụng cái rây, bạn sẽ lọc ra các vật thể lớn hơn lỗ rây. Nhưng những nhánh polypropylene này có thể bắt các hạt nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa chúng.
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.
Đó là bởi vì khi một hạt va chạm với một sợi, lực van der Waals sẽ khiến nó dính chặt như thể nó được làm bằng băng gai dính. Thêm vào đó, các bộ lọc dựa trên kích thước có thể sử dụng các sợi tích điện để thu hút các hạt chưa bị bắt trong quá trình va chạm. Đây là cách mà ngay cả một mặt nạ N95 đơn giản cũng có thể bắt được ít nhất 95% chất dạng hạt. Và là lý do tại sao mặt nạ N100 hoặc máy lọc không khí có bộ lọc hạt năng suất cao có thể bắt ít nhất 99,97% các loại hạt. Với sự che chắn chặt chẽ, mức độ bảo vệ này sẽ lọc ra hầu hết ô nhiễm trong không khí.
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.
Thật không may, một số chất ô nhiễm vẫn còn quá nhỏ đối với phương pháp này, bao gồm cả các phân tử ozone. Chúng chỉ vừa đủ lớn hơn lượng oxy mà chúng ta cần để thở một chút và việc tiếp xúc nhiều với chúng sẽ khiến ta dễ mắc hen suyễn, các bệnh về hô hấp và thậm chí tử vong sớm. Cơ hội tốt nhất để chúng ta lọc chúng chính là mặt nạ than hoạt tính. Ở cấp độ vi mô, than hoạt tính trông giống như một tổ ong đen rộng lớn, và cấu trúc vi xốp của nó có thể bẫy các phân tử ozone nhỏ. Nhưng vật liệu này vẫn cần vài sự kết hợp để có thể thu giữ được các chất ô nhiễm khác như hydro sunfua, clo và amoniac. Với những mối đe dọa này, chúng ta cần kết hợp than hoạt tính với một số chất hóa học đơn giản. Nếu chất ô nhiễm có tính axit, ta có thể cho một hóa chất có tính kiềm vào bộ lọc. Sau đó, khi cả hai gặp nhau, chúng phản ứng và khí sẽ bị giữ lại. Tương tự, chúng ta có thể sử dụng axit để bẫy các chất ô nhiễm có tính kiềm.
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.
Ngay cả có khẩu trang phù hợp, vẫn nên kiểm tra các chỉ số chất lượng không khí và ở trong nhà khi mức độ đe dọa cao. Và cũng giống như mặt nạ, bạn cần đảm bảo ngôi nhà của mình được niêm phong tốt. Bạn có thể làm điều này bằng cách đóng kín các cửa sổ, tắt quạt thông hơi bên ngoài và sử dụng máy lọc không khí được trang bị bộ lọc HEPA hoặc hộp Corsi-Rosenthal, một thiết bị lọc tương tự, có thể tự làm với giá rẻ hơn. Việc làm theo những hướng dẫn này có thể giúp chúng ta dễ thở hơn trong lúc cố gắng ngăn chặn những chất ô nhiễm này xâm nhập vào môi trường.