वायरस N95 के छेदों से कहीं छोटा है। मास्क फिर भी उसे पकड़ लेता है — और बड़े कण से बेहतर पकड़ता है

मास्क की चर्चा होते ही यह दलील लौट आती है, और सुनने में इसका कोई जवाब नहीं लगता। कोरोनावायरस का कण क़रीब 100 नैनोमीटर का है। मास्क के रेशे दसियों माइक्रोमीटर की दूरी पर हैं। उस जाली से उस कण को रोकने की उम्मीद करना, दलील कहती है, वैसा ही है जैसे तारों की बाड़ से मच्छर रोकने की उम्मीद करना।

तर्क साफ़ है, आँकड़े सही हैं, और नतीजा ग़लत है — क्योंकि यह मानकर चलता है कि फ़िल्टर छानकर काम करता है, और फ़िल्टर छानकर काम नहीं करता। हक़ीक़त में ठीक से बना फ़िल्टर 100 नैनोमीटर के कण को 300 नैनोमीटर के कण से ज़्यादा भरोसे से पकड़ता है। सबसे मुश्किल कण न सबसे बड़ा होता है न सबसे छोटा, बल्कि बीच का — और यह समझ लेने पर मास्क, एयर प्यूरीफ़ायर, वैक्यूम क्लीनर और औद्योगिक क्लीन रूम, सब एक साथ समझ आ जाते हैं।

फ़िल्टर छलनी नहीं है

छलनी आकार से अलग करती है: छेद से चौड़ी हर चीज़ पीछे रह जाती है, पतली निकल जाती है। यह एक तंत्र है, और रेशेदार वायु फ़िल्टर में यह सबसे कम अहम तंत्रों में है।

रेशेदार फ़िल्टर रेशों की एक गहरी, बेतरतीब चटाई है जिसमें बहुत सारी खाली जगह होती है — आयतन के हिसाब से आम तौर पर नब्बे प्रतिशत से ज़्यादा हवा, इसीलिए आप उसमें से साँस ले पाते हैं। हवा रेशों के बीच से घुमावदार धाराओं में रास्ता बनाती है। सवाल कभी यह नहीं होता कि कण किसी छेद से निकल पाएगा या नहीं। सवाल यह है कि कण पूरी चटाई पार करने तक हवा की धारा पर टिका रह पाता है या नहीं, बिना किसी रेशे को छुए — क्योंकि जो कण रेशे को छू गया वह वहीं चिपक जाता है, वान डर वाल्स आकर्षण से। टकराकर आगे बढ़ जाना होता ही नहीं।

यानी निस्पंदन ज्यामिति का नहीं, इस बात का सवाल है कि कण का रास्ता हवा के रास्ते से अलग होता है या नहीं। चार तंत्र उसे अलग करते हैं, और आकार के साथ चारों का बर्ताव बहुत अलग है।

अवरोधन। कण अपनी धारा पर ईमानदारी से चलता है, पर वह धारा किसी रेशे से कण की त्रिज्या भर की दूरी से गुज़रती है, तो कण उससे छू जाता है। यह कण के आकार और रेशों की दूरी के अनुपात पर टिका है और बीच की परास में सबसे ज़्यादा मायने रखता है।

जड़त्वीय टक्कर। कण इतना भारी है कि जब हवा किसी रेशे के चारों ओर तीखा मोड़ लेती है, कण समय पर मुड़ नहीं पाता और सीधा उसी में जा घुसता है। यह क़रीब एक माइक्रोमीटर से बड़े कणों पर हावी है, और हवा तेज़ चले तो बेहतर काम करता है, क्योंकि तीखा मोड़ लेना और मुश्किल हो जाता है।

ब्राउनी विसरण। यही वह तंत्र है जो सहज-बुद्धि उलट देता है। बहुत छोटा कण इतना हल्का होता है कि हवा के अलग-अलग अणुओं की टक्करों से साफ़ तौर पर इधर-उधर धकेला जाता है, इसलिए वह सीधी रेखा में चलता ही नहीं — वह भटकता है, चलते-चलते धाराओं के आर-पार डोलता रहता है। कण जितना छोटा, भटकाव उतना तेज़, और किसी रेशे से जा टकराने की संभावना उतनी ज़्यादा। यह क़रीब 0.1 माइक्रोमीटर से नीचे हावी है और हवा धीमी चले तो बेहतर काम करता है, क्योंकि धीमा कण चटाई में ज़्यादा देर रहता है और भटकने का ज़्यादा मौक़ा पाता है।

स्थिरवैद्युत आकर्षण। आज के कई फ़िल्टर मटेरियलों के रेशों पर स्थायी विद्युत आवेश होता है। आवेशित — और यहाँ तक कि उदासीन पर ध्रुवित हो सकने वाले — कण धारा से खिंचकर रेशों पर आ बैठते हैं, चाहे ऊपर वाले तंत्रों में से कोई लागू होता हो या नहीं। इसे नीचे अलग हिस्सा मिलना चाहिए, क्योंकि आरामदेह मास्क का असरदार भी होना इसी की देन है।

जिस आकार पर फ़िल्टर सबसे कमज़ोर है

अब दोनों हावी तंत्रों को साथ रखिए। कण छोटे होते जाते हैं तो टक्कर कमज़ोर पड़ती है — कम द्रव्यमान, कम जड़त्व, हवा के पीछे चलना आसान। कण बड़े होते जाते हैं तो विसरण कमज़ोर पड़ता है — ज़्यादा द्रव्यमान, कम डोलन, धारा पर टिके रहना आसान।

एक नीचे जाकर नाकाम होता है। दूसरा ऊपर जाकर। बीच में कहीं एक ऐसा आकार है जिस पर दोनों में से कोई ठीक से काम नहीं करता — और वहीं फ़िल्टर सबसे बुरा प्रदर्शन करता है।

आम फ़िल्टर मटेरियल और सामान्य प्रवाह के लिए यह जगह क़रीब 0.3 माइक्रोमीटर पर पड़ती है, और उसका नाम है सर्वाधिक भेदी कण आकार (MPPS)। यह संयोग नहीं कि फ़िल्टर के मानक जाँच इसी आकार के आसपास कराते हैं — किसी फ़िल्टर के लिए बताया गया आँकड़ा जान-बूझकर उसकी सबसे बुरी हालत का प्रदर्शन है, औसत नहीं।

यही एक तथ्य तारों की बाड़ वाली दलील को पूरी तरह गिरा देता है। N95 रेस्पिरेटर की रेटिंग यह है कि वह उस आकार के कम से कम 95% कण पकड़ेगा जिसे पकड़ना उसके लिए सबसे कठिन है। 100 नैनोमीटर का विषाणु-कण उससे तीन गुना छोटा है, यानी उस इलाक़े में गहरे जहाँ ब्राउनी विसरण मज़बूत है — इसलिए वह 0.3 माइक्रोमीटर वाले जाँच-कण से ज़्यादा दक्षता से छनता है, कम नहीं। MPPS पर 99.95% या उससे बेहतर रेटिंग वाले HEPA फ़िल्टर पर भी यही लागू है।

मूल दलील में एक दूसरी ख़राबी भी है: हवा में वायरस शायद ही कभी नंगा विषाणु-कण होता है। वह साँस की बूँद के भीतर चलता है, या बूँद के आंशिक रूप से सूख जाने के बाद बचे अवशेष के भीतर — और ये चीज़ें माइक्रोमीटरों में नापी जाती हैं, यानी उसी परास में जिसे फ़िल्टर आसानी से संभालते हैं।

फ़िल्टर की रेटिंग उसकी सबसे बुरी हालत का वादा है। जाँचे गए आकार से छोटे कण वे नहीं हैं जो निकल जाते हैं — वे वही हैं जिनमें फ़िल्टर सबसे अच्छा है।

वह आवेश जो चुपचाप काम करता है

अगर पकड़ सिर्फ़ यांत्रिक तंत्रों पर टिकी होती, तो काम लायक़ दक्षता वाला मास्क इतना घना होता कि उसमें साँस लेना असहनीय हो जाता। यह समझौता आवेश से सुलझता है।

N95 श्रेणी के ज़्यादातर मटेरियल इलेक्ट्रेट होते हैं: पॉलिप्रोपिलीन के रेशे, जिन पर बनाते समय कोरोना डिस्चार्ज या घर्षण से लगभग स्थायी स्थिरवैद्युत आवेश चढ़ाया जाता है। वह आवेश कणों को उन धाराओं के आर-पार खींच लेता है जो वरना उन्हें सही-सलामत आगे ले जातीं — यानी एक भी रेशा जोड़े बिना ख़ासी पकड़ जुड़ जाती है। दक्षता बढ़ती है; साँस का प्रतिरोध नहीं बढ़ता।

पेच यह है कि आवेश, रेशे के उलट, ग़ायब हो सकता है और मटेरियल बिलकुल वैसा ही दिखता रहता है।

• पानी और नमी उसे बहा देते हैं। इसीलिए N95 धोने से वह बर्बाद हो जाता है, और इसीलिए लंबी पाली में पसीने या साँस की नमी से भीगा मास्क वह नहीं रह जाता जो शुरुआत में था।
• अल्कोहल और दूसरे विलायक और बुरे हैं — रेस्पिरेटर पर सैनिटाइज़र छिड़कना उसका प्रदर्शन ख़त्म करने के सबसे भरोसेमंद तरीक़ों में है, और यह बहुत बड़े पैमाने पर किया गया।
• तेल हवा में हो तो आवेश को उदासीन कर देता है — N95 का N इसी का इशारा है: Not resistant to oil। तेल वाले माहौल के लिए R और P श्रेणियाँ हैं।
• समय और रख-रखाव से वह रखा-रखा भी धीरे-धीरे घटता है।

असहज बात यह है कि इनमें से कुछ भी दिखता नहीं। आवेश खो चुका रेस्पिरेटर बिलकुल काम करते हुए जैसा दिखता, महसूस होता और फ़िट होता है, और यांत्रिक तंत्रों से पकड़े जाने वाले बड़े कण वह तब भी रोकेगा। जो गया वह बीच की मुश्किल परास की ज़्यादातर दक्षता है — यानी ठीक वही जिसके बारे में रेटिंग थी।

फ़िट लगभग हमेशा निस्पंदन से भारी पड़ता है

रेस्पिरेटर दो तरह से नाकाम होता है: हवा या तो मटेरियल के आर-पार जाए, या उसके बग़ल से निकल जाए। दूसरी वजह लगभग हमेशा बड़ी होती है।

नाक की हड्डी पर या गालों के साथ बची दरार बिना किसी निस्पंदन वाला छेद है, और हवा आलसी होती है — वह कम प्रतिरोध वाला रास्ता चुनती है, यानी वही दरार। इसीलिए ठीक से बैठा कपड़े या सर्जिकल मास्क व्यवहार में ढीले बैठे N95 से बेहतर कर सकता है, इसीलिए कामकाजी जगहों पर औपचारिक फ़िट टेस्ट होता है, और इसीलिए दाढ़ी छोटी बात नहीं है: सील की रेखा पार करते बाल सील बनने ही नहीं देते, और फ़िल्टर की गुणवत्ता उसकी भरपाई नहीं करती।

इसलिए मास्क चुनते वक़्त क्रम यही होना चाहिए: क्या वह आपके चेहरे पर सील बनाता है, क्या मटेरियल सचमुच रेटेड है, और उसके बाद ही कौन-सा ब्रांड। एक आसान जाँच — हथेलियों से मास्क की सतह ढककर धीरे से साँस खींचिए और महसूस कीजिए कि हवा कपड़े के अलावा कहीं और से तो नहीं आ रही — पाँच सेकंड लेती है और ज़्यादातर दरारें पकड़ लेती है।

वही भौतिकी, आपके कमरे में

एयर प्यूरीफ़ायर, वैक्यूम क्लीनर और इमारतों के तंत्रों में लगे HEPA फ़िल्टर ठीक ऊपर बताए तंत्रों से चलते हैं, बस पैमाना अलग है। असली HEPA फ़िल्टर की परिभाषा MPPS पर प्रदर्शन से होती है — मानक के हिसाब से आम तौर पर 99.95% या 99.97% — इसीलिए किसी उत्पाद पर लिखा "HEPA-type" या "HEPA जैसा" कुछ भी मायने नहीं रखता। या तो वह मानक पर खरा है और यह कह सकता है, या नहीं है।

भौतिकी से — विज्ञापन से नहीं — दो व्यावहारिक बातें निकलती हैं।

हवा की दर आधा उत्पाद है। प्यूरीफ़ायर की स्वच्छ वायु आपूर्ति दर फ़िल्टर की दक्षता और उससे सचमुच गुज़रने वाली हवा की मात्रा का गुणा है। कमज़ोर पंखे पर लगा शानदार फ़िल्टर छोटे कमरे को भी धीरे साफ़ करेगा। आपूर्ति दर को कमरे के आयतन से मिलाना फ़िल्टर के आख़िरी दशमलव से ज़्यादा मायने रखता है।

हवा को सचमुच उसमें से गुज़रना चाहिए। सोफ़े के पीछे कोने में रखा प्यूरीफ़ायर, या वह जिसका इनलेट दीवार से सटा है, उसी छोटी-सी साफ़ हवा को घुमाता रहता है और बाक़ी कमरा जैसा था वैसा रहता है। यह मास्क की दरार का उपकरण-रूप है, और आम है।

भारतीय घरों में ज़्यादा प्रदूषण वाले महीनों के लिए इसे साफ़ कह देना चाहिए: PM2.5 का मतलब ही 2.5 माइक्रोमीटर से छोटे कण हैं, यानी वह परास जो फ़िल्टर की सबसे कमज़ोर जगह से लेकर उसकी सबसे मज़बूत जगह तक फैली है — और बंद कमरे में लगातार चलती, सही नाप की इकाई का असर नापा जा सकता है। जो वह नहीं कर सकती वह है ख़राब सड़क पर खुली खिड़की के साथ बराबरी।

नैनोफ़ाइबर समझौते को कहाँ सचमुच बदलते हैं

ऊपर की हर बात में एक अटल तनाव है: किसी भी फ़िल्टर की दक्षता और रेशे जोड़कर बढ़ाई जा सकती है, और हर जुड़ा रेशा दाब-अंतर बढ़ाता है — यानी साँस लेने का प्रतिरोध या पंखे पर बोझ। पूरी इंजीनियरिंग समस्या प्रति इकाई दाब-अंतर दक्षता की है, और यहीं नैनोमटेरियल सजावटी नहीं, असली योगदान देते हैं।

इलेक्ट्रोस्पन नैनोफ़ाइबर — विद्युत क्षेत्र से खींचकर दसियों से सैकड़ों नैनोमीटर व्यास तक लाए गए पॉलिमर रेशे — इस अनुपात को ऐसी वजह से सुधारते हैं जो सचमुच उलटी लगती है। आम तौर पर हवा किसी ठोस सतह से चिपकती है, और रेशे पर पड़ने वाला घर्षण उसी का नतीजा है। पर जब रेशे का व्यास हवा के अणुओं के माध्य मुक्त पथ के बराबर होने लगता है — वायुमंडलीय दाब पर क़रीब सत्तर नैनोमीटर — तो हवा सतह को पकड़ने के बजाय उस पर फिसलने लगती है। घर्षण घटता है, उसके साथ दाब-अंतर घटता है, और कण रोकने की क्षमता वैसी की वैसी रहती है।

वही सत्तर-नैनोमीटर वाला आँकड़ा ऊष्मा पर हमारे लेख में आया था, जहाँ हवा को उसके माध्य मुक्त पथ से छोटे छिद्रों में बाँधना ही एयरजेल इन्सुलेशन को चलाता है। वही भौतिकी, दूसरे मक़सद से — और यह अच्छा उदाहरण है कि हवा का माध्य मुक्त पथ याद रखने लायक़ आँकड़ा क्यों है।

नैनोफ़ाइबर परतें अब ऊँचे प्रदर्शन वाले निस्पंदन में आम हैं, और वे फ़िल्टर को इलेक्ट्रेट आवेश पर कम निर्भर भी बनाती हैं — यह फ़ायदा ठीक इसलिए क़ीमती है कि आवेश ही सबसे नाज़ुक हिस्सा है। और हर उस मटेरियल की तरह जिसकी बात यह साइट करती रही है, प्रयोगशाला का दावा और कारख़ाने का उत्पाद अलग हैं: बड़े क्षेत्रफल पर एकरूपता, हवा के बहाव में टिकाऊपन और प्रति वर्ग मीटर लागत — बाधाएँ ये हैं, भौतिकी नहीं।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

एरोसॉल विज्ञान अपने जन-स्वास्थ्य महत्व के मुक़ाबले बहुत कम पढ़ाया जाता है, और MPPS उसके सबसे सुघड़ पढ़ाने लायक़ नतीजों में है — दो तंत्र, जिनकी आकार-निर्भरता उलटी है, और बीच में ऐसी सबसे बुरी हालत जिसका अनुमान अकेले किसी एक से नहीं लगता। जो छात्र यह समझा सके कि फ़िल्टर 0.3 माइक्रोमीटर पर 0.03 के मुक़ाबले क्यों ख़राब है, उसने वह समझ लिया जो बहुत सारे आत्मविश्वासी सार्वजनिक टिप्पणीकारों ने नहीं समझा।

तर्क आगे भी चलता है। जब भी दो तंत्र किसी चर के साथ उलटी दिशाओं में बदलते हों, बीच में कहीं कोई इष्टतम या सबसे बुरी हालत मिलने की उम्मीद रखिए — और यह भी कि वह उस किसी को भी उलटी लगेगी जो सिर्फ़ एक तंत्र से सोच रहा है। यह आदत उस एक आँकड़े से ज़्यादा क़ीमती है।

खुले सवाल व्यावहारिक हैं। ऐसे फ़िल्टर मटेरियल जो घटते आवेश पर टिके बिना दक्षता बनाए रखें, असल दुनिया के अस्थिर प्रदर्शन का सबसे बड़ा स्रोत ही हटा देंगे। दोबारा इस्तेमाल लायक़ और सचमुच विसंक्रमित किए जा सकने वाले रेस्पिरेटर अब भी अनसुलझी ज़रूरत हैं — महामारी ने यह तकलीफ़देह ढंग से दिखाया, जब जुगाड़ू तरीक़ों ने उसी मटेरियल को नष्ट कर दिया जिसे वे साफ़ करने चले थे। कम दाब-अंतर वाले मटेरियल इमारतों के वेंटिलेशन में देश-स्तर की बिजली खपत के लिए मायने रखते हैं। और नमी के साथ निस्पंदन का बर्ताव, यानी वे हालात जो भारत में सचमुच रहते हैं, अपने असर के मुक़ाबले कम पढ़े गए हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

तो मास्क वायरस रोकता है या नहीं?

ठीक से बैठा, सचमुच रेटेड रेस्पिरेटर आपके भीतर जाने वाले वायरस-युक्त कणों की संख्या काफ़ी घटा देता है — दोनों इसलिए कि हवा में वायरस ज़्यादातर बूँदों और अवशेषों में चलता है जिन्हें छानना आसान है, और इसलिए भी कि नंगा विषाणु-कण भी सर्वाधिक भेदी कण आकार से छोटा है और इसलिए दक्षता से पकड़ा जाता है। जो कोई मास्क नहीं करता वह है ख़तरे को शून्य कर देना — और असल इस्तेमाल में सीमा लगभग हमेशा फ़िट तय करता है, फ़िल्टर मटेरियल नहीं।

क्या N95 धोकर या सैनिटाइज़ करके दोबारा इस्तेमाल कर सकते हैं?

न धोइए, न उस पर अल्कोहल छिड़किए। दोनों उस स्थिरवैद्युत आवेश को नष्ट करते हैं जिससे उसकी ज़्यादातर दक्षता आती है, और उसके बाद मास्क देखने-छूने में बिलकुल वैसा ही रहेगा — यही बात इसे सिर्फ़ बर्बादी नहीं, ख़तरनाक बनाती है। बार-बार इस्तेमाल का व्यावहारिक तरीक़ा है अदला-बदली: कई मास्क बारी-बारी से पहनना और बीच में उन्हें कई दिन सूखा आराम देना; और पट्टियाँ ढीली पड़ने, सील बिगड़ने या मास्क के गंदा या नम हो जाने पर उसे बदल देना।

तो क्या कपड़े का मास्क बेकार है?

नहीं, पर वह अलग उत्पाद है। कपड़े के मास्क में इलेक्ट्रेट आवेश नहीं होता और बुनावट कहीं ढीली होती है, इसलिए छोटे आकारों पर उसकी दक्षता काफ़ी कम रहती है — हालाँकि शून्य नहीं, क्योंकि अवरोधन और विसरण तब भी चलते हैं। उसका मुख्य योगदान यह है कि पहनने वाले से निकलने वाली बूँदें घट जाती हैं, और ठीक बैठा कपड़े का मास्क ढीले-ढाले रेस्पिरेटर से सचमुच बेहतर करता है। यह सार्थक उपाय है, बराबरी का विकल्प नहीं।

वाल्व वाले मास्क का क्या?

वाल्व साँस छोड़ना आसान कर देता है, क्योंकि वह हवा बिना छने बाहर जाने देता है। इससे पहनने वाले की सुरक्षा वैसी ही रहती है और आसपास वालों को बहुत कम मिलती है — यानी साझा बंद जगह में ठीक उलटा जो चाहिए। जिस औद्योगिक जगह पर ख़तरा धूल हो, दूसरे लोग नहीं, वहाँ वाल्व बिलकुल उचित है।

क्या एयर प्यूरीफ़ायर सचमुच घर के भीतर PM2.5 घटाते हैं?

हाँ — बशर्ते इकाई की स्वच्छ वायु आपूर्ति दर कमरे के हिसाब से हो, कमरा ठीक-ठाक बंद हो, और इनलेट रुका हुआ न हो। मॉनिटर से ख़ुद नापना काम का है, यह ध्यान रखते हुए कि सस्ते सेंसरों की अपनी सीमाएँ हैं। जो प्यूरीफ़ायर नहीं कर सकता वह है बाहर से लगातार आती हवा की भरपाई — इसलिए साफ़ दिखती दरारें बंद करना और बंद कमरे में इकाई चलाना उतना ही मायने रखता है जितना उसका विनिर्देश।