JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medio ambiente

Üretim ve akış tüp reaktör organik partikül madde ölçümü

Published: December 15, 2018
doi:
10.3791/55684
, , , ,
1School of Engineering and Applied Sciences,Harvard University, 2Department of Environmental Science and Engineering, Gillings School of Global Public Health,University of North Carolina, Chapel Hill, 3Department of Chemistry,Northwestern University, 4Department of Earth and Planetary Sciences,Harvard University

Summary

Bu kağıt için akış tüp reaktör ve ilgili veri toplama işlemi yordamı açıklar. Bu deneyler ayarlama, veri kayıt ve organik aerosoller kimyasal ve fiziksel özellikleri hakkında yararlı bilgiler verir parçacık toplu bilgilerin yanı sıra numarası-çapında dağıtım oluşturma iletişim kurallarını gösterir.

Abstract

Organik partikül madde (PM) giderek Dünya’nın iklim sisteminin yanı sıra kentsel halk sağlığı için önemli olarak kabul edilmektedir ve laboratuar çalışmaları için sentetik PM üretiminin yaygın bir zorunluluk haline gelmiştir. Burada, deneysel protokoller ile α-pinene ozonolysis bir akış tüp reaktör içinde aerosolize organik PM üretmek için yaklaşımlar göstermektedir. Yöntem boyutu dağılımları ve morfoloji aerosol partikülleri ölçmek için açıklanmıştır. Video akışı tüp reaktör ve ilgili araçları temel işlemleri gösterir. Videonun ilk bölümünü gaz-faz Reaktanlarının, ozonolysis ve organik PM üretim hazırlanması için yordam gösterir. Videonun ikinci kısmı üretilen parçacık nüfus özelliklerini belirlemek için yordamları gösterir. Parçacık sayısı-çapı dağıtımları parçacık büyüme, yani yoğunlaşma, koagülasyon veya ikisinin, reaksiyon şartlarına bağlı olarak farklı aşamalarında göster. Parçacık morfoloji bir aerosol parçacık kitle analizörü (APM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterizedir. Sonuçları koagülasyon belirli reaksiyon koşulları için gelen büyüdü küresel olmayan parçacıkların varlığını onaylamak. Deneysel sonuçlar da akış tüp reaktör nispeten yüksek konsantrasyonları ve kısa sürede çerçeveler için organik PM fiziksel ve kimyasal özelliklerini incelemek için kullanılabilir gösterir.

Introduction

Biyosfer ve antropojenik aktiviteler yayılan uçucu organik bileşikler (VOC) reaksiyonları (ozon veya OH radikaller) gibi ile atmosferde ikincil oksijenli bileşiklerin1,2üretmek için tabi. Bazı bu bileşiklerin onların düşük volatilite nedeniyle sonuçta atmosferik PM1,3,4kütle konsantrasyonu için katkıda bulunur. Atmosferik parçacıkların iklim, insan sağlığı ve görünürlük5üzerinde önemli etkileri vardır. Organik PM, üretim mekanizmaları ancak, hem nitelik hem de nicelik, numarası ve kitle konsantrasyonları yanı sıra fiziksel ve kimyasal özelliklerini tahmin etmek için yeterince karakterize ve anlaşılır, kalır. Böylece atmosferik organik PM, üretim süreçlerinin taklit için akış tüp reaktörler kullanın laboratuar çalışmaları kolaylaştırmak mekanik, süreç ve6 PM karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirmek için bu bilgi köprü için bir yaklaşım olduğunu ,7,8,9,10,11,12. Akış tüp reaktör aerosol parçacıkları parçacık sayısı ve kitle konsantrasyonları13çeşitli hızlı sentezini sağlar.

Bu da çalışmanın, video malzeme kullanımı ile organik PM Mikronaltı ölçekli parçacıkları baskın atmosferik monoterpene (sırasıyla α-pinene) ozonolysis olduğu gibi üretim ilk açıklanan bir akış tüp reaktör açıklanır Shrestha vd. 13 kısaca, akış tüp bardak 48.2 mm bir iç çapı ve 1.30 m uzunluğu ile yapıldı. Akış tüp biraz yukarıda ortam basıncı laminar akış rejimi (9,4 ± 0.5 Reynolds sayısı) ve bir ikamet süresi 38 ± 1 s 14ile ameliyat. Sıcaklık 25 ± 1 ° C akış için dolaşım chiller kullanarak su çift katmanlı bir özelleştirilmiş kutusunda o akış tüp reaktör konut olarak ayarlandı.

Akış tüplü reaktör sistemlerinin şematik bir komplo Şekil 1‘ de gösterilen. Saf Hava jeneratör 200-500 ppm ozon üreten bir ozon jeneratör geçer ultra-saf hava oluşturmak için kullanılır. Ek bir 0,50 sLpm saf hava akışının α-Pinene bir şırınga enjektör bir yuvarlak alt şişesi içinde tarafından enjekte buharlaşır için kullanılır. Α-Pinene 2-butanol seyreltme oranı 1:5015,16,17 daha önce şırınga enjektör içine kapanık 2-butanol o ozonolysis emin olmak için bir OH hazine hareket edebilir çünkü tek tepkisi oldu, ile önceden karışık akış tüp içinde meydana gelen. Yuvarlak alt şişeye 135 ± 1 ° C enjekte organik bileşiklerin hızlı buharlaşma sağlayan sıcak olduğu. Alıcılar da vardı α-pinene ve ozon akışı dik birbirlerine türbülans ve hızlı enjeksiyon noktada karıştırma ikna etmek için düzenlenmiştir. Akış tüp çıkış örnek toplama, boyutu dağıtım ölçüleri (tarafından tarama hareketlilik parçacık büyüklük-SMPS), parçacık yoğunluğu ölçüm ve egzoz arasında bölünmüş oldu. Reaksiyon koşulları yoğunlaşma koagülasyon parçacık büyüme karşılaştırıldığında göreli katkısını denetlemek için çeşitlidir. Akış tüp çıktısını akış tüp ve yanlış deneysel koşullarda bile yuvarlak alt balonun içinde basınç oluşturmak mümkün değil emin olmak için bir açık hava yormak kukuleta bağlanma en az bir satır olması gerekir. Üretilen parçacık nüfus özellikleri böylece ince ayarlanabilir. Akış tüp reaktör üretim farklı zaman noktalarında organik PM örnekleme etkinleştirme hareketli bir örnekleyici ile donatılmıştır. Üretilen parçacık nüfus sayısı-çapı dağılımı çeşitli akış tüp uzunluğu ölçülür. Bir APM parçacık toplu dağıtım ve morfolojisi ve üretilen parçacık nüfusun diğer fiziksel özellikleri hakkında bilgi veren dinamik şekil faktörü7,18,19, ölçer. 20 , 21 parçacıklar da nanometre parçacık örnekleyiciyi çevrimdışı görüntüleme için üzerinde bir SEM7,22tarafından toplanır. Dolaylı akış tüp reaktör ozonolysis deneyleri ve orada üretilen PM hızlı online ve offline analizini gerçekleştirmek için uygun bir ortam olmasıdır.

Protocol

1. gaz fazlı enjeksiyon akış tüp reaktör Organik habercisi enjeksiyonNot: Tüm donanım ve yazılım deneme sırasında kullanılan Malzemeler tablobulunabilir. Deneyler amacına bağlı, uçucu organik bileşikler geniş bir deneme için organik habercisi kullanılabilir. Α-Pinene kullanılır burada organik habercisi akış tüp reaktör enjekte ederek örnek yordam olarak. Bir micropipette 1.00 mL α-pinene elde etmek için kullanın. Sıvı 50.00 mL volumetric flask aktarın. 2-butanol 50.00 ml, böylece α-pinene 1:50 oranında tarafından sulandrarak hacimsel şişeye doldurmak için kullanın. Çözücü ve çözünen iyice karıştırmak için volumetric flask sallamak. α-pinene çözümü geri çekmek için bir şırınga (5,00 mL) kullanın. Üç kez ile çözüm şırınga durulama ve daha sonra çözüm ile doldurun. Şırınga (25 ölçer, 2 inç uzun) bir keskin iğne bağlayın. Şırınga bir şırınga enjektör üzerine yerleştirin. İğne ucu bir buharlaştırıcı yuvarlak alt şişesi (25 mL) yerleştirin. Buharlaştırıcı şişeye 135 ± 1 ° C teyp Isıtma tarafından ön ısı. 0.5 saf sLpm hava buharlaştırmak ve α-pinene–dan belgili tanımlık tenkıye enjekte uzağa taşımak için nazik bir akışını tanıtmak. Saflaştırılmış hava jeneratör aynı güç kaynağı olarak saf hava ikmal durdurulursa yuvarlak alt şişeye ısınma önlemek için Isıtma teyp takın. Şırınga enjektör açmak ve enjeksiyon hızı uygun bir değer ayarlayın. Enjeksiyon hızı Clausius-Clapeyron denklemi gaz debisi, istenen VOC konsantrasyon ve şırınga boyutu uygulayarak hesaplayın. Örneğin, 4,5 sLpm toplam akışı için α-pinene 125 App ulaşmak için 11.7 μL/h α-pinene ve 2-butanol karışımı bir enjeksiyon hızı gerektirir. Butanol veya α-pinene hacimsel konsantrasyonu organik bileşikler ulaşmak zor sınırı önlemek için yuvarlak alt balonun içinde % 1’den az olduğundan emin olun. Ozon Enjeksiyon Hava akışını 4.00 sLpm bir ozon jeneratör geçmek. Ozon jeneratörü kapatın. Ozon konsantrasyonu uygun değerleri için UV lambası jeneratör içinde koruyucu cam tüp uzunluğunu ayarlayarak kontrol. Ozon ve VOC oranları arasında iki porsiyon büyüklükleri deneme amacına bağlı olarak değişebilir. VOC tam deneme sırasında tepki için gerekliyse, ozon konsantrasyonu 10 kat aşan ozon olduğundan emin olmak için VOC konsantrasyonu daha yüksek olmalıdır. Ozon konsantrasyonu monitörde açın ve ozon monitör bilgisayara bağlayın. Ozon monitör okuma erişim ve ozon monitörden (Şekil 2) elde edilen verileri kaydetmek için terminal okuyucu bilgisayar yazılımı kullanma. Ozon konsantrasyonu stabilize sonra deneyler gerçekleştirin. 2. parçacık akışı tüp reaktör imalatı İkamet süresi düzeltilmesi Sökün kap, akış tüp reaktör içinde tüp hareketli örnekleyici konumunu ayarlamak için akış tüp reaktör sonuna. Değiştirmek daha sonra 3 farklı ikamet süreleri elde etmek için tüp hareketli örnekleyici farklı konumları 38 s10s. Her deneme sırasında akış tüp reaktör içinde üretilen parçacıklar ikamet süresi ayarlamak için hareketli örnekleyici konumunu değiştirin. En kısa ikamet süresi elde etmek için akış tüp reaktör (gaz girişi 0,10 m) başında hareketli örnekleyici yerleştirin (3 s). En uzun kalma süresi elde etmek için akış tüp reaktör (gaz girişi 1.30 m) sonunda hareketli örnekleyici yerleştirin (38 s). Sıcaklık kontrolü için parçacık üretim Akış tüp reaktör bir ısı kontrollü, Çift duvarlı, water-jacketed paslanmaz çelik kutu içinde ev. Bir sızıntı kontrol ve su seviyesi kontrol deneyleri her kümesi önce gerçekleştirin. Su sirkülatörün 20.0 ° c termostat sıcaklığını ayarlaNot: Bir deney süresince sıcaklık fazla 0.1 ° c tarafından değişir. Ana bilgisayarda kayıt yazılımı sıcaklık açmak ve küme verileri örnekleme süresi 10 s (Şekil 3). Sıcaklık sensörü Akış tüp orta noktasında yer almaktadır. Kaydet düğmesini açarken sıcaklık sensörü ölçülen sıcaklık oturum başlatın. 4-6 h. Stabilize sıcaklık için sıcaklık deneme yapmadan önce kaydedin.Not: Akış tüp Reaktör sıcaklığı dalgalanma ± 0.1 ° C bir 24 saatlik dönemde daha azdır. Basınç izleme sistemi Akış tüp çıkışına bir ¼ inch bağlayıcı ve ana bilgisayar ile bir basınç monitörü bağlayın Basınç monitör yazılımı (Şekil 4) açın ve ardından Dosya | Yeni | 10’a yeniden örnekleme aralığını ayarlamak için Zaman/örnek Aralık s. Toplam veri noktaları için 36.000 puan örnekleme uzunluğu ayarlamak için tıklatın. Verileri kaydetmek için Tamam ‘ ı tıklatın.Not: Çıkış basıncı akış tüp içindeki basıncı stabil düşündüren bir 24 saatlik dönemde ± 0,01 atm içinde kalır. 3. akış tüp reaktör nüfusu üretilen parçacık karakterizasyonu Sayı-çapında dağıtımları Akış tüp reaktör çıkış tarama bir hareketlilik parçacık sizer (SMPS) tarafından dayanıklı elektrostatik tüp takın. Benzer enstrümanı SMPS yerine sayı-çapında dağıtımları ölçmek için kullanabilirsiniz.Not: Ayrıntılı yordamlar işletim veya SMPS sorun giderme, kılavuzda bulunabilir. Sayı-çapında dağıtım kaydeder yazılımını başlatın. Yanında tıkırtı üstünde A yeni dosyası oluşturyeni bir dosya oluşturun. Şekil 5’ te gösterilen her parametre ayarlayın. Akış tüp reaktör Tamam butonuna basarak çıkılıyor parçacıklar numarası-çapı dağılımları kaydedin. Bağıl nem kontrolü Bir su bubbler iki giriş iki kütle akış denetleyicisi (MFCs) akış tüp kılıf havada nem ayarlamak için bağlayın. bağıl nem kılıf hava değiştirmek için 0-10 sLpm gelen iki giriş akış hızı ayarlayın. Su bubbler çıkış geçirgen membran tüp kılıf hava girişi için bağlayın. Akış tüp reaktör çıkış aynı geçirgen membran tüp ana örnekleme koya bağlayın. Bağıl nem (RH) sensör örnekleme hava RH ölçmek için geçirgen membran tüp prizine takýn. RH veri kaydetmek için program için Başlat düğmesini tıklatın, dosya adını girmeyi ve Kaydet düğmesini tıklatarak ölçme RH başlatın. Kütle ve SOM parçacıkların dinamik şekil faktörü Bağıl nem kontrol kurulumu için bir fark hareketlilik analyzer (DMA) giriş çıkış üç-ayak-uzun dayanıklı elektrostatik tüp ile bağlanır. DMA çıkış APM enstrüman koya bir-ayak-uzun dayanıklı elektrostatik tüp tarafından bağlayın. APM çıkış bir yoğunlaşma parçacık sayaç (TBM) bağlayın.Not: Ayrıntılı yordamlar işletim veya DMA ve TBM sorun giderme, kılavuzda bulunabilir. APM enstrüman ve APM denetim kutusu ilgili güç düğmelerine basarak açın. Böylece alet-ebilmek var olmak işletmek içinde belgili tanımlık bilgisayar yazılımı arabiriminden APM Denetim kutusunda Uzaktan düğmesini tıklatın. APM kontrol yazılımı üzerinde açın. Bir önceden belirlenmiş tarama dosyası (Şekil 6) Dosya ve Yük düğmelerini tıklatarak yükleyin. APM enstrüman veri toplamaya başlaması APM kontrol yazılımı üstünde belgili tanımlık başlamak düğme’yi tıklatın. Parçacık akışı tüp reaktör koleksiyonundan Üç feet uzunluğundaki dayanıklı elektrostatik tüp tarafından bir nanometre aerosol örnekleyici (NAS) akış tüp prizine takýn. Silikon substrat (prime grade, direnç 1-10 Ω∙cm) bir döngüsü ve metanol, su, tekrar metanol tarafından temiz. Azot nazik akışı kullanarak substrat kuru. NAS’ın elektrot üzerine temizlenmiş substrat yerleştirin. Belgili tanımlık substrate sırasında toplama22sabit tutmak için bant ile kenarına güvenli. NAS üzerinde açın. Gerilim-9.9 için ayarla kV. Akış hızı 1,8 için ayarla Lpm. 12-36 h. için çalıştırmanız, NAS toplanan parçacıklar ile dolu silikon substrat kaldırmak için örnekleme enstrüman açın. Daha fazla analiz parçacıkların substrat morfoloji SEM7’yi veya yüzey analiz9gibi gerçekleştirin.

Representative Results

Reaksiyon koşullardan bir matris Tablo 1’de özetlenmiştir. Sayı aralığı ve kitle seçilen α-pinene ve ozon konsantrasyonları13bağlı olarak üretilen organik PM konsantrasyonları. Örneğin, ozon konsantrasyonu 43 ppm olduğunda tablo 1’de gösterildiği gibi α-pinene konsantrasyonu değişen 0,125-100 ppm (4,4 ± 0,6) üretmek olabilir (9.1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 ve kütle konsantrasyonları 10 × 105 1 ‘ e 104 µg∙m-3, anılan sıraya göre. Parçacık nüfus dinamik karakteristiklerini evrimi akış tüp reaktör içinde okudu olabilir. Video gösteri yoluyla kullanılarak 50 ± 1 ppm ozon ve α-pinene 125 App bir deney yapılmıştır. Parçacık örnekleyici akış tüp içinde boyuna konumunu, çeşitli zamanlarda 3.0 ± 0.2-38 ± 1 s. Şekil 7 örnekleme bu deneme için aerosol parçacık nüfusunun sayı-çapı dağıtımları gösterir izin. Toplam sayı konsantrasyon ve parçacıkların modu çapı ile ikamet süresi arttı. Bir ikamet süresi 3 için s, yok parçacıkları tespit edildi. Uzun ikamet süreleri için parçacık nüfus elde edilen ve ölçülür. Modu çapı artar az 10 nm yaklaşık 50 nm 17 ± 0.5 s ikamet süresi 38 ± 1 s için bir artış. Karşılık gelen sayı toplama (8,6 ± 0.5) × 104 cm-3 (2,56 ± 0,07) × 105 cm3′ e yükselmiştir. Üç Çoğalt deneylerde APM Kur tarafından kaydedilen numara-kütle dağıtımları örnekleri Şekil 8’ de gösterilmiştir. Parçacık kütle ve hareketlilik çapları dinamik şekil faktörü, χ, parçacık subpopulation genelinde hesaplamak için kullanılmıştır. Dinamik şekil faktörü χ gerçek bir parçacık birimi-eşdeğer küre23tarafından deneyimli sürükle zorla bölünmüş sürükle teşkilatta oranıdır. Son derece asferik parçacıklar önemli ölçüde daha büyük şekil faktörler var ise şekil faktörleri neredeyse küresel parçacıkların birlik yaklaşım. Şekil 9 dinamik şekil faktörleri çeşitli hareketlilik çapları ve nem düzeyi akış tüp çıkmadan parçacıkların gösterir. İlgili χ değerleri için < %5 RH edildi 1,21 ± 0,02, 1.09 ± 0,02 ve 1.08 ± 0.02 (bir-sigma belirsizlik), parçacık nüfusu büyük ölçüde küresel olmayan parçacıkların oluşturuldu düşündüren. RH arttıkça, χ 1.02 ± 0,01 RH, son değerini ulaşan ve küresel parçacıklara belirsizlik içinde karşılık gelen tüm üç nüfus için azalmıştır. Şekil 10 gösterir SEM görüntüleri maruz parçacıkların < %5 RH (sol sütun) ve RH (sağ sütun). Küresel parçacıklar olarak Zhang ve ark. ayrıntılarıyla ele yüksek RH maruz kaldıktan sonra yuvarlak oldu görüntüleri göstermek 7. Yukarıdaki sonuçlar akış tüp reaktör çeşitli çevrimiçi ve çevrimdışı analiz sahip olduğunu gösterir. Resim 1 . Akış tüplü reaktör sistemlerinin şematik akış diyagramı. Kırmızı çizgiler ozon içeren akış gösterecek, α-pinene içeren akış ışık mavi çizgiler göstermek ve koyu mavi çizgiler organik PM akışının gösterecek. APM sistem bir DMA, bir APM ve birbirine bağlı bir TBM oluşur. Bu rakam daha önce Shreatha vd. ortaya 13 ve burada izni ile çoğaltılabilir. Resim 2 . Grafik Kullanıcı arabirimi için izleme ve kayıt programı ozon. Şekil 3 . Grafik Kullanıcı arabirimi için sıcaklık izleme ve kayıt programı. Şekil 4 . Grafik Kullanıcı arabirimi için basınç izleme ve kayıt programı. Şekil 5 . Grafik Kullanıcı arabirim numarası-çapında dağıtım programı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 6 . APM program için grafik kullanıcı arabirim. Şekil 7 . Boyut farklı ikamet zaman akış tüp parçacık nüfus dağılımı. Her boyut dağılımı için toplam sayı konsantrasyonları 1,69 × 10-1, 7.50 × 103, 8,58 × 104, 2.00 × 105, 2.33 × 105ve 2.56 × 105 parçacıklar cm-3 için 3, 10, 17, 25, 32 ve 38 ikamet kez vardır s, anılan sıraya göre. Gölgeli alanlarda parçacık boyutu dağıtım standart sapması vardır. Bu rakam daha önce Shreatha vd. ortaya 13 ve burada izni ile çoğaltılabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 8 . Bir örnek olarak ölçülen DMA APM sistemini kullanarak sayı-kütle dağılımın. Üç Çoğalt deneylerin sonuçlarını tekrarlanabilirlik göstermek için gösterilir. İki-sigma belirsizlik veri işaretçileri yaklaşık aynı boyutta olan hata çubukları ile temsil edilir. Satırları temsil eden veri için uygun bir normal dağılım. Apsis APM dönme hızı ve APM silindir duvarları arasında uygulanan gerilim hesaplanır. Arsa içinde gösterilen parçacıklar 700 App α-pinene ve 14 ppm ozon üretildi. 126.0 Merkez hareketlilik çapını nm DMA tarafından seçildi. Bu rakam daha önce Zhang ve ark. içinde ortaya 7 ve burada izni ile çoğaltılabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 9. Bağıl nem oranı artırmak için dinamik şekil faktörü. Paneli A: parçacıklar 700 App α-pinene ve 14, 25 ve 30 ppm ozon merkezi hareketlilik çapları, 126.0, 175.0 ve 190.0 olan parçacık nüfus için üretilen nm, anılan sıraya göre. Bağıl nem için çekim hızı 310 yapıldı s. Hata çubukları her panelinde iki sigma standart sapmayı temsil eder. Bu rakam daha önce Zhang ve ark. içinde ortaya 7 ve burada izni ile çoğaltılabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. Şekil 10. SEM görüntüleri parçacıkların 700 App α-pinene elde edilen ve 180.0 Merkezi hareketlilik çapı için örnek nm. Aerosol parçacıkları silis substrat 12 h için üzerinde toplanmıştır ve sonra 5 ile kaplı Pt/Pd nm. Elektron ışını voltajı 5 oldu kV ve çalışma mesafesi yapıldı 2.3 mm. sütun 1 gösterir dimer, trimer ve üst düzey aglomeralar, taneli monomer için < %5 RH. Kırmızı daireler monomerleri tanımlayın. RH maruz kaldıktan sonra toplanan sütun 2 gösterileri yaklaşık küresel partiküller takip için kurutma tarafından < %5 RH. Bu rakam daha önce Zhang ve ark. içinde ortaya 7 ve burada izni ile çoğaltılabilir. O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2 Α-pinene (ppm) 0,125 ± 0,003 Num. konsantrasyonlu 0 (1±1) × 102 (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105 Mass konsantrasyonlu 0 (3±5) × 10-2 15±5 11±3 20±2 Modu çapı 0 22±4 60±5 35±3 34±2 St. sapmayı Geo. N/A 1.2 1.3 1.3 1.5 1,00 ± 0.03 Num. konsantrasyonlu 0 (3.1±0.9) × 102 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105 Mass konsantrasyonlu 0 (9±3) × 10-3 61±9 (52±0.1) × 102 (66±0.1) × 102 Modu çapı 0 33±7 86±6 84±3 85±19 St. sapmayı Geo. N/A 1.3 1.4 1.5 1.7 10.0 ± 0. 3 Num. konsantrasyonlu (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 106 Mass konsantrasyonlu 0* (1.6±0.2) × 102 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 104 (1.57±0.02) × 104 Modu çapı 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5 St. sapmayı Geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5 100 ± 3 Num. konsantrasyonlu (4.4±0.3) × 105 (8.3±0.3) × 105 (8.3±0.4) × 106 (9.1±0.2) × 106 (1.3±0.02) × 107 Mass konsantrasyonlu 35±3 (8.6±0.1) × 102 (1.3±0.1) × 104 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105 Modu çapı 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4 St. sapmayı Geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1.9 Tablo 1. Numara konsantrasyonları (cm-3), kitle konsantrasyonları (µg m-3), mod çapı (nm) ve geometrik çapı standart sapma α-pinene ozonolysis tarafından üretilen parçacıkların. 1200 kg∙m3 malzeme yoğunluğu birim konsantrasyonları kitle konsantrasyonları çevrimi için kullanılan ve ikamet süresi 38 oldu s tüm deneyler için. * Parçacıklar mevcut olmasına rağmen kitle konsantrasyon algılama sınırın altına yapıldı. Bu tablo, daha önce Shreatha vd. ortaya 13 ve burada izni ile çoğaltılabilir.

Discussion

Akış tüp reaktör koşullarda ayarlayarak, SOA geniş aralığı parçacıklar iyi tanımlanmış numara konsantrasyonları ve kitle konsantrasyonları ile üretilmektedir. Büyüme mekanizması da condensational büyüme ve parçacıklar farklı şekillerle şekillendirme koagülatif büyüme modları arasında değiştirilebilir. İletişim kuralı kritik adımlar akış tüp reaktör göreli istikrarlı sıcaklığını korumak ve ozon konsantrasyonu ozon jeneratörü dışarı sabitleme içerir. Hareketli enjektör konumunu ikamet süresi aynı deneyler yinelenen muaftır böylece her zaman dikkatle kaydedilmesi gerektiğini unutmamak önemlidir.

Parçacık konsantrasyonu akış tüp reaktör üzerinden beklenenden farklı gibi görünüyor birkaç sorun giderme yordamları yapılabilir. Akış tüp reaktör hava geçirmez bir inceleyin önce gerçekleştirilir. Hava geçirmez sınav numarası-çap ölçüm aleti giriş ve 1-butanol çözüm tükenmesi için TBM tıkanma gibi tüm potansiyel arıza olanakları dışlamak için denetlenmesi gerekiyor.

Bu nedenle, yukarıda açıklanan akış tüp reaktör Fizikokimyasal özellikleri ve çok çeşitli konsantrasyonları yayılan organik aerosoller evrimi çalışmak için yararlı bir araçtır. Diğer aerosol üretimi sistemleri ile karşılaştırıldığında, akış tüp reaktör hızlı bir şekilde aerosol parçacıkları parçacık sayısı ve kitle konsantrasyonları13, çeşitli yüksek toplu yükleme örnekleme özellikle yararlı olan üretebilir. Akış tüp reaktör de evrim ve büyüme aerosol parçacıklarının üzerinde çalışma sağlayan hareketli bir örnekleyici ile donatılmıştır. Öte yandan, reaktör nispeten kısa ikamet süresi ve yakın çevredeki reaksiyon koşulları taklit yeteneğini sınırlayan bir nispeten yüksek habercisi konsantrasyonu vardır. Geleceğin iş akışı tüp reaktör içeren fotoğraf-oksidasyon akış tüp reaktör içinde yapılabilir böylece iç duvarlar üzerine ultraviyole ışık eklemektir. β-caryophyllene ve olmak limonen,24de okudu gibi yerde diğer VOC Reaktanları için planları vardır.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu malzeme Ulusal Bilim Vakfı çevre kimyasal Bilimler Programı hibe No 1111418, atmosferik Yerbilimleri bölümü, ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) altında altında Kimya Bölümü tarafından desteklenen çalışma üzerine kuruludur 1524731, hem de Harvard öğretim Yayın Ödülü verin. Biz yararlı tartışmalar ve deneyler ile yardım için Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu ve Mikinori adına kabul.

Materials

(-)-α-pinene  Sigma-Aldrich 305715
2-butanol  Sigma-Aldrich 294810
5.00 mL syringe  Hamilton 201300
Aerosol particle mass analyzer Kanomax 3600
Condensational particle counter TSI 3022
Differential mobility analyzer TSI 3081
Heating mantle Cole-parmer WU-36225-10
Mass flow controller MKS M100B
Nafion tube Perma Pure MD-700-24F-1
Nanometer aerosol sampler TSI 3089
Ozone generator Jelight 600
Ozone monitor Ecosensors UV-100
Pressure sensor Omega PX409
RH sensor Rotronic 60587161
Round-bottom, three neck flask Aceglass 6944-04
Scanning electron microscope Zeiss N/A Ultra plus FESEM
Scanning mobility particle sizer TSI 3071A+3772 electrostatic classifier is model 3071A and the condensational particle ocunter is 3772
Silicon substrate University Wafer 1707
Syringe Needle Hamilton 90025 25 G, 2 inch
Syringe pump Chemyx Fusion Touch 200
Temperature sensor and software National Instrument USB-TC01
water circulator Brinkmann RC6
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

  1. Hallquist, M., et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues. Atmospheric Chemistry and Physics. 9 (14), 5155-5236 (2009).
  2. Fehsenfeld, F., et al. Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles. 6 (4), 389-430 (1992).
  3. Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42 (16), 3593-3624 (2008).
  4. Zaera, F. Regio-, stereo-, and enantioselectivity in hydrocarbon conversion on metal surfaces. Acc Chem Res. 42 (8), 1152-1160 (2009).
  5. Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. . Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , (2006).
  6. Duncianu, M., et al. Developement of a New Flow Reactor for Kinetic Studies. Application to the Ozonolysis of a Series of Alkenes. The Journal of Physical Chemistry A. 116 (24), 6169-6179 (2012).
  7. Zhang, Y., et al. Changing shapes and implied viscosities of suspended submicron particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 15 (14), 7819-7829 (2015).
  8. Zhang, Y., et al. Effect of Aerosol-Phase State on Secondary Organic Aerosol Formation from the Reactive Uptake of Isoprene-Derived Epoxydiols (IEPOX). Environmental Science & Technology Letters. 5 (3), 167-174 (2018).
  9. Shrestha, M., et al. On surface order and disorder of α-pinene-derived secondary organic material. Journal of Physical Chemistry A. , (2014).
  10. Tolocka, M. P., Saul, T. D., Johnston, M. V. Reactive Uptake of Nitric Acid into Aqueous Sodium Chloride Droplets Using Real-Time Single-Particle Mass Spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 108 (14), 2659-2665 (2004).
  11. Heaton, K. J., Dreyfus, M. A., Wang, S., Johnston, M. V. Oligomers in the Early Stage of Biogenic Secondary Organic Aerosol Formation and Growth. Environmental Science & Technology. 41 (17), 6129-6136 (2007).
  12. Huang, Y., et al. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: design, fluid dynamics and characterization. Atmospheric Measurement Techniques. 10 (3), 839-867 (2017).
  13. Shrestha, M., Zhang, Y., Ebben, C. J., Martin, S. T., Geiger, F. M. Vibrational sum frequency generation spectroscopy of secondary organic material produced by condensational growth from α-pinene ozonolysis. Journal of Physical Chemistry A. 117 (35), 8427-8436 (2013).
  14. Ng, N. L., et al. Contribution of First- Products to Secondary Organic Aerosols Formed in the Oxidation of Biogenic Hydrocarbons. Environmental Science & Technology. 40, 2283-2297 (2006).
  15. Heuchel, M., et al. Evaluation of the energy distribution function from liquid/solid adsorption measurements. Langmuir. 9 (10), 2547-2554 (1993).
  16. Sefler, G. A., Du, Q., Miranda, P. B., Shen, Y. R. Surface crystallization of liquid n-alkanes and alcohol monolayers studied by surface vibrational spectroscopy. Chemical Physics Letters. (3-4), 347-354 (1995).
  17. Li, G., Dhinojwala, A., Yeganeh, M. S. Interfacial structure and melting temperature of alcohol and alkane molecules in contact with polystyrene films. The Journal of Physical Chemistry B. 113 (9), 2739-2747 (2009).
  18. Ehara, K., Hagwood, C., Coakley, K. J. Novel method to classify aerosol particles according to their mass-to-charge ratio-aerosol particle mass analyser. Journal of Aerosol Science. 27 (2), 217-234 (1996).
  19. Kuwata, M., Zorn, S. R., Martin, S. T. Using elemental ratios to predict the density of organic material composed of carbon, hydrogen, andoxygen. Science & Technology. (2), 787-794 (2011).
  20. Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
  21. Zhang, Y., et al. Kinetically Controlled Glass Transition Measurement of Organic Aerosol Thin Films Using Broadband Dielectric Spectroscopy. Atmos. Meas. Tech. 11 (6), 3479-3490 (2018).
  22. Liu, P., Zhang, Y., Martin, S. T. Complex refractive indices of thin films of secondary organic materials by spectroscopic ellipsometry from 220 to 1200 nm. Environmental Science & Technology. 47 (23), 13594-13601 (2013).
  23. Wang, Z., et al. The dynamic shape factor of sodium chloride nanoparticles as regulated by drying rate. Science and Technology. 44 (11), 939-953 (2010).
  24. Cui, T., et al. Development of a Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography (Hilic) Method for the Chemical Characterization of Water-Soluble Isoprene Epoxydiol (Iepox)-Derived Secondary Organic Aerosol. Environmental Science: Processes & Impacts. , (2018).

Tags

Flow Tube ReactorOrganic Particulate MatterAerosol ParticlesParticle NumberMass ConcentrationScanning Mobility Particle SizerAerosol Particle Mass SpectrometerParticle FiltersParticle ProductionParticle FormationParticle GrowthCoagulationCondensationOrganic PrecursorVaporizationResidence Time

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artículo
Zhang, Y., Liu, P., Gong, Z., Geiger, F. M., Martin, S. T. Production and Measurement of Organic Particulate Matter in a Flow Tube Reactor. J. Vis. Exp. (142), e55684, doi:10.3791/55684 (2018).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image