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Medio ambiente

Production et mesure des particules organiques dans un réacteur à flux Tube

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

Cet article décrit la procédure d’exploitation de réacteur tubulaire de flux et de collecte de données connexes. Il montre les protocoles définissant les expériences, enregistrement de données et générer la distribution du nombre de diamètre ainsi que l’information de masse de particule, qui donne des informations utiles sur les propriétés chimiques et physiques des aérosols organiques.

Abstract

Organiques matières particulaires (MP) est de plus en plus reconnu comme important pour le système climatique de la terre ainsi que la santé publique dans les zones urbaines, et la production de particules synthétiques pour les études en laboratoire sont devenues une nécessité généralisée. Dans les présentes, protocoles expérimentaux démontrent des approches pour produire des aérosols de particules organiques par ozonolyse de α-pinène dans un réacteur à flux tube. Méthodes sont décrites pour mesurer les distributions de taille et la morphologie des particules aérosols. La vidéo montre les opérations de base du réacteur à flux tube et instruments connexes. La première partie de la vidéo montre la procédure de préparation des réactifs en phase gazeuse, ozonolyse et la production de particules organiques. La deuxième partie de la vidéo montre les modalités de détermination des propriétés de la population de particules produites. Les distributions de nombre-diamètre de particule montrent les différentes étapes de croissance des particules, nommément condensation, coagulation ou une combinaison des deux, selon les conditions de réaction. La morphologie des particules se caractérise par un analyseur de masse de particule d’aérosol (APM) et un microscope électronique à balayage (SEM). Les résultats confirment l’existence de particules non sphériques qui sont passées de coagulation pour des conditions de réaction spécifique. Les résultats expérimentaux indiquent également que le réacteur tube peut être utilisé pour étudier les propriétés physiques et chimiques des particules organiques à des concentrations relativement élevées et de courts délais.

Introduction

Les composés organiques volatils (COV) émis par la biosphère et anthropique subissent des réactions dans l’atmosphère avec les oxydants (tels que l’ozone ou des radicaux OH) pour produire des composés oxygénés secondaire1,2. Certains de ces composés, en raison de leur faible volatilité, en fin de compte contribuent à la concentration en masse de l’atmosphère PM1,3,4. Les particules atmosphériques ont des effets importants sur le climat, la santé humaine et visibilité de5. Les mécanismes de production de particules organiques, cependant, restent insuffisamment caractérisée et on l’entend, qualitativement et quantitativement, à prédire le nombre et les concentrations massiques ainsi que les propriétés physiques et chimiques. Une approche visant à combler cette lacune consiste à réaliser des études de laboratoire utilisant des réacteurs de tube de flux pour imiter les processus de production de particules organiques atmosphériques, ainsi facilitant mécaniste, processus et des études de caractérisation de la MP6 ,7,8,9,10,11,12. Le réacteur tube permet la synthèse rapide des particules d’aérosol pour une variété de nombre de particules et les concentrations massiques13.

La présente étude décrit, grâce à l’utilisation de matériel vidéo, la production de particules organiques comme particules submicroniques de l’ozonolyse d’un monoterpène atmosphérique dominant (à savoir α-pinène) dans un réacteur à flux tube, qui a d’abord été décrit dans Shrestha et al. 13 brièvement, le tube d’écoulement a été fait de verre avec un diamètre intérieur de 48,2 mm et une longueur de 1,30 m. Le tube d’écoulement était exploité un peu au-dessus de la pression ambiante dans le régime d’écoulement laminaire (nombre de Reynolds de 9,4 ± 0,5) et avec un temps de résidence de 38 ± 1 s 14. La température a été fixée à 25 ± 1 ° C en utilisant un refroidisseur de recirculation à l’écoulement de l’eau dans une boîte personnalisée double couche celui abritant le réacteur de tube de flux.

Un tracé schématique du système flux tube réacteur est illustré à la Figure 1. Un générateur d’air pur est utilisé pour générer l’air ultra pure qui passe par un générateur d’ozone, la production de 200 à 500 ppm d’ozone. Un flux d’air pur à 0,50 sLpm supplémentaire est utilisé pour évaporer les α-pinène injecté par un injecteur seringue dans un ballon à fond rond. Α-pinène est prémélangée avec 2-butanol, à un taux de dilution de 01:5015,16,17 avant étant retiré à l’injecteur seringue, car 2-butanol peut agir comme un piège OH pour s’assurer que l’ozonolyse a été la seule réaction survenant à l’intérieur du tube de flux. Le ballon a été chauffé à 135 ± 1 ° C, permettant une évaporation rapide des composés organiques injectées. Le flux de α-pinène et de l’ozone entrées étaient également disposées perpendiculairement à l’autre pour induire la turbulence et le mélange rapide au point d’injection. La sortie du tube de débit a été divisée entre prélèvement d’échantillons, mesures de distribution de taille (par le sizer balayage des particules de mobilité-SMPS), mesure de densité des particules et gaz d’échappement. Conditions de réaction sont variées pour contrôler la contribution relative de la condensation par rapport à la coagulation pour croissance des particules. La sortie du tube de flux doit avoir au moins une ligne reliant à aspirante en plein air, pour s’assurer qu’il n’est pas possible d’accumuler la pression à l’intérieur du tube d’écoulement et le ballon même dans des conditions expérimentales incorrects. Les caractéristiques de la population de particules produites peuvent ainsi être finement ajustés. Le réacteur tube est équipé d’un échantillonneur mobile permettant d’échantillonnage des particules organiques à des moments différents dans sa production. La distribution de nombre-diamètre de la population de particules produites est mesurée à diverse longueur du tube de flux. Un APM mesure la distribution de masse de particule et la forme dynamique facteur7,18,19, qui donne des informations sur la morphologie et d’autres propriétés physiques de la population de particules produites. 20 , 21 les particules sont également recueillies sur un échantillonneur de particules nanométriques pour l’imagerie en mode hors connexion par une SEM7,22. Il en découle que le réacteur de tube d’écoulement est un milieu approprié pour leurs expériences de l’ozonolyse et rapide en ligne et hors ligne analyse des particules produites qui y sont.

Protocol

1. Phase gazeuse Injection du flux Tube réacteur Injection de précurseurs organiquesRemarque : Tous les équipements et les logiciels utilisés lors de l’expérience se trouvent dans la Table des matières. Selon le but des expériences, une large gamme de composés organiques volatils peut servir comme le précurseur organique pour l’expérience. Α-pinène est utilisé ici comme un exemple pour la procédure d’injection le précurseur organique dans le réacteur de tube de flux. Utiliser une micropipette pour obtenir 1,00 mL de α-pinène. Transférer le liquide dans une fiole jaugée de 50,00 mL. 2-butanol permet de remplir la fiole jaugée à 50,00 mL, diluant ainsi le α-pinène par un ratio de 01:50. Agiter la fiole jaugée pour homogénéiser le solvant et le soluté. Utiliser une seringue (5,00 mL) de retirer la solution α-pinène. Rincer la seringue trois fois avec la solution et puis remplissez-le avec solution. Connecter la seringue d’une aiguille fine (calibre 25, 2-pouces de long). Placer la seringue sur un injecteur à seringue. Insérez l’extrémité de l’aiguille dans un ballon à fond rond vaporisateur (25 mL). Pré-chauffer le flacon vaporisateur à 135 ± 1 ° C par chauffage de bande. Introduire un léger courant d’air de sLpm purifiée 0,5 à vaporiser et emporter les α-pinène injecté de la seringue. Connecter le générateur d’air purifié à la même alimentation que le ruban chauffant pour éviter le ballon de chauffage si l’alimentation en air pur est arrêtée. Allumez l’injecteur seringue et régler le débit d’injection à une valeur appropriée. Calculer le débit d’injection en appliquant le taux d’écoulement de gaz, la concentration de COV souhaitée et la taille de la seringue à l’équation de Clausius-Clapeyron. Par exemple, pour un débit total de 4,5 sLpm, pour atteindre 125 ppm de le α-pinène exigerait d’un taux d’injection de 11,7 μL/h de le α-pinène et le mélange de 2-butanol. Veiller à ce que la concentration volumétrique de butanol ou α-pinène est inférieure à 1 % dans le ballon pour éviter la portée de composés organiques la limite d’inflammabilité. Injection d’ozone Passer un flux d’air au sLpm 4.00 par un générateur d’ozone. Allumez le générateur d’ozone. Contrôle de la concentration d’ozone à des valeurs appropriées en ajustant la longueur du tube de verre protégeant la lampe UV à l’intérieur de la génératrice. L’ozone et les ratios de COV peuvent varier entre deux ordres de grandeur selon le but de l’expérience. Si COV est nécessaire pour faire réagir pleinement durant l’expérience, la concentration d’ozone devrait être environ 10 fois supérieure à la concentration de COV pour maintenir l’ozone en excès. Mettez le moniteur de concentration d’ozone et connectez l’analyseur d’ozone à l’ordinateur. À l’aide d’un logiciel lecteur de terminal pour accéder à l’affichage du moniteur d’ozone et d’enregistrer les données obtenues de l’analyseur d’ozone (Figure 2). Réaliser les expériences après que la concentration d’ozone se stabilise. 2. particule Production du flux Tube réacteur Réglage du temps de séjour Dévisser le bouchon à la fin de la réacteur tube pour ajuster la position de l’échantillonneur mobile tube à l’intérieur du réacteur tube de flux. Changer les positions différentes de l’échantillonneur mobile tube par la suite pour atteindre des temps de résidence différent de 3 s à 38 s10. Au cours de chaque expérience, changez la position de l’échantillonneur mobile pour ajuster le temps de séjour des particules produites à l’intérieur du réacteur tube de flux. Positionner l’échantillonneur mobile au début de la réacteur tube (0,10 m de l’entrée de gaz) pour obtenir le temps de séjour plus court (3 s). Positionner l’échantillonneur mobile à la fin de la réacteur tube (1,30 m de l’entrée de gaz) pour obtenir le temps de séjour plus long (38 s). Contrôle de la température pour la production de particules Maison du réacteur tube de flux dans une boîte en acier inoxydable thermorégulées, double paroi, Carter. Effectuer un contrôle de fuite et un contrôle de niveau d’eau avant chaque série d’expériences. Régler la température du thermostat dans le circulateur d’eau pour 20,0 ° C.Remarque : La température au cours d’une expérience varie de pas plus de 0,1 ° C. Activer la logiciel d’enregistrement dans l’ordinateur principal de la température et le temps d’échantillonnage des données de la valeur à 10 s (Figure 3). La sonde de température est située au point central du tube de flux. Démarrer la consignation de la température mesurée par le capteur de température lorsque vous allumez le bouton enregistrer . Noter la température pendant 4 à 6 h. stabiliser la température avant de procéder à l’expérimentation.Remarque : La fluctuation de la température du réacteur tube débit est inférieur à ± 0,1 ° C durant une période de 24 heures. La système de surveillance de la pression Connectez un moniteur de pression à la sortie de tube de débit grâce à un connecteur de ¼ de pouce et de l’ordinateur principal Le logiciel de surveillance de pression (Figure 4) s’allume et puis cliquez sur fichier | Nouveau | Intervalle de temps/échantillon pour définir l’intervalle d’échantillonnage de 10 s. Cliquez sur Les Points de données Total pour régler la durée de l’échantillonnage à 36 000 points. Cliquez sur OK pour enregistrer les données.Remarque : La pression de sortie reste dans ± 0,01 atm pendant une période de 24 heures, ce qui indique la pression dans le tube d’écoulement est stable. 3. caractérisation des particules produites Population du flux Tube réacteur Distributions du nombre-diamètre Raccorder la sortie du réacteur tube flux un balayage sizer de particule de mobilité (SMPS) par tubes électrostatiques résistant. Un instrument similaire permet également de mesurer les distributions de nombre de diamètre au lieu du SMPS.Remarque : Les procédures opérationnelles détaillée ou le dépannage de la SMP se trouvent dans son manuel. Démarrez le logiciel qui enregistre la répartition du nombre de diamètre. Créez un nouveau fichier en cliquant sur Créer un nouveau fichier. Définir chaque paramètre illustré à la Figure 5. Enregistrer les distributions de nombre-diamètre des particules sortant du réacteur tube de flux en cliquant sur le bouton OK . Contrôle de l’humidité relative Connectez les deux entrées d’un barboteur à eau pour deux contrôleurs de débit massique (MFCs) afin d’ajuster le taux d’humidité de l’air de la gaine dans le tube d’écoulement. Régler le débit des deux arrivées de 0-10 sLpm afin de modifier l’humidité relative de l’air de la gaine de 95 %. Raccorder la sortie du barboteur l’eau à l’entrée d’air gaine du tube membrane perméable. Raccorder la sortie du réacteur tube de flux à l’entrée principale d’échantillonnage d’un même tube de membrane perméable. Raccorder un capteur d’humidité relative (HR) à la sortie du tube de membrane perméable pour mesurer l’humidité relative de l’air de prélèvement. Démarrer le RH mesuré le programme en cliquant sur le bouton Démarrer , entrer le nom du fichier et en cliquant sur le bouton enregistrer pour enregistrer les données RH. Masse et facteur de forme dynamique des particules SOM Raccorder la sortie de l’installation de contrôle d’humidité relative à l’entrée d’un analyseur de mobilité différentielle (DMA) avec un tube électrostatique résistant à trois-pieds de long. Raccorder la sortie de la DMA à l’entrée de l’instrument de l’APM par un pieds de long tubes électrostatiques résistant. Raccorder la sortie de l’APM à un compteur de particules de condensation (CPC).Remarque : Les procédures opérationnelles détaillées ou le dépannage du DMA et CPC se trouvent dans son manuel. Allumez l’instrument de l’APM et le boîtier de commande APM en appuyant sur les boutons d’alimentation respectifs. Cliquez sur la touche de la télécommande sur le boîtier de commande APM afin que l’instrument peut être piloté depuis l’interface du logiciel dans l’ordinateur. Activer le logiciel de contrôle d’APM. Charger un fichier de balayage préréglé en cliquant sur les boutons de fichier et de charge (Figure 6). Cliquez sur le bouton de démarrage du logiciel de contrôle APM afin que l’instrument APM commence à collecter des données. Collecte de particules provenant du réacteur de tube d’écoulement Raccorder la sortie de tube de flux à un échantillonneur d’aérosol nanomètre (NAS) par une tubulure électrostatique résistant à trois-pieds de long. Nettoyer un substrat de silicium (premier grade, résistance 1-10 Ω∙cm) par un cycle de méthanol, eau et méthanol. Sécher le substrat à l’aide d’un léger courant d’azote. Placez le substrat nettoyé sur l’électrode du NAS. Fixez le bord du substrat avec du ruban pour maintenir stable pendant la collection22. Tourner sur le NAS. Régler la tension de -9,9 kV. Régler le débit à 1,8 l/min. Allumez l’appareil d’échantillonnage de courir pendant 12 à 36 h. ensuite, enlever le substrat de silicium chargé de particules collectées depuis le NAS. Lancer d’autres analyse de particules sur le substrat, tels que la morphologie par SEM7 ou surface analyse9.

Representative Results

Une matrice des conditions de réaction est résumée dans le tableau 1. Il y a une gamme de nombre et les concentrations massiques de particules organiques qui peuvent être produites selon le sélectionné α-pinène et de concentrations d’ozone13. Par exemple, comme indiqué dans le tableau 1, lorsque la concentration d’ozone est de 43 ppm, variant la concentration de le α-pinène de 0,125 à 100 ppm pourrait produire (4.4 ± 0,6) × 105 à (9,1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 et la masse des concentrations de 101 à 104 µg∙m-3, respectivement. L’évolution des caractéristiques dynamiques de la population de particules peut être étudiée à l’intérieur du réacteur tube de flux. Au moyen de la vidéo de démonstration, une expérience a été menée à l’aide de 50 ± 1 ppm d’ozone et de 125 ppm de le α-pinène. La position longitudinale de l’échantillonneur de particules à l’intérieur du tube de flux autorisés d’échantillonnage à divers moments de 3,0 ± 0,2 à 38 ± 1 s. Figure 7 montre la distribution de nombre-diamètre de la population de particules d’aérosol pour cette expérience. La concentration totale en nombre et le diamètre des particules de mode augmentaient avec le temps de résidence. Pour un temps de résidence de 3 s, pas de particules ont été détectés. Pour des temps de séjour plus longues, une population de particules a été obtenue et mesurée. Le diamètre de la mode est passée de moins de 10 nm à environ 50 nm pour une augmentation des temps de séjour de 17 ± 0,5 s à 38 ± 1 s. La concentration en nombre correspondante est passée (8,6 ± 0,5) × 10,4 cm-3 (2,56 ± 0.07) × 105 cm3. Exemples des distributions masse nombre enregistrées dans les trois expériences répétées par le paramétrage de l’APM sont indiquées à la Figure 8. Les diamètres de masse et de la mobilité des particules ont été utilisées pour calculer le facteur de forme dynamique, χ, à travers de la sous-population de particules. Le χ de facteur de forme dynamique est le rapport entre la force de traînée sur une particule réelle divisée par la force de traînée subie par une sphère de volume équivalent23. Facteurs de forme de particules sphériques presque approchent l’unité tandis que les particules hautement asphériques ont significativement plus grands facteurs de forme. La figure 9 illustre les facteurs de forme dynamique des particules sortant le tube d’écoulement à différents diamètres de mobilité et d’humidité. Le respectifs χ valeurs pour < 5 % RH ont été 1,21 ± 0,02, 1,09 ± 0,02 et 1,08 ± 0,02 (incertitude de celui-sigma), ce qui laisse supposer que les populations de particules ont été composées en grande partie des particules non sphériques. Lorsque l’humidité relative était augmentée, χ a diminué pour les trois populations, atteignant une valeur finale de 1,02 ± 0,01 à 35 % d’humidité relative et correspondant au sein de l’incertitude pour des particules sphériques. La figure 10 illustre des particules exposés à des images de SEM < 5 % RH (colonne de gauche) et 80 % RH (colonne de droite). Les images indiquent que les particules non sphériques devient ronds après exposition à une humidité relative élevée, comme nous le verrons en détail dans Zhang et al. 7. les résultats ci-dessus indiquent que le réacteur tube est capable d’effectuer différents types d’analyses en ligne et hors ligne. Figure 1 . Un diagramme de flux du système flux tube réacteur. Les lignes rouges montrent le flux contenant de l’ozone, les lignes bleues clair montrant le flux contenant les α-pinène et les lignes bleus foncés montrant le flux des particules organiques. Le système APM se composent d’un DMA, un APM et un CPC qui sont reliés entre eux. Ce chiffre est déjà paru dans Shreatha et al. 13 et il est reproduit ici avec la permission. Figure 2 . Interface utilisateur graphique pour la couche d’ozone, suivi et enregistrement programme. Figure 3 . Interface utilisateur graphique pour la température, surveillance et enregistrement programme. Figure 4 . Interface utilisateur graphique pour la pression de surveillance et d’enregistrement programme. Figure 5 . Interface utilisateur graphique pour le programme de distribution de diamètre nombre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 6 . Interface utilisateur graphique pour le programme APM. Figure 7 . Taille de répartition de la population de particules dans le tube d’écoulement à des moments différents résidence. Les concentrations totales de numéro pour chaque granulométrie sont 1,69 × 10-1, 7.50 × 103, 8.58 × 10,4, 2,00 × 105, 2,33 × 105et 2,56 × 105 particules cm-3 pour les temps de résidence de 3, 10, 17, 25, 32 et 38 s, respectivement. Les zones ombrées sont l’écart type de la distribution granulométrique. Ce chiffre est déjà paru dans Shreatha et al. 13 et il est reproduit ici avec la permission. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 8 . Un exemple de la distribution numéro-masse, mesurée en utilisant le système de DMA-APM. Résultats des trois expériences répétées sont indiqués afin de démontrer la reproductibilité. 2-sigma incertitude est représenté par les barres d’erreur, qui sont environ la même taille que les marques de données. Les lignes représentent les ajustements d’une distribution normale aux données. L’axe des abscisses sont calculé selon la vitesse de rotation de APM et la tension appliquée entre les parois des cylindres APM. Les particules illustrés dans le complot ont été produites à partir de 700 ppb α-pinène et 14 ppm d’ozone. Un diamètre de la centrale de mobilité de 126,0 nm a été sélectionnée par le DMA. Ce chiffre est déjà paru dans Zhang et al. 7 et il est reproduit ici avec la permission. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 9. Facteur de forme dynamique pour augmenter l’humidité relative. Groupe A: particules produites de 700 ppb α-pinène et 14, 25 et 30 ppm d’ozone pour les populations de particules ayant des diamètres de mobilité central 126,0 175,0 et 190,0 nm, respectivement. La durée d’exposition à l’humidité relative était de 310 s. Dans chaque panneau, les barres d’erreur représentent deux sigma de déviation standard. Ce chiffre est déjà paru dans Zhang et al. 7 et il est reproduit ici avec la permission. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. Figure 10. Images de SEM des particules provenant de 700 ppb α-pinène et échantillonnées pour un diamètre de la centrale de mobilité de 180,0 nm. Les particules d’aérosols ont été prélevés sur le substrat de silice pendant 12 h et ensuite recouvert de 5 nm Pt/PD. La tension pour le faisceau d’électrons était de 5 kV et la distance de travail a été de 2,3 mm. colonne 1 spectacles dimère, trimère et agglomérats d’ordre supérieur des monomères granulaires pour < 5 % HR. Cercles rouges identifient les monomères. Colonne 2 spectacles près des particules sphériques qui ont été prélevés après une exposition à 80 % RH suivi par séchage à < 5 % HR. Ce chiffre est déjà paru dans Zhang et al. 7 et il est reproduit ici avec la permission. O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2 Α-pinène (ppm) 0.125 ± 0,003 Num. conc. 0 (1±1) × 102 (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105 Conc. Mass. 0 (3±5) × 10-2 15±5 11±3 20±2 Diamètre de mode 0 22±4 60±5 35±3 34±2 St. déviation de Geo. N/A 1.2 1.3 1.3 1.5 1,00 ± 0,03 Num. conc. 0 (3.1±0.9) × 102 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105 Conc. Mass. 0 (9±3) × 10-3 61±9 (52±0.1) × 102 (66±0.1) × 102 Diamètre de mode 0 33±7 86±6 84±3 85±19 St. déviation de Geo. N/A 1.3 1.4 1.5 1.7 10.0 ± 0. 3 Num. conc. (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 106 Conc. Mass. 0* (1.6±0.2) × 102 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 104 (1.57±0.02) × 104 Diamètre de mode 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5 St. déviation de Geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5 100 ± 3 Num. conc. (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 Conc. Mass. 35±3 (8.6±0.1) × 102 (1.3±0.1) × 104 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105 Diamètre de mode 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4 St. déviation de Geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1,9 Le tableau 1. Numéro de concentrations (cm-3), les concentrations massiques (µg m-3), diamètre de mode (nm) et écart type géométrique de diamètre des particules produites par ozonolyse de α-pinène. Une masse volumique de 1200 kg∙m3 a été utilisée pour la conversion des concentrations de volume à des concentrations de massives et le temps de séjour était de 38 s pour toutes les expériences. * Bien que les particules étaient présents, la concentration en masse était inférieure au seuil de détection. Ce tableau est déjà paru dans Shreatha et al. 13 et il est reproduit ici avec la permission.

Discussion

En ajustant les conditions dans le réacteur à flux tube, particules a large gamme de SOA avec concentrations numéros bien définies et de masse peuvent être produites. Le mécanisme de croissance peut aussi être modifié entre les modes de croissance coagulantes, formant des particules de différentes formes et de croissance de condensation. Les étapes cruciales dans le protocole comprennent le maintien d’une température stable relative du réacteur tube de flux et de stabiliser la concentration de l’ozone sur le générateur d’ozone. Il est également important de noter que la position de l’injecteur mobile doit être soigneusement consignés chaque fois pour que le temps de séjour resterait la même quand on répète les expériences.

Si la concentration de particules provenant du réacteur tube de flux semble être différent de celui attendu, plusieurs procédures de dépannage peuvent être exécutées. Un examiner étanche à l’air du réacteur tube de flux peut être effectuée tout d’abord. Suite à l’examen hermétique, l’instrument de mesure du nombre-diamètre doit être vérifiée afin d’exclure toutes les possibilités de défaillance potentiels comme l’encrassement à l’entrée et l’appauvrissement de la couche de butanol-1 solution pour CPC.

Le réacteur tube décrit ci-dessus est donc un outil utile pour étudier les propriétés physicochimiques et évolution des aérosols organiques couvrant un large éventail de concentrations. Par rapport aux autres systèmes de génération d’aérosols, le réacteur tube peut rapidement produire des particules d’aérosol pour une variété de nombre de particules et les concentrations massiques13, qui est particulièrement utile dans l’échantillonnage de la grand-messe-chargement. Le réacteur de tube d’écoulement est également équipé d’un échantillonneur mobile, permettant l’étude sur l’évolution et la croissance des particules aérosols. En revanche, le réacteur a un temps de séjour relativement court et une concentration relativement élevée de précurseur, qui limite sa capacité à simuler les conditions de réaction clôture à-de l’air ambiant. Travaux futurs concernant le réacteur tube consiste à ajouter un éclairage ultraviolet sur les murs intérieurs afin que les réactions d’oxydation photochimique peuvent être effectuées dans le réacteur tube. Plans sont en place pour les autres réactifs de COV, tels que les β-caryophyllène et le limonène, être étudié ainsi24.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce matériel est basé sur le travail soutenu par la National Science Foundation chimiques Sciences environnemental dans la Division de la chimie sous Grant no 1111418, la Division atmosphérique-sciences de la terre de l’US National Science Foundation (NSF), sous numéro de licence 1524731, ainsi que Harvard Faculty Award de la Publication. Nous reconnaissons Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu et Mikinori Kuwata pour des discussions fructueuses et d’assistance avec les expériences.

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
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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).

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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).
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