이 신문은 하버드 환경 챔버 (HEC) 및 가스 측정 및 입자 종에 대 한 관련된 계측에 대 한 작업 절차를 설명 합니다. 환경 챔버는 생산 보조 유기 종 유기 선구자, 특히와 관련 된 대기 유기 미 립 자 물질에서에서 생산을 연구 하는 데 사용 됩니다.
생산 및 대기 유기 미 립 자 물질 (PM)의 진화는 충분히 이해 하지 기후 및 대기 화학의 정확한 시뮬레이션에 대 한. 복잡 한 생산 메커니즘 및 반응 경로 확인이 어려운 연구 주제. 이러한 문제를 해결 하려면 보조 유기 물질에 대 한 충분 한 체류 시간 및 선구자의 닫기-주변 농도 제공 하는 환경 챔버를 필요 합니다. 하버드 환경 챔버 (HEC) 휘발성 유기 화합물 (Voc)에서 가스 및 입자 상 종의 생산 시뮬레이션이 필요를 봉사 하기 위하여 건축 되었다. HEC는 4.7 m3 의 볼륨과 일반적인 동작 조건에서 3.4 h의 평균 체류 시간. 그것은 완전히 혼합된 흐름 반응 기 (CMFR), 샘플 수집 및 데이터 분석에 대 한 일간에 걸쳐 무기한 안정 상태 작업의 가능성을 제공으로 운영 한다. 작업 절차는이 문서에 자세히 설명 되어 있습니다. 여러 종류의 계측 생산된 가스 및 입자 특성화 하는 데 사용 됩니다. 고해상도 졸 싸움의 시간 질량 분석기 (HR-ToF-AMS) 입자를 특성화 하는 데 사용 됩니다. 양성자 이전 반응 질량 분석기 (PTR-MS)는 가스 분석을 위해 사용 됩니다. 예제 결과 환경 챔버를 사용 하 여 다양 한 물리 화학적 특성 및 유기 대기 미 립 자 물질의 반응 메커니즘에 관련 된 응용 프로그램에에서 표시 되 게 됩니다.
대기 유기 미 립 자 물질 (PM) 휘발성 유기 화합물 (Voc) 방출 생물권 및 인류 기 원론 활동1,2의 산화에서 생산 됩니다. 이들의 중요 한 효과도 불구 하 고에 어로 졸 입자 기후, 인간의 건강, 및 가시성3, 생산 메커니즘에 남아 불완전 하 게 이해 하 고 특징, 둘 질적 및 양적. 실험실 연구는 반드시 제한 된 범위 및 시간, 한 과제는 가스 및 입자 상 종의 대기 진화 시뮬레이션 이다. 거주 시간 충분히 주변 환경4,,56,7에서 마찬가지로 산화 및 위상 반응 가스와 입자 단계에서 화합물 받을 수 있어야 8. 또 다른 도전은 충분히 나타내는 주변 환경9,,1011낮은 농도에서 실험실에서 일 것입니다. 많은 중요 한 프로세스는 농도 함께 규모. 예를 들어, 실험실 실험에서 유기 오후의 지나치게 높은 질량 농도 입자 단계 가스 단계에서 semivolatile 종의 분할 잘못 이동할 수 있다. 가스 및 입자 단계 구성 대기 조건 대표 될 수 있다. 하버드 환경 챔버 낮은 농도 시간과 긴 통합 수 있도록 주로 무기한 날짜 표시줄 아래 운영 연속 흐름 구성의 방법을 사용 하 여 이러한 문제에 대응 하도록 설계 되었습니다. 신호 탐지입니다. 실로 2018에서 과학적 발견의 12 년의 이정표 주년을 맞는다.
환경 챔버 광원 흐름 시스템, 크기와 함께 운영 하는 챔버의 수에 따라 다릅니다. 인공 빛14,15,,1617,18 함께 작동 하는 실내 챔버로 서 자연 햇빛12,13 받을 야외 챔버 있다 ,19,,2021. 야외 챔버도 만들 수 있습니다 벽 효과 의해 도입 될 수 있는 비교적 큰, 최소화 아티팩트 도전 구름으로 온도 차이 때문에 조명의 변화를 포함. 실내 챔버 온도 및 상대 습도 신중 하 게 제어할 수, 강도와 인공 빛에서 스펙트럼은 일반적으로 특정 광화학 반응14에 영향을 미칠 수 있습니다 천연 햇빛 다릅니다. 실 배치 원자로 또는 완전히 혼합된 흐름 반응 기 (CMFR)22로 동작할 수 있습니다. 배치 원자로 일반적으로 운영 하 고 유지 하기 쉽습니다 하지만 CMFR 신호 통합에 대 한 허용 하 고 그로 인하여 낮은, atmospherically 관련 농도에서 작업 필요에 따라 주 동안 작동 될 수 있다.
여기, 하드웨어 및 하버드 환경 챔버 (HEC)7,23,,2425 의 운영 세부 사항에 설명 합니다. 상수-온도 챔버 내부 보관 4.7 m3 PFA 테 플 론 가방 이루어져는 HEC (2.5 × 2.5 × 2.75 m3)26. 반사 알루미늄 시트 가방을 통해 다중 조명 및 광화학의 속도 증가 챔버의 내부 벽을 커버. 현대 건설은 21 sLpm의 총 유량을 사용 하 고 해당 3.4 h27의 평균 체류 시간 하 CMFR로 운영 한다. 온도, 습도, 및 오존 농도 피드백 제어에 의해 유지 됩니다. 염화 황산 염 입자 씨 입자 주변 환경에서 무기 입자에 유기 구성 요소의 응축을 모방 하기 위해 사용 됩니다. 무기 황산 염 입자의 모드 직경 100-200 nm 시뮬레이션 분야28에서 측정 하는 입자 크기를 선택 합니다. 작업 절차는 시각적 프레 젠 테이 션, 응용 프로그램 및 연구 결과 현대 건설의 간단한 토론에 의해 다음을 포함 하 여 여기, 프로토콜 섹션에서 설명 합니다.
형성 하 고 유기에 어로 졸의 진화를 이해에 증가 중요성 잘 제어 된 환경에서 이러한 프로세스를 시뮬레이션 환경 챔버를 구성 하는 충 동을 리드. 현재, 대부분의 환경 챔버는 기반 배치 반응 기 모드19,31,32,,3334 에 지속적으로 혼합 사용 하는 거의 약 실 있다 반응 기 모드15,35. 연속 흐름 반응 기 모드에서 환경 챔버 연속에 어로 졸에 대 한 일 또는 심지어 주 샘플링 하 여 주변 같은 농도에서 편의 제공 한다. 그것은 주위 조건에 잘 제어 된 실험실 설정 보다 훨씬 더 복잡 한 지적 가치가 있다입니다. 예를 들어, 주위의 온도 변동 챔버에 그것은 상수 값에 유지 하는 동안. 가스와 챔버에 입자의 반응 시간 제어 하 고 도달 일의 현실 세계에서 반응 시간 보다는 챔버의 거주지에 의해 제한 됩니다. Blacklights 자연 태양 복사, 대신를 사용 하 여도 오 래 디 칼 생성 하 고 주위에 반응을 시뮬레이션 수 있습니다. 하지만 때때로 blacklight 유기 분자의 산화 상태에 영향을 미칠 수 있습니다 하 고 신중 하 게 검사 하는 주변 환경에 비해 오 radicles의 높은 농도에 지도할 수 있다. 그러나, 단 하나 또는 두 개의 변수를 조정 하 고 제어 환경 챔버를 통해 다른 모든 변수, 우리가 체계적으로 이러한 화학/물리적 프로세스 공부할 수 있습니다.
지속적으로 혼합 챔버 운영에 중요 한 단계 중 하나는 최적의 범위 내에서 챔버의 내부 압력을 유지 것입니다. 챔버 내에 고압 챔버 내에서 낮은 압력 챔버에 실험실에서 공기와 입자를 빨 아 하 고 오염 발생 가스와 입자는 상공에서의 누수 발생 합니다. 압력 게이지 안전 값 이내 챔버의 압력을 모니터링 하는 데 필요한 (< 5 Pa) 실험 과정을 통해. 환경 챔버에 대 한 또 다른 일반적인 관찰된 문제는 예상치 못한 유기 입자 자체 nucleation. 낮은 VOC/산화 제 주입 속도 또는 높은 씨 입자 농도이 현상을 피하기 위해 필요 합니다. 실험의 목적에 따라 오존, 휘발성 유기 화합물, 및 씨 입자의 농도 1 개의 크기 순서에 의해 달라질 수 있습니다. F주입, 챔버에 주입 하는 각 종족의 흐름 속도 계산 하는 다음 방정식을 사용할 수 있습니다.
(1)
어디 c대상 및 c초기 각 챔버 내부에 반응의 최종 목표 농도 및 소스에서 생성 되는 반응의 초기 농도 나타냅니다. 기호 f총 챔버로 주입 했다 모든 종족의 전체 흐름을 나타냅니다.
성공적으로 환경 챔버를 운영 하 고 결과 얻기 위한 세 번째 중요 한 단계는 실험 하기 전에 각 악기를 보정 하는 것입니다. SMPS 시스템 PSL 입자36의 알려진된 크기를 주입 하 여 측정 될 수 있다. 아니x 및 오존 분석기 5 ppm 아무 실린더를 N2, 그리고 10 ppm 오존 의해 N2를 각각26희석의 희석을 사용 하 여 보정 됩니다. AMS와 PTR-MS에 대 한 교정 절차 복잡 및 악기 매뉴얼 또는 이전 문학27,37에서 찾을 수 있습니다.
위에서 설명한 환경 챔버 설치만이 아니라 생산 및 유기에 어로 졸의 진화를 공부 하 고 적합도 유기 코팅으로 가스를 주입 하 여 가스 위상 반응 검사와 다양 한 입자 코팅에 적용 선구자만. 이러한 여러 방향 환경 챔버 공기 질, 기후 변화와 인간의 건강 주제에 관련 된 연구 분야의 다양 한 공부에 유연성을 제공 합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 자료는 화학의 부의는 미국 국립 과학 재단 (NSF) 미국 국가 과학의 보조금 번호 1111418, 대기 GeoSciences 부문에서 환경 화학 과학 프로그램에서 지 원하는 작업 기반 보조금 번호 1524731, 재단 (NSF) 뿐만 아니라 하버드 교수 출판 상. 우리는 펑 페이 리 우, 치 첸, 유용한 토론 및 실험, 지원에 대 한 Mikinori Kuwata 뿐만 아니라 비디오의 voiceover를 줘 에릭 Etcovitch을 인정 합니다.
(-)-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 | National Instrument | USB-TC01 | |
water circulator | Brinkmann | RC6 |