JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
환경과학

Herstellung und Messung von organischen Partikeln in einem Flow Rohrreaktor

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

Dieses Whitepaper beschreibt die Vorgehensweise für die Strömung Rohrreaktor und damit verbundene Datenerhebung. Es zeigt die Protokolle für die Experimente, Datenaufzeichnung und generieren die Zahl-Durchmesser-Verteilung sowie die Partikel Masse Informationen, nützliche Informationen über chemische und physikalische Eigenschaften der organischen Aerosole verleiht.

Abstract

Organische Partikel (PM) wird zunehmend als wichtig für das Klimasystem der Erde sowie die öffentliche Gesundheit in städtischen Regionen anerkannt, und die Produktion von synthetischen PM für Laborstudien haben eine weit verbreitete Notwendigkeit geworden. Hierin, zeigen experimentelle Protokolle Ansätze, um Aerosol Bio PM von α-Pinen Ozonolyse in einem Fluss Rohrreaktor zu produzieren. Zur Messung der Größenverteilung und Morphologie der Aerosol-Partikel werden Methoden beschrieben. Das Video zeigt die Grundfunktionen der Fluss Rohrreaktor und verwandte Instrumente. Der erste Teil des Videos zeigt das Verfahren zur Vorbereitung von Gasphase Reaktanden, Ozonolyse und Produktion von organischen PM. Der zweite Teil des Videos zeigt die Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften der erzeugten Partikel Bevölkerung. Die Partikel Anzahl-Durchmesser Verteilungen zeigen verschiedene Wachstumsstadien Teilchen, nämlich Kondensation, Koagulation oder eine Kombination aus beidem, je nach Reaktionsbedingungen. Die Partikel Morphologie zeichnet sich durch ein Aerosol-Partikel Masse Analysator (APM) und einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Die Ergebnisse bestätigen die Existenz von nicht-sphärische Partikel, die von Koagulation für spezifischen Reaktionsbedingungen gewachsen sind. Die experimentellen Ergebnisse zeigen auch, dass der Fluss Rohrreaktor verwendet werden kann, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der organischen PM für relativ hohe Konzentrationen und kurzen Zeitrahmen zu studieren.

Introduction

Flüchtige organische Verbindungen (VOC) aus der Biosphäre und anthropogene Aktivitäten emittiert unterziehen Reaktionen in der Atmosphäre mit Oxidationsmittel (z. B. Ozon oder OH-Radikale) um sekundäre sauerstoffhaltigen Verbindungen1,2zu produzieren. Einige dieser Verbindungen, aufgrund ihrer geringen Volatilität tragen letztlich auf die Massenkonzentration von atmosphärischen PM1,3,4. Atmosphärische Partikel haben erhebliche Auswirkungen auf Klima, die menschliche Gesundheit und die Sichtbarkeit5. Die Produktion Mechanismen der biologischen Uhr, bleiben jedoch nur unzureichend charakterisiert und verstanden, sowohl qualitativ als auch quantitativ, um vorherzusagen, Anzahl und Massenkonzentrationen sowie physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ein Ansatz zur Überbrückung diese Wissenslücke ist auszuführenden Untersuchungen im Labor, mit dem Fluss Rohr Reaktoren für die Nachahmung der Produktionsprozesse von atmosphärischen Bio PM, damit Erleichterung der mechanistischen, Prozess- und Charakterisierung Studien der PM6 ,7,8,9,10,11,12. Der Fluss Rohrreaktor ermöglicht die schnelle Synthese von Aerosolpartikeln für eine Vielzahl von Partikelanzahl und Massenkonzentrationen13.

Die vorliegende Studie beschreibt, durch den Einsatz von video-Material, die Herstellung von organischen PM als Submikron-Partikel aus der Ozonolyse eine dominante atmosphärischen Monoterpen (nämlich α-Pinen) in einem Fluss Rohrreaktor zuerst beschrieben wurde Shrestha Et al. 13 kurz, war das Durchflussrohr aus Glas mit einem Innendurchmesser von 48,2 mm und einer Länge von 1,30 m hergestellt. Das Durchflussrohr wurde geringfügig über dem Umgebungsdruck in laminaren Strömungsregime (Reynolds-Zahl von 9,4 ± 0,5) und mit einer Verweilzeit von 38 ± 1 s 14betrieben. Die Temperatur war auf 25 ± 1 ° C mit einer umlaufenden Kältemaschine fließen Wasser in einer zweischichtigen angepasste Box, dass Gehäuse der Fluss Rohrreaktor eingestellt.

Eine schematische Handlung des Schlauchsystems Reaktor Strömung ist in Abbildung 1dargestellt. Ein reine Luft-Generator wird verwendet, um ultra-reine Luft zu generieren, der ein Ozon-Generator, Herstellung von 200-500 ppm Ozon durchläuft. Ein zusätzlichen reinen Luftstrom bei 0,50 sLpm dient zur α-Pinen injiziert durch eine Spritze Injektor in einem Rundboden-Kolben zu verdampfen. Α-Pinen ist vorgemischt mit 2-Butanol bei einem Verdünnungsverhältnis von 01:5015,16,17 vor wird zum Injektor Spritze zurückgezogen, weil 2-Butanol als ein OH-Fänger, um sicherzustellen, dass Ozonolyse handeln kann die einzige Reaktion war Auftritt in der Röhre fließen. Rundboden-Flasche wurde erhitzt, 135 ± 1 ° C ermöglicht schnelle Verdunstung der injizierten organischen Verbindungen. Die α-Pinen und Ozon Strömung waren Buchten auch angeordnet senkrecht zueinander, um Turbulenzen und schnelle Mischung an der Einspritzstelle zu induzieren. Der Ausgang des das Durchflussrohr wurde zwischen Musterkollektion, Größenmessungen Verteilung (durch den Scan Mobility Particle Sizer-SMPS) und Partikel Dichtemessung Auspuff aufgeteilt. Reaktionsbedingungen sind vielfältig, um den relativen Beitrag der Kondensation im Vergleich zu einer Koagulation Partikel Wachstum zu steuern. Die Ausgabe von das Durchflussrohr muss mindestens eine Verbindungslinie zu einem Open-Air-Abzug, um sicherzustellen, dass es nicht möglich, Druck im Inneren das Durchflussrohr und Rundboden-Flasche auch unter falschen Versuchsbedingungen aufzubauen ist. Damit die Eigenschaften der erzeugten Partikel Bevölkerung fein einstellbar. Der Fluss Rohrreaktor verfügt über einen beweglichen Sampler Probenahme der organischen PM zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Produktion ermöglichen. Die Zahl-Durchmesser-Verteilung der erzeugten Partikel Bevölkerung wird bei verschiedenen Länge von das Durchflussrohr gemessen. Eine APM misst die Partikel Massenverteilung und die dynamische Form Faktor7,18,19, die Auskunft über die Morphologie und andere physikalischen Eigenschaften der erzeugten Partikel Bevölkerung gibt. 20 , 21 Partikel werden auch auf einem Nanometer-Partikel-Sampler für offline Bildgebung durch ein SEM7,22gesammelt. Die Implikation ist, dass der Fluss Rohrreaktor ein geeignetes Medium für die Durchführung von Ozonolyse Experimente und schnell online und offline Analyse der PM darin produziert.

Protocol

(1) Gasphase Injektion von den Flow Rohrreaktor Organische Vorläufer InjektionHinweis: Alle Geräte und Software verwendet während des Experiments in der Tabelle der Materialienfinden. Je nach Zweck der Experimente kann eine Vielzahl von flüchtigen organischen Verbindungen als organische Vorläufer für das Experiment verwendet werden. Α-Pinen dient hier als ein Beispiel für das Verfahren der Injektion des organische Vorläufer in der Strömung Rohrreaktor. Mithilfe einer Mikropipette 1,00 mL der α-Pinen erhalten. Übertragen Sie die Flüssigkeit auf eine volumetrische 50,00 mL-Flasche. Verwenden Sie 2-Butanol, um den volumetrischen Kolben bis 50,00 mL verdünnen damit die α-Pinen durch ein Verhältnis von 01:50 füllen. Schütteln Sie den volumetrischen Kolben um das Lösungsmittel und der gelöste Stoff gründlich mischen. Verwenden Sie eine Spritze (5,00 mL), die α-Pinen Lösung zurückzuziehen. Spülen Sie die Spritze mit der Lösung dreimal und dann füllen Sie es mit Lösung. Verbinden Sie die Spritze mit einer spitzen Nadel (25 Gauge, 2 Zoll lang). Legen Sie die Spritze auf eine Spritze-Injektor. Legen Sie die Nadelspitze in einem Vaporizer Rundboden Kolben (25 mL). Vorheizen des Vaporizer Kolbens 135 ± 1 ° C von Heizleitung. Stellen Sie einen sanften Luftstrom 0,5 sLpm gereinigt verdampfen und wegtragen von α-Pinen aus der Spritze injiziert. Verbinden Sie die gereinigte Luft-Generator an die gleiche Stromversorgung wie das Heizband zu vermeiden, Heizung Rundboden-Kolben, wenn die reine Luftzufuhr gestoppt wird. Schalten Sie die Spritze Injektor, und passen Sie die Injektionsrate auf einen geeigneten Wert. Berechnen Sie die Injektionsrate durch Anwendung der Gasvolumenstrom, die gewünschte VOC-Konzentration und die Spritze Größe der Clausius-Clapeyron-Gleichung. Zum Beispiel für einen Gesamtdurchsatz von 4,5 sLpm müsste 125 ppb des α-Pinen erreichen eine Injektionsrate von 11,7 μL/h der α-Pinen und 2-Butanol Gemisch. Sicherstellen Sie, dass die volumetrische Konzentration von Butanol oder α-Pinen weniger als 1 % in den Rundboden-Kolben ist, die organischen Verbindungen erreichen die Entflammbarkeit-Grenze zu vermeiden. Ozon-Injektion Ein Ozon-Generator durchlaufen Sie einen Luftstrom bei 4,00 sLpm. Schalten Sie den Ozon-Generator. Steuern Sie die Ozonkonzentration auf entsprechenden Werte durch Einstellen der Länge des Glasrohrs Abschirmung der UV-Lampe im Inneren des Generators. Das Ozon und VOC-Verhältnisse können über zwei Aufträge von Größen je nach Zweck des Experiments variieren. Wenn VOC benötigt wird, um während des Experiments vollständig umgesetzt werden, dann sollte die Ozonkonzentration etwa 10 Mal höher als die VOC-Konzentration um sicherzustellen, dass Ozon im Übermaß. Schalten Sie die Ozon-Konzentration-Monitor und schließen Sie den Ozon-Monitor an den Computer an. Mit Hilfe einer Klemme Reader-Software zum Zugriff auf das Ozon Monitor auslesen und Speichern der Daten aus dem Ozon-Monitor (Abbildung 2). Durchführen Sie die Experimente, nachdem die Ozonkonzentration stabilisiert. (2) Partikelherstellung des Reaktors Flow Tube Anpassung der Verweilzeit Schrauben Sie die Kappe am Ende der Fluss Rohrreaktor ändern Sie die Position des beweglichen Samplers Schläuche im Inneren des Reaktors Fluss Rohr. Ändern verschiedene Positionen des beweglichen Samplers Schläuche anschließend dazu unterschiedliche Verweilzeiten von 3 s bis 38 s10. Während jedes Experiment ändern Sie die Position des beweglichen Samplers Anpassung der Verweilzeit der Partikel im Fluss Rohrreaktor produziert wird. Positionieren Sie den beweglichen Sampler zu Jahresbeginn die Strömung Rohrreaktor (0,10 m aus der Gaseinlass) um die kürzeste Verweildauer zu erhalten (3 s). Positionieren Sie den beweglichen Sampler am Ende des Fluss Rohrreaktor (1,30 m aus der Gaseinlass) um die längste Verweilzeit zu erhalten (38 s). Temperaturregelung für Partikelherstellung Haus der Fluss Rohrreaktor in einer temperaturkontrollierten, doppelwandig, wasserummantelten Edelstahl-Box. Durchführen Sie ein Leck-Prüfung und eine Prüfung der Wasserstand vor jeder Reihe von Experimenten. Stellen Sie die Temperatur des Thermostats in Wasser Thermostaten bis 20,0 ° C.Hinweis: Die Temperatur im Laufe eines Experiments variiert von nicht mehr als 0,1 ° C. Schalten Sie die Temperatur, die recording-Software in der Hauptplatine des Computers, und legen Sie die Abtastzeit Daten auf 10 s (Abbildung 3). Der Temperaturfühler befindet sich am Mittelpunkt der das Durchflussrohr. Aufzeichnung der Temperatur, gemessen von der Temperaturfühler beim Einschalten der Record -Taste beginnt. Notieren Sie die Temperatur für 4 bis 6 h stabilisieren die Temperatur vor der Durchführung des Experiments.Hinweis: Die Temperaturschwankungen der Fluss Rohrreaktor ist kleiner als ± 0,1 ° C in einem 24-Stunden-Zeitraum. Die Druck-Überwachungsanlage Verbinden Sie einen Druckwächter mit dem Fluss Rohrausgang durch eine ¼ Zoll Anschluss und der Hauptplatine des Computers Schalten Sie die Druck-Monitor-Software (Abbildung 4), und klicken Sie dann auf Datei | Neue | Zeit/Abtastintervall einstellen das Abtastintervall bis 10 s. Klicken Sie auf Daten Gesamtpunkte für die Probenahme-Länge auf 36.000 Punkte festgelegt. Klicken Sie auf “OK” , um die Daten zu speichern.Hinweis: Der Ausgangsdruck bleibt innerhalb von ± 0,01 atm einen 24-Stunden-Zeitraum, was darauf hindeutet, dass der Druck innerhalb des Messrohrs stabil ist. 3. Charakterisierung der erzeugten Partikel Bevölkerung von der Strömung Rohrreaktor Anzahl-Durchmesser-Distributionen Verbinden Sie den Ausgang des Reaktors Fluss Rohr mit ein Scan Mobility Particle Sizer (SMPS) durch elektrostatische-resistente Schläuche. Ähnliches Instrument kann auch verwendet werden, die Zahl-Durchmesser Verteilungen anstelle der SMPS messen.Hinweis: Die detaillierten Arbeitsanweisungen oder Problembehandlung für die SMPS in seinem Handbuch finden. Starten Sie die Software, die die Verteilung der Anzahl-Durchmesser aufzeichnet. Erstellen Sie eine neue Datei, indem Sie auf Create A New File. Legen Sie jeden Parameter in Abbildung 5dargestellt. Notieren Sie die Anzahl-Durchmesser-Verteilungen der Partikel verlassen den Fluss Rohrreaktor durch Klicken auf “OK” Schaltfläche. Relative Luftfeuchtigkeit kontrollieren Verbinden Sie die zwei Buchten von einer Wasser-Wäscher mit zwei mass Flow Controller (MFC), um die Feuchtigkeit der Scheide Luft in das Durchflussrohr anpassen. Einstellen der Durchflussmenge die zwei Buchten von 0-10 sLpm um die Relative Luftfeuchtigkeit der Scheide von 95 % ändern. Den Ausgang des Wasser Bubbler an der Scheide Lufteinlass des Rohres durchlässige Membran anschließen. Verbinden Sie den Ausgang des Reaktors Fluss Rohr mit wichtigsten Probenahme Zulauf der gleichen durchlässige Membran-Rohr. Schließen Sie einen Relative Luftfeuchtigkeit (RH)-Sensor an den Auslass des Rohres durchlässige Membran, die RH der Probenahme Luft zu messen. Starten Sie die RH Messprogramm durch Eingabe des Dateinamens durch Klicken auf die Schaltfläche ” Start ” und klicken auf die Schaltfläche ” Speichern ” um die RH Daten aufzeichnen. Masse und dynamische Formfaktor der SOM Partikel Verbinden Sie die Steckdose der relativen Luftfeuchtigkeit Kontrolle Setup mit dem Einlass ein differential Mobility-Analyzer (DMA) mit einer drei-Fuß-langen elektrostatische-resistente Schläuche. Verbinden Sie die Steckdose des DMA mit dem Einlass des APM Instruments ein-Fuß-langen elektrostatische-resistente Schläuche. Schließen Sie den Auslass des APM an eine Kondensation Partikelzähler (CPC).Hinweis: Die detaillierten Arbeitsanweisungen oder Fehlerbehebung der DMA und CPC in seinem Handbuch finden. Aktivieren Sie das APM-Instrument und der APM-Control-Box durch Drücken der jeweiligen Tasten. Klicken Sie Remote auf die APM-Control-Box, so dass das Instrument von der Softwareschnittstelle im Computer betrieben werden kann. Schalten Sie die APM-Steuerungs-Software. Laden Sie eine voreingestellte Scan Datei durch Klicken auf die Datei und Laden Schaltflächen (Abbildung 6). Klicken Sie auf die Start -Schaltfläche von der APM-Steuerungs-Software, so dass das APM-Gerät startet um Daten zu sammeln. Partikel-Sammlung aus dem Fluss Rohrreaktor Dem Fluss Rohrausgang zu einem Nanometer-Aerosol-Sampler (NAS) durch eine drei-Fuß-langen elektrostatische-resistente Schläuche zu verbinden. Reinigen Sie eine Silizium-Substrat (erster Klasse, Widerstand 1-10 Ω∙cm) durch einen Zyklus von Methanol, Wasser und Methanol. Trocknen Sie das Substrat mit einem sanften Fluss des Stickstoffs. Legen Sie die gereinigten Untergrund auf die Elektrode des NAS. Sichern Sie den Rand des Substrats mit Klebeband, während der Sammlung22stabil zu halten. Schalten Sie den NAS ein. Stellen Sie die Spannung auf -9,9 kV. Einstellen die Durchflussmenge bis 1,8 l/min. Schalten Sie die Probenahme Instrument führen Sie danach für 12-36 h, entfernen die Silizium-Substrat mit gesammelten Partikel vom NAS geladen. Weitere Analyse der Partikel auf dem Substrat, wie z. B. Morphologie von SEM7 oder Oberfläche Analyse9ausführen.

Representative Results

Eine Matrix der Reaktionsbedingungen ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Es gibt eine Reihe von Anzahl und Massenkonzentrationen der biologischen Uhr, die abhängig von der gewählten α-Pinen und Ozon-Konzentrationen13produziert werden können. Zum Beispiel wie in Tabelle 1 dargestellt, wenn die Ozonkonzentration 43 ppm ist, variieren die α-Pinen Konzentration von 0,125-100 ppm (4,4 ± 0,6) produzieren könnte (9.1 ± 0,3) × 106 Particles∙cm3 und Masse-Konzentrationen von 10 × 105 1 bis 104 µg∙m-3, beziehungsweise. Die Entwicklung der dynamischen Eigenschaften der Partikel Bevölkerung kann innerhalb der Strömung Rohrreaktor untersucht werden. Mittels video-Demonstration wurde ein Experiment durchgeführt, mit 50 ± 1 ppm Ozon und 125 ppb des α-Pinen. Die longitudinale Position des Samplers Teilchen im Inneren das Durchflussrohr zulässige sampling zu verschiedenen Zeiten von 3,0 ± 0,2 bis 38 ± 1 s. Abbildung 7 zeigt die Zahl-Durchmesser-Verteilungen der Aerosol-Partikel-Bevölkerung für dieses Experiment. Die Gesamtkonzentration Nummer und der Modus Durchmesser der Partikel erhöht mit der Verweilzeit. Für eine Verweildauer von 3 s, keine Partikel erkannt wurden. Für längere Verweilzeiten war eine Teilchen Bevölkerung erhalten und gemessen. Der Modus Durchmesser erhöhte sich von weniger als 10 nm bis etwa 50 nm für eine Erhöhung der Verweildauer von 17 ± 0,5 s bis 38 ± 1 s. Die entsprechende Nummer Konzentration erhöht von (8,6 ± 0,5) × 104 cm-3 (2,56 ± 0,07) × 105 cm3. Beispiele für die Anzahl Masse Distributionen aufgenommen in drei wiederholte Experimente durch das APM-Setup sind in Abbildung 8dargestellt. Der Partikeldurchmesser Masse und Mobilität wurden verwendet, um die dynamische Formfaktor, χ, über Partikel Subpopulation berechnen. Die dynamische Form Faktor χ ist das Verhältnis von Widerstandskraft auf eine tatsächliche Partikel geteilt durch die Widerstandskraft durch ein Volumen-Äquivalent Kugel23erlebt. Form-Faktoren fast kugelförmigen Teilchen nähern Einheit während hoch asphärische Partikel deutlich größere Form Faktoren haben. Abbildung 9 zeigt die dynamische Form-Faktoren der Partikel verlassen das Durchflussrohr bei verschiedenen Durchmessern Mobilität und Luftfeuchtigkeit. Die jeweiligen χ Werte für < 5 % RH wurden 1,21 ± 0,02, 1,09 ± 0,02 und 1,08 ± 0,02 (1-Sigma Unsicherheit), was darauf hindeutet, dass die Partikel Bevölkerung zum größten Teil aus nicht-sphärische Partikel komponiert wurden. Wie die RH erhöht wurde, verringerte χ für alle drei Populationen, erreichen einen Endwert von 1,02 ± 0,01 bei 35 % RF und entsprechenden in Unsicherheit zu kugelförmigen Partikeln. Abbildung 10 zeigt das SEM Bilder der Teilchen ausgesetzt < 5 % RH (linke Spalte) und 80 % RH (rechte Spalte). Die Bilder zeigen, dass die nicht-sphärische Partikel nach Exposition gegenüber hohen RH, wie diskutiert im Detail in Zhang Et Al. Runde wurde 7. die obigen Ergebnisse zeigen, dass die Strömung Rohrreaktor ist in der Lage, verschiedene Arten von Online- und offline-Analyse. Abbildung 1 . Eine schematische Darstellung der Flow des Schlauchsystems Reaktor fließen. Die roten Linien zeigen den Fluss mit Ozon, die blauen Linien zeigen den Fluss mit α-Pinen und die dunklen blauen Linien zeigen den Fluss der biologischen Uhr. Das APM-System bestehen aus einem DMA, eine APM und ein CPC, die miteinander verbunden sind. Diese Figur erschien zuvor in Shreatha Et al. 13 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert. Abbildung 2 . Grafische Benutzeroberfläche für das Ozon Überwachung und Aufzeichnung Programm. Abbildung 3 . Grafische Benutzeroberfläche für die Temperatur Überwachung und Aufzeichnung Programm. Abbildung 4 . Grafische Benutzeroberfläche für den Druck, Überwachung und Aufzeichnung Programm. Abbildung 5 . Grafische Benutzeroberfläche für die Zahl-Durchmesser Vertriebsprogramm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 6 . Grafische Benutzeroberfläche für das APM-Programm. Abbildung 7 . Größenverteilung der Partikel Bevölkerung aus das Durchflussrohr unterschiedliche Verweilzeiten. Die insgesamt Anzahl Konzentrationen für jedes Größenverteilung sind 1,69 × 10-17,50 × 103, 8,58 × 104, 2,00 × 105, 2.33 × 105und 2,56 × 105 Partikel cm-3 für Verweilzeiten von 3, 10, 17, 25, 32 und 38 s, beziehungsweise. Die schattierten Bereiche sind die Standardabweichung der Partikelgrößenverteilung. Diese Figur erschien zuvor in Shreatha Et al. 13 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 8 . Ein Beispiel für die Zahl Massenverteilung als gemessenen mit dem DMA-APM System. Ergebnisse der drei wiederholte Experimente werden angezeigt, Reproduzierbarkeit nachweisen. Zwei-Sigma Unsicherheit wird durch die Fehlerbalken dargestellt, ungefähr die gleiche Größe wie die Datenpunktmarkierungen sind. Die Linien repräsentieren Anfällen von einer Normalverteilung der Daten. Die Abszisse ist berechnet für die APM-Rotationsgeschwindigkeit und die Spannung zwischen den Wänden der APM-Zylinder. Die Partikel in die Handlung gezeigt wurden von 700 ppb α-Pinen und 14 ppm Ozon produziert. Einem zentralen Mobilität-Durchmesser von 126,0 nm wurde von DMA ausgewählt. Diese Figur erschien zuvor in Zhang Et al. 7 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 9. Dynamische Formfaktor zur Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit. Gruppe A: Partikel produziert von 700 ppb α-Pinen und 14, 25 und 30 ppm Ozon für Partikel Populationen mit zentralen Mobilität Durchmesser 126,0 175,0 und 190.0 nm, beziehungsweise. Die Belichtungszeit um Relative Luftfeuchtigkeit war 310 s. Die Fehlerbalken in jedes Panel vertreten zwei Sigma Standardabweichung. Diese Figur erschien zuvor in Zhang Et al. 7 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 10. REM-Bilder der Partikel aus 700 ppb α-Pinen und Stichprobe für einen zentralen Mobilität-Durchmesser von 180,0 nm. Aerosol-Partikel wurden gesammelt auf dem Silizium-Substrat für 12 h und dann beschichtet mit 5 nm Pt/Pd. Die Spannung für den Elektronenstrahl war 5 kV und der Arbeitsabstand war 2,3 mm. Spalte1 zeigt Dimer, Trimer und höherer Ordnung Agglomerate der körnige Monomere für < 5 % RH. Rote Kreise kennzeichnen die Monomere. Spalte 2 zeigt fast kugelförmige Partikel, die nach der Exposition gegenüber 80 % RH gesammelt wurden gefolgt von Trocknung auf < 5 % RH. Diese Figur erschien zuvor in Zhang Et al. 7 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert. O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2 Α-Pinen (ppm) 0,125 ± 0,003 Num. Konz. 0 (1±1) × 102 (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105 Mass.-Konz. 0 (3±5) × 10-2 15±5 11±3 20±2 Modus-Durchmesser 0 22±4 60±5 35±3 34±2 St. Abweichung Geo. N/A 1.2 1.3 1.3 1.5 1,00 ± 0,03 Num. Konz. 0 (3.1±0.9) × 102 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105 Mass.-Konz. 0 (9±3) × 10-3 61±9 (52±0.1) × 102 (66±0.1) × 102 Modus-Durchmesser 0 33±7 86±6 84±3 85±19 St. Abweichung Geo. N/A 1.3 1.4 1.5 1.7 10.0 ± 0. 3 Num. Konz. (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 106 Mass.-Konz. 0* (1.6±0.2) × 102 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 104 (1.57±0.02) × 104 Modus-Durchmesser 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5 St. Abweichung Geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5 100 ± 3 Num. Konz. (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.-Konz. 35±3 (8.6±0.1) × 102 (1.3±0.1) × 104 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105 Modus-Durchmesser 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4 St. Abweichung Geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1.9 Tabelle 1. Nummer Konzentrationen (cm-3), Massenkonzentrationen (µg m-3), Modus Durchmesser (nm) und geometrische Durchmesser Standardabweichung der Partikel produziert von α-Pinen Ozonolyse. Materialdichte von 1200 Kg∙m3 diente zur Umwandlung von Volumen-Konzentrationen zu Massenkonzentrationen und die Verweilzeit betrug 38 s für alle Experimente. * Obwohl die Teilchen vorhanden waren, wurde die Massenkonzentration unterhalb der Nachweisgrenze. Diese Tabelle erschien zuvor in Shreatha Et al. 13 und wird hier mit Erlaubnis reproduziert.

Discussion

Durch die Anpassung der Bedingungen in den Fluss Rohrreaktor, können eine breite Palette von SOA Teilchen mit genau definierten Nummer Konzentrationen und Massenkonzentrationen hergestellt werden. Die Wachstumsmechanismus kann auch zwischen den coagulative Wachstum Modi, bilden Partikel mit verschiedenen Formen und condensational Wachstum verändert werden. Die entscheidenden Schritte in das Protokoll sind eine relative stabile Temperatur von der Strömung Rohrreaktor und stabilisieren die Ozonkonzentration aus der Ozon-Generator. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Position des beweglichen Injektor muss sorgfältig jedes Mal aufgezeichnet werden, so dass die Verweilzeit gleich bleiben würde, wenn Sie die Experimente zu wiederholen.

Wenn die Partikelkonzentration von der Strömung Rohrreaktor scheint, anders als erwartet werden, können mehrere Verfahren zur Problembehandlung durchgeführt werden. Eine luftdichte untersuchen die Strömung Rohrreaktor kann zuerst ausgeführt werden. Im Anschluss an die Luftdichte Prüfung das Zahl-Durchmesser Messinstrument muss überprüft werden, um die möglichen Fehlfunktionen Möglichkeiten wie am ein- und Erschöpfung der 1-Butanol Lösung für CPC Verstopfung auszuschließen.

Daher ist der Fluss Rohrreaktor oben beschriebenen ein nützliches Werkzeug für das Studium, die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Entwicklung der organischen Aerosole aus den unterschiedlichsten Konzentrationen. Im Vergleich mit anderen Systemen der Aerosol-Generation, produzieren die Strömung Rohrreaktor schnell Aerosol-Partikel für eine Vielzahl von Partikelanzahl und Massenkonzentrationen13, das eignet sich besonders im hohen Masse be-Probenahme. Der Fluss Rohrreaktor verfügt auch über einen beweglichen Sampler, Studie über die Entwicklung und das Wachstum der Aerosol-Partikel ermöglicht. Auf der anderen Seite muss der Reaktor eine relativ kurze Verweildauer und eine relativ hohe Vorläufer-Konzentration, die Grenzen seiner Fähigkeit zu schließen-ambient Reaktionsbedingungen zu simulieren. Zukünftige arbeiten im Zusammenhang mit der Strömung Rohrreaktor soll UV Beleuchtung auf den inneren Wänden hinzufügen, so dass Photooxidation Reaktionen innerhalb der Strömung Rohrreaktor durchgeführt werden können. Pläne sind für andere VOC Reaktionspartner, wie z. B. β-Caryophyllen und Limonen, sowie24untersucht.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dieses Material basiert auf Arbeit unterstützt die National Science Foundation chemischen Wissenschaften Umweltprogramm in der Abteilung für Chemie unter Grant Nr. 1111418, atmosphärischen-Geowissenschaften-Abteilung der US National Science Foundation (NSF) unter Grant-Nummer 1524731 sowie Harvard Faculty Publikation Award. Wir anerkennen Mona Shrestha, Adam Bateman und Pengfei Liu Mikinori Kuwata für nützliche Gespräche und Unterstützung bei den Experimenten.

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

References

  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
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image