JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

Producción y medición de la materia orgánica de partículas en un Reactor de tubo de flujo

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

Este documento describe el procedimiento de operación para el reactor de tubo de flujo y recopilación de datos relacionados. Muestra los protocolos para establecer los experimentos, grabación de datos y generar la distribución del número de diámetro así como la información masiva de partículas, que da información útil acerca de las propiedades químicas y físicas de los aerosoles orgánicos.

Abstract

Orgánico particulado (PM) se reconoce cada vez más importantes al sistema climático de la tierra así como la salud pública en las regiones urbanas, y la producción de PM sintético para los estudios de laboratorio se han convertido en una necesidad generalizada. En este documento, protocolos experimentales demuestran enfoques para producir aerosol orgánico PM por ozonólisis de α-pineno en un reactor de tubo de flujo. Se describen los métodos para medir la distribución de tamaño y morfología de las partículas de aerosol. El video muestra las operaciones básicas del reactor de tubo de flujo e instrumentación relacionado. La primera parte del vídeo muestra el procedimiento para la preparación de reactivos en fase gaseosa, ozonólisis y producción de PM orgánico. La segunda parte del vídeo muestra los procedimientos para la determinación de las propiedades de la población de la partícula producida. Las distribuciones del número de diámetro de partícula muestran diferentes etapas de crecimiento de la partícula, es decir, condensación, coagulación o una combinación de ambos, dependiendo de las condiciones de reacción. La morfología de la partícula se caracteriza por un analizador de la masa de la partícula aerosol (APM) y un microscopio electrónico de barrido (SEM). Los resultados confirman la existencia de partículas no esféricas que han crecido de la coagulación para condiciones específicas de la reacción. También, los resultados experimentales indican que el reactor de tubo de flujo puede utilizarse para estudiar las propiedades físicas y químicas de PM orgánico para concentraciones relativamente altas y plazos cortos.

Introduction

Compuestos orgánicos volátiles (COV) emitidos por la Biosfera y las actividades antropogénicas se someten a reacciones en la atmósfera de oxidantes (tales como ozono o OH radicales) para producir compuestos oxigenados secundaria1,2. Algunos de estos compuestos, debido a su baja volatilidad, en última instancia, contribuyan a la concentración en masa de atmósfera PM1,3,4. Partículas atmosféricas tienen efectos importantes sobre el clima, la salud humana y visibilidad5. Los mecanismos de producción de orgánicos de la tarde, sin embargo, siguen siendo insuficientemente caracterizado y entendido, tanto cualitativamente como cuantitativamente, para predecir el número y concentraciones en masa como en propiedades físicas y químicas. Un método para cerrar esta brecha de conocimiento consiste en realizar estudios de laboratorio que utilizan reactores de flujo tubo para mímico los procesos de producción de PM orgánica atmosférica, de tal modo facilitar mecanismos, procesos y estudios de caracterización de las6 de la tarde ,7,8,9,10,11,12. El reactor de tubo de flujo permite la rápida síntesis de partículas de aerosol para una variedad de número de la partícula y concentraciones en masa13.

El presente estudio describe, mediante el uso de material de video, la producción de orgánico PM como partículas de tamaño submicrónico de la ozonólisis de un monoterpeno atmosférico dominante (es decir α-pineno) en un reactor de tubo de flujo, que primero fue descrito en Shrestha et al. 13 brevemente, el tubo de flujo se hace del vidrio con un diámetro interno de 48,2 mm y una longitud de 1,30 m. El tubo de flujo fue operado ligeramente por encima de la presión ambiental en el régimen de flujo laminar (número de Reynolds de 9,4 ± 0,5) y con un tiempo de residencia de 38 ± 1 s 14. Se ajusta la temperatura a 25 ± 1 ° C mediante el uso de un enfriador de recirculación a flujo de agua en una caja personalizada de dos capas vivienda el reactor de tubo de flujo.

Un diagrama esquemático del sistema de reactor de tubo de flujo se muestra en la figura 1. Un generador de aire puro se utiliza para generar aire ultra puro que pasa a través de un generador de ozono, produciendo 200-500 ppm de ozono. Un flujo de aire puro en sLpm 0.50 adicional se utiliza para evaporar el α-pineno inyectado por un inyector de la jeringa en un matraz de fondo redondo. Α-pineno es premezclado con 2-butanol en una relación de dilución de 1:5015,16,17 antes de ser retirado para el inyector de la jeringa, porque 2-butanol puede actuar como un limpiador OH para eso ozonólisis es la única reacción que ocurre dentro del tubo de flujo. El matraz de fondo redondo se calienta a 135 ± 1 ° C que permite la rápida evaporación de los compuestos orgánicos inyectados. El α-pineno y ozono flujo entradas también fueron dispuestos perpendicularmente uno al otro para inducir turbulencia y mezcla rápida en el punto de inyección. La salida del tubo de flujo se dividió entre la recogida de muestras, medidas de la distribución del tamaño (por las exploración movilidad partícula sizer-SMPS), medida de la densidad de partículas y escape. Condiciones de reacción son variadas para controlar la contribución relativa de condensación en comparación con la coagulación para el crecimiento de partículas. La salida del tubo de flujo debe tener al menos una línea conectando a una campana de escape al aire libre, para asegurar que no es posible aumentar la presión dentro del tubo de flujo y el matraz de fondo redondo incluso bajo condiciones experimentales incorrecta. Las características de la población de partículas producido tal modo se pueden ajustar finamente. El reactor de tubo de flujo está equipado con un sampler movible que permite el muestreo de la PM orgánico en diferentes momentos en su producción. La distribución de diámetro de número de la población de partículas producido se mide en diferentes longitud del tubo de flujo. Un APM mide la distribución masiva de la partícula y la forma dinámica factor7,18,19, que da información sobre la morfología y otras características físicas de la población de la partícula producida. 20 , 21 las partículas se recogen también en un muestreador de partículas de nanómetro para la proyección de imagen sin conexión por un SEM7,22. La implicación es que el reactor de tubo de flujo es un medio apropiado para realizar experimentos de ozonólisis y análisis rápido online y offline de la PM producido en ella.

Protocol

1. fase de gas de inyección del Reactor de tubo de flujo Inyección de precursores orgánicosNota: Todos los equipos y software utilizados durante el experimento se pueden encontrar en la Tabla de materiales. Dependiendo de la finalidad de los experimentos, puede utilizarse una amplia gama de compuestos orgánicos volátiles como el precursor orgánico para el experimento. Α-pineno se utiliza aquí como un ejemplo para el procedimiento de inyectar el precursor orgánico en el reactor de tubo de flujo. Utilice una micropipeta para obtener 1,00 mL de α-pineno. Transferir el líquido a un matraz aforado de 50,00 mL. Utilice 2-butanol para llenar el matraz aforado a 50,00 mL, diluyendo así el α-pineno en una proporción de 1:50. Agite el matraz aforado para homogeneizar el solvente y el soluto. Utilizar una jeringa (5,00 mL) para retirar la solución de α-pineno. Enjuague la jeringa tres veces con la solución y luego llenarlo con solución. Conecte la jeringa con una aguja afilada (calibre 25, 2 pulgadas de longitud). Coloque la jeringa en un inyector de la jeringa. Inserte la punta de la aguja en un matraz de fondo redondo de vaporizador (25 mL). Pre-calentar el matraz vaporizador a 135 ± 1 ° C por calentamiento de la cinta. Introducir un flujo suave de aire 0.5 sLpm purificada vaporizarse y llevar α-pineno, inyección de la jeringa. Conectar el generador de aire purificado a la misma fuente de alimentación como la cinta de calefacción para evitar calentar el matraz de fondo redondo, si se detiene el suministro de aire puro. Activar el inyector de la jeringa y ajustar la velocidad de inyección en un valor adecuado. Calcular la tasa de inyección mediante la aplicación de la tasa de flujo de gas, la concentración deseada de VOC y el tamaño de la jeringa a la ecuación de Clausius-Clapeyron. Por ejemplo, para un caudal total de 4.5 sLpm llegar a 125 ppb de α-pineno requeriría una tasa de inyección de 11,7 μL por hora de la mezcla de 2-butanol y el α-pineno. Asegúrese de que la concentración volumétrica de butanol o α-pineno es menos del 1% en el matraz de fondo redondo para evitar que los compuestos orgánicos alcance el límite de inflamabilidad. Inyección de ozono Pasar un flujo de aire en sLpm 4.00 a través de un generador de ozono. Encienda el generador de ozono. Control de la concentración de ozono a valores adecuados mediante el ajuste de la longitud del tubo de vidrio protector de la lámpara de UV dentro del generador. El ozono y ratios VOC pueden variar entre dos órdenes de magnitud dependiendo de la finalidad del experimento. Si VOC se necesita para reaccionar completamente durante el experimento, la concentración de ozono debe ser aproximadamente 10 veces mayor que la concentración de VOC para ozono en exceso. Encienda el monitor de concentración de ozono y conecte al monitor de ozono a la computadora. Usando un software lector terminal para acceder a la lectura del monitor de ozono y guardar los datos obtenidos en el monitor de ozono (figura 2). Realizar los experimentos después de que se estabilice la concentración de ozono. 2. partícula producción del Reactor de tubo de flujo Ajuste del tiempo de residencia de Desenrosque el tapón en el extremo del reactor de tubo de flujo para ajustar la posición del sampler movible dentro del reactor de tubo de flujo de la tubería. Cambiar posiciones del móvil sampler posteriormente la tubería para lograr tiempos de residencia diferentes de 3 s a s 3810. Durante cada experimento, cambiar la posición del sampler movible para ajustar el tiempo de residencia de las partículas que se producen dentro del reactor de tubo de flujo. Colocar el muestreador movible al principio del reactor de tubo de flujo (0,10 m de la entrada de gas) para obtener el menor tiempo de residencia (3 s). Colocar el muestreador movible en el extremo del reactor de tubo de flujo (a 1,30 metros de la entrada de gas) para obtener el tiempo de residencia más largo (38 s). Control de temperatura para la producción de partículas El reactor de tubo de flujo en una caja de acero inoxidable control de temperatura, doble pared, camisa de la casa. Realizar una comprobación de fugas y un control de nivel de agua antes de cada serie de experimentos. Ajuste la temperatura del termostato en el circulador de agua a 20,0 º C.Nota: La temperatura durante el curso de un experimento varía por no más de 0,1 ° C. Encender la temperatura de registro de software en la computadora principal y configurar el tiempo de muestreo de datos a 10 s (figura 3). El sensor de temperatura está situado en el punto central del tubo de flujo. Iniciar el registro de la temperatura medida con el sensor de temperatura al encender el botón de grabación . Registrar la temperatura de 4 a 6 h. estabilice la temperatura antes de realizar el experimento.Nota: La fluctuación de la temperatura del reactor de tubo de flujo es menor que ± 0,1 ° C durante un período de 24 horas. La presión del sistema de vigilancia Conecte a un monitor de presión a la salida del tubo de flujo a través de un conector de 1/4 pulgada y la computadora principal Activar el software de monitor de presión (figura 4) y haga clic en archivo | Nuevo | Intervalo de tiempo/muestra para establecer el intervalo de muestreo en 10 s. Haga clic en Puntos de datos Total para establecer la longitud de muestreo a 36.000 puntos. Haga clic en Aceptar para grabar los datos.Nota: La presión de salida se mantiene dentro de ± 0.01 atm durante un período de 24 horas, sugiriendo que la presión dentro del tubo de flujo es estable. 3. Caracterización de la población de partículas producido del Reactor de tubo de flujo Distribuciones diamétricas de número Conecte la salida del reactor de tubo de flujo a un medidor de partículas análisis de movilidad (SMPS) por tubería resistente a la electrostática. Instrumento similar también puede utilizarse para medir las distribuciones del número de diámetro en lugar de las SMPS.Nota: Los detallados procedimientos operativos o solución de problemas de las SMPS puede encontrarse en el manual. Inicie el software que registra la distribución del número de diámetro. Crear un archivo nuevo haciendo clic en Crear un nuevo archivo. Establecer cada parámetro que se muestra en la figura 5. Anote las distribuciones del número de diámetro de las partículas que salen del reactor de tubo de flujo haciendo clic en el botón OK . Control de humedad relativa Conecte las dos tomas de un grifo de agua a dos controladores de flujo másico (MFCs) con el fin de ajustar la humedad del aire de vaina en el tubo de flujo. Ajustar el flujo de las dos entradas de 0-10 sLpm para cambiar la humedad relativa del aire de vaina de 95%. Conecte la salida del burbujeador de agua a la entrada de aire de la envoltura del tubo de membrana permeable. Conecte la salida del reactor de tubo de flujo a la entrada principal muestra del mismo tubo de membrana permeable. Conectar un sensor de humedad relativa (HR) a la salida del tubo de membrana permeable para medir la HR del aire de muestreo. Inicio del derecho programa de medición haciendo clic en el botón Inicio , introduciendo el nombre del archivo y haga clic en el botón Guardar para registrar los datos de humedad relativa. Masa y el factor de forma dinámica de las partículas SOM Conecte la salida de la configuración de control de humedad relativa a la entrada de un analizador de movilidad diferencial (DMA) con una tubería electrostática resistente de tres pies de largo. Conecte la salida de la DMA a la entrada del instrumento APM por tubería electrostática resistente un pies de longitud. Conecte la salida de la APM a un contador de partículas de condensación (CPC).Nota: La detallada procedimientos operativos o solución de problemas de la DMA y la CCP puede encontrarse en el manual. Encienda el instrumento de la APM y la caja de control APM pulsando los botones de potencia respectivo. Haz clic en el botón del control remoto en la caja de control APM para que el instrumento puede ser manejado desde la interfaz del software en el ordenador. Abra el software de control APM. Cargar un archivo de análisis preestablecido haciendo clic en los botones de archivo y de la carga (figura 6). Haga clic en el botón de Inicio del software de control APM para que el instrumento APM comience a recopilar datos. Colección de la partícula desde el reactor de tubo de flujo Conecte la salida del tubo de flujo en un sampler de aerosol nanómetro (NAS) por una tubería electrostática resistente de tres pies de largo. Limpiar un sustrato de silicio (primer grado, resistencia 1-10 de Ω∙cm) un ciclo de metanol, agua y metanol. Seco el sustrato utilizando un flujo suave de nitrógeno. Colocar el sustrato limpio sobre el electrodo de la NAS. Sujete el borde del sustrato con cinta adhesiva para mantenerlo estable durante la colección22. Encender el NAS. Ajustar la tensión a -9.9 kV. Fijar el caudal a 1.8 Lpm. Encienda el instrumento de muestreo a 12-36 h. luego, quitar con que el sustrato de silicio cargado recogió partículas de NAS. Realizar más análisis de partículas en el sustrato, tales como morfología por SEM7 o superficie de análisis9.

Representative Results

Una matriz de condiciones de reacción se resume en la tabla 1. Hay una gama de número y concentraciones en masa de PM orgánico que puede producir dependiendo del α-pineno seleccionado y de las concentraciones de ozono13. Por ejemplo, como se muestra en la tabla 1, cuando la concentración de ozono es de 43 ppm, variando la concentración de α-pineno de 0.125-100 ppm puede producir (4,4 ± 0,6) × 105 (9,1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 y masa las concentraciones de 101 a 104 µg∙m-3, respectivamente. La evolución de las características dinámicas de la población de partículas puede estudiarse dentro del reactor de tubo de flujo. Por medio de video de demostración, se realizó un experimento con 50 ± 1 ppm de ozono y 125 ppb de α-pineno. La posición longitudinal del muestreador de partículas dentro del tubo de flujo permitido de muestreo en varios momentos de 3,0 ± 0,2 a 38 ± 1 s. figura 7 muestra la distribución de diámetro de número de la población de partículas de aerosol para este experimento. La concentración de número total y el diámetro de las partículas de modo creciente con el tiempo de residencia. Para un tiempo de 3 s, no se detectó ninguna partícula. Para tiempos de residencia más largos, una población de partículas fue obtenida y medida. El diámetro de modo aumentó de menos de 10 nm a 50 nm para un aumento en el tiempo de residencia de 17 ± 0.5 s a 38 ± 1 s. La correspondiente concentración número había aumentado de (8,6 ± 0,5) × 104 cm-3 (2.56 ± 0.07) × 105 cm3. En la figura 8se muestran ejemplos de las distribuciones de masa número registrados en los tres experimentos replicados por la configuración APM. Los diámetros de partícula masa y movilidad se utilizaron para calcular el factor de forma dinámica, χ, a través de la subpoblación de la partícula. El χ de factor de forma dinámico es la relación entre la fuerza de arrastre de una partícula real dividida por la fuerza de arrastre de una esfera de volumen equivalente23. Factores de forma de partículas casi esféricas acercan a la unidad mientras que las partículas altamente esféricos tienen factores de forma significativamente mayores. La figura 9 muestra los factores de forma dinámica de las partículas que salen del tubo de flujo a diferentes diámetros de movilidad y los niveles de humedad. Valores de los respectivos χ para < 5% de humedad relativa fueron 1.21 ± 0.02, 1,09 ± 0,02 y 1.08 ± 0.02 (sigma una incertidumbre), sugiriendo que las poblaciones de partículas estaban compuestas principalmente de partículas no esféricas. Como el RH fue aumentado, χ disminuyó para todas las poblaciones de tres, llegando a un valor final de 1.02 ± 0.01 a 35% de humedad relativa y correspondiente dentro de incertidumbre para partículas esféricas. La figura 10 muestra imágenes de SEM de las partículas expuestas a < 5% RH (columna izquierda) y 80% HR (columna derecha). Las imágenes indican que las partículas no esféricas se convirtió en ronda después de la exposición a alta humedad relativa, como discutido en detalle en Zhang et al. 7. los resultados anteriores indican que el reactor de tubo de flujo es capaz de realizar diversos tipos de Análisis online y offline. Figura 1 . Un diagrama de flujo del sistema de reactor de tubo flujo. Las líneas rojas muestran el flujo que contiene ozono, las líneas azul claras muestran el flujo que contiene α-pineno y las líneas azules oscuras muestran el flujo de la PM orgánico. El sistema APM consisten en un DMA, un APM y un CPC que se conectan entre sí. Esta figura apareció anteriormente en Shreatha et al. 13 y se reproduce aquí con permiso. Figura 2 . Interfaz gráfica de usuario para el ozono monitoreo y grabación de programa. Figura 3 . Interfaz gráfica de usuario para la temperatura de control y grabación de programa. Figura 4 . Interfaz gráfica de usuario para la presión de monitoreo y grabación de programa. Figura 5 . Interfaz gráfica de usuario para el programa de distribución de diámetro número. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 6 . Interfaz gráfica de usuario para el programa APM. Figura 7 . Tamaño de distribución de la población de partículas por el tubo de flujo en tiempos de residencia diferentes. El total número de concentración para cada distribución de tamaño es 1.69 × 10-1, 7.50 x 103, 8.58 × 104, 2.00 × 105, 2,33 × 105y 2,56 × 105 partículas cm-3 para tiempos de residencia de 3, 10, 17, 25, 32 y 38 s, respectivamente. Las áreas sombreadas son la desviación estándar de la distribución de tamaño de partícula. Esta figura apareció anteriormente en Shreatha et al. 13 y se reproduce aquí con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8 . Un ejemplo de la distribución del número de masa, como medida utilizando el sistema DMA APM. Se muestran resultados de tres experimentos repetidos para demostrar la reproducibilidad. Sigma dos incertidumbre está representado por las barras de error, que son aproximadamente del mismo tamaño que los marcadores de datos. Las líneas representan los ajustes de una distribución normal para los datos. La abscisa se calcula basándose en la velocidad de rotación de APM y el voltaje aplicado entre las paredes de los cilindros APM. Las partículas que se muestra en el diagrama se produjeron de 700 ppb α-pineno y 14 ppm ozono. Un diámetro central de la movilidad de 126.0 nm fue seleccionada por la DMA. Esta figura apareció previamente en Zhang et al. 7 y se reproduce aquí con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9. Factor de forma dinámico para aumentar la humedad relativa. Panel A: partículas produjeron a partir de 700 ppb ozono α-pineno y 14, 25 y 30 ppm para las poblaciones de partícula diámetro central movilidad de 126.0 y 175.0 190.0 nm, respectivamente. El tiempo de exposición a la humedad relativa fue 310 s. Las barras de error en cada panel representan dos sigma de desviación estándar. Esta figura apareció previamente en Zhang et al. 7 y se reproduce aquí con permiso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 10. Imágenes de SEM de las partículas obtenidas de 700 ppb α-pineno y muestreados para un diámetro central de la movilidad de 180.0 nm. Las partículas de aerosol se recolectaron en el sustrato de sílice por 12 h y luego recubierta con 5 nm de Pt/Pd. La tensión para el haz de electrones fue 5 kV y la distancia fue de 2,3 mm. columna 1 muestra dímero, trímero y aglomerados de orden superior de los monomers granulares para < 5% de humedad relativa. Círculos rojos identifican los monómeros. Partículas casi esféricas de columna 2 muestra recogidas después de la exposición a 80% RH seguido por secado a < 5% de humedad relativa. Esta figura apareció previamente en Zhang et al. 7 y se reproduce aquí con permiso. O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2 Α-pineno (ppm) 0.125 ± 0.003 Concentrado de NUM. 0 (1±1) × 102 (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105 Concentrado de la Misa. 0 (3±5) × 10-2 15±5 11±3 20±2 Diámetro de modo 0 22±4 60±5 35±3 34±2 St. desviación de Geo. N / A 1.2 1.3 1.3 1.5 1.00 ± 0.03 Concentrado de NUM. 0 (3.1±0.9) × 102 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105 Concentrado de la Misa. 0 (9±3) × 10-3 61±9 (52±0.1) × 102 (66±0.1) × 102 Diámetro de modo 0 33±7 86±6 84±3 85±19 St. desviación de Geo. N / A 1.3 1.4 1.5 1.7 10.0 ± 0. 3 Concentrado de NUM. (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 106 Concentrado de la Misa. 0* (1.6±0.2) × 102 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 104 (1.57±0.02) × 104 Diámetro de modo 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5 St. desviación de Geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5 100 ± 3 Concentrado de NUM. (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 Concentrado de la Misa. 35±3 (8.6±0.1) × 102 (1.3±0.1) × 104 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105 Diámetro de modo 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4 St. desviación de Geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1.9 Tabla 1. Número de concentraciones (cm-3), las concentraciones totales (μg m-3), diámetro (nm) de modo y desviación de estándar geométrica del diámetro de las partículas producidas por ozonólisis de α-pineno. Una densidad de 1200 kg∙m3 fue utilizada para la conversión de las concentraciones de volumen para concentraciones en masa y el tiempo de residencia fue 38 s para todos los experimentos. * Aunque las partículas estaban presentes, la concentración en masa fue por debajo del límite de detección. Esta tabla aparecido previamente en Shreatha et al. 13 y se reproduce aquí con permiso.

Discussion

Mediante el ajuste de las condiciones en el reactor de tubo de flujo, pueden obtenerse una partículas gama amplia de SOA con concentraciones número bien definidas y concentraciones en masa. También puede modificar el mecanismo de crecimiento entre los condensational crecimiento y modos de crecimiento coagulativa, formando partículas con diferentes formas. Los pasos críticos en el protocolo incluyen mantener una temperatura estable relativa del reactor de tubo de flujo y estabilización de la concentración de ozono en el generador de ozono. También es importante tener en cuenta que la posición del inyector móvil debe grabarse cuidadosamente cada vez que el tiempo de residencia se quedaría igual al repetir los experimentos.

Si la concentración de partículas desde el reactor de tubo flujo parece ser diferente de lo esperado, se pueden realizar varios procedimientos de solución de problemas. Se puede realizar primero un hermético examine el reactor de tubo de flujo. Tras el examen de hermético, el instrumento de medición de número de diámetro debe comprobarse para excluir todas las posibilidades de malfuncionamiento potencial como obstrucción en la entrada y el agotamiento de la solución de 1-butanol para CPC.

Por lo tanto, el reactor de tubo de flujo descrito anteriormente es una herramienta útil para el estudio de las propiedades fisicoquímicas y evolución de los aerosoles orgánicos que abarcan una amplia gama de concentraciones. En comparación con otros sistemas de generación de aerosoles, el reactor de tubo de flujo puede producir rápidamente las partículas de aerosol para una variedad de número de la partícula y concentraciones en masa13, que es especialmente útil en la toma de muestras de masa de alta carga. El reactor de tubo de flujo también está equipado con un sampler movible, permitiendo el estudio de la evolución y el crecimiento de las partículas de aerosol. Por otra parte, el reactor tiene un tiempo de residencia relativamente cortos y una concentración relativamente alta de precursor, que limita su capacidad para simular las condiciones de reacción cercana a la ambiente. Futuros trabajos que impliquen el reactor de tubo de flujo es agregar iluminación ULTRAVIOLETA en las paredes internas para que reacciones de foto oxidación pueden llevarse a cabo en el reactor de tubo de flujo. Los planes son en lugar de otros reactantes de compuestos orgánicos volátiles, tales como β-cariofileno y el limoneno, que también estudiaron24.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este material está basado en trabajo apoyado por el programa nacional de ciencia Fundación ambiental química las Ciencias en la división de química bajo la subvención no. 1111418, la división de Geociencias atmosférica de los Estados Unidos National Science Foundation (NSF) bajo número de concesión 1524731, así como el Premio de publicación de Facultad de Harvard. Reconocemos la Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu y Mikinori Kuwata para discusiones útiles y ayuda con los experimentos.

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

Referências

  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 artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image