الإنتاج وقياس الجسيمات العضوية في مفاعل أنبوب التدفق
Summary
وتصف هذه الورقة إجراءات تشغيل مفاعل أنبوب تدفق وجمع البيانات ذات الصلة. يظهر البروتوكولات لتحديد التجارب وتسجيل البيانات وتوليد توزيع العدد-القطر فضلا عن الإعلام الجماهيري الجسيمات، الذي يعطي معلومات مفيدة حول الخصائص الكيميائية والفيزيائية للهباء العضوية.
Abstract
يتزايد الاعتراف بالجسيمات العضوية (م) كمهمة للنظام المناخي للأرض فضلا عن الصحة العامة في المناطق الحضرية، وإنتاج الساعة الاصطناعية للدراسات المختبرية التي أصبحت ضرورة على نطاق واسع. هنا، تظهر البروتوكولات التجريبية النهج إنتاج الضبوبيه م العضوية عن طريق أوزونوليسيس α-بينين في مفاعل أنبوب تدفق. ويرد وصف أساليب لقياس حجم التوزيعات ومورفولوجيا جسيمات الهباء الجوي. الفيديو يوضح عمليات أساسية لمفاعل أنبوب تدفق والأجهزة ذات الصلة. الجزء الأول من الفيديو يظهر الإجراء المتعلق بإعداد كواشف مختبر المرحلة الغازية، وأوزونوليسيس، وإنتاج للعضوية بعد الظهر. الجزء الثاني من الفيديو يبين الإجراءات المتعلقة بتحديد خصائص السكان الجسيمات المنتجة. توزيعات القطر عدد الجسيمات تظهر المراحل المختلفة لنمو الجسيمات، إلا وهي التكثيف، تخثر الدم، أو مزيج من كليهما، حسب الأحوال رد الفعل. مورفولوجيا الجسيمات يتميز الهباء الجوي جسيمات محلل شامل (APM) والمسح الإلكتروني المجهري (SEM). النتائج تؤكد وجود جزيئات غير الكروية التي نمت من تخثر لظروف محددة رد فعل. كما تدل النتائج التجريبية أن المفاعل أنبوب تدفق يمكن استخدامها لدراسة الخواص الفيزيائية والكيميائية للعضوية بعد الظهر لتركيزات عالية نسبيا وفترات زمنية قصيرة.
Introduction
المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) المنبعثة من محميات المحيط الحيوي والأنشطة البشرية تمر بتفاعلات في الغلاف الجوي مع التأكسد (مثل الأوزون أو الهيدروكسيل) لإنتاج مركبات اﻷوكسيجين الثانوي1،2. بعض من هذه المركبات بسبب التقلبات المنخفضة، تسهم في نهاية المطاف تركيز كتلة الغلاف الجوي الساعة1،،من34. جسيمات الغلاف الجوي لها آثار هامة على المناخ وصحة الإنسان، وإبراز5. آليات الإنتاج العضوي بعد الظهر، ولكن تظل تتسم غير كافية ومفهومة، كما ونوعاً، للتنبؤ بعدد والتركيزات فضلا عن الخصائص الفيزيائية والكيميائية. نهج واحد لسد هذه الفجوة في المعرفة هو القيام بالدراسات المختبرية التي تستخدم مفاعلات أنبوب تدفق لمحاكاة عمليات الإنتاج بعد الظهر العضوية الغلاف الجوي، وبالتالي تيسير آليا، وعملية، ودراسات توصيف رئيس الوزراء6 ،،من78،9،10،،من1112. مفاعل أنبوب تدفق يتيح التجميع السريع لجسيمات الهباء الجوي لمجموعة متنوعة من عدد الجسيمات والتركيزات13.
هذه الدراسة توضح، من خلال استخدام مواد الفيديو، إنتاج م العضوية كجسيمات submicron الحجم من أوزونوليسيس من monoterpene الغلاف الجوي المهيمنة (مثل α-شكل) في مفاعل أنبوب تدفق، الذي وصف بأنه أولاً شريستا et al. 13 بإيجاز، أنبوب تدفق كانت مصنوعة من الزجاج مع قطر داخلي ل 48.2 ملم وطول 1.30 م. تم تشغيل أنبوب تدفق قليلاً فوق الضغط المحيطة في نظام الاندفاق الصفحي (عدد رينولدز 9.4 ± 0.5)، ومع وقت إقامة من 38 ± 1 ق 14. وكان تعيين درجة الحرارة إلى 25 ± 1 درجة مئوية باستخدام المبردات تعمل تدفق المياه في مربع مخصصة مزدوج الطبقات أن الإسكان مفاعل أنبوب تدفق.
ويرد في الشكل 1تخطيطي قطعة النظام مفاعل أنبوب تدفق. يتم استخدام مولد هواء نقي لتوليد فائقة نقية الهواء الذي يمر من خلال مولد الأوزون، إنتاج 200-500 جزء في المليون الأوزون. تدفق الهواء النقي في 0.50 sLpm بشكل إضافي يستخدم تتبخر α-شكل حقن من قبل حاقن حقنه في قارورة قاع جولة. Α-شكل قبل مختلطة مع 2-butanol بتخفيف نسبة 01:5015،،من1617 قبل سحب إلى حاقن حقنه، لأنه يمكن 2-butanol بمثابة يا الكاسح لضمان أن أوزونوليسيس كان رد فعل فقط التي تحدث داخل أنبوب التدفق. كانت ساخنة قارورة قاع الجولة إلى 135 ± 1 درجة مئوية مما يسمح التبخر السريع للمركبات العضوية حقن. تدفق α-بينين والأوزون مداخل تم أيضا ترتيب عمودي إلى بعضها البعض للحث على الاضطراب والخلط السريع عند نقطة الحقن. مخرج أنبوب تدفق انقسمت بين جمع العينات، وقياسات حجم التوزيع (بالمسح التنقل الجسيمات تحجيم-المكاتب الصغيرة)، وقياس كثافة الجسيمات، والعادم. وتتنوع شروط رد فعل للتحكم في المساهمة النسبية للتكثيف مقارنة تخثر الدم لنمو الجسيمات. إخراج أنبوب تدفق تحتاج إلى خط واحد على الأقل الاتصال غطاء عادم في الهواء الطلق، التأكد من أنها لا يمكن أن نبني يصل الضغط داخل الأنبوب تدفق وقارورة قاع الجولة حتى في ظل ظروف تجريبية غير صحيحة. وبالتالي يمكن ناعما ضبط خصائص السكان الجسيمات المنتجة. مفاعل أنبوب تدفق مجهز بعينه منقولة مما يتيح أخذ عينات الساعة العضوية في نقاط زمنية مختلفة في إنتاجها. يتم قياس توزيع القطر عدد السكان الجسيمات المنتجة في مختلف طول أنبوب التدفق. تدابير الألغام المضادة للأفراد توزيع كتلة الجسيمات والشكل الحيوي عامل7،18،19، الذي يعطي معلومات حول مورفولوجية وسائر الخصائص الفيزيائية للسكان الجسيمات المنتجة. 20 , 21 الجسيمات هي أيضا تجمعها في عينة جسيمات نانومتر للتصوير بدون اتصال وزارة شؤون المرأة7،22. الإيحاء بأن المفاعل أنبوب تدفق وسيلة مناسبة لإجراء تجارب أوزونوليسيس وتحليل سريع على الإنترنت وغير متصل من الساعة أنتجت فيها.
Protocol
Representative Results
Discussion
عن طريق ضبط الأوضاع في مفاعل أنبوب التدفق، يمكن أن تنتج من جسيمات طائفة واسعة من الخدمية مع تركيزات عدد المعالم والتركيزات. ويمكن أيضا تغيير إليه النمو بين النمو كوندينساشونال ووسائط النمو كواجولاتيفي، وتشكيل الجزيئات بأشكال مختلفة. وتشمل الخطوات الحاسمة في البروتوكول بالحفاظ على درجة حرارة مستقرة نسبيا مفاعل أنبوب التدفق، وتحقيق استقرار في تركيز الأوزون من مولد الأوزون. من المهم أيضا أن نلاحظ أن موقف حاقن منقولة يحتاج أن يسجل كل الوقت بعناية حيث أن فترة الإقامة سوف تبقى نفسها عند تكرار التجارب.
إذا كان يبدو أن تركيز الجسيمات من مفاعل أنبوب تدفق تختلف عما كان متوقعا، يمكن تنفيذ عدة إجراءات استكشاف الأخطاء وإصلاحها. يمكن أن يؤديها فحص الغلق مفاعل أنبوب تدفق أولاً. عقب الامتحان محكم، أداة قياس القطر عدد يحتاج إلى التحقق من أجل استبعاد كل الاحتمالات عطل المحتملة مثل انسداد مدخل واستنفاد الحلول 1-butanol للحزب الشيوعي الصيني.
ومن ثم فمفاعل أنبوب التدفق الوارد وصفها أعلاه أداة مفيدة لدراسة الخصائص الفيزيائية الكيميائية وتطور من الهباء الجوي العضوية التي تغطي مجموعة واسعة من التركيزات. بالمقارنة مع غيرها من نظم توليد الهباء الجوي، مفاعل أنبوب تدفق يمكن بسرعة إنتاج جسيمات الهباء الجوي لمجموعة متنوعة من عدد الجسيمات والتركيزات13، ومفيدة بشكل خاص في أخذ العينات كتلة عالية في التحميل. مفاعل أنبوب تدفق مزودة أيضا عينات منقولة، مما يتيح دراسة عن تطور ونمو جسيمات الهباء الجوي. من ناحية أخرى، قد المفاعل فترة إقامة قصيرة نسبيا وتركيز سلائف مرتفعة نسبيا، مما يحد من قدرتها على محاكاة ظروف تفاعل إغلاق إلى المحيط. العمل في المستقبل تشمل مفاعل أنبوب تدفق إضافة إضاءة الأشعة فوق البنفسجية على الجدران الداخلية بحيث يمكن إجراء تفاعلات التأكسد داخل المفاعل أنبوب التدفق. تم وضع خطط لغيرها كواشف مختبر المركبات العضوية المتطايرة، مثل β-كاريوفيليني والليمونين، أن تدرس كذلك24.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويستند إلى العمل المدعوم من “البرنامج الوطني للعلوم مؤسسة بيئية الكيميائية العلوم” في “شعبة الكيمياء” ضمن المنحة رقم 1111418، شعبة علوم الأرض الجوي من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) تحت هذه المواد رقم المنحة 1524731، فضلا عن “جائزة نشرة كلية هارفارد”. ونعترف شريستا مني وآدم بيتمان، ليو بنغفي المساهمة، وكوتى ميكينوري للمناقشات المفيدة والمساعدة مع التجارب.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Zaera, F. Regio-, stereo-, and enantioselectivity in hydrocarbon conversion on metal surfaces. Acc Chem Res. 42 (8), 1152-1160 (2009).
- Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. . Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , (2006).
- 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).
- Zhang, Y., et al. Changing shapes and implied viscosities of suspended submicron particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 15 (14), 7819-7829 (2015).
- 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).
- Shrestha, M., et al. On surface order and disorder of α-pinene-derived secondary organic material. Journal of Physical Chemistry A. , (2014).
- 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).
- 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).
- Huang, Y., et al. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: design, fluid dynamics and characterization. Atmospheric Measurement Techniques. 10 (3), 839-867 (2017).
- 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).
- 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).
- Heuchel, M., et al. Evaluation of the energy distribution function from liquid/solid adsorption measurements. Langmuir. 9 (10), 2547-2554 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
