JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Productie en meting van organische deeltjes in een Flow buis Reactor

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

Deze paper beschrijft de operatie procedure voor de flow buis reactor en verzamelen van gerelateerde gegevens. Het toont de protocollen voor het instellen van de experimenten, het opnemen van gegevens en het genereren van de verdeling van de diameter van nummer, alsmede de massa informatie van deeltjes, die nuttige informatie over de chemische en fysische eigenschappen van de organische aërosolen geeft.

Abstract

Organische deeltjes (PM) is steeds meer erkend als belangrijke aan het aardoppervlak klimaatsysteem evenals de volksgezondheid in stedelijke gebieden, en de productie van synthetische PM voor laboratoriumonderzoek zijn een wijdverbreid noodzaak geworden. Hierin tonen experimentele protocollen benaderingen aërosol organische PM door α-pineen ozonolysis in een reactor van de buis stroom produceren. Methoden worden voor het meten van de distributies van grootte en morfologie van de aërosol deeltjes beschreven. De video toont basisbewerkingen van de flow buis reactor en verwante instrumentatie. Het eerste deel van de video geeft een overzicht van de procedure voor het voorbereiden van de gas-fase reactanten, ozonolysis en productie van organische PM. Het tweede deel van de video toont de procedures voor de bepaling van de eigenschappen van de bevolking geproduceerde deeltje. De deeltjes nummer-diameter distributies tonen verschillende stadia van groei van de deeltjes, namelijk condensatie, stolling of een combinatie van beide, afhankelijk van de omstandigheden. De morfologie van het deeltje wordt gekenmerkt door een aërosol deeltjes massa analyzer (APM) en een Scannende Elektronen Microscoop (SEM). De resultaten bevestigen het bestaan van niet-bolvormige deeltjes die gegroeid van stolling voor specifieke omstandigheden. De experimentele resultaten geven ook aan dat de reactor van de buis stroom kan worden gebruikt voor de studie van de fysische en chemische eigenschappen van biologische PM voor relatief hoge concentraties en korte termijnen.

Introduction

Vluchtige organische stoffen (VOS) uitgestoten uit de biosfeer en de antropogene activiteiten ondergaan reacties in de atmosfeer met oxidanten (zoals ozon of OH radicalen) voor de productie van secundaire zuurstofverbindingen1,2. Sommige van deze verbindingen, vanwege hun lage volatiliteit, uiteindelijk bijdragen aan de massaconcentratie van atmosferische PM-1,–3,4. Atmosferische deeltjes hebben belangrijke gevolgen voor het klimaat, de volksgezondheid en zichtbaarheid5. De mechanismen van de productie van biologische PM, echter nog onvoldoende gekarakteriseerd en begrepen, zowel kwalitatief als kwantitatief, voorspellen nummer en massaconcentraties alsook fysische en chemische eigenschappen. Een benadering voor het overbruggen van de kenniskloof van deze is het uitvoeren van laboratoriumonderzoek met flow buis reactoren voor het nabootsen van de productieprocessen van atmosferische organische PM, aldus vergemakkelijken mechanistisch, proces en karakterisering studies van de PM6 ,7,8,9,10,11,12. De reactor van de buis stroom maakt de snelle synthese van aërosol deeltjes voor een verscheidenheid van deeltje nummer en massaconcentraties13.

De huidige studie beschrijft, door het gebruik van videomateriaal, de productie van biologische PM als submicron-sized deeltjes uit de ozonolysis van een dominante atmosferische monoterpene (namelijk α-pineen) in een flow buis reactor, die werd voor het eerst beschreven in Shrestha et al. 13 kort, de buis stroom werd gemaakt van glas met een binnendiameter van 48.2 mm en een lengte van 1.30 m. De buis stroom was iets boven de omgevingsdruk in het laminaire flow-regime (Reynolds aantal 9.4 ± 0,5), en met een verblijftijd van 38 ± 1 s 14geopereerd. De temperatuur is ingesteld op 25 ± 1 ° C met behulp van een recirculatie chiller te stromen water in een aangepaste doos met dubbellaagse dat de huisvesting van de reactor van de buis stroom.

Een schematische plot van de stroomsysteem van de buis-reactor is afgebeeld in Figuur 1. Een zuivere lucht generator wordt gebruikt voor het genereren van ultra zuivere lucht die een ozon-generator, productie van 200-500 ppm van ozon passeert. Een extra stroom van zuivere lucht op 0,50 sLpm wordt gebruikt voor het verdampen van α-pineen geïnjecteerd door een injector spuit in een kolf met ronde bodem. Α-pineen is vooraf gemengd met 2-butanol bij een verdunningsverhouding van 1:5015,16,17 alvorens wordt teruggetrokken naar de injector spuit, want 2-butanol kan fungeren als een OH scavenger om ervoor te zorgen dat ozonolysis de enige reactie was die zich voordoen in de buis stroom. De kolf met ronde bodem was verwarmd tot 135 ± 1 ° C waardoor snelle verdamping van de geïnjecteerde organische stoffen. De stroom van het α-pineen en ozon inhammen ook waren geregeld loodrecht op elkaar voor het opwekken van turbulentie en snelle mengen op het punt van de injectie. De uitlaat van de buis stroom werd verdeeld tussen sample collectie, grootte distributie metingen (door het scannen mobiliteit deeltje sizer-SMPS), meting van de dichtheid van de deeltjes en uitlaat. Reactie voorwaarden zijn gevarieerd om te bepalen van de relatieve bijdrage van condensatie in vergelijking met coagulatie deeltje groei. De output van de buis stroom moet ten minste één regel verbinden met een open-air uitlaat kap, om ervoor te zorgen dat het is niet mogelijk om het opbouwen van druk in de buis stroom en de kolf met ronde bodem zelfs onder onjuiste proefomstandigheden. De kenmerken van de bevolking geproduceerde deeltje kunnen daardoor fijn worden aangepast. De reactor van de buis stroom is uitgerust met een beweegbare sampler, bemonstering van de organische PM op verschillende tijdstippen in haar productie inschakelen. De verdeling van de diameter van nummer van de bevolking geproduceerde deeltje wordt gemeten op verschillende lengte van de buis stroom. Een APM meet de verdeling van de deeltjes-massa en de dynamische vorm factor7,18,19, die informatie over de morfologie en andere fysieke eigenschappen van de bevolking geproduceerde deeltje geeft. 20 , 21 deeltjes worden ook verzameld op een nanometer deeltje sampler voor off line beeldvorming door een SEM7,22. De implicatie is dat de reactor van de buis stroom een geschikt medium is voor het uitvoeren van ozonolysis experimenten en snel online en offline analyse van de PM daarin geproduceerd.

Protocol

1. gas-fase injectie van de Reactor van de buis stroom De voorloper van de organische injectieOpmerking: Alle apparatuur en software die wordt gebruikt tijdens het experiment kunnen worden gevonden in de Tabel van materialen. Afhankelijk van het doel van de experimenten, kan een breed scala van vluchtige organische stoffen worden gebruikt als de voorloper van de organische voor het experiment. Α-pineen wordt gebruikt als een voorbeeld voor de procedure voor het injecteren van de organische voorloper in de reactor van de buis stroom. Gebruik een micropipet om te verkrijgen van 1,00 mL van α-pineen. De vloeistof overbrengen in een maatkolf 50.00 mL. Gebruik 2-butanol te vullen de maatkolf tot 50.00 mL, waardoor het verdunnen van de α-pineen door een verhouding van 1:50. Schud de maatkolf om te Meng het oplosmiddel en de opgeloste stof. Gebruik een injectiespuit (5,00 mL) in te trekken van de α-pineen oplossing. Spoel de injectiespuit driemaal met de oplossing en vul deze vervolgens met de oplossing. De spuit verbinden met een scherpe naald (25 meter, 2-inch lang). Plaats de injectiespuit op een injector spuit. Breng de naald-tip in een vaporizer Rondbodemkolf (25 mL). Verwarm de vaporisator kolf 135 ± 1 ° C door het verhitten van tape. Invoering van een zachte luchtstroom 0.5 sLpm gezuiverd te verdampen en α-pineen geïnjecteerd uit de injectiespuit weg te voeren. De gezuiverde lucht generator verbinden met de dezelfde voeding als de verwarming tape om te voorkomen dat de kolf met ronde bodem verwarming als de levering van zuivere lucht is gestopt. Zet de injector spuit, en aanpassen van de koers die injectie moet een juiste waarde. Bereken het percentage van de injectie door de gasstroom, de gewenste concentratie van de VOC en de grootte van de spuit voor de vergelijking van Clausius-Clapeyron toe te passen. Bijvoorbeeld, voor een totale stroom van 4,5 sLpm, zou om te bereiken van 125 ppb van α-pineen vereisen een injectie tarief van 11,7 l/h van de α-pineen en 2-butanol mengsel. Zorg ervoor dat de volumetrische concentratie van butanol of α-pineen minder dan 1% in de kolf met ronde bodem om te voorkomen dat de organische stoffen bereiken de ontvlambaarheid limiet. Ozon injectie Passeren een luchtstroom op 4.00 sLpm een ozon-generator. De ozon-generator inschakelen. De ozonconcentratie op juiste waarden bepalen door de lengte van de buis van de glazen afscherming van de UV-lamp binnen de generator aan te passen. De ozon en VOC ratio’s kunnen verschillen van de twee orders van magnitude afhankelijk van het doel van het experiment. Als VOC is nodig om te worden volledig reageerde tijdens het experiment, dan is de ozonconcentratie moet ongeveer 10 keer hoger dan de concentratie van de VOC om ozon is in overmaat. Zet de monitor van de concentratie ozon en de ozon-monitor aansluiten op de computer. Gebruikmakend van een terminal reader software voor toegang tot de uitlezing van de monitor ozon en opslaan van de gegevens die zijn verkregen van de ozon-monitor (Figuur 2). De experimenten uitvoeren nadat de ozonconcentratie stabiliseert. 2. deeltje productie van de Reactor van de buis stroom Aanpassing van de verblijftijd Schroef de dop aan het einde van de reactor van de buis stroom om de positie van de roerende sampler buizen binnen de reactor van de buis stroom. Wijzigen van de verschillende posities van de roerende sampler buizen vervolgens om verschillende woonplaats tijden van 3 tot en met 38 s10s. Tijdens elk experiment, de positie van de roerende sampler om de verblijftijd van de deeltjes die ontstaan binnen de reactor van de buis stroom te wijzigen. De beweegbare sampler aan het begin van de flow buis reactor (0,10 m van de gas-inlaat) positie te verkrijgen van de kortste verblijftijd (3 s). De beweegbare sampler aan het einde van de stroom buis reactor (1,30 m van de gas-inlaat) positie te verkrijgen van de langste verblijftijd (38 s). Temperatuurregeling voor deeltje productie Het huis van de reactor van de buis stroom in een temperatuurgevoelig, dubbelwandig, water-jacketed roestvrij staal-vak. Het uitvoeren van een lek-controle en een waterstand controle voorafgaand aan elke set van experimenten. Stel de temperatuur van de thermostaat in het water rondpompthemostaat tot 20,0 ° C.Opmerking: De temperatuur in de loop van een experiment varieert door niet meer dan 0,1 ° C. Zet de temperatuur in de hoofdcomputer opnamesoftware, en selecteer het bemonsteringstijdstip gegevens tot en met 10 s (Figuur 3). De temperatuursensor is gelegen in het middelpunt van de buis stroom. Start registratie van de temperatuur gemeten vanaf de temperatuursensor als draaien op de opnameknop . De temperatuur voor 4 tot 6 h. stabilisatie de temperatuur opnemen voordat u het experiment uitvoert.Opmerking: De schommelingen van de temperatuur van de reactor van de buis stroom kleiner is dan ± 0,1 ° C gedurende een periode van 24 uur. De druk controle systeem Een druk monitor aansluiten op de uitlaat van de buis stroom door middel van een connector ¼ inch en de hoofdcomputer De druk monitor software (Figuur 4) inschakelen, en klik vervolgens op bestand | Nieuwe | Tijd/controle-Interval instellen van het voorbeeldinterval tot en met 10 s. Klik op Totaal gegevenspunten instellen van de lengte van de bemonstering op 36.000 punten. Klik op OK om de gegevens opneemt.Opmerking: De outlet druk blijft binnen ± 0,01 atm gedurende een periode van 24 uur per dag, suggereren dat de druk in de buis stroom is stabiel. 3. karakterisering van geproduceerde Particle bevolking van de Reactor van de buis stroom Nummer-diameter distributies De uitlaat van de reactor van de buis stroom verbinden met een scannen mobiliteit deeltje sizer (SMPS) door elektrostatische-resistente buizen. Soortgelijk instrument kan ook worden gebruikt voor het meten van de nummer-diameter distributies in plaats van de exploitanten met AMM.Opmerking: De gedetailleerde operationele procedures of het oplossen van de exploitanten met AMM kan gevonden worden in de handleiding. Start de software die de verdeling van de diameter van nummer registreert. Maak een nieuw bestand door te klikken op Nieuw bestand maken. Stel elke parameter afgebeeld in Figuur 5. Het opnemen van de nummer-diameter verdelingen van de deeltjes verlaten van de reactor van de buis stroom door op OK te klikken. Controle van de relatieve vochtigheid De twee baaien van een water waterpijp verbinden met twee controllers van de massastroom (MFC’s) teneinde aan te passen van de vochtigheid van de lucht van de schede in de buis stroom. Aanpassen van het debiet van de twee baaien van 0-10 sLpm om het wijzigen van de relatieve vochtigheid van de lucht van de schede van 95%. De uitlaat van het water waskolf verbinden met de luchtinlaat van de schede van de buis permeabel membraan. Sluit de uitlaat van de reactor van de buis stroom aan de inlaat van de belangrijkste bemonstering van de dezelfde permeabel membraan-buis. Sluit een relatieve vochtigheid (RH) sensor aan de uitlaat van de buis permeabel membraan voor het meten van de RH van de bemonstering lucht. Start de RH meten programma door te klikken op de knop Start , de bestandsnaam te typen en te klikken op de knop Opslaan om de RH gegevens opneemt. Massa en dynamische vorm factor van de deeltjes van de SOM Sluit de uitgang van de relatieve vochtigheid instellen bij de inlaat van een differentiële mobiliteit analyzer (DMA) met een drie-voet lange elektrostatische-resistente buizen. Sluit de uitlaat van de DMA aan de inlaat van de APM-instrument door één-voet lange elektrostatische-resistente buizen. De uitlaat van de APM verbinden met een condensatie deeltjes teller (CPC).Opmerking: De gedetailleerde operationele procedures of het oplossen van de DMA en CPC kan gevonden worden in de handleiding. Zet de APM-instrument en de APM control box door de respectieve / uit-knoppen in te drukken. Klik op RAS op de APM control box zodat het instrument kan worden bediend vanuit de software-interface op de computer. De APM software voor bronbeheer inschakelen. Hiermee laadt u een vooraf ingestelde scannen bestand door te klikken op de knoppen bestand en Load (Figuur 6). Klik op de knop Start van de besturingssoftware van APM zodat het APM-instrument begint om gegevens te verzamelen. De inzameling van het deeltje van de reactor van de buis stroom Sluit de uitgang van de buis stroom naar een nanometer aërosol sampler (NAS) door een drie-voet lange elektrostatische-resistente buizen. Schoonmaken een silicium substraat (eerste rang, weerstand 1-10 Ω∙cm) door een cyclus van methanol, water en opnieuw methanol. Droog het substraat met behulp van een zachte stroom van stikstof. Plaats het schoongemaakte substraat op de elektrode van de NAS. Beveilig de rand van het substraat met tape om het stabiel tijdens de collectie22. Inschakelen van de NAS. Het voltage ingesteld op-9.9 kV. Het debiet ingesteld op 1,8 Lpm. Inschakelen van het instrument van de bemonstering uit te voeren voor 12-36 h. daarna, het verwijderen van het silicium substraat geladen met verzamelde deeltjes uit de NAS. Verdere analyse uitvoeren van deeltjes op de drager vervagen, zoals morfologie door SEM7 of oppervlak analyse9.

Representative Results

Een matrix van reactie voorwaarden zijn samengevat in tabel 1. Er is een scala aan nummer en massaconcentraties van organische PM dat afhankelijk van de geselecteerde α-pineen en ozon concentraties13kan worden geproduceerd. Bijvoorbeeld, zoals blijkt uit tabel 1, wanneer de ozonconcentratie 43 ppm is, de concentratie van α-pineen variërend van 0,125-100 ppm kon produceren (4.4 ± 0,6) × 10,5 tot en met (9.1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 en massa concentraties van 101 104 µg∙m-3, respectievelijk. De evolutie van de dynamische kenmerken van de bevolking van de deeltjes kan worden bestudeerd in de reactor van de buis stroom. Door middel van video demonstratie, werd een experiment uitgevoerd met behulp van 50 ± 1 ppm van ozon en 125 ppb van α-pineen. De longitudinale positie van de particle sampler in de buis stroom toegestaan bemonstering op verschillende tijden van 3,0 ± 0,2 tot en met 38 ± 1 s. Figuur 7 blijkt de nummer-diameter verdelingen van de spuitbussen deeltje bevolking voor dit experiment. Het totale aantal concentratie en de diameter van de modus van de deeltjes verhoogd met de verblijftijd. Voor een verblijftijd van 3 s, geen deeltjes geconstateerd. Voor langer verblijf momenten, was de bevolking van een deeltje verkregen en gemeten. De diameter van de modus is gestegen van minder dan 10 nm tot ongeveer 50 nm voor een toename van de verblijftijd van 17 ± 0.5 s tot 38 ± 1 s. De concentratie die overeenkomt met nummer verhoogd van (8,6 ± 0,5) × 104 cm-3 naar (2.56 ± 0,07) × 105 cm3. Voorbeelden van de nummer-mass distributies opgenomen in drie repliceren experimenten van de APM-instelling zijn weergegeven in Figuur 8. De deeltjes massa en mobiliteit diameters werden gebruikt voor het berekenen van de dynamische vorm factor, χ, via deeltje subpopulatie. De dynamische vorm factor χ is de verhouding van de kracht van slepen op een werkelijke deeltje gedeeld door de kracht van de belemmering ervaren door een volume-equivalent bol23. Vorm factoren van bijna bolvormige deeltjes aanpak eenheid overwegende dat zeer asferische deeltjes aanzienlijk grotere vorm factoren hebben. Figuur 9 ziet u de factoren van de dynamische vorm van de deeltjes verlaten van de buis stroom op verschillende diameters van de mobiliteit en luchtvochtigheid. De respectieve χ waarden voor < 5% RH waren 1,21 ± 0,02, 1,09 ± 0,02 en 1,08 ± 0,02 (één-sigma onzekerheid), wat suggereert dat de deeltjes-populaties werden samengesteld grotendeels van niet-bolvormige deeltjes. Zoals de RH werd verhoogd, χ daalde voor alle drie populaties, het bereiken van een definitieve waarde van 1,02 ± 0,01 op 35% RH en overeenkomstige binnen onzekerheid aan sferische deeltjes. Figuur 10 toont SEM beelden van de deeltjes blootgesteld aan < 5% RH (linker kolom) en 80% RH (rechter kolom). De beelden geven aan dat de niet-bolvormige deeltjes werd ronde na blootstelling aan hoge relatieve vochtigheid, zoals besproken in detail in Zhang et al. 7. de bovengenoemde resultaten wijzen erop dat de reactor van de buis stroom staat van het uitvoeren van diverse soorten online en offline analyse is. Figuur 1 . Een schematisch diagram van de stroom van de stroomsysteem van de buis-reactor. De rode lijnen tonen de stroom met ozon, de licht blauwe lijnen tonen de stroom met α-pineen en de donker blauwe lijnen tonen de stroom van de organische PM. De APM-systeem bestaat uit een DMA, een APM en een CPC die met elkaar zijn verbonden. Dit cijfer eerder verscheen in Shreatha et al. 13 en hier is gereproduceerd met toestemming. Figuur 2 . Grafische gebruikersinterface voor de ozon bewaking en opname programma. Figuur 3 . Grafische gebruikersinterface voor de temperatuur bewaking en opname programma. Figuur 4 . Grafische gebruikersinterface voor de druk bewaking en opname programma. Figuur 5 . Grafische gebruikersinterface voor het nummer-diameter distributie programma. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6 . Grafische gebruikersinterface voor het programma APM. Figuur 7 . Het formaat van de verdeling van de bevolking van de deeltjes uit de buis stroom verschillende woonplaats tijde. Het totale aantal concentraties voor elke grootteverdeling zijn 1.69 × 10-1, 7.50 × 10-3, 8.58 × 10-4, 2.00 × 10,5, 2,33 × 10-5en 2.56 × 105 deeltjes cm-3 voor woonplaats tijden van 3, 10, 17, 25, 32 en 38 s, respectievelijk. De gearceerde gebieden zijn de standaarddeviatie van de verdeling van de grootte van de deeltjes. Dit cijfer eerder verscheen in Shreatha et al. 13 en hier is gereproduceerd met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8 . Een voorbeeld van de nummer-massa-distributie, als gemeten met behulp van het systeem van de DMA-APM. Resultaten van drie repliceren experimenten worden weergegeven om aan te tonen van de reproduceerbaarheid. Twee-sigma onzekerheid wordt vertegenwoordigd door de foutbalken, die ongeveer dezelfde grootte als de gegevensmarkeringen. De lijnen geven vlagen van een normale verdeling op de gegevens. De abscis is berekend op basis van de draaisnelheid van de APM en de spanning tussen de muren van de APM-cilinders toegepast. De deeltjes die wordt weergegeven in het perceel werd geproduceerd van 700 ppb α-pineen en 14 pag/min ozon. De diameter van een centrale mobiliteit van 126,0 nm werd geselecteerd door de DMA. Dit cijfer eerder verscheen in Zhang et al. 7 en hier is gereproduceerd met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9. Dynamische vorm factor voor het verhogen van de relatieve vochtigheid. Paneel A: deeltjes geproduceerd uit 700 ppb α-pineen en 14, 25 en 30 ppm ozon voor deeltjes-populaties met centrale mobiliteit diameters van 126,0 175,0 en 190.0 nm, respectievelijk. De belichtingstijd voor relatieve vochtigheid was 310 s. Foutbalken in elk deelvenster vertegenwoordigen twee sigma van standaarddeviatie. Dit cijfer eerder verscheen in Zhang et al. 7 en hier is gereproduceerd met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 10. SEM beelden van de deeltjes afkomstig van 700 ppb α-pineen en bemonsterd voor een centrale mobiliteit diameter van 180,0 nm. De aërosol deeltjes werden verzameld op het substraat van siliciumdioxide voor 12u en vervolgens bedekt met 5 nm van Pt/Pd. De spanning voor de elektronenbundel werd 5 kV, en de afstand was 2,3 mm. kolom 1 toont dimeer en trimeer hogere-orde Agglomeraat van de granulaire monomeren voor < 5% RH. Rode cirkels identificeren de monomeren. Kolom 2 toont bijna bolvormige deeltjes die verzameld werden na blootstelling aan 80% RH gevolgd door drogen tot < 5% RH. Dit cijfer eerder verscheen in Zhang et al. 7 en hier is gereproduceerd met toestemming. O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2 Α-pineen (ppm) 0,125 ± 0.003 Numeri Conc. 0 2 × 10 (1±1) (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105 Mass. Conc. 0 (3±5) × 10-2 15±5 11±3 20±2 Modus Diameter 0 22±4 60±5 35±3 34±2 St. afwijking geo. N/B 1.2 1.3 1.3 1.5 1,00 ± 0,03 Numeri Conc. 0 (3.1±0.9) × 10-2 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105 Mass. Conc. 0 (9±3) × 10-3 61±9 2 × 10 (52±0.1) 2 × 10 (66±0.1) Modus Diameter 0 33±7 86±6 84±3 85±19 St. afwijking geo. N/B 1.3 1.4 1.5 1.7 10,0 ± 0. 3 Numeri Conc. (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 10-6 Mass. Conc. 0* (1.6±0.2) × 10-2 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 10-4 (1.57±0.02) × 10-4 Modus Diameter 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5 St. afwijking geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5 100 ± 3 Numeri Conc. (4.4±0.3) × 105 (8.3±0.3) × 105 (8.3±0.4) × 10-6 (9.1±0.2) × 10-6 (1.3±0.02) × 107 Mass. Conc. 35±3 (8.6±0.1) × 10-2 (1.3±0.1) × 10-4 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105 Modus Diameter 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4 St. afwijking geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1.9 Tabel 1. Aantal concentraties (cm-3), massaconcentraties (µg m-3) modus diameter (nm) en de diameter van de geometrische standaardafwijking van de deeltjes geproduceerd door α-pineen ozonolysis. Een materiële dichtheid van 1200 kg∙m3 werd gebruikt voor de omrekening van volume concentraties aan massale concentraties en de verblijftijd was 38 s voor alle experimenten. * Hoewel deeltjes aanwezig waren, was de massaconcentratie onder de detectiegrens. Deze tabel verscheen eerder in Shreatha et al. 13 en hier is gereproduceerd met toestemming.

Discussion

Door de omstandigheden in de reactor van de buis stroom aan te passen, kunnen een breed scala van SOA deeltjes met een welomschreven aantal concentraties en massaconcentraties worden geproduceerd. Het mechanisme van de groei kan ook worden gewijzigd tussen de condensational groei en coagulative groei modi, vorming van deeltjes met verschillende vormen. De kritische stappen in het protocol zijn een relatief stabiele maximumtemperatuur van de reactor van de buis stroom en stabilisering van de ozonconcentratie uit de ozon generator. Het is ook belangrijk op te merken dat de positie van de roerende injector zorgvuldig elke keer worden geregistreerd moet, zodat de verblijftijd gelijk blijven zou, wanneer de experimenten te herhalen.

Als de concentratie van deeltjes van de reactor van de buis stroom lijkt anders uit dan verwacht, kunnen verschillende procedures voor probleemoplossing worden uitgevoerd. Een luchtdichte onderzocht van de reactor van de buis stroom kan eerst worden uitgevoerd. Na de luchtdichte examen, de nummer-diameter meetinstrument moet worden gecontroleerd om uit te sluiten van alle mogelijke storing mogelijkheden zoals verstoppingen op de inlaat en de uitputting van de 1-butanol oplossing voor CPC.

Vandaar, de stroom buis reactor hierboven beschreven is een nuttig instrument voor de studie van de fysisch-chemische eigenschappen en de evolutie van de organische aërosolen verspreid over een groot aantal concentraties. Vergeleken met andere aërosol generatie systemen, kan de reactor van de buis stroom snel produceren aërosol deeltjes voor een verscheidenheid van deeltje nummer en massaconcentraties13, die is vooral handig in de bemonstering van de hoge massa-laden. De reactor van de buis stroom is ook uitgerust met een beweegbare sampler, inschakelen van de studie over de evolutie en de groei van de aërosol-deeltjes. Aan de andere kant, heeft de reactor een relatief korte verblijftijd en een voorloper van de relatief hoge concentratie, die haar mogelijkheden te simuleren voorwaarden sluiten-naar-ambient reactie beperkt. Toekomstige werkzaamheden in de reactor van de buis stroom is het toevoegen van ultraviolet verlichting op de binnenmuren zodat foto-oxidatiereacties kunnen worden uitgevoerd binnen de reactor van de buis stroom. Er zijn plannen voor andere VOC reactanten, zoals β-caryofylleen en limoneen, te worden bestudeerd evenals24.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit materiaal is gebaseerd op werk gesteund door de National Science Foundation milieu chemische Wetenschappen Program in de divisie van chemie onder Grant nr. 1111418, de atmosferische-Geowetenschappen divisie van het Amerikaanse National Science Foundation (NSF) onder subsidie nummer 1524731, evenals Harvard faculteit publicatie Award. Wij erkennen Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu en Mikinori Kuwata voor nuttige discussies en hulp bij de 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