Este documento descreve o procedimento de operação para o reator de tubo de fluxo e a coleção de dados relacionados. Ele mostra os protocolos para configuração das experiências, gravação de dados e gerando a distribuição do número de diâmetro, bem como as informações em massa das partículas, que dá informações úteis sobre propriedades químicas e físicas de aerossóis a orgânica.
Orgânico particulado (PM) é cada vez mais reconhecido como importante para a terra sistema climático bem como a saúde pública nas regiões urbanas, e a produção de sintético PM para estudos laboratoriais tornaram-se uma necessidade generalizada. Neste documento, protocolos experimentais demonstram aproximações para produzir aerossol orgânico PM por α-pineno ozonólise em um reator de tubo de fluxo. Métodos são descritos para medir as distribuições de tamanho e morfologia das partículas de aerossol. O vídeo demonstra as operações básicas do reator do tubo de fluxo e instrumentação relacionada. A primeira parte do vídeo mostra o procedimento para a preparação de reagentes de fase gasosa, ozonólise e produção de orgânico PM. A segunda parte do vídeo mostra os procedimentos para a determinação das propriedades da população de partículas produzidas. As distribuições do número-diâmetro de partícula mostram diferentes estágios de crescimento de partículas, ou seja, condensação, coagulação ou uma combinação de ambos, dependendo das condições de reação. A morfologia das partículas é caracterizada por um analisador de massa de partículas de aerossol (APM) e um microscópio eletrônico de varredura (MEV). Os resultados confirmam a existência de partículas não-esférica que cresceram de coagulação para condições específicas de reação. Os resultados experimentais indicam também que o reator de tubo de fluxo pode ser usado para estudar as propriedades físicas e químicas do orgânico PM para concentrações relativamente altas e quadros de curto período de tempo.
Compostos orgânicos voláteis (COV) emitidos a partir da biosfera e actividades antropogénicas sofrem reações na atmosfera com oxidantes (como o ozônio ou radicais OH) para produzir compostos oxigenados secundário1,2. Alguns destes compostos, devido à sua baixa volatilidade, em última análise, contribuam para a concentração em massa atmosférica PM1,3,4. Partículas atmosféricas têm importantes efeitos sobre o clima, saúde humana e visibilidade5. Os mecanismos de produção de orgânico PM, no entanto, permanecem insuficientemente caracterizadas e compreendida, tanto qualitativa como quantitativamente, para prever o número e as concentrações em massa, bem como propriedades físicas e químicas. Uma abordagem para colmatar esta lacuna de conhecimento é a realização de estudos de laboratório que utilizam reatores de tubo de fluxo para imitar os processos de produção da PM orgânico atmosférico, desse modo facilitando mecanicista, processos e estudos de caracterização da PM6 ,7,8,9,10,11,12. O reator de tubo de fluxo permite a rápida síntese de partículas de aerossol para uma variedade de número de partículas e concentrações em massa13.
O presente estudo descreve, através da utilização de material de vídeo, a produção de orgânico PM como submicron-tamanho de partículas da ozonólise de um monoterpeno atmosférico dominante (Viz α-pineno) em um reator de tubo de fluxo, que foi primeiramente descrito em Shrestha et al 13 brevemente, o tubo de fluxo era feito de vidro com um diâmetro interno de 48,2 mm e um comprimento de 1,30 m. O tubo de fluxo foi operado ligeiramente acima da pressão ambiente, em regime de fluxo laminar (número de Reynolds de 9,4 ± 0,5) e com um tempo de residência de 38 ± 1 s 14. A temperatura foi definida para ser 25 ± 1 ° C, utilizando resfriador de recirculação de fluxo de água em uma caixa personalizada com duas camadas aquela carcaça do reator do tubo de fluxo.
Uma trama esquemática do sistema de reator de fluxo tubo é mostrada na Figura 1. Um gerador de ar puro é usado para gerar ultrapuro ar que passa através de um gerador de ozônio, produzindo 200-500 ppm de ozônio. Um fluxo adicional de ar puro para sLpm 0.50 é usado para evaporar o α-pineno, injetado por um injector de seringa num balão de fundo redondo. Α-pineno é pre-misturado com uma proporção de diluição de 01:50 de16,de15,17 antes de ser retirado para o injector de seringa, porque 2-butanol pode atuar como um limpador de OH para garantir essa ozonólise foi a única reação de 2-butanol ocorrendo dentro do tubo de fluxo. O balão de fundo redondo foi aquecido a 135 ± 1 ° C, permitindo a rápida evaporação dos compostos orgânicos injetados. O fluxo de α-pineno e ozônio entradas também foram dispostos perpendicularmente uns aos outros para induzir turbulência e mistura rápida no ponto de injeção. À saída do tubo de fluxo foi dividida entre a coleta de amostra, medidas de distribuição de tamanho (pelo dimensionador digitalização de partícula de mobilidade-SMPS), medição de densidade de partículas e gases de escape. Condições da reação são variadas para controlar a contribuição relativa de condensação comparada a coagulação para crescimento de partículas. A saída do tubo de fluxo precisa ter pelo menos uma linha conectando-se ao ar livre aspirante, para garantir que não é possível criar pressão dentro do tubo de fluxo e o balão de fundo redondo, mesmo sob condições experimentais incorretas. As características da população de partículas produzidas, assim, podem ser ajustadas finamente. O reator de tubo de fluxo é equipado com um sampler móvel permitindo a amostragem da PM em pontos de tempo diferentes em sua produção orgânica. A distribuição do número de diâmetro da população de partículas produzido é medida em vários comprimento do tubo de fluxo. Uma APM mede a distribuição em massa da partícula e a forma dinâmica fator7,18,19, que dá informações sobre a morfologia e outras propriedades físicas da população de partículas produzidas. 20 , 21 as partículas também são coletadas em um sampler de partícula nanômetros para a imagem latente off-line por um SEM7,22. A implicação é que o reator de tubo de fluxo é meio adequado para a realização de experiências de ozonólise e análise rápido on-line e off-line da PM produzido nele.
Ajustando as condições no reator de tubo de fluxo, podem ser produzidos com concentrações de número bem definidas e concentrações em massa, as partículas um ampla gama de SOA. O mecanismo de crescimento também pode ser alterado entre o crescimento condensational e modos de crescimento coagulativa, formando partículas com formas diferentes. Os passos críticos no protocolo incluem manter uma temperatura estável relativa do reator do tubo de fluxo e estabilizar a concentração de ozônio fora o gerador de ozônio. Também é importante notar que a posição do injector móvel precisa ser cuidadosamente gravado cada vez para que o tempo de residência ficasse o mesmo quando repetir os experimentos.
Se a concentração de partículas do reator do tubo de fluxo parece ser diferente do que o esperado, vários procedimentos de solução de problemas podem ser executados. Um exame estanque do reator do tubo de fluxo pode ser executada primeiro. Após o exame hermético, o instrumento de medição de diâmetro número precisa ser verificado para excluir todas as possibilidades de mau funcionamento potenciais tais como entupimento na entrada e na depleção de solução de 1-butanol para CPC.
Portanto, o reator de tubo de fluxo descrito acima é uma ferramenta útil para estudar as propriedades físico-químicas e evolução dos aerossóis orgânicos abrangendo uma ampla gama de concentrações. Comparado com outros sistemas de geração de aerossol, o reator de tubo de fluxo pode rapidamente produzir partículas de aerossol para uma variedade de número de partículas e concentrações em massa13, que é especialmente útil em amostragem de carregamento de alta massa. O reator de tubo de fluxo também é equipado com um sampler móvel, permitindo o estudo sobre a evolução e o crescimento das partículas de aerossol. Por outro lado, o reator tem um tempo de residência relativamente curto e uma concentração relativamente elevada do precursor, que limita a sua capacidade de simular as condições de reação de fim-de-ambiente. Envolvendo o reator do tubo de fluxo de trabalho futuro é adicionar iluminação ultravioleta para paredes internas, para que as reações de foto-oxidação podem ser realizadas dentro do reator do tubo de fluxo. Existem planos para outros reagentes VOC, tais como β-cariofileno e limoneno, ser também estudaram24.
The authors have nothing to disclose.
Este material é baseado em trabalho apoiado pela National Science Foundation ambiental química Ciências Program da divisão de química sob Grant no. 1111418, a divisão de Geociências-atmosférica de US National Science Foundation (NSF) sob número de concessão 1524731, bem como prêmio de publicação de faculdade de Harvard. Reconhecemos a Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu e Mikinori Kuwata para discussões úteis e assistência com os experimentos.
(-)-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 |