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उत्पादन और एक प्रवाह ट्यूब रिएक्टर में कार्बनिक कण बात की माप

Published: December 15, 2018 doi: 10.3791/55684
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 3, 1,4
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

इस कागज प्रवाह ट्यूब रिएक्टर और संबंधित डेटा संग्रह के लिए आपरेशन प्रक्रिया का वर्णन । यह प्रयोगों की स्थापना के लिए प्रोटोकॉल से पता चलता है, डेटा रिकॉर्डिंग और संख्या व्यास वितरण के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कण जन जानकारी है, जो कार्बनिक एयरोसोल्स के रासायनिक और भौतिक गुणों के बारे में उपयोगी जानकारी देता है सृजन ।

Abstract

कार्बनिक बात कण (प्रधानमंत्री) तेजी से पृथ्वी की जलवायु प्रणाली के रूप में के रूप में अच्छी तरह से शहरी क्षेत्रों में सार्वजनिक स्वास्थ्य के लिए महत्वपूर्ण के रूप में मांयता प्राप्त है, और प्रयोगशाला के अध्ययन के लिए सिंथेटिक प्रधानमंत्री का उत्पादन एक व्यापक आवश्यकता बन गए हैं । इस के साथ साथ, प्रयोगात्मक प्रोटोकॉल के दृष्टिकोण को प्रदर्शित करने के लिए α द्वारा एयरोसोल कार्बनिक प्रधानमंत्री-pinene ozonolysis एक प्रवाह ट्यूब रिएक्टर में उत्पादन । तरीके आकार वितरण और एयरोसोल कणों की आकृति विज्ञान को मापने के लिए वर्णित हैं । वीडियो प्रवाह ट्यूब रिएक्टर और संबंधित उपकरण के बुनियादी अभियानों को दर्शाता है । वीडियो के पहले भाग गैस चरण reactants, ozonolysis, और कार्बनिक पीएम के उत्पादन की तैयारी के लिए प्रक्रिया से पता चलता है । वीडियो के दूसरे भाग के उत्पादित कण जनसंख्या के गुणों का निर्धारण करने के लिए प्रक्रियाओं को दर्शाता है । कण संख्या-व्यास वितरण कण विकास, अर्थात् संघनित्र, जमावट, या दोनों का एक संयोजन, प्रतिक्रिया की स्थिति के आधार पर के विभिंन चरणों में दिखाते हैं । कण आकृति विज्ञान एयरोसोल कण जन विश्लेषक (एपीएम) और एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) की विशेषता है । परिणाम गैर-गोलाकार कणों कि विशिष्ट प्रतिक्रिया शर्तों के लिए जमावट से हो गए है के अस्तित्व की पुष्टि करें । प्रयोगात्मक परिणाम यह भी संकेत मिलता है कि प्रवाह ट्यूब रिएक्टर अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता और कम समय फ्रेम के लिए कार्बनिक पीएम के भौतिक और रासायनिक गुणों का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

Introduction

अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (VOCs) जैव मंडल और anthropogenic गतिविधियों से उत्सर्जित oxidants के साथ वातावरण में प्रतिक्रियाओं से गुजरना (जैसे ओजोन या ओह कण) माध्यमिक oxygenated यौगिकों1,2का उत्पादन करने के लिए । इन यौगिकों में से कुछ, उनके कम अस्थिरता के कारण, अंततः वायुमंडलीय प्रधानमंत्री1,3,4के जन एकाग्रता में योगदान । वायुमंडलीय कणों जलवायु, मानव स्वास्थ्य पर महत्वपूर्ण प्रभाव है, और दृश्यता5. कार्बनिक पीएम के उत्पादन तंत्र, तथापि, अपर्याप्त विशेषता और समझ में रहते हैं, दोनों गुणात्मक और मात्रात्मक, संख्या और बड़े पैमाने पर सांद्रता के रूप में अच्छी तरह से शारीरिक और रासायनिक गुणों की भविष्यवाणी करने के लिए । इस ज्ञान अंतर को पाटने के लिए एक दृष्टिकोण को प्रयोगशाला अध्ययन है कि वायुमंडलीय कार्बनिक पीएम की उत्पादन प्रक्रियाओं नकल उतार के लिए प्रवाह ट्यूब रिएक्टरों का उपयोग करने के लिए है, जिससे यंत्रवत, प्रक्रिया, और प्रधानमंत्री 6 के लक्षण वर्णन अध्ययन की सुविधा ,7,8,9,10,11,12। प्रवाह ट्यूब रिएक्टर कण संख्या और जन सांद्रता13की एक किस्म के लिए एयरोसोल कणों की तेजी से संश्लेषण में सक्षम बनाता है ।

वर्तमान अध्ययन का वर्णन, वीडियो सामग्री के उपयोग के माध्यम से, एक प्रमुख वायुमंडलीय monoterpene के ozonolysis से उप माइक्रोन के रूप में जैविक प्रधानमंत्री के उत्पादन (अर्थात α-pinene) एक प्रवाह ट्यूब रिएक्टर में, जो पहले में वर्णित किया गया था श्रेष्ठ एट अल. 13 संक्षेप में, प्रवाह ट्यूब कांच के ४८.२ मिमी के एक भीतरी व्यास और १.३० मीटर की लंबाई के साथ बनाया गया था । प्रवाह ट्यूब थोड़ा लामिना प्रवाह शासन में परिवेश दबाव से ऊपर संचालित किया गया था (९.४ ± ०.५ के रेनॉल्ड्स संख्या), और ३८ ± 1 एस 14के एक निवास समय के साथ । तापमान प्रवाह ट्यूब रिएक्टर आवास कि एक डबल-लेयर्ड अनुकूलित बॉक्स में पानी प्रवाह करने के लिए एक परिसंचारी मिर्च का उपयोग करके 25 ± 1 ° c होना करने के लिए सेट किया गया था ।

प्रवाह ट्यूब रिएक्टर प्रणाली के एक योजनाबद्ध भूखंड चित्रा 1में दिखाया गया है । एक शुद्ध हवा जनरेटर अल्ट्रा शुद्ध हवा है कि एक ओजोन जनरेटर के माध्यम से गुजरता है, ओजोन के 200-500 पीपीएम उत्पादन उत्पंन करने के लिए प्रयोग किया जाता है । ०.५० sLpm पर शुद्ध हवा का एक अतिरिक्त प्रवाह एक गोल नीचे कुप्पी में एक सिरिंज इंजेक्टर द्वारा इंजेक्शन α-Pinene लुप्त हो जाना करने के लिए प्रयोग किया जाता है । α-Pinene 2-ब्यूटानॉल के साथ पूर्व मिश्रित है 1:5015,16,17 के एक कमजोर अनुपात पर सिरिंज इंजेक्टर को वापस लिया जा रहा से पहले, क्योंकि 2-ब्यूटानॉल एक ओह मेहतर के रूप में कार्य कर सकते है सुनिश्चित करने के लिए कि ozonolysis ही प्रतिक्रिया थी प्रवाह ट्यूब के अंदर होने वाली । दौर नीचे कुप्पी १३५ ± 1 डिग्री सेल्सियस के लिए गर्म था इंजेक्शन कार्बनिक यौगिकों के त्वरित वाष्पीकरण की अनुमति । α-pinene और ओजोन प्रवाह की सुविधा भी एक दूसरे को सीधा व्यवस्थित करने के लिए अशांति और इंजेक्शन बिंदु पर तेजी से मिश्रण पैदा कर रहे थे । प्रवाह ट्यूब के आउटलेट नमूना संग्रह, आकार वितरण मापन (स्कैनिंग गतिशीलता कण sizer-एसएमपीएस द्वारा), कण घनत्व माप, और निकास के बीच विभाजित किया गया था । प्रतिक्रिया शर्तों कण विकास के लिए जमावट की तुलना में संघनित्र के सापेक्ष योगदान को नियंत्रित करने के लिए विविध रहे हैं । प्रवाह ट्यूब के उत्पादन के लिए एक खुली हवा निकास हुड को जोड़ने के लिए, यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह संभव नहीं है के लिए प्रवाह ट्यूब के अंदर दबाव का निर्माण और दौर नीचे कुप्पी भी गलत प्रयोगात्मक शर्तों के तहत करने के लिए एक लाइन की जरूरत है । उत्पादित कण जनसंख्या की विशेषताओं जिससे पतले समायोजित किया जा सकता है । प्रवाह ट्यूब रिएक्टर अपने उत्पादन में अलग समय अंक पर कार्बनिक पीएम के नमूने को सक्षम करने के लिए एक जंगम नमूना के साथ सुसज्जित है । संख्या-व्यास उत्पादित कण जनसंख्या का वितरण प्रवाह ट्यूब के विभिंन लंबाई में मापा जाता है । एक एपीएम कण जन वितरण और गतिशील आकार कारक7,18,19है, जो उत्पादन कण जनसंख्या के आकृति विज्ञान और अंय भौतिक गुणों के बारे में जानकारी देता है उपाय । 20 , 21 कण भी एक SEM7,22द्वारा ऑफलाइन इमेजिंग के लिए एक नैनोमीटर कण पारखी पर एकत्र कर रहे हैं । निहितार्थ यह है कि प्रवाह ट्यूब रिएक्टर ozonolysis प्रयोगों और तेजी से ऑनलाइन और ऑफ़लाइन विश्लेषण प्रदर्शन के लिए एक उपयुक्त माध्यम है उसमें उत्पादित ।

Protocol

1. गैस-प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के चरण इंजेक्शन

  1. कार्बनिक अग्रदूत इंजेक्शन
    नोट: सभी उपकरण और प्रयोग के दौरान इस्तेमाल सॉफ्टवेयर सामग्री की तालिकामें पाया जा सकता है । प्रयोगों के उद्देश्य के आधार पर, अस्थिर कार्बनिक यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रयोग के लिए कार्बनिक अग्रदूत के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है । α-Pinene यहां प्रवाह ट्यूब रिएक्टर में कार्बनिक अग्रदूत इंजेक्शन की प्रक्रिया के लिए एक उदाहरण के रूप में प्रयोग किया जाता है ।
    1. α-pinene की १.०० मिलीलीटर प्राप्त करने के लिए एक micropipette का उपयोग करें । तरल एक ५०.०० मिलीलीटर volumetric कुप्पी के लिए स्थानांतरण ।
    2. volumetric कुप्पी को ५०.०० मिलीलीटर तक भरने के लिए 2-ब्यूटानॉल का उपयोग करें, जिससे α-pinene को 1:50 के अनुपात से कमजोर । volumetric कुप्पी मिलाने के लिए विलायक और घुला हुआ मिश्रण अच्छी तरह से ।
    3. α-pinene समाधान निकालने के लिए एक सिरिंज (५.०० mL) का उपयोग करें. कुल्ला सिरिंज समाधान के साथ तीन बार और फिर समाधान के साथ भरें ।
    4. एक तेज सुई (25 गेज, 2 इंच लंबा) करने के लिए सिरिंज कनेक्ट. एक सिरिंज इंजेक्टर पर सिरिंज प्लेस. एक vaporizer गोल-नीचे कुप्पी (25 मिलीलीटर) में सुई टिप डालें । पूर्व ताप टेप द्वारा १३५ ± 1 ° c के लिए vaporizer कुप्पी गर्मी ।
    5. भाप बनकर के लिए ०.५ sLpm शुद्ध हवा का एक सौंय प्रवाह परिचय और दूर α-pinene सिरिंज से इंजेक्शन ले । हीटिंग टेप के रूप में एक ही बिजली की आपूर्ति करने के लिए शुद्ध हवा जनरेटर कनेक्ट करने के लिए गोल नीचे कुप्पी हीटिंग से बचने के लिए अगर पवित्र हवा की आपूर्ति बंद कर दिया है ।
    6. सिरिंज इंजेक्टर पर बारी, और एक उचित मूल्य के लिए इंजेक्शन की दर को समायोजित. गैस प्रवाह दर, वांछित VOC एकाग्रता और सिरिंज आकार Clausius-Clapeyron समीकरण को लागू करने से इंजेक्शन की दर की गणना । उदाहरण के लिए, ४.५ sLpm की कुल प्रवाह के लिए, α-pinene के १२५ ppb तक पहुंचने के लिए μL-α और 2-pinene मिश्रण के ११.७ ब्यूटानॉल/एच की एक इंजेक्शन दर की आवश्यकता होगी । यह सुनिश्चित करें कि कार्बनिक यौगिकों से बचने के लिए ब्यूटानॉल या α-pinene के volumetric एकाग्रता गोल नीचे कुप्पी में 1% से कम है वायुम सीमा तक पहुँचें.
  2. ओजोन इंजेक्शन
    1. एक ओजोन जनरेटर के माध्यम से ४.०० sLpm पर हवा का एक प्रवाह दर्रा ।
    2. ओजोन जनरेटर चालू करें । जनरेटर के अंदर यूवी लैंप परिरक्षण ग्लास ट्यूब की लंबाई का समायोजन करके उचित मूल्यों के लिए ओजोन एकाग्रता नियंत्रित करें । ओजोन और VOC अनुपात प्रयोग के उद्देश्य के आधार पर परिमाण के दो आदेश भर में भिंन हो सकते हैं । यदि VOC पूरी तरह से प्रयोग के दौरान प्रतिक्रिया की जरूरत है, तो ओजोन एकाग्रता के बारे में 10 गुना VOC एकाग्रता से अधिक ओजोन को सुनिश्चित करने के लिए अधिक से अधिक होना चाहिए ।
    3. ओजोन एकाग्रता मॉनीटर को चालू करें और ओजोन मॉनीटर को कंप्यूटर से कनेक्ट करें । ओजोन मॉनिटर readout का उपयोग और ओजोन मॉनिटर (चित्रा 2) से प्राप्त डेटा को बचाने के लिए एक टर्मिनल रीडर सॉफ्टवेयर का उपयोग करना. ओजोन एकाग्रता स्थिर के बाद प्रयोगों प्रदर्शन करते हैं ।

2. फ्लो ट्यूब रिएक्टर के कण उत्पादन

  1. निवास समय का समायोजन
    1. फ्लो ट्यूब रिएक्टर के अंदर चल पारखी ट्यूबिंग की स्थिति को समायोजित करने के लिए प्रवाह के अंत में टोपी unscrew । चल पारखी टयूबिंग के विभिन्न पदों को बदलने के बाद 3 एस से ३८ एस10के लिए अलग निवास बार प्राप्त करने के लिए.
    2. प्रत्येक प्रयोग के दौरान, प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के अंदर उत्पादित किया जा रहा कणों के निवास समय को समायोजित करने के लिए चल पारखी की स्थिति बदल जाते हैं ।
    3. स्थिति प्रवाह ट्यूब रिएक्टर की शुरुआत में चल पारखी (गैस प्रवेश से ०.१० मीटर) को कम निवास समय (3 एस) प्राप्त करने के लिए । प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के अंत में चल पारखी स्थिति (गैस प्रवेश से १.३० मीटर) सबसे लंबे समय तक निवास (३८ एस) प्राप्त करने के लिए ।
  2. कण उत्पादन के लिए तापमान नियंत्रण
    1. घर में प्रवाह ट्यूब रिएक्टर एक तापमान नियंत्रित, डबल घिरी, पानी-जैकेट स्टेनलेस-स्टील बॉक्स । एक रिसाव की जांच करें और एक जल स्तर की जांच प्रयोगों के प्रत्येक सेट से पहले करते हैं ।
    2. २०.० डिग्री सेल्सियस के लिए पानी परिसंचारी में थर्मोस्टेट के तापमान सेट करें ।
      नोट: एक प्रयोग के दौरान तापमान ०.१ से अधिक नहीं डिग्री सेल्सियस से भिन्न होता है ।
    3. मुख्य कंप्यूटर में तापमान रिकॉर्डिंग सॉफ्टवेयर चालू करें, और 10 एस (चित्रा 3) के लिए डेटा नमूना समय निर्धारित किया है । तापमान संवेदक प्रवाह ट्यूब के केंद्र बिंदु पर स्थित है । रिकॉर्ड बटन पर मोड़ जब तापमान सेंसर से मापा तापमान लॉगिंग शुरू.
    4. 4 से 6 घंटे के लिए तापमान रिकॉर्ड प्रयोग करने से पहले तापमान स्थिर ।
      नोट: प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के तापमान में उतार-चढ़ाव 24 घंटे की अवधि के दौरान ± ०.१ ° c से कम है ।
  3. दबाव निगरानी प्रणाली
    1. एक ¼ इंच कनेक्टर और मुख्य कंप्यूटर के माध्यम से प्रवाह ट्यूब आउटलेट के लिए एक दबाव मॉनिटर कनेक्ट
    2. दबाव मॉनिटर सॉफ़्टवेयर (चित्र 4) चालू करें, और उसके बाद फ़ाइल । नये | नमूना अंतराल 10 s करने के लिए सेट करने के लिए समय/
    3. कुल डेटा बिंदुओं पर क्लिक करें ३६,००० अंक के लिए नमूना लंबाई निर्धारित करने के लिए । डेटा रिकॉर्ड करने के लिए ठीक क्लिक करें ।
      नोट: आउटलेट दबाव ± ०.०१ एटीएम के भीतर एक 24 घंटे की अवधि के दौरान रहता है, प्रवाह ट्यूब के भीतर दबाव सुझाव स्थिर है ।

3. प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के उत्पादित कण जनसंख्या का लक्षण वर्णन

  1. संख्या-व्यास वितरण
    1. इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिरोधी टयूबिंग द्वारा एक स्कैनिंग गतिशीलता कण sizer (एसएमपीएस) के लिए प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के आउटलेट से कनेक्ट करें । इसी तरह के साधन भी एसएमपीएस के बजाय संख्या-व्यास वितरण को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
      नोट: विस्तृत ऑपरेटिंग प्रक्रियाओं या एसएमपीएस की समस्या निवारण इसके मैनुअल में पाया जा सकता है ।
    2. संख्या-व्यास वितरण रिकॉर्ड करता है जो सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें । एकनई फ़ाइल बनाएं पर क्लिक करके एक नई फ़ाइल बनाएं । चित्र 5में दिखाए गए प्रत्येक पैरामीटर को सेट करें । रिकॉर्ड संख्या-कण के व्यास वितरण ठीक बटन पर क्लिक करके प्रवाह ट्यूब रिएक्टर से बाहर निकलें ।
  2. सापेक्ष आर्द्रता नियंत्रण
    1. दो जन प्रवाह नियंत्रकों (एमएफसी) के लिए एक पानी bubbler के दो देता है ताकि प्रवाह ट्यूब में म्यान हवा की नमी को समायोजित करने के लिए कनेक्ट । 0-10 sLpm से दो की प्रवाह दर को समायोजित करें ताकि < 5% से > 95% के लिए म्यान हवा के सापेक्ष आर्द्रता बदलने के लिए ।
    2. पारगंय झिल्ली ट्यूब के म्यान हवा प्रवेश करने के लिए bubbler पानी के आउटलेट से कनेक्ट करें । एक ही पारगंय झिल्ली ट्यूब के मुख्य नमूना प्रवेश करने के लिए प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के आउटलेट से कनेक्ट करें ।
    3. नमूना हवा के आरएच मापने के लिए पारगंय झिल्ली ट्यूब के आउटलेट के लिए एक रिश्तेदार आर्द्रता (आरएच) संवेदक से कनेक्ट करें ।
    4. शुरू बटन पर क्लिक करके आरएच मापने कार्यक्रम शुरू, फ़ाइल का नाम दर्ज करने, और सहेजें बटन पर क्लिक करने के लिए आरएच डेटा रिकॉर्ड ।
  3. सामूहिक और गतिशील आकार कारक सोम कणों की
    1. एक तीन फुट लंबी इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिरोधी टयूबिंग के साथ एक अंतर गतिशीलता विश्लेषक (DMA) के प्रवेश के सापेक्ष आर्द्रता नियंत्रण सेटअप के आउटलेट से कनेक्ट करें । एक पैर लंबे इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिरोधी टयूबिंग द्वारा एपीएम साधन के प्रवेश के लिए DMA के आउटलेट से कनेक्ट करें । एपीएम के आउटलेट को एक संघनित्र कण काउंटर (सीपीसी) से कनेक्ट करें ।
      नोट: विस्तृत प्रचालन प्रक्रियाएं या DMA और CPC का समस्या निवारण इसके मैनुअल में पाया जा सकता है ।
    2. एपीएम साधन और एपीएम नियंत्रण बॉक्स को चालू कर संबंधित शक्ति के बटन को दबा दें । एपीएम नियंत्रण बॉक्स पर रिमोट बटन क्लिक करें ताकि यंत्र को कंप्यूटर में सॉफ्टवेयर इंटरफेस से संचालित किया जा सके ।
    3. एपीएम नियंत्रण सॉफ्टवेयर को चालू करें । फ़ाइल और लोड बटन (चित्रा 6) पर क्लिक करके एक पूर्व-सेट स्कैनिंग फ़ाइल लोड करें ।
    4. एपीएम नियंत्रण सॉफ्टवेयर के स्टार्ट बटन पर क्लिक करें ताकि एपीएम साधन डाटा एकत्र करने लगता है ।
  4. फ्लो ट्यूब रिएक्टर से कण संग्रह
    1. एक तीन फुट लंबे इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिरोधी टयूबिंग द्वारा एक नैनोमीटर एयरोसोल पारखी (NAS) करने के लिए प्रवाह ट्यूब आउटलेट कनेक्ट ।
    2. स्वच्छ एक सिलिकॉन सब्सट्रेट (प्रधानमंत्री ग्रेड, प्रतिरोध 1-10 Ω ∙ सेमी) मेथनॉल, पानी का एक चक्र द्वारा, और फिर मेथनॉल । सूखी नाइट्रोजन का एक सौंय प्रवाह का उपयोग कर सब्सट्रेट ।
    3. NAS के इलेक्ट्रोड पर साफ सब्सट्रेट रखें. यह संग्रह22के दौरान स्थिर रखने के लिए टेप के साथ सब्सट्रेट के किनारे सुरक्षित.
    4. NAS पर चालू करें । वोल्टेज के लिए सेट-९.९ केवी । १.८ Lpm प्रवाह दर सेट करें ।
    5. 12-36 घंटे के लिए चलाने के लिए नमूना साधन पर बारी, बाद में, NAS से एकत्र कणों के साथ भरी हुई सिलिकॉन सब्सट्रेट निकालें. इस तरह के SEM7 या सतह विश्लेषण9द्वारा आकृति विज्ञान के रूप में सब्सट्रेट, पर कणों के आगे विश्लेषण करते हैं ।

Representative Results

प्रतिक्रिया शर्तों के एक मैट्रिक्स तालिका 1 में संक्षेप है । वहां संख्या और कार्बनिक पीएम के बड़े पैमाने पर सांद्रता कि चयनित α-pinene और ओजोन13सांद्रता के आधार पर उत्पादन किया जा सकता है की एक सीमा है । उदाहरण के लिए, के रूप में 1 तालिका में दिखाया गया है, जब ओजोन एकाग्रता ४३ पीपीएम, 0.125 से α-pinene एकाग्रता बदलती-100 पीपीएम (४.४ ± ०.६) × 105 से (९.१ ± ०.३) × 106 कणों ∙ सेमी3 और जन सांद्रता 101 के लिए उत्पादन सकता है 104 µ जी ∙ एम-3, क्रमशः ।

कण जनसंख्या के गतिशील विशेषताओं के विकास के प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के अंदर अध्ययन किया जा सकता है । वीडियो प्रदर्शन के माध्यम से, एक प्रयोग ५० ± 1 ओजोन का पीपीएम और १२५ α-pinene के ppb का उपयोग किया गया । फ्लो ट्यूब के अंदर कण पारखी की अनुदैर्ध्य स्थिति ३.० ± ०.२ से ३८ ± 1 के लिए विभिंन बार में नमूना की अनुमति दी । चित्रा 7 इस प्रयोग के लिए एयरोसोल कण जनसंख्या के संख्या व्यास वितरण से पता चलता है । कुल संख्या एकाग्रता और कणों के मोड व्यास निवास समय के साथ वृद्धि हुई । 3 एस के एक निवास समय के लिए, कोई कणों का पता लगाया गया । अब निवास समय के लिए, एक कण जनसंख्या प्राप्त की और मापा गया था । मोड व्यास से कम 10 समुद्री मील की तुलना में ५० एनएम के लिए के बारे में 17 ± ०.५ एस से ३८ ± 1 एस के लिए निवास समय में वृद्धि के लिए वृद्धि हुई है । इसी संख्या एकाग्रता से वृद्धि हुई (८.६ ± ०.५) × 104 सेमी-3 करने के लिए (२.५६ ± ०.०७) × 105 सेमी3.

एपीएम सेटअप द्वारा तीन दोहराने प्रयोगों में दर्ज संख्या-जन वितरण के उदाहरण चित्रा 8में दिखाए गए हैं । कण द्रव्यमान और गतिशीलता व्यास कण उपजनसंख्या के पार गतिशील आकार कारक, χ, की गणना करने के लिए इस्तेमाल किया गया । गतिशील आकार कारक χ एक वास्तविक एक वॉल्यूम द्वारा अनुभवी खींचें बल द्वारा विभाजित कण पर खींचें बल का अनुपात है-बराबर क्षेत्र23। लगभग गोलाकार कणों के आकार कारकों एकता का दृष्टिकोण अत्यधिक aspherical कणों जबकि काफी बड़ा आकार कारक है । चित्रा 9 विभिंन गतिशीलता व्यास और आर्द्रता के स्तर पर प्रवाह ट्यूब से बाहर निकलने के कणों के गतिशील आकार कारकों से पता चलता है । < 5% आरएच के लिए संबंधित χ मूल्यों १.२१ ± ०.०२, १.०९ ± ०.०२, और १.०८ ± ०.०२ (एक सिग्मा अनिश्चितता) थे, सुझाव है कि कण आबादी गैर-गोलाकार कणों की काफी हद तक बना रहे थे ।

के रूप में आरएच वृद्धि हुई थी, χ सभी तीन आबादी के लिए कमी हुई, ३५% आरएच और गोलाकार कणों को अनिश्चितता के भीतर इसी में १.०२ ± ०.०१ के अंतिम मूल्य तक पहुंचने । चित्रा 10 < 5% आरएच (बाएं कॉलम) और ८०% आरएच (दायां कॉलम) को उजागर कणों की SEM छवियां दिखाता है । छवियां संकेत मिलता है कि गैर गोलाकार कणों उच्च आरएच के लिए जोखिम के बाद दौर बन गया, के रूप में झांग एट अल में विस्तार से चर्चा की । 7. ऊपर परिणाम संकेत मिलता है कि प्रवाह ट्यूब रिएक्टर ऑनलाइन और ऑफलाइन विश्लेषण के विभिंन प्रकार के प्रदर्शन करने में सक्षम है ।

Figure 1
चित्रा 1 . प्रवाह ट्यूब रिएक्टर प्रणाली के एक योजनाबद्ध प्रवाह आरेख । लाल लाइनों ओजोन युक्त प्रवाह दिखाने के लिए, प्रकाश नीली लाइनों α-pinene युक्त प्रवाह दिखाने के लिए, और गहरे नीले रंग की लाइनें कार्बनिक प्रधानमंत्री के प्रवाह को दिखाते हैं । एपीएम प्रणाली एक DMA, एक एपीएम, और एक साथ जुड़ा हुआ है कि एक सीपीसी से मिलकर बनता है । यह आंकड़ा पहले Shreatha एट अल में दिखाई दिया । 13 और अनुमति के साथ यहां reproduced है ।

Figure 2
चित्रा 2 . ओजोन निगरानी और रिकॉर्डिंग कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस ।

Figure 3
चित्रा 3 . तापमान की निगरानी और रिकॉर्डिंग कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस ।

Figure 4
चित्र 4 . दबाव की निगरानी और रिकॉर्डिंग कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस ।

Figure 5
चित्रा 5 . संख्या-व्यास वितरण कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . एपीएम कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस ।

Figure 7
चित्र 7 . विभिंन निवास समय पर प्रवाह ट्यूब से कण जनसंख्या का आकार वितरण । प्रत्येक आकार वितरण के लिए कुल संख्या सांद्रता रहे है १.६९ × 10-1, ७.५० × 103, ८.५८ × 104, २.०० × 105, २.३३ × 105, और २.५६ × 105 कणों सेमी- 3 के निवास के समय के लिए 3, 10, 17, 25, ३२, और ३८ एस, क्रमशः । छायांकित क्षेत्र कण आकार वितरण के मानक विचलन हैं । यह आंकड़ा पहले Shreatha एट अल में दिखाई दिया । 13 और अनुमति के साथ यहां reproduced है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 8
चित्र 8 . संख्या-जन वितरण का एक उदाहरण, DMA-एपीएम सिस्टम का उपयोग करके मापा गया । तीन दोहराने के प्रयोगों के परिणाम reproducibility प्रदर्शित करने के लिए दिखाए जाते हैं. दो-सिग्मा अनिश्चितता त्रुटि पट्टियां, जो डेटा मार्करों के रूप में लगभग एक ही आकार के द्वारा प्रस्तुत किया जाता है । पंक्तियाँ डेटा के लिए एक सामान्य वितरण के फिट बैठता है का प्रतिनिधित्व करते हैं । एपीएम रोटेशन की गति और एपीएम सिलिंडर की दीवारों के बीच लागू वोल्टेज के आधार पर abscissa की गणना की जाती है । भूखंड में दिखाए गए कणों ७०० ppb α-pinene और 14 पीपीएम ओजोन से उत्पादित किया गया । १२६.० एनएम का एक केंद्रीय गतिशीलता व्यास DMA द्वारा चयनित किया गया था । यह आंकड़ा पहले झांग एट अल में दिखाई दिया । 7 और अनुमति के साथ यहां reproduced है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 9
चित्र 9. सापेक्षिक आर्द्रता बढ़ाने के लिए डायनेमिक आकार कारक. पैनल एक: कण ७०० ppb α से उत्पादित-pinene और 14, 25, और कण आबादी के लिए 30 पीपीएम ओजोन १२६.०, १७५.० के केंद्रीय गतिशीलता व्यास, और १९०.० एनएम, क्रमशः । सापेक्ष आर्द्रता के लिए जोखिम समय ३१० एस था । प्रत्येक पैनल में त्रुटि सलाखों के मानक विचलन के दो सिग्मा का प्रतिनिधित्व करते हैं । यह आंकड़ा पहले झांग एट अल में दिखाई दिया । 7 और अनुमति के साथ यहां reproduced है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्र 10. ७०० ppb α से प्राप्त कणों की SEM छवियां-pinene और १८०.० एनएम के एक केंद्रीय गतिशीलता व्यास के लिए नमूना । एयरोसोल कणों 12 घंटे के लिए सिलिका सब्सट्रेट पर एकत्र और फिर पीटी के 5 एनएम के साथ लेपित/ इलेक्ट्रॉनक बीम के लिए वोल्टेज 5 केवी का था और काम की दूरी २.३ एमएम थी । कॉलम 1 < 5% आरएच के लिए दानेदार मोनोमर के डिमर, ट्रिमर, और उच्च क्रम agglomerates से पता चलता है । लाल वृत मोनोमर की पहचान करते हैं । 2 कॉलम लगभग गोलाकार कणों कि ८०% आरएच के लिए जोखिम के बाद एकत्र किए गए 5% आरएच < सुखाने के बाद से पता चलता है । यह आंकड़ा पहले झांग एट अल में दिखाई दिया । 7 और अनुमति के साथ यहां reproduced है ।

ओ3 (पीपीएम) 0.15 ± 0.02 0.9 ± 0.1 5.7 ± 0.2 43 ± 1 194 ± 2
α-pinene
पीपीएम
०.१२५ ± ०.००३ Num. 0 (1 ± 1) × 102 (1.0 ± 0.6) × 105 (4.4 ± 0.6) × 105 (3.2 ± 0.2) × 105
मास. 0 (3 ± 5) × 10-2 15 ± 5 11 ± 3 20 ± 2
मोड व्यास 0 22 ± 4 60 ± 5 35 ± 3 34 ± 2
भू. अजजा. अक्षरशः N/A १.२ १.३ १.३ १.५
१.०० ± ०.०३ Num. 0 (3.1 ± 0.9) × 102 (1.5 ± 0.2) × 105 (5.5 ± 0.2) × 105 (5.8 ± 0.4) × 105
मास. 0 (9 ± 3) × 10-3 61 ± 9 (52 ± 0.1) × 102 (66 ± 0.1) × 102
मोड व्यास 0 33 ± 7 86 ± 6 84 ± 3 85 ± 19
भू. अजजा. अक्षरशः N/A १.३ १.४ १.५ १.७
१०.० ± 0 । 3 Num. (2 ± 2) × 101 (4.0 ± 0.2) × 105 (6.0 ± 0.7) × 105 (6.3 ± 0.7) × 105 (1.8 ± 0.2) × 106
मास. 0* (1.6 ± 0.2) × 102 (2.5 ± 0.2) × 103 (1.19 ± 0.02) × 104 (1.57 ± 0.02) × 104
मोड व्यास 8 ± 9 81 ± 2 147 ± 9 245 ± 38 155 ± 5
भू. अजजा. अक्षरशः 1 १.४ १.४ १.४ १.५
१०० ± 3 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
मास. 35 ± 3 (8.6 ± 0.1) × 102 (1.3 ± 0.1) × 104 (1.6 ± 0.04) × 105 (4.0 ± 0.1) × 105
मोड व्यास 48 ± 2 88 ± 5 134 ± 8 262 ± 12 334 ± 4
भू. अजजा. अक्षरशः १.४ १.६ १.५ १.७ १.९

तालिका 1. संख्या सांद्रता (सेमी-3), बड़े पैमाने पर सांद्रता (µ g m-3), मोड व्यास (एनएम), और α-pinene ozonolysis द्वारा उत्पादित कणों के ज्यामितीय व्यास मानक विचलन । १२०० किलो ∙ एम3 का एक सामग्री घनत्व बड़े पैमाने पर सांद्रता के लिए मात्रा सांद्रता के रूपांतरण के लिए इस्तेमाल किया गया था और निवास समय सभी प्रयोगों के लिए ३८ एस था । * हालांकि कण मौजूद थे, जन एकाग्रता का पता लगाने की सीमा से नीचे था । यह टेबल पहले Shreatha एट अल में छपी थी । 13 और अनुमति के साथ यहां reproduced है ।

Discussion

प्रवाह ट्यूब रिएक्टर में शर्तों का समायोजन करके, अच्छी तरह से परिभाषित संख्या सांद्रता और बड़े पैमाने पर सांद्रता के साथ SOA कणों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन किया जा सकता है । विकास तंत्र भी condensational वृद्धि और coagulative विकास मोड के बीच बदल सकता है, विभिन्न आकार के साथ कणों बनाने. प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के एक रिश्तेदार स्थिर तापमान को बनाए रखने, और ओजोन जनरेटर से बाहर ओजोन एकाग्रता को स्थिर करने में शामिल हैं । यह भी ध्यान रखना जरूरी है कि चल इंजेक्टर की स्थिति को हर बार सावधानीपूर्वक रिकॉर्ड किया जाए ताकि निवास का समय प्रयोगों को दोहराने पर ही रह जाए.

यदि प्रवाह ट्यूब रिएक्टर से कण एकाग्रता के लिए उंमीद से अलग होने लगता है, कई समस्या निवारण प्रक्रियाओं किया जा सकता है । प्रवाह ट्यूब रिएक्टर की एक हवा तंग जांच पहले प्रदर्शन किया जा सकता है । वाटरप्रूफ परीक्षा के बाद, संख्या-व्यास माप साधन की जांच की जरूरत है ताकि सभी संभावित खराबी संभावनाओं को बाहर करने के लिए कॉलेस्ट्रॉल जैसे प्रवेश और 1 के घट-ब्यूटानॉल समाधान सीपीसी के लिए ।

इसलिए, ऊपर वर्णित प्रवाह ट्यूब रिएक्टर भौतिक गुण और एकाग्रता की एक विस्तृत श्रृंखला फैले कार्बनिक एयरोसोल्स के विकास के अध्ययन के लिए एक उपयोगी उपकरण है । अंय एयरोसोल पीढ़ी प्रणालियों के साथ तुलना में, प्रवाह ट्यूब रिएक्टर जल्दी कण संख्या और जन सांद्रता13, जो विशेष रूप से उच्च मास लोडिंग नमूना में उपयोगी है की एक किस्म के लिए एयरोसोल कणों का उत्पादन कर सकते हैं । प्रवाह ट्यूब रिएक्टर भी चल पारखी के साथ सुसज्जित है, विकास और एयरोसोल कणों के विकास पर अध्ययन को सक्षम करने. दूसरी ओर, रिएक्टर एक अपेक्षाकृत कम निवास समय और एक अपेक्षाकृत उच्च अग्रदूत एकाग्रता है, जो अपने को बंद करने वाली परिवेश प्रतिक्रिया शर्तों अनुकरण करने की क्षमता सीमा है । भविष्य प्रवाह ट्यूब रिएक्टर शामिल काम करने के लिए आंतरिक दीवारों पर पराबैंगनी रोशनी जोड़ने इतना है कि फोटो ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं प्रवाह ट्यूब रिएक्टर के भीतर आयोजित किया जा सकता है । योजना अन्य VOC reactants के लिए जगह में हैं, जैसे β-caryophyllene और लाइमोनीन, के रूप में अच्छी तरह से24का अध्ययन किया जा.

Disclosures

लेखक कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हितों की घोषणा ।

Acknowledgments

इस सामग्री को राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित काम पर आधारित है रसायन विज्ञान के प्रभाग में पर्यावरण रसायन साइंस कार्यक्रम अनुदान No ११११४१८ के तहत, वायुमंडलीय-भूविज्ञान अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) के अंतर्गत विभाजन अनुदान संख्या १५२४७३१, साथ ही हार्वर्ड संकाय प्रकाशन पुरस्कार. हम उपयोगी विचार विमर्श और प्रयोगों के साथ सहायता के लिए मोना श्रेष्ठ, एडम Bateman, Pengfei लियू, और Mikinori Kuwata स्वीकार करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
(-)-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

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पर्यावरण विज्ञान अंक १४२ वायुमंडलीय रसायन बात कण (प्रधानमंत्री) प्रवाह ट्यूब रिएक्टर कार्बनिक एयरोसोल माध्यमिक कार्बनिक सामग्री (सोम) आकार वितरण आकृति विज्ञान
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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).

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