Summary
Denne artikkelen beskriver fremgangsmåten for flyt tube reaktoren og relaterte datainnsamling. Viser protokollene for sette eksperimenter, innspilling dataene og generere tall-diameter distribusjon samt partikkel masse informasjon, som gir nyttig informasjon om kjemiske og fysiske egenskaper av organisk aerosoler.
Abstract
Organisk svevestøv (PM) er stadig mer anerkjent som viktig jordens klimasystem samt folkehelsen i urbane områder, og produksjonen av syntetiske PM for laboratoriestudier har blitt en utbredt nødvendighet. Her, viser eksperimentelle protokoller tilnærminger for å produsere aerosolized organisk PM av α-pinene ozonolysis i flyt tube reaktoren. Metodene er beskrevet for å måle størrelsen distribusjoner og morfologi av aerosol partikler. Videoen demonstrerer grunnleggende operasjoner flyt tube reaktoren og relaterte instrumentering. Den første delen av videoen viser fremgangsmåten for å forberede gassfase-reaktantene, ozonolysis og produksjon av organiske PM. Den andre delen av videoen viser prosedyrene for fastsettelse egenskapene til befolkningen produsert partikkel. Partikkel nummer-diameter distribusjonene viser ulike stadier av partikkel vekst, nemlig kondens, koagulering eller en kombinasjon av begge, avhengig av reaksjonen forhold. Partikkel morfologi er preget av en aerosol partikkel masse analyzer (APM) og en scanning elektron mikroskop (SEM). Resultatene bekrefter eksistensen av ikke-sfæriske partikler som har vokst fra koagulering for spesifikk reaksjon forhold. Eksperimentelle resultatene indikerer også at flyt tube reaktoren kan brukes å studere fysiske og kjemiske egenskaper av organisk PM for relativt høye konsentrasjoner og kort.
Introduction
Flyktige organiske forbindelser (VOCs) slippes ut fra biosfæren og menneskelige aktiviteter gjennomgå reaksjoner i atmosfæren med oksidanter (som ozon eller OH radikaler) for å produsere sekundære oksygenrikt forbindelser1,2. Noen av disse forbindelsene, på grunn av sin lav volatilitet, til slutt bidrar til masse konsentrasjonen av atmosfærisk PM1,3,4. Atmosfærisk partikler har viktige effekter på klima, helse og synlighet5. Produksjonen mekanismer for organisk PM, beholdes imidlertid utilstrekkelig preget og forstått, både kvalitativt og kvantitativt, for å forutsi antallet og masse konsentrasjoner samt fysiske og kjemiske egenskaper. En tilnærming for å bygge bro denne kunnskapen hullet er utføre laboratoriestudier bruker flyt tube reaktorer for mimicking produksjonsprosessen atmosfæriske organisk PM, og dermed tilrettelegge mekanistisk, prosess og karakterisering studier av PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flyt tube reaktoren muliggjør rask syntesen av aerosol partikler for en rekke partikkel tall og masse konsentrasjoner13.
Studien beskriver, ved hjelp av videomateriale, produksjon av organiske PM som submicron størrelse partikler fra ozonolysis av en dominerende stemningsfulle monoterpene (viz. α-pinene) i en flyt tube reaktoren, som først ble beskrevet i Shrestha et al. 13 kort, flow-røret var laget av glass med en diameter på 48.2 mm og en lengde på 1,30 m. Flow-røret ble drevet litt over omgivelsestrykk i laminær strømning regimet (Reynolds antall 9,4 ± 0,5), og med en botid 38 ± 1 s 14. Temperaturen var satt til 25 ± 1 ° C ved hjelp av en resirkulerende chiller for å strømme vann i en dobbelt lag tilpassede boks som boliger flyt tube reaktoren.
En skjematisk tomt flyt tube reaktoren systemet er vist i figur 1. En ren luft generator brukes til å generere ultra ren luft som passerer gjennom en ozon generator, produserer 200-500 ppm ozon. En ekstra flyt av ren luft på 0,50 sLpm brukes til å fordampe α-Pinene injisert med en sprøyte injektor i en rund bunn kolbe. Α-Pinene er ferdigblandet med 2-butanol i fortynning forholdet 1:5015,16,17 før blir trukket tilbake til sprøyten injektoren, fordi 2-butanol kan fungere som en OH åtseldyr slik at ozonolysis var bare reaksjonen skjer i flow-røret. Rundt bunnen flasken ble oppvarmet til 135 ± 1 ° C tillater rask fordampning av de injiserte organiske forbindelsene. Α-pinene og ozon flyten viker var også arrangert vinkelrett til hverandre for å indusere turbulens og rask blande ved injeksjon poenget. Utløpet av flow-røret ble delt mellom prøvetaking, størrelse distribusjon målinger (ved skanning mobilitet partikkel sizer-SMP), partikkel tetthet måling og eksos. Reaksjonen forhold er varierte for å kontrollere relative bidrag kondens sammenlignet koagulering partikkel vekst. Resultatet av flow-røret må ha minst én linje til en utendørs eksos panseret, slik at det ikke er mulig å bygge opp trykk inni flow-røret og runde bunnen kolbe selv under feil eksperimentelle forhold. Egenskapene til befolkningen produsert partikkel kan dermed justeres fint. Flyt tube reaktoren er utstyrt med en bevegelig sampler aktivere utvalg av organiske PM på ulike tidspunkt i produksjonen. Tall-diameter fordelingen av befolkningen produsert partikkel måles på ulike lengden av flow-røret. En APM måler partikkel masse distribusjon og dynamisk form faktor7,18,19, som gir informasjon om morfologi og andre fysiske egenskaper av befolkningen produsert partikkel. 20 , 21 partikler kan også skje på en nanometer partikkel sampler for frakoblet avbildning av en SEM7,22. Implikasjonen er at flyt tube reaktoren er et egnet medium for å utføre ozonolysis eksperimenter og rask online og offline analyse av PM skapt.
Protocol
1. gassfase injeksjon av flyt Tube reaktoren
-
Organisk forløper injeksjon
Merk: Alle utstyr og programvare brukes under eksperimentet kan finnes i Tabell for materiale. Avhengig av formålet av eksperimenter, kan et bredt spekter av flyktige organiske forbindelser brukes som organisk forløperen for eksperimentet. Α-Pinene brukes her som eksempel fremgangsmåten for sprøytebruk organisk forløperen til flyt tube reaktor.- Bruke brønnene for å få 1.00 mL α-pinene. Overføre væske til en 50.00 mL volumetriske kolbe.
- Bruke 2-butanol for å fylle volumetriske kolbe til 50.00 mL, og dermed diluting α-pinene av forholdet 1:50. Riste volumetriske kolbe å blande løsemiddelet og stoff grundig.
- Bruk en sprøyte (5,00 mL) å trekke α-pinene løsningen. Skyll sprøyten tre ganger med løsningen og deretter fylle det med løsningen.
- Koble sprøyten til en skarp nål (25 gauge, 2-tommen lang). Plass sprøyten til en sprøyte injektor. Stikk nålen inn i en vaporizer runde bunn kolbe (25 mL). Forvarm vaporizer kolbe til 135 ± 1 ° C ved å varme tape.
- Innføre en skånsom flyt 0,5 sLpm renset luft å fordampe og bære bort α-pinene injiseres fra sprøyten. Koble renset luften generatoren til samme strømforsyningen som oppvarming tape å unngå oppvarming runde bunnen kolbe hvis ren lufttilførselen er stoppet.
- Slå på sprøyten injektoren, og justere injeksjon til en passende verdi. Beregne injeksjon rate ved å bruke gass flow rate, ønsket VOC konsentrasjonen og sprøyte størrelsen i Clausius-Clapeyron-formelen. For eksempel, for en total flyt av 4,5 sLpm krever for å nå 125 ppb av α-pinene en injeksjon rate på 11,7 μL/t α-pinene og 2-butanol blanding. Kontroller at volumetriske konsentrasjonen av butanol eller α-pinene er mindre enn 1% i runde bunnen flasken å unngå organiske forbindelser rekkevidden Brennbarhet grensen.
-
Ozon injeksjon
- Passere en flyt av luft på 4.00 sLpm gjennom en ozon generator.
- Slå på ozongeneratoren. Kontrollere ozon konsentrasjonen til riktige verdier ved å justere lengden på glassrør skjerming UV-lampen inne generatoren. Ozon og VOC prosenter kan variere over to bestillinger av størrelsen avhengig av formålet av eksperimentet. Hvis VOC er nødvendig å være fullt reagert under eksperimentet, bør så ozon konsentrasjonen være ca 10 ganger høyere enn VOC konsentrasjonen å sikre ozon er i overkant.
- Slå på ozon konsentrasjon skjermen og koble ozon skjermen til datamaskinen. Benytter en terminal leseren programvare å ozon skjermen avlesning og lagre dataene innhentet fra ozon skjermen (figur 2). Utføre eksperimenter etter ozon konsentrasjonen stabiliserer.
2. particle produksjon av flyt Tube reaktoren
-
Justering av botid
- Løsne hetten på slutten av flyt tube reaktoren justere plasseringen av den bevegelige sampler rør inne flyt tube reaktoren. Endre forskjellige posisjoner på den bevegelige sampler rør senere for å oppnå forskjellige residence ganger 3 s 38 s10.
- Under hvert eksperiment, kan du endre plasseringen av den bevegelige sampler justere oppholdstiden partikler som produseres inne flyt tube reaktoren.
- Plasser den bevegelige sampler begynnelsen av flyt tube reaktoren (0,10 m fra inntaket gass) for å få kortest botid (3 s). Plasser den bevegelige sampler på slutten av flyt tube reaktoren (1,30 m fra inntaket gass) for å få den lengste botid (38 s).
-
Temperaturkontroll for partikkel produksjon
- Huset flyt tube reaktoren i en temperaturkontrollert, doble vegger, water-jacketed rustfritt stål. Utføre en lekkasje sjekk og en vannstanden sjekk før hvert sett av eksperimenter.
- Angi termostaten temperaturen i vannet Sirkulator til 20.0 ° C.
Merk: Temperatur i løpet av et eksperiment varierer mer enn 0,1 ° c. - Slå på temperaturen brenningsprogramvaren i hoveddatamaskinen, og sett data prøvetaking tiden 10 s (Figur 3). Temperatursensoren ligger i midtpunktet av flow-røret. Starte hogger tømmer temperaturen målt fra temperatursensoren når du slår på opptaksknappen .
- Registrer temperatur for 4 til 6 h. Stabilize temperaturen før eksperimentet.
Merk: Temperatur svingninger i flyt tube reaktoren er mindre enn ± 0,1 ° C i en 24-timers periode.
-
Trykket overvåkingssystem
- Koble en press skjerm til flyt tube uttaket gjennom en ¼ tomme-kontakt og hoveddatamaskinen
- Slå på press dataskjerm programvare (Figur 4), og klikk deretter filen | Nye | Tid/prøveintervallet å angi prøvetaking 10 s.
- Klikk på Totalt datapunkt til å konfigurere prøvetaking 36.000 poeng. Klikk OK for å registrere data.
Merk: Stikkontakt trykket forblir innenfor ± 0,01 atm i en 24-timers periode, antyder trykket i flow-røret er stabil.
3. karakterisering av produsert partikkel befolkningen av flyt Tube reaktoren
-
Tall-diameter distribusjoner
- Koble utløpet av flyt tube reaktoren til en skanning mobilitet partikkel sizer (SMP) av elektrostatisk-resistente rør. Lignende instrument kan også brukes til å måle antall diameter distribusjoner i stedet for SMP.
Merk: Den detaljerte operasjonsprosedyrer eller feilsøking av SMP kan finnes i håndboken. - Start programvaren som registrerer tall-diameter fordelingen. Opprette en ny fil ved å klikke på Opprett en ny fil. Angi hver parameter som vist i figur 5. Registrere tall-diameter distribusjonen av partikler ut flyt tube reaktoren ved å klikke på OK .
- Koble utløpet av flyt tube reaktoren til en skanning mobilitet partikkel sizer (SMP) av elektrostatisk-resistente rør. Lignende instrument kan også brukes til å måle antall diameter distribusjoner i stedet for SMP.
-
Relativ fuktighetskontroll
- Koble de to sundene på en vann bubbler til to massen flyt kontrollere (flerfunksjonsmaskiner) for å justere fuktighet av sliren luften i flyt tube. Justere flyt av de to sundene fra 0-10 sLpm å endre relativ fuktighet skjede luften fra < 5 til > 95%.
- Koble utløpet av vann bubbler i skjede luft innløpet til gjennomtrengelig membran røret. Koble utløpet av flyt tube reaktoren i viktigste prøvetaking innløpet til samme gjennomtrengelig membran rør.
- Koble en relativ luftfuktighet (RH) sensor til utløpet av gjennomtrengelig membran røret å måle RH i luften prøvetaking.
- Starte RH måling programmet ved å klikke på Start -knappen, angi filnavnet, og klikke Lagre for å registrere RH data.
-
Masse og dynamisk form faktor SOM partikler
- Koble utløpet av relativ fuktighet kontroll oppsettet i innløpet til en differensiell mobilitet analyzer (DMA) med en tre-fot lange elektrostatisk-resistente rør. Koble utløpet av DMA i innløpet til APM instrumentet ved en-fot lange elektrostatisk-resistente rør. Koble utløpet av APM til en kondens partikkel teller (CPC).
Merk: Den detaljerte operasjonsprosedyrer eller feilsøking av DMA og CPC kan finnes i håndboken. - Aktivere APM instrumentet og boksen APM kontroll ved å trykke på knappene respektive makt. Klikk Fjern på APM kontrollboksen slik at apparatet kan styres fra programvare for datamaskinen.
- Aktivere APM Kontrollprogramvaren. Laste inn en forhåndsinnstilt skanning fil ved å klikke knappene fil og Last (figur 6).
- Klikk på knappen Start av APM kontroll programvare slik at APM apparatet begynner å samle inn data.
- Koble utløpet av relativ fuktighet kontroll oppsettet i innløpet til en differensiell mobilitet analyzer (DMA) med en tre-fot lange elektrostatisk-resistente rør. Koble utløpet av DMA i innløpet til APM instrumentet ved en-fot lange elektrostatisk-resistente rør. Koble utløpet av APM til en kondens partikkel teller (CPC).
-
Partikkel samling fra flyt tube reaktoren
- Koble flyt tube uttaket til en nanometer aerosol sampler (NAS) av en tre-fot lange elektrostatisk-resistente rør.
- Rengjør en silicon substrat (prime grad, motstand 1-10 Ω∙cm) ved en syklus av metanol, vann og igjen metanol. Tørr underlaget med en mild flyt av nitrogen.
- Plass renset underlaget på elektroden NAS. Sikre kanten av underlaget med tape for å holde det stabile i løpet av samlingen22.
- Slå på NAS. Sette spenning til-9.9 kV. Angi flyt til 1,8 Lpm.
- Slå på apparatet prøvetaking kjøre for 12-36 h. etterpå, fjerne silisium underlaget lastet med samlet partikler fra NAS. Utføre ytterligere analyser av partikler på underlaget, som morfologi av SEM7 eller overflate analyse9.
Representative Results
En matrise av reaksjonen forhold summeres i tabell 1. Det er en rekke tall og masse konsentrasjoner av organisk PM som kan produseres avhengig av valgte α-pinene og ozon konsentrasjoner13. For eksempel, som vist i tabell 1, når ozon konsentrasjonen er 43 ppm, varierende α-pinene konsentrasjonen 0.125-100 ppm kan produsere (4.4 ± 0,6) × 105 (9.1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 og masse konsentrasjoner av 101 104 µg∙m-3, henholdsvis.
Utviklingen av dynamiske egenskapene til befolkningen partikkel kan studeres i flyt tube reaktoren. Ved hjelp av video demonstrasjon, ble et eksperiment utført med 50 ± 1 ppm av ozon og 125 ppb av α-pinene. Langsgående plasseringen av den partikkel sampler inne i flow-røret tillatt prøvetaking på ulike tider fra 3.0 ± 0,2 til 38 ± 1 s. figur 7 viser tall-diameter distribusjonen av aerosol partikkel befolkningen i dette eksperimentet. Totalt antall konsentrasjon og modus diameteren på partikler økt med botid. For en botid 3 s, ingen partikler ble oppdaget. For lengre opphold, ble partikkel innbyggere innhentet og målt. Modus diameter økte fra mindre enn 10 nm til ca 50 nm for en økning i botid fra 17 ± 0,5 s 38 ± 1 s. Tilsvarende tall konsentrasjonen økt fra (8,6 ± 0,5) × 104 cm-3 (2.56 ± 0,07) × 105 cm3.
Eksempler på nummer-masse distribusjonen registrert i tre Repliker eksperimenter av APM oppsettet er vist i Figur 8. Partikkel masse og mobilitet diameter ble brukt til å beregne den dynamiske form faktoren, χ, over partikkel subpopulasjon. Dynamisk form faktor χ er forholdet mellom dra styrken på en faktisk partikkel delt dra styrken oppleves av en volum-tilsvarende sfære23. Figur faktorer av nesten sfæriske partikler tilnærming enhet mens svært asfæriske partikler har betydelig større figur faktorer. Figur 9 viser dynamisk form faktorer av partikler ut flow-røret på ulike mobilitet diameter og luftfuktighet. Den respektive χ verdier for < 5% RH var 1.21 ± 0,02, 1.09 ± 0,02 og 1,08 ± 0,02 (en-sigma usikkerhet), tyder på at partikkel befolkningen var består hovedsakelig av ikke-sfæriske partikler.
Som RH ble økt, redusert χ for alle tre befolkninger, nå sluttverdien 1.02 + 0,01 på 35% RH og tilsvarende i usikkerhet til sfæriske partikler. Figur 10 viser SEM bilder av partikler utsatt for < 5% RH (venstre kolonne) og 80% RH (høyre kolonne). Bildene viser at ikke-sfæriske partikler ble runde etter eksponering for høy RH, som diskutert i detalj i Zhang et al. 7. resultatene ovenfor viser at flyt tube reaktoren er i stand til å utføre ulike typer online og offline analyse.
Figur 1 . En skjematisk dataflytskjema av flyt tube reaktoren. De røde linjene viser flyten som inneholder ozon, lys blå linjene viser flyt inneholder α-pinene og de mørke blå linjene viser flyten av organisk PM. APM-systemet består av en DMA, en APM og et CPC som er koblet sammen. Dette tallet tidligere dukket opp i Shreatha et al. 13 og er gjengitt her med tillatelse.
Figur 2 . Grafisk brukergrensesnitt for ozon overvåking og opptak program.
Figur 3 . Grafisk brukergrensesnitt for temperatur overvåking og opptak program.
Figur 4 . Grafisk brukergrensesnitt for trykket overvåking og opptak program.
Figur 5 . Grafisk brukergrensesnitt for programmet nummeret-diameter distribusjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 . Grafisk brukergrensesnitt for programmet APM.
Figur 7 . Størrelse distribusjon av partikkel befolkningen fra flow-røret på ulike residence ganger. Totalt antall konsentrasjonen for hver størrelsesDistribusjon er 1,69 × 10-17.50 × 103, 8.58 × 104, 2,00 × 105, 2,33 × 105og 2.56 × 105 partikler cm-3 residence Times 3, 10, 17, 25, 32 og 38 s, henholdsvis. De skyggelagte områdene er standardavviket for partikkel størrelsesDistribusjon. Dette tallet tidligere dukket opp i Shreatha et al. 13 og er gjengitt her med tillatelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 . Et eksempel på nummer-masse distribusjon, som målt ved hjelp av DMA-APM systemet. Resultatene av tre Repliker eksperimenter vises å demonstrere reproduserbarhet. To-sigma usikkerhet representeres av feilfeltene, som er omtrent samme størrelse som dataindikatorer. Linjene representerer passer for en normalfordeling til dataene. Abscissa beregnes basert på APM rotasjonshastigheten og spenningen brukes mellom veggene av APM sylindere. Partikler i handlingen ble produsert fra 700 ppb α-pinene og 14 ppm ozon. Sentrale mobilitet diameter 126.0 nm ble valgt av DMA. Dette tallet tidligere dukket opp i Zhang et al. 7 og er gjengitt her med tillatelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. Dynamisk form faktor for å øke luftfuktigheten. Panelet A: partikler produsert fra 700 ppb α-pinene og 14, 25 og 30 ppm ozon for partikkel populasjoner har sentral mobilitet diameter på 126.0, 175.0 og 190.0 nm, henholdsvis. Eksponeringstid til luftfuktigheten var 310 s. Feilfeltene i hvert panel representerer to sigma av standardavviket. Dette tallet tidligere dukket opp i Zhang et al. 7 og er gjengitt her med tillatelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10. SEM bilder av partikler innhentet fra 700 ppb α-pinene og samplet i sentrale mobilitet diameter 180.0 nm. Aerosol partiklene var på silica substrater for 12t og deretter belagt med 5 nm i Pt/Pd. Spenningen for elektronstråle var 5 kV, og arbeidsavstand var 2,3 mm. kolonne 1 viser dimer, trimer og høyere orden agglomerates av kornet monomerer for < 5% RH. Røde sirkler identifisere monomerer. Kolonne 2 viser nesten sfæriske partikler som ble innhentet etter eksponering for 80% RH etterfulgt av tørking til < 5% RH. Dette tallet tidligere dukket opp i Zhang et al. 7 og er gjengitt her med tillatelse.
| O3 (ppm) | 0.15±0.02 | 0.9±0.1 | 5.7±0.2 | 43±1 | 194±2 | ||
| Α-pinene | |||||||
| (ppm) | |||||||
| 0.125 ± 0.003 | NUM. Conc. | 0 | (1±1) × 102 | (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. avvik geo. | I/T | 1.2 | 1.3 | 1.3 | 1.5 | ||
| 1.00 ± 0,03 | NUM. Conc. | 0 | (3.1±0.9) × 102 | (1.5±0.2) × 105 | (5.5±0.2) × 105 | (5.8±0.4) × 105 | |
| Mass Conc. | 0 | (9±3) × 10-3 | 61±9 | (52±0.1) × 102 | (66±0.1) × 102 | ||
| Modus Diameter | 0 | 33±7 | 86±6 | 84±3 | 85±19 | ||
| St. avvik geo. | I/T | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.7 | ||
| 10,0 ± 0. 3 | NUM. Conc. | (2±2) × 101 | (4.0±0.2) × 105 | (6.0±0.7) × 105 | (6.3±0.7) × 105 | (1.8±0.2) × 106 | |
| Mass Conc. | 0* | (1.6±0.2) × 102 | (2.5±0.2) × 103 | (1.19±0.02) × 104 | (1.57±0.02) × 104 | ||
| Modus Diameter | 8±9 | 81±2 | 147±9 | 245±38 | 155±5 | ||
| St. avvik geo. | 1 | 1.4 | 1.4 | 1.4 | 1.5 | ||
| 100 ± 3 | NUM. Conc. | (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 | |
| Mass Conc. | 35±3 | (8.6±0.1) × 102 | (1.3±0.1) × 104 | (1.6±0.04) × 105 | (4.0±0.1) × 105 | ||
| Modus Diameter | 48±2 | 88±5 | 134±8 | 262±12 | 334±4 | ||
| St. avvik geo. | 1.4 | 1.6 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | ||
Tabell 1. Antall konsentrasjoner (cm-3), masse konsentrasjon (µg m-3), modus diameter (nm) og geometriske diameter standardavvik partikler produsert av α-pinene ozonolysis. En stofftetthet 1200 kg∙m3 ble brukt for konvertering av volum konsentrasjoner til masse konsentrasjoner og botid var 38 s for alle eksperimenter. * Partiklene var tilstede, var masse konsentrasjonen under gjenkjenning grensen. Denne tabellen tidligere dukket opp i Shreatha et al. 13 og er gjengitt her med tillatelse.
Discussion
Ved å justere betingelsene i flyt tube reaktoren, kan et bredt spekter av SOA partikler med godt definerte antall konsentrasjoner og masse konsentrasjoner produseres. Vekst mekanismen kan også endres mellom condensational vekst og coagulative vekst moduser, forming partikler i ulike figurer. De avgjørende skritt i protokollen inkludere opprettholde en relativt stabil temperatur av flyt tube reaktoren og stabilisere ozon konsentrasjonen av ozongeneratoren. Det er også viktig å merke seg at plasseringen av bevegelige injektoren må registreres nøye hver gang slik at botid ville forbli den samme når gjentatte eksperimenter.
Hvis partikkel konsentrasjonen fra flyt tube reaktoren synes å være annerledes enn forventet, utføres flere feilsøkingsprosedyrer. En lufttett undersøke av flyt tube reaktoren kan utføres først. Etter lufttett eksamen, tall-diameter måling apparatet må kontrolleres for å utelukke alle potensielle feil mulighetene som tilstopping vik og uttømming av 1-butanol løsning for CPC.
Derfor er flyt tube reaktoren beskrevet ovenfor et nyttig verktøy for å studere mekanisk-egenskaper og utviklingen av de organiske aerosoler som spenner over en rekke konsentrasjoner. Sammenlignet med andre aerosol generasjon systemer, kan flyt tube reaktoren raskt produsere aerosoler partikler for en rekke partikkel tall og masse konsentrasjoner13, som er spesielt nyttig i høy masse lasting prøvetaking. Flyt tube reaktoren er også utstyrt med en bevegelig sampler, aktivere studie på utvikling og vekst av aerosol partikler. På den annen side, har reaktoren en relativt kort botid og en relativt høy forløper konsentrasjon, som begrenser dens evne til å simulere nær-til-ambient reaksjonen forhold. Fremtidige arbeidet med flyt tube reaktoren er legge ultrafiolett belysning på indre veggene slik at Foto-reaksjoner kan være gjennomført innen flyt tube reaktoren. Planer er på plass for andre VOC reaktantene, slik som β-caryophyllene og fenol, skal studerte også24.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen konkurrerende økonomiske interesser.
Acknowledgments
Dette materialet er basert på arbeid støttes av National Science Foundation miljømessige kjemisk Sciences Program ved divisjon for kjemi under Grant nr. 1111418, atmosfærisk-geofag delingen av den amerikanske National Science Foundation (NSF) for under gi nummer 1524731, i tillegg til Harvard fakultetet publikasjonen Award. Vi erkjenner Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu og Mikinori Kuwata for nyttig diskusjoner og hjelp med eksperimenter.
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 |
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. , John Wiley & Sons. (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).
