Detta dokument beskriver hur drift för flöde tube reaktor och relaterade datainsamling. Det visar protokollen för att experimenten, registrera data och generera nummer-diameter distribution samt den partikel massa information, vilket ger användbar information om kemiska och fysikaliska egenskaper av de organiska aerosoler.
Organiska partiklar (PM) är allt mer erkänd som viktigt att jordens klimatsystem samt folkhälsa i stadsområden, och produktion av syntetiska PM för laboratoriestudier har blivit en utbredd nödvändighet. Häri, Visa experimentella protokoll metoder för att producera aerosolized organiska PM av α-pinen Ozonolys i ett flöde tube reaktor. Metoder finns beskrivna för att mäta storlek distributioner och morfologi av aerosol partiklarna. Videon visar grundläggande operationer av flöde tube reaktorn och relaterade instrumentering. Den första delen av videon visar förfarandet för förbereda gas-fas reaktanterna, Ozonolys och produktion av organiska PM. Den andra delen av videon visar förfarandena för bestämning av egenskaper av befolkningens producerade partikel. Den partikel nummer-diameter distributioner visar olika stadier av partikel tillväxt, nämligen kondens, koagulation, eller en kombination av båda, beroende på reaktionsbetingelser. Partikel morfologin kännetecknas av en aerosol partikel massa analyzer (APM) och ett svepelektronmikroskop (SEM). Resultaten bekräftar förekomsten av icke-sfäriska partiklar som har vuxit från koagulation för specifik reaktion villkor. Experimentella resultat visar också att flöde tube reaktorn kan användas för att studera fysikaliska och kemiska egenskaper av organiska PM för relativt höga koncentrationer och korta tidsramar.
Flyktiga organiska föreningar (VOC) som avges från biosfären och antropogen verksamhet genomgår reaktioner i atmosfären med oxidanter (t ex ozon eller OH-radikaler) för att producera sekundära syresatt föreningar1,2. Några av dessa föreningar, på grund av deras låga volatilitet, bidrar i slutändan till av masskoncentrationen av atmosfäriska PM1,3,4. Atmosfäriska partiklar har viktiga effekter på klimatet, människors hälsa och synlighet5. Mekanismerna som produktion av organiska PM, återstår dock otillräckligt kännetecknas och förstås, både kvalitativt och kvantitativt, förutsäga och masskoncentrationer samt fysikaliska och kemiska egenskaper. En metod för att överbrygga detta kunskapsklyftan är att utföra laboratoriestudier som använder flöde tube reaktorer för att imitera produktionsprocesserna av atmosfäriska organiska PM, därmed underlätta mekanistisk, bearbeta och karakterisering studier till PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flöde tube reaktorn möjliggör snabb syntesen av aerosolpartiklar för en mängd partikeln numrerar och masskoncentrationer13.
Föreliggande studie beskriver, med hjälp av videomaterial, produktion av organiska PM som submicron-storlek partiklar från Ozonolys av en dominerande atmosfäriska monoterpen (nämligen α-pinen) i ett flöde tube reaktor, som var först beskrivs i Shrestha o.a. 13 kort, flöde röret var gjord av glas med en inre diameter av 48,2 mm och en längd på 1,30 m. Flöde röret fungerades något ovanför omgivande tryck i systemet med laminärt flöde (Reynoldstal 9,4 ± 0,5) och med en uppehållstid av 38 ± 1 s 14. Temperaturen var inställd på att vara 25 ± 1 ° C med hjälp av en recirkulerande kylmaskin rinna vatten i en anpassad låda med dubbla lager att bostäder flöde tube reaktorn.
En schematisk tomt flöde tube reaktorn systemet visas i figur 1. En ren luft generator för att generera ultra ren luft som passerar genom en ozongenerator, producera 200-500 ppm av ozon. En ytterligare flöde av ren luft på 0.50 sLpm används avdunsta α-pinen injiceras av en spruta spridare i en kolv med rund botten. Α-pinen är färdigblandad med 2-butanol vid en utspädningsfaktor på 1:5015,16,17 innan dras till sprutan injektorn, eftersom 2-butanol kan fungera som en OH gatsopare att säkerställa att Ozonolys var den enda reaktionen förekommande inuti flöde röret. Rund botten kolven var uppvärmd till 135 ± 1 ° C tillåter snabb avdunstning av de injicerade organiska föreningarna. Α-pinen och ozon flödet vikar var också anordnade vinkelrätt mot varandra för att inducera turbulens och snabba blandning på insprutningspunkten. Uttaget av flöde röret delades mellan provsamling, storlek distribution mätningar (av den skanning mobility particle sizer-SMPS), partikel densitet mätning och avgaser. Reaktionsbetingelser är varierande för att styra det relativa bidraget av kondens jämfört med koagulering partikel tillväxt. Produktionen av flöde röret måste ha minst en linje som förbinder ett open-air avgaser Hood, att säkerställa att det inte är möjligt att bygga upp trycket inuti flöde röret och rund botten kolven även under Felaktiga experimentella förhållanden. Egenskaperna hos den producerade partikel befolkningen kan därmed justeras fint. Flöde tube reaktorn är utrustad med en lös sampler som möjliggör provtagning till organiska PM vid olika tidpunkter i sin produktion. Nummer-diameter fördelningen av befolkningens producerade partikel mäts vid olika längd av flöde röret. En APM mäter partikel massdistribution och dynamisk form faktor7,18,19, som ger information om morfologi och andra fysiska egenskaper av befolkningens producerade partikel. 20 , 21 partiklar samlas också på en nanometer particle sampler för offline avbildning av en SEM7,22. Innebörden är att flöde tube reaktorn är ett lämpligt medium för att utföra Ozonolys experiment och snabbt online och offline analys av den PM som tillverkats i landet.
Genom att justera villkoren i flöde tube reaktorn, kan ett brett utbud av SOA partiklar med väldefinierade antal koncentrationer och masskoncentrationer produceras. Mekanismen för tillväxt kan också ändras mellan condensational tillväxt och coagulative tillväxt lägen, bildar partiklar med olika former. De kritiska steg i protokollet omfattar att upprätthålla en relativ stabil temperatur av flöde tube reaktorn och stabiliserande ozonkoncentrationen av ozonaggregatet. Det är också viktigt att notera att positionen för den rörliga spridaren behöver registreras noggrant varje gång så att uppehållstiden skulle förbli densamma när upprepa experimenten.
Om partikel koncentration från flöde tube reaktorn verkar vara annorlunda än förväntat, kan flera felsökningsåtgärder utföras. En lufttät granska av flöde tube reaktorn kan utföras först. Efter den lufttäta examen, nummer-diametermätning instrumentet måste kontrolleras för att utesluta alla potentiella fel möjligheter såsom igensättning vid inlopp och utarmning av 1-butanol lösning för CPC.
Därför är flöde tube reaktorn beskrivs ovan ett användbart verktyg för att studera de fysikalisk-kemiska egenskaper och utvecklingen av de ekologiska aerosoler som spänner över ett brett spektrum av koncentrationer. Jämfört med andra aerosol generation system, kan flöde tube reaktorn snabbt producera aerosolpartiklar för en mängd partikeln numrerar och masskoncentrationer13, vilket är särskilt användbart i högmässa-lastning provtagning. Flöde tube reaktorn är också utrustad med en lös sampler, aktivera studie om utvecklingen och tillväxten av aerosolpartiklar. Å andra har reaktorn en relativt kort uppehållstid och en relativt hög föregångare koncentration, som begränsar dennes möjligheter att simulera nära-till-omgivningens reaktion villkor. Framtida arbete som innebär flöde tube reaktorn är att lägga till ultraviolett belysning på innerväggarna så att photo-oxidation reaktioner kan genomföras inom flöde tube reaktorn. Planer finns för andra VOC reaktanterna, såsom β-karyofyllen och limonen, vara studerade samt24.
The authors have nothing to disclose.
Detta material bygger på arbete stöds av National Science Foundation kemiska vetenskaper miljöprogram i avdelningen för kemi under Grant nr 1111418, atmosfäriskt-GeoSciences uppdelningen av den amerikanska National Science Foundation (NSF) under licensnummer 1524731, samt Harvard fakulteten publikation Award. Vi erkänner Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu och Mikinori Kuwata för användbar diskussioner och hjälp med experimenten.
(-)-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 |