Detta dokument beskriver operation förfaranden för Harvard miljömässiga kammare (HEC) och relaterade instrumentering för mätning av gasformiga och partikel arter. Miljökammare används för att producera och studera sekundärt ekologiska arter produceras från organiska prekursorer, särskilt i samband med atmosfäriska organiska partiklar.
Produktionen och utvecklingen av atmosfäriska organiska partiklar (PM) förstås otillräckligt för korrekta simuleringar av atmosfärkemi och klimat. Komplex produktion mekanismerna och reaktionsvägar gör detta till ett utmanande forskningsområde. För att lösa dessa frågor, behövs en klimatkammare, tillhandahålla tillräckligt uppehållstid och nära-till-koncentrationerna av prekursorer för sekundära organiska material. Harvard miljömässiga kammare (HEC) byggdes för att tjäna detta behov, simulera produktion av gas- och partikelfilter fas arter från flyktiga organiska föreningar (VOC). HEC har en volym på 4,7 m3 och en uppehållstid på 3,4 h under typiska driftsförhållanden. Det drivs som en helt blandad flöde reaktorn (CMFR), ger möjlighet till obestämd konstantdrift över dagar för provet samling och dataanalys. De drift förfarandena beskrivs i detalj i denna artikel. Flera typer av instrument används för att karakterisera den gas som produceras och partiklar. En högupplöst tid-av-kampen Aerosol-masspektrometer (HR-ToF-AMS) används för att karakterisera partiklar. En Proton-överföring-reaktion masspektrometer (PTR-MS) används för gasformiga analys. Exempel på resultat presenteras för att visa användningen av klimatkammare i en mängd olika applikationer relaterade till de fysikalisk-kemiska egenskaper och Reaktionsmekanism av organisk atmosfäriska partiklar.
Atmosfäriska organiska partiklar (PM) produceras från oxidation av flyktiga organiska föreningar (VOC) som avges av biosfären och antropogen verksamhet1,2. Trots de viktiga effekterna av dessa aerosol partiklar på klimat, människors hälsa, och synlighet3, produktion mekanismerna förbli ofullständigt förstod och kännetecknas, både kvalitativt och kvantitativt. En utmaning för laboratoriestudier, som nödvändigtvis av begränsad omfattning och tid, är att simulera den atmosfäriska utvecklingen av gas- och partikelfilter fas arter. Residence gånger måste vara tillräckligt lång för att föreningar i både gas och partiklar faser kan genomgå oxidation och flerfasiga reaktion som de skulle i omgivande miljöer4,5,6,7, 8. En annan utmaning är att arbeta i laboratoriet vid koncentrationer tillräckligt låg som representerar den omgivande miljö9,10,11. Många viktiga processer skala med koncentrationer. Överdrivet höga masskoncentrationen av organiska PM i ett laboratorium experiment kan exempelvis felaktigt flytta delningen av halvflyktiga arter från gasfas till fasen partikel. Sammansättningen av gas- och partikelfilter faserna kan bli icke-representativa av atmosfäriska förhållanden. Den Harvard miljökammare utformades för att möta dessa utmaningar, huvudsakligen med hjälp av metoden att en kontinuerligt flöde konfiguration drivs under en obestämd tidsperiod, vilket innebär att låga koncentrationer och lång integration tider för signaldetektion. Kammaren firar en milstolpe årsdagen av tolv år av vetenskapliga upptäckter i 2018.
Environmental chambers varierar beroende på ljuskällan, flödet blandande system, storlek och antalet avdelningar fungerar tillsammans. Det finns utomhus chambers som får naturligt solljus12,13 samt inomhus avdelningen som arbetar med konstgjorda ljus14,15,16,17,18 ,19,20,21. Utomhus kamrarna kan också byggas relativt stora, minimera artefakter som kan införas genom väggen effekter, även om utmaningarna är variationen av belysning på grund av moln samt variationen i temperatur. Även om inomhus kamrarna kan noggrant kontrollera temperatur och relativ fuktighet, skiljer intensiteten och spektrumet från artificiellt ljus sig generellt från naturligt solljus, som kan påverka vissa fotokemiska reaktioner14. Kamrarna kan också drivas som batch reaktorer eller helt blandad flöde reaktorer (CMFR)22. Batch reaktorer är oftast enklare att använda och underhålla men CMFR kan skötas i veckor, för att möjliggöra signal integration och därmed arbeta vid låga, atmosfäriskt relevanta koncentrationer.
Häri, beskrivs hårdvara och driften av Harvard miljömässiga kammare (HEC)7,23,24,25 i detalj. HEC består av en 4.7 m3 PFA Teflon väska inuti en konstant temperatur kammare (2,5 × 2,5 × 2,75 m3)26. Reflekterande aluminium ark täcker de inre väggarna i kammaren att tillåta multipath belysning genom påsen och därmed öka andelen fotokemi. HEC drivs som ett CMFR, med en total flödeshastighet av 21 sLpm och motsvarar en uppehållstid av 3,4 h27. Temperatur, luftfuktighet och ozonkoncentration underhålls av feedback kontroller. Ammoniumsulfat partiklar används som utsäde partiklar för att efterlikna kondensation av organiska komponenter på oorganiska partiklar i den omgivande miljön. Läget diameter partiklarnas oorganiska sulfat är utvald till 100-200 nm till simulera de partikelstorlek som mäts i fält28. Åtgärden beskrivs närmare i avsnittet protokoll häri, inklusive en visuell presentation, följt av en kort diskussion om program och forskningsresultat av HEC.
Den ökande betydelsen förstå bildandet och utvecklingen av ekologiska aerosoler leder till lusten att konstruera environmental chambers att simulera sådana processer i en väl kontrollerad miljö. Närvarande bygger de flesta av de miljömässiga kamrarna på batch reactor läge19,31,32,33,34 medan det har förekommit mycket få chambers som använder kontinuerligt blandning reaktorn läge15,35. Verksamma i miljökammare i kontinuerligt flöde reaktorn läge ger bekvämligheten med kontinuerlig aerosol provtagning för dagar eller veckor vid omgivande-liknande koncentrationer. Det är värt att notera att omgivande förhållanden är mycket mer komplex än de väl kontrollerad laboratoriemiljö. Till exempel, fluktuerar omgivande temperatur medan i kammaren det underhålls på ett konstant värde. Reaktionstiden för de gaser och partiklar i kammaren kommer att kontrolleras och begränsas av uppehållet av kammaren, snarare än nå dagar av reaktionstid i den verkliga världen. Användning av blacklights, i stället för naturlig solstrålning, kan också generera OH-radikaler och simulera reaktionerna i den omgivande. Men blacklight ibland kan leda till förhöjd koncentration av OH radicles jämfört med dem i den omgivande miljön, vilket kan påverka oxidationstillståndet av organiska molekyler och måste undersökas noggrant. Dock genom att trimma en eller två variabler och kontrollera alla andra variabler genom miljökammare, kan vi systematiskt studera dessa kemisk/fysikaliska processer.
En av de kritiska steg i drift kontinuerligt blanda chambers är att hålla det inre trycket i kammaren inom ett optimalt intervall. Ett högt tryck i kammaren kommer att orsaka läckage av gaser och partiklar från kammaren, medan ett lågt tryck i kammaren kommer att suga luft och partiklar från laboratoriet in i kammaren och orsaka kontaminering. En tryckmätare som behövs för att övervaka trycket i kammaren inom säkra värden (< 5 Pa) under loppet av experimenten. Annan gemensam observerade fråga för miljökammare är oväntad ekologisk partikel själv kärnbildning. Antingen en VOC/antioxidant injektion lägre eller en högre utsäde partikel koncentration behövs för att undvika detta fenomen. Beroende på syftet med experimenten, kan koncentrationerna av ozon, VOC och utsäde partiklar variera av en storleksordning. Följande ekvation kan användas för att beräkna flödet, finjektionav varje art som injiceras in i kammaren.
(1)
där ctarget och cinledande varje utgör slutmålet koncentrationen av reaktant inne i kammaren och den ursprungliga koncentrationen av den reaktant som genereras från källan. Den symbol ftotalt representerar det totala flödet av alla arter som injicerades in i kammaren.
Den tredje kritiska steget för framgångsrikt verksamma i miljökammare och få resultaten är att kalibrera varje instrument innan experimenten. Det SMPS-systemet kan kalibreras genom att injicera känd storlek PSL partiklar36. NRx och ozon analysatorn är kalibrerade med hjälp av en 5 ppm ingen cylinder utspädd av N2och 10 ppm av ozon utspädd av N2, respektive26. Kalibrering förfaranden för AMS och PTR-MS är komplicerade och kan hittas i instrumentet manualer eller tidigare litteraturer27,37.
Den miljökammare inställning som beskrivs ovan är inte bara lämplig för att studera produktionen och utvecklingen av ekologiska aerosoler, men också tillämplig i beläggning olika partiklar med organisk beläggning samt undersöka gas fas reaktioner genom att injicera gas prekursorer endast. Dessa olika riktningar ger miljökammare flexibilitet i att studera en mängd forskningsfält som är relaterade till luftkvalitet, klimatförändringar och människors hälsa ämnen.
The authors have nothing to disclose.
Detta material bygger på arbete stöds av kemiska vetenskaper miljöprogram i avdelningen för kemi av den amerikanska National Science Foundation (NSF) under licensnummer 1111418, atmosfäriskt-GeoSciences uppdelningen av US National Science Foundation (NSF) under licensnummer 1524731, samt Harvard fakulteten publikation Award. Vi erkänner Pengfei Liu Qi Chen, och Mikinori Kuwata för användbar diskussioner och hjälp med experimenten, samt och Eric Etcovitch för att vara voiceover i videon.
(-)-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 | National Instrument | USB-TC01 | |
water circulator | Brinkmann | RC6 |