Dette papir beskriver operation proceduren for flow rør reaktor og relaterede dataindsamling. Det viser protokollerne for at angive eksperimenterne, registrering af data og generere nummer-diameter distribution samt partikel masse oplysninger, som giver nyttige oplysninger om kemiske og fysiske egenskaber af de organiske aerosoler.
Organiske partikler (PM) er i stigende grad anerkendt som vigtigt at jordens klimasystem samt folkesundhed i byregioner, og produktionen af syntetisk PM for laboratorieundersøgelser er blevet en udbredt nødvendighed. Heri, demonstrere eksperimentelle protokoller tilgange til at producere aerosolmaterialer økologisk PM af α-pinen ozonolysis i et flow rør reaktor. Metoder er beskrevet i måling af størrelsen distributioner og morfologi af aerosol partikler. Videoen viser grundlæggende operationer af flow rør reaktor og relaterede instrumentation. Den første del af videoen viser proceduren for udarbejdelse af gas-fase reaktanter, ozonolysis og produktion af økologisk PM. Den anden del af videoen viser procedurerne til bestemmelse af egenskaberne for den producerede partikel befolkning. Partikel nummer-diameter distributioner viser forskellige stadier af partikel vækst, nemlig kondens, koagulation, eller en kombination af begge dele, afhængigt af reaktionsbetingelser. Partikel morfologi er karakteriseret ved en aerosol partikel masse analyzer (APM) og en scanning elektron mikroskop (SEM). Resultaterne bekræfter eksistensen af ikke-sfæriske partikler, som er vokset fra koagulation for specifikke reaktionsbetingelser. De eksperimentelle resultater indikerer også, at flow rør reaktor kan bruges til at studere de fysiske og kemiske egenskaber af økologisk PM for relativt høje koncentrationer og korte tidsrammer.
Flygtige organiske forbindelser (VOC) udsendes fra biosfæren og menneskeskabte aktiviteter gennemgå reaktioner i atmosfæren med oxidanter (såsom ozon eller OH radikaler) til at producere sekundære iltet forbindelser1,2. Nogle af disse forbindelser, deres lav volatilitet, i sidste ende bidrage til massekoncentration af atmosfærisk PM1,3,4. Atmosfæriske partikler har betydelige virkninger på klimaet, menneskers sundhed og synlighed5. Produktion mekanismer af økologisk PM, forbliver dog tilstrækkeligt karakteriseret og forstået, både kvalitativt og kvantitativt for at forudsige antallet og massekoncentrationer samt fysiske og kemiske egenskaber. Én tilgang til slå bro over denne videnskløft, er at udføre laboratorieundersøgelser, der bruger flow rør reaktorer for efterligne produktionsprocesser af atmosfærisk økologisk PM, derved at lette mekanistisk, proces og karakterisering undersøgelser af PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flow rør reaktor muliggør hurtig syntesen af aerosol partikler for en række partikel antallet og massekoncentrationer13.
Den nuværende undersøgelse beskriver, ved hjælp af videomateriale, produktion af økologiske PM som submicron mellemstore partikler fra ozonolysis af en dominerende atmosfæriske monoterpene (såsom α-pinen) i et flow rør reaktoren, som blev først beskrevet i Shrestha et al. 13 kort, flow rør var lavet af glas med en indvendig diameter på 48.2 mm og en længde på 1,30 m. Flow rør blev drevet lidt ovenfor barometerstanden i laminar flow regime (Reynolds tal på 9,4 ± 0,5), og med en opholdstid på 38 ± 1 s 14. Temperaturen var angivet til 25 ± 1 ° C ved hjælp af en recirkulerende chiller til at flyde vand i en dobbelt-lags tilpassede boks at boliger flow rør reaktor.
En skematisk afbildning af flow rør reaktor system er vist i figur 1. En ren luft generator bruges til at oprette ultra-rene luft, der passerer gennem en ozon generator, der producerer 200-500 ppm ozon. En yderligere strøm af ren luft på 0,50 sLpm bruges til at fordampe α-pinen sprøjtes med en sprøjte injektor i en rund bund kolbe. Α-pinen er færdigblandede med 2-butanol ved et fortyndingsforhold på 1:5015,16,17 før tilbage til sprøjte injektor, fordi 2-butanol kan fungere som en OH skyllevæske til at sikre, at ozonolysis var den eneste reaktion forekommende inde i flow rør. Rund bund kolben blev opvarmet til 135 ± 1 ° C giver mulighed for hurtig fordampning af de injicerede organiske forbindelser. Α-pinen og ozon strømmen fjorde blev også arrangeret vinkelret på hinanden til at fremkalde turbulens og hurtige blanding på punktet, injektion. Outlet af flow rør blev delt mellem prøvetagning, størrelse distribution målinger (ved scanning mobilitet partikel sizer-SMPS), partikel densitetsmåling og udstødning. Reaktionsbetingelser er varierede for at kontrollere den relative bidrag af kondens i forhold til koagulation partikel vækst. Output flow rør skal have mindst én linje, der forbinder til en open-air udstødning hood, til at sikre, at det ikke er muligt at opbygge trykket inde flow rør og rund bund kolben selv under forkert forsøgsbetingelser. Karakteristik af den producerede partikel befolkning kan dermed justeres fint. Flow rør reaktoren er udstyret med en bevægelig sampler aktivering prøveudtagning af den økologiske PM på forskellige tidspunkter i sin produktion. Antal-diameter fordelingen af den producerede partikel befolkning er målt på forskellige længde af flow rør. En APM måler partikel massefordeling og den dynamiske form faktor7,18,19, som giver oplysninger om morfologi og andre fysiske egenskaber af den producerede partikel befolkning. 20 , 21 partikler er også indsamlet på en nanometer partikel sampler for offline imaging af en SEM7,22. Implikationen er, at flow rør reaktor er et egnet medie til at udføre ozonolysis eksperimenter og hurtigt online og offline analyse af PM produceret deri.
Ved at justere betingelserne i flow rør reaktor, kan en bred vifte af SOA partikler med veldefinerede nummer koncentrationer og massekoncentrationer produceres. Vækst mekanisme kan også ændres mellem condensational vækst og coagulative vækst tilstande, danner partikler med forskellige figurer. De kritiske trin i protokollen omfatter opretholde en relativ stabil temperatur af flow rør reaktor og stabilisere ozonkoncentration af ozon generator. Det er også vigtigt at bemærke, at placeringen af den bevægelige injektor skal registreres omhyggeligt hver gang således at opholdstid vil forblive det samme når gentage eksperimenterne.
Hvis partikel koncentration fra flow rør reaktor synes at være anderledes end forventet, kan du udføre flere fejlfindingsprocedurer. En lufttæt undersøge flow rør reaktor kan udføres først. Efter den lufttætte eksamen, nummer-diameter måling instrument skal kontrolleres for at udelukke alle de potentielle fejl muligheder såsom tilstopning på fjorden og udtynding af 1-butanol løsning for CPC.
Derfor er flow rør reaktoren beskrevet ovenfor et nyttigt redskab til at undersøge de fysisk-kemiske egenskaber og udviklingen af de økologiske aerosoler, der spænder over en bred vifte af koncentrationer. Sammenlignet med andre aerosol generation systemer, kan flow rør reaktor hurtigt producere aerosol partikler for en række partikel antallet og massekoncentrationer13, hvilket er særligt nyttigt i høj masse-loading prøveudtagning. Flow rør reaktor er også udstyret med en bevægelig sampler, gør det muligt for undersøgelse af udviklingen og væksten af aerosol partikler. På den anden side har af reaktoren en forholdsvis kort opholdstid og en forholdsvis høj forløber koncentration, som begrænser dens evne til at simulere tæt til omgivelsernes reaktionsbetingelser. Fremtidige arbejde med flow rør reaktoren er at tilføje ultraviolet belysning på de indre vægge, så foto-oxidation reaktioner kan gennemføres inden for flow rør reaktor. Planer er på plads for andre VOC reaktanter, såsom β-caryophyllene og limonen, skal være undersøgt samt24.
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation miljømæssige kemisk Sciences Program i Division kemi under Grant No. 1111418, atmosfærisk-GeoSciences Division af den amerikanske National Science Foundation (NSF) under tilskud antal 1524731, såvel som Harvard Fakultet publikation Award. Vi anerkender Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu og Mikinori Kuwata for nyttige diskussioner og bistand med forsøgene.
(-)-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 |