Dette papir beskriver operation procedurer for Harvard miljømæssige kammer (HEC) og relaterede instrumenterne til måling af gasformige og partikel arter. Miljømæssige kammeret er brugt til at producere og studere sekundære økologisk arter produceret fra de økologiske prækursorer, især i forbindelse med atmosfærisk organiske partikler.
Produktionen og udviklingen i atmosfærens organiske partikler (PM) er utilstrækkeligt forstået for nøjagtig simuleringer af atmosfærens kemi og klima. Komplekse produktion mekanismer og reaktion veje gør en udfordrende forskningsemne. For at løse disse problemer, er en miljømæssig kammer, giver nok opholdstid og tæt for luftens koncentrationer af prækursorer for sekundære organiske materialer, nødvendig. Harvard miljømæssige kammer (HEC) blev bygget for at tjene dette behov, simulering af produktionen af gas- og partikel fase arter fra flygtige organiske forbindelser (VOC). HEC har et volumen på 4,7 m3 og en gennemsnitlig opholdstid på 3,4 h under typiske driftsbetingelser. Det drives som en helt blandet flow reaktor (CMFR), giver mulighed for ubegrænset omdrejningstal på tværs af dage for stikprøven samling og data analyse. Operation procedurer er beskrevet i detaljer i denne artikel. Flere typer af instrumentering er brugt til at karakterisere den producerede gas og partikler. En høj opløsning tid af kampen Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) bruges til at karakterisere partikler. En Proton-overførsel-reaktion Mass Spectrometer (PTR-MS) bruges for gasformige analyse. Eksempel resultater præsenteres for at vise brugen af den miljømæssige kammer i en bred vifte af applikationer relateret til fysisk-kemiske egenskaber og reaktionsmekanismer af økologisk atmosfæriske partikler.
Atmosfæriske organiske partikler (PM) er produceret fra oxidation af flygtige organiske forbindelser (VOC) udsendes af biosfæren og menneskeskabte aktiviteter1,2. Trods de vigtige virkninger af disse aerosol partikler på klima, menneskers sundhed, og synlighed3, produktion mekanismer forblive ufuldstændigt forstået og karakteriseret, både kvalitativt og kvantitativt. En udfordring for laboratorieundersøgelser, der nødvendigvis af begrænset omfang og tid, er at simulere de atmosfæriske udviklingen af gas- og partikel fase arter. Residence gange skal være lang nok at forbindelser i både gas og partikler faser kan undergå oxidation og multifase reaktion, som de ville i omgivende miljøer4,5,6,7, 8. En anden udfordring er at arbejde i laboratoriet i koncentrationer, der er tilstrækkeligt lav, som repræsenterer de omgivende miljø9,10,11. Mange vigtige processer skala med koncentrationer. For eksempel, kan høje massekoncentration af økologisk PM i et laboratorium eksperiment fejlagtigt Skift partitionering af semivolatile arter fra gasfasen til partikel fase. Sammensætningen af gas- og partikel faser kan blive ikke-repræsentant for atmosfæriske forhold. Harvard miljømæssige kammer var designet til at reagere på disse udfordringer, hovedsageligt ved hjælp af tilgangen af en kontinuerlig flow konfiguration drives under en ubestemt tidsramme, hvorved lave koncentrationer og lang integration gange for signal detektion. Parlamentet fejrer en milepæl jubilæum af tolv års videnskabelig opdagelse i 2018.
Miljømæssige kamre varierer baseret på lyskilden, strømmen blande system, størrelse og antallet af kamre opererer sammen. Der er udendørs kamre, der modtager naturligt sollys12,13 samt indendørs kammer, der opererer med kunstige lys14,15,16,17,18 ,19,20,21. Udendørs kamre kan også bygges relativt store, minimere artefakter, der kan indføres ved væggen effekter, selvom udfordringer omfatter variation af belysning på grund af skyer samt afvigelsen i temperatur. Selv om indendørs kamre kan omhyggeligt kontrollere temperatur og relativ luftfugtighed, er intensiteten og spektrum fra det kunstige lys generelt er forskellig fra det naturlige sollys, som kan påvirke visse fotokemisk reaktioner14. Kamre kan også betjenes som batch reaktorer eller helt blandet flow reaktorer (CMFR)22. Batch reaktorer er generelt lettere at betjene og vedligeholde, men CMFR kan betjenes i uger, for at give mulighed for signal integration og dermed arbejde på lavt, stemningsfuldt relevante koncentrationer.
Heri, er hardware og drift af Harvard miljømæssige kammer (HEC)7,23,24,25 beskrevet i detaljer. HEC består af en 4,7 m3 PFA Teflon taske til huse inde i en konstant temperatur kammer (2,5 × 2,5 × 2,75 m3)26. Reflekterende aluminiumsplader dækker de indvendige vægge af salen at tillade multi-path belysning gennem posen og dermed øge hastigheden af fotokemi. HEC drives som en CMFR, ved hjælp af en samlede strømningshastighed af 21 sLpm og svarer til en gennemsnitlig opholdstid af 3,4 h27. Temperatur, luftfugtighed og ozonkoncentration er vedligeholdt af feedback kontrol. Ammonium sulfat partikler bruges som frø partikler til at efterligne kondensation af organiske komponenter på uorganiske partikler i det omgivende miljø. Mode diameter af uorganiske sulfat partikler er udvalgt til at være 100-200 nm til at simulere partikelstørrelser målt i felt28. Operation procedurer er beskrevet i afsnittet protokol heri, herunder en visuel præsentation, efterfulgt af en kort drøftelse af applikationer og forskningsresultater af HEC.
Den stigende betydning i forståelse af dannelsen og udviklingen af økologisk aerosoler fører for trangen til at konstruere miljømæssige kamre til at simulere disse processer i velkontrollerede omgivelser. I øjeblikket, er de fleste af de miljømæssige kamre baseret på batch reaktor tilstand19,31,32,33,34 mens der har været meget få kamre, der anvender løbende blanding reaktor tilstand15,35. Opererer den miljømæssige kammer i kontinuerligt flow reaktor mode giver bekvemmeligheden i løbende aerosol prøveudtagning til dage eller endda uger på ambient-lignende koncentrationer. Det er værd at bemærke, at de omgivende betingelser er meget mere kompleks end indstillingerne velkontrollerede laboratorium. For eksempel, svinger omgivende temperatur mens i salen det holdes på en konstant værdi. Reaktionstid af gasser og partikler i salen bliver kontrolleret og begrænset af opholdssted for sal, snarere end at nå dage reaktion tid i den virkelige verden. Brugen af blacklights, i stedet for naturlig solstråling, kan også generere OH radikaler og simulere reaktioner i den omgivende. Men blacklight undertiden kan føre til forhøjet koncentration af OH radicles sammenlignet med dem i det omgivende miljø, som kan påvirke oxidation af de organiske molekyler og skal undersøges nøje. Dog ved tuning kun én eller to variabler og kontrollere alle andre variabler gennem miljømæssige kammer, kan vi systematisk undersøge disse kemiske/fysiske processer.
Et af de afgørende skridt i drift konstant blande kamre er at holde den indre tryk kammer inden en optimal rækkevidde. Et højtryk i kammeret vil medføre udsivning af gasser og partikler fra salen, mens et undertryk i kammeret vil suge luft og partikler fra laboratoriet ind i kammeret og forårsage forurening. En trykmåler er nødvendig for at overvåge presset af kammeret inden for sikker værdier (< 5 Pa) i løbet af eksperimenterne. En anden almindeligt observerede problem for den miljømæssige kammer er uventet økologiske partikel selvstændig Nukleering. Enten en lavere VOC/oxidant injektion sats eller en større frø partikel koncentration er nødvendig for at undgå dette fænomen. Afhængigt af formålet med eksperimenterne, kan koncentrationerne af ozon, VOC og frø partikler variere ved en størrelsesorden. Følgende ligning kan bruges til at beregne strømningshastigheden, finjektion, af hver art, der sprøjtes ind i kammeret.
(1)
hvor ctarget og cindledende hver repræsenterer den endelige målsætning koncentration af reaktanter inde i salen og begyndelseskoncentration af reaktanter, der genereres fra kilden. Symbol fsamlede repræsenterer den samlede gennemstrømning af alle arter, som blev sprøjtet ind i kammeret.
Det tredje kritiske trin for med succes opererer de miljømæssige kammer og opnåelse af resultater er at kalibrere hvert instrument før eksperimenterne. SMPS-systemet kan kalibreres ved at indsprøjte kendte størrelse af PSL partikler36. NOx og ozon Analyseapparatet kalibreres ved hjælp af en 5 ppm ingen cylinder fortyndet af N2og 10 ppm ozon fortyndet af N2, henholdsvis26. Kalibreringsproceduren til AMS og PTR-MS er kompliceret og kan findes i instrument manualer eller tidligere litteratur27,37.
Miljømæssige kammer konfigurationen som beskrevet ovenfor er ikke kun egnet til at studere produktion og udvikling af økologisk aerosoler, men også gældende i belægning forskellige partikler med organisk belægning samt undersøge gas fase reaktioner ved at injicere gas prækursorer kun. Disse flere retninger giver miljømæssige kammer fleksibilitet i at studere en bred vifte af forskningsområder, der vedrører luftkvalitet, klimaændringer og menneskers sundhed emner.
The authors have nothing to disclose.
Dette materiale er baseret på arbejde støttes af den miljømæssige kemisk Sciences Program i Division kemi af den amerikanske National Science Foundation (NSF) under grant nummer 1111418, atmosfærisk-GeoSciences Division af den amerikanske National Science Foundation (NSF) under grant nummer 1524731, såvel som Harvard Fakultet publikation Award. Vi anerkender Pengfei Liu, Qi Chen, og Mikinori Kuwata for nyttige diskussioner og bistand med eksperimenterne, såvel som Eric Etcovitch for at være voiceover af videoen.
(-)-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 |