Dette dokumentet beskriver operasjon prosedyrer for Harvard miljømessige kammer (HEC) og relaterte instrumenter for å måle gass og partikkel arter. Miljømessige kammeret brukes til å produsere og studere sekundære organisk arter produsert fra organiske forløpere, spesielt knyttet til atmosfæriske organiske partikler.
Produksjon og utviklingen av atmosfæriske organisk svevestøv (PM) er utilstrekkelig forstått nøyaktig simuleringer av atmosfærens kjemi og klima. Den komplekse produksjonen mekanismer og reaksjon veier gjør dette til et utfordrende forskning emne. For å løse disse problemene, er en miljømessig kammer, gir nok botid og tett-til-konsentrasjoner av forløpere for sekundær organisk materiale som nødvendig. Harvard miljømessige kammer (HEC) ble bygget for å tjene dette behovet, simulere produksjonen av gass og partikler fase arter fra flyktige organiske forbindelser (VOCs). HEC har et volum på 4,7 m3 og en gjennomsnittlig botid 3,4 h under vanlige driftsforhold. Det drives som en fullstendig blandet flyt reaktor (CMFR), gir muligheten for ubestemt stabil drift over dager for eksempel samling og dataanalyse. Operasjonen prosedyrene er beskrevet i detalj i denne artikkelen. Flere typer instrumentering brukes til å karakterisere produsert gass og partikler. En høy oppløsning tid-av-kamp Aerosol masse Spectrometer (HR-ToF-AMS) brukes til å beskrive partikler. Et Proton-overføring-reaksjon masse Spectrometer (PTR-MS) brukes for gass analyse. Eksempel resultatene presenteres for å vise bruk av miljømessige kammeret i en rekke programmer til mekanisk-egenskaper og reaksjon mekanismer av organisk materiale som stemningsfullt partikler.
Atmosfærisk organisk svevestøv (PM) er produsert fra oksidasjon av flyktige organiske forbindelser (VOCs) slippes ut av biosfæren og menneskelige aktiviteter1,2. Til tross for de viktige effektene av disse aerosol partikler på klima, helse, og synlighet3, produksjonen mekanismer er fullstendig forstått og preget, både kvalitativt og kvantitativt. En utfordring for laboratoriestudier, som er nødvendigvis begrensede omfanget og tid, er å simulere atmosfæriske utviklingen av gass og partikler fase arter. Bolig må være lang nok at forbindelser i både gass og partikler kan gjennomgå oksidering og flerfase reaksjon som de ville i ambient miljøer4,5,6,7, 8. En annen utfordring er å jobbe i laboratoriet i konsentrasjoner tilstrekkelig lav som representerer ambient miljøet9,10,11. Mange viktige prosesser skala med konsentrasjoner. For eksempel kan overdrevet høy masse konsentrasjon av organisk PM i et laboratorium eksperiment feilaktig skifte partisjonering av semivolatile arter fra gassform til partikkel fase. Sammensetningen av gass og partikler fasene kan bli ikke-representative av atmosfæriske forhold. Harvard miljømessige kammeret ble utviklet for å svare på disse utfordringene, hovedsakelig ved hjelp av tilnærming av en kontinuerlig flyt konfigurasjon opererte under en ubestemt tidsskalaen, og dermed slik at lave konsentrasjoner og lang integrering tider for signalgjenkjenning. Kammeret feirer en milepæl jubileum av tolv år av vitenskapelige funn i 2018.
Miljømessige kamre variere på lyskilden, strømmen blande systemet, størrelse og antall kamre operere sammen. Det finnes utendørs kamre mottar naturlig sollys12,13 samt innendørs kammer som opererer med kunstig lys14,15,16,17,18 ,19,20,21. Utendørs kamre kan også bygges relativt store, minimere gjenstander som kan bli introdusert ved veggen effekter, selv om utfordringene omfatter variasjonen av belysning på grunn av skyer samt variansen i temperatur. Selv om innendørs kamre kan nøye kontrollere temperaturen og luftfuktigheten, er intensitet og spekteret fra kunstig lys vanligvis forskjellig fra det naturlige sollyset, som kan påvirke enkelte fotokjemisk reaksjoner14. Chambers kan også brukes som satsvise reaktorer eller fullstendig blandet flyt reaktorer (CMFR)22. Satsvise reaktorer er vanligvis lettere å operere og vedlikeholde, men CMFR kan betjenes i uker etter behov for å tillate signal integrering og dermed arbeide på lav, atmospherically relevante konsentrasjoner.
Her, er maskinvaren og drift av Harvard miljømessige kammer (HEC)7,23,24,25 beskrevet i detalj. HEC består av en 4,7 m3 PFA Teflon bag ligger inne i en konstant temperatur kammer (2,5 × 2.5 × 2,75 m3)26. Reflekterende aluminium ark dekker indre veggene i kammer å tillate multipath belysning gjennom posen og dermed øke hastigheten på fotokjemi. HEC drives som en CMFR, bruker en total flow rate av 21 sLpm og tilsvarende en gjennomsnittlig botid 3,4 h27. Temperatur, fuktighet og ozon konsentrasjon vedlikeholdes av tilbakemeldinger kontroller. Ammonium sulfate, brukes som frø partikler for å etterligne kondens organisk komponenter til uorganiske partikler i ambient miljøet. Modus diameteren på uorganiske sulfate partiklene er valgt å være 100-200 nm å simulere partikkelstørrelser målt i feltet28. Operasjonen prosedyrer er beskrevet under protokollen her, inkludert en visuell presentasjon, etterfulgt av en kort diskusjon om programmer og forskningsresultater av HEC.
Den økende betydningen i å forstå dannelsen og utviklingen av økologisk aerosoler fører til trangen til å konstruere miljømessige kamre simulere slike prosesser i et godt kontrollert miljø. I dag er de fleste av miljømessige kamre basert på satsvise reaktoren modus19,31,32,33,34 mens det har vært svært få kamre som bruker kontinuerlig blanding reaktoren modus15,35. Opererer miljømessige kammeret i kontinuerlig flyt reaktoren modus gir praktisk kontinuerlig aerosol prøvetaking dager eller uker i ambient-lignende konsentrasjoner. Det er verdt å merke seg at forholdene er mye mer komplisert enn godt kontrollerte laboratorium innstillingene. For eksempel svinger temperaturen på omgivende mens i kammeret det vedlikeholdes på en konstant verdi. Reaksjonstid av gasser og partikler i kammeret er kontrollert og begrenset av boligen til kammeret, i stedet for nå dager av reaksjon tid i den virkelige verden. Bruk av blacklights, i stedet for naturlig solstråling, kan også generere OH radikaler og simulere reaksjonene i omgivende. Men blacklight noen ganger kan føre til forhøyet konsentrasjonen av OH radicles sammenlignet med de i ambient miljøet som kan påvirke oksidasjonstallet til organiske molekyler og undersøkes nøye. Imidlertid tuning bare én eller to variabler og kontrollere alle andre variabler gjennom miljømessige kammer, kan vi systematisk studie prosessene kjemiske/fysisk.
En av de kritiske trinnene i drift kontinuerlig blande kamre er å holde det innvendige trykket av kammer innenfor et optimalt spekter. Et høyt trykk i kammeret vil føre til lekkasje av gasser og partikler fra kammeret, mens et lavt trykk i kammeret vil suge luft og partikler fra laboratoriet i kammeret og forårsaker forurensning. En trykkmåler kreves å overvåke presset av kammer innenfor trygge verdier (< 5 Pa) i løpet av eksperimenter. En annen vanlig observert sak for miljømessige kammeret er uventet organisk partikkel selv nucleation. En lavere VOC/oksiderende injeksjon rate eller en høyere frø partikkel konsentrasjon er nødvendig for å unngå dette fenomenet. Avhengig av formålet av eksperimenter, kan konsentrasjoner av ozon, VOC og frø partikler variere fra en størrelsesorden. Denne formelen kan brukes til å beregne infusjonshastigheten, finjeksjon, av hver art injisert inn i kammeret.
(1)
der cmål og cførste hver representerer den endelige mål konsentrasjonen av reactant inne i kammeret og første konsentrasjonen av reactant som er generert fra kilden. Det symbol ftotalt representerer den totale flyten av alle arter som ble injisert inn i kammeret.
Den tredje kritisk punkt for vellykket drift miljømessige kammeret og få resultatene er å kalibrere hvert instrument før eksperimenter. SMP systemet kan kalibreres ved å injisere kjente størrelse på PSL partikler36. NOx og ozon analysatoren er kalibrert ved hjelp av en 5 ppm ingen sylinder utvannet av N2og 10 ppm ozon utvannet av N2, henholdsvis26. Kalibrering prosedyrer AMS og PTR-MS er kompliserte og finnes i instrumentet håndbøker eller forrige litteratur27,37.
Miljømessige kammer er beskrevet ovenfor ikke bare egnet for å studere produksjon og utviklingen av økologisk aerosoler, men også gjeldende i belegg ulike partikler med organisk belegg som undersøker gass fase reaksjoner ved å injisere gass forløpere bare. Disse flere retninger gi miljømessige kammer fleksibilitet i å studere en rekke forskningsfelt knyttet til luftkvalitet, klimaendringer og helse emner.
The authors have nothing to disclose.
Dette materialet er basert på arbeid støttes av miljømessige kjemisk Sciences programmet ved divisjon for kjemi av det amerikanske National Science Foundation (NSF) for bevilgning nummer 1111418, atmosfærisk-geofag delingen av det amerikanske National Science Foundation (NSF) under bevilgning nummer 1524731, i tillegg til Harvard fakultetet publikasjonen Award. Vi erkjenner Pengfei Liu Qi Chen, og Mikinori Kuwata for nyttig diskusjoner og hjelp med eksperimentene i tillegg til Eric Etcovitch for å være voiceover av 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 |