Summary
Протокол для определения эффективности фотокатализаторы в унижающих человеческое достоинство воздуха концентрации (ppb) модель летучих органических углеродов, таких как 2-пропанол описан.
Abstract
Мы демонстрируем универсальный протокол, которые будут использоваться для определения эффективности фотокатализаторы в унижающих человеческое достоинство воздуха внутри помещений (ppb) концентрация летучих органических углеродов (Лос), сопровождая это катализатор на основе диоксида титана и 2-пропанол Лос. Протокол использует поля асимметричной Ион мобильности спектроскопии (FAIMS), средство анализа, которое способно непрерывно выявления и контроля концентрации Лос например 2-пропанол и ацетона на уровне ppb. Непрерывный характер FAIMS позволяет подробный кинетического анализа и долгосрочной реакции, предлагая существенное преимущество над газовой хроматографии, традиционно используется в характеристике очистки воздуха пакетного процесса. Использование FAIMS в очистки воздуха фотокаталитический лишь недавно был использован в первый раз, и с протоколом, показанные здесь, гибкость в предоставлении альтернативных Лос и фотокатализаторы испытываться с использованием сопоставимых протоколов предлагает уникальный системы для выяснения реакции очищения воздуха фотокаталитический при низких концентрациях.
Introduction
Качество воздуха в помещении недавно вышли на передний план. Возможно, удивительно воздух содержит большее число летучих органических углеродов (Лос), а в более высоких концентрациях, чем наружного воздуха. 1 с людьми, расходы свыше 80% своего времени в помещении, в таких местах, как жилых домов, рабочих мест и транспорта, включая автомобили, поезда и самолеты, качество воздуха может быть реальной проблемой. Многие из общих в воздухе Лос являются мутагенными и канцерогенными,2,3 и поэтому удаление из них является ключевым приоритетом, особенно как явления «синдром больного здания» может привести к плохого состояния здоровья и потери производства путем свободного от работы времени . 1 устройства очистки воздуха может включать фотокатализатор, где полупроводник, неизменно двуокиси титана TiO2, активированный светом UV, ухудшает Лос в процессе фото окисления. Фотокатализ является развивающейся областью исследований, с приложениями в воде, колки для производства водорода и загрязнителей деградации4,5,6,7; Очистка воздуха является особенно активной области из-за коммерческой жизнеспособности этого приложения8. Однако выявление ЛОС в концентрациях, которые присутствуют в воздухе внутри помещений (обычно ppb) является сложной задачей. С кинетики реакции фотокаталитический следующие Ленгмюра Хиншелвуд кинетики9, эффективность фотокатализатор на унижающее достоинство Лос при высоких концентрациях не является представителем его эффективность при низких концентрациях. Здесь мы описываем собой универсальные системы и протокол для определения эффективности фотокатализаторы на унижающего достоинство Лос при таких низких концентрациях, используя поле асимметричной Ион мобильности спектроскопии (FAIMS), сопровождая это основанный TiO2 Фотокаталитический и 2-пропанол Лос модель.
Ионизационные потока газа, FAIMS отделяет и идентифицирует химическое ионов, основанный на их мобильность под различной электрическое поле в атмосферном давлении10,,1112. Молекулы с высоким протонного сродства, например Лос хорошо подходят для быть отделены и определяется FAIMS, с частей на миллиард (ppb) резолюции и ppb концентрации13. Способный непрерывно мониторинга несколько Лос одновременно, это идеальный анализа для использования в очистки воздуха фотокаталитический, тестирование, как в дополнение к мониторингу ЛОС, используется в качестве загрязнителя. FAIMS может также обнаружить интермедиатов или других Лос продуктов с высокой протонной сродство реакции фотокаталитический, ключевым требованием в доказав, что фотокатализатор эффективна, как если деградация является неполной, некоторые из производимых Лос может быть столь же токсичным или более токсичен, чем Лос ухудшается.
FAIMS только недавно был использован для в первый раз в фотокаталитический воздуха Очистка приложения14, и хотя не утверждаю, что FAIMS превосходит газовой хроматографии, четко предлагает универсальный вариант, который имеет потенциал, чтобы быть мощным инструмент в изучении очистки воздуха. Здесь мы показываем эту технику с участием фотоокисления 2-пропанол с фотокаталитическим двуокиси титана на основе протокола. Для создания 2-пропанол на воздуха в помещениях уровень концентрации пропитывание трубы являются используется15. Состоящий из ПТФЭ трубка, содержащая жидкость Лос, опечатаны и гофрированные на обоих концах, под постоянный поток, Лос, содержащихся в запечатанном штуцер пропитывание диффундирует вне с постоянной скоростью, в концентрациях, сопоставимые с воздуха. Этот поток затем передается в реакторную камеру, содержащую почувствовал, а затем в анализаторе FAIMS, где могут быть определены удостоверения и количественной оценки Лос. FAIMS позволяет концентрации 2-пропанол будут определены и через библиотеки спектров знаете Лос, личность дополнительных Лос в результате реакции фото как ацетон, определяется путем сравнения их спектры с библиотекой. Основным преимуществом этого метода является его гибкость:, просто изменив пропитывание трубки или катализатор, альтернативные Лос и катализаторы могут быть проверены.
Protocol
1. макияж Лос пропитывание трубы, и определение его скорость диффузии
-
Макияж 2-пропанол пропитывание трубок
Примечание: Чтобы избежать заражения, надевайте перчатки во время этого процесса.
Осторожностью: 2-пропанол, легковоспламеняющиеся и раздражение. Выполните эту процедуру от любого открытого пламени. Надевайте перчатки при обращении с 2-пропанол. Для получения дополнительной информации обратитесь к MSDS 2-пропанол.- Отмерьте и сократить 14 см Длина труб PTFE.
- Печать и опрессовки один конец трубки, вставив 2 см Длина стержня ПТФЭ в конце PTFE Шланги, а затем покрытие с металлический зажим 2 см
- Место PTFE Шланги, род и опрессовки в обжимной инструмент, а затем поместить это в тисках. Поверните порок, затянув насколько это возможно запечатать штуцер с зажим.
- Пипетка в open-end штуцер на сумму 2-пропанол, таким образом, что шланги PTFE составляет около 1/3 полный (примерно 3-4 мл).
- Повтор 1.1.2 - 1.1.3 для герметизации и опрессовки открытый конец трубки проникновение; пропитывание источник затем завершена.
-
Определение коэффициента диффузии Лос в трубке проникновение
- Весят пропитывание трубки, с помощью калиброванного баланс, по крайней мере 4 десятичных разрядов, отметив время и вес.
- От сжатого воздуха питания (в идеале медицинского качества сжатого воздуха или эквивалент), подключение труб (ПТФЭ трубы, диаметром 1/8 в, внутренний диаметр 0,063 дюймов) в линии регулятор давления. От стабилизатора подключиться, используя же трубы диаметром PTFE, к одному из портов GL45 4 разъем, привинчен к стеклянная бутылка 250 мл GL45. Перекрывать два из портов и подключите длиной PTFE Шланги к окончательной порту и направлять этот выход зонта.
- Поместите трубки проникновение в стеклянной бутылке GL45 и убедитесь, что существует постоянный пар сжатого воздуха со скоростью потока 2,5 Л мин-1. Кроме того патронником трубки разрежения системы как показано на рисунке 1 и описаны в разделе 2.1.
- Через определенные интервалы времени (например. ежедневно) повторить измерения веса (1.2.1) и место обратно в системе (1.2.2). Если не обнаруживается снижение веса с помощью баланса, увеличить интервал времени между весом пропитывание трубки (например. еженедельно, два раза в неделю). Обратите внимание, что этот процесс калибровки, в зависимости от коэффициента диффузии может принять промежуток времени, через несколько месяцев.
- Граф скорость диффузии с времени в минутах, на оси x и потеря массы в нг (НГ) на оси y. Нарисовать прямую линию между точками; Используя уравнение прямой линии (y = mx + c), определить наклон линии (m). Это уровень проникновения в нг мин-1.
2. фото окисление реакция
-
Установка оборудования для использования в бланк и фотоокисления реакции (рис. 1)
- Подключение трубки (ПТФЭ трубы, диаметром 1/8 в, внутренний диаметр 0,063 в) от сжатого воздуха, поставки в линии регулятор давления. Исходя из этого подключите ловушку влаги, чтобы убедиться, что постоянный низкий уровень влаги входит установка. Отсюда Подключите PTFE Шланги к скруббер для дальнейшей очистки сжатого воздуха.
- От влаги ловушку или скруббер подключиться, используя же трубы диаметром ПТФЭ, в стеклянной бутылке, которая будет камерой разрежения, которая будет использоваться для хранения пропитывание трубы (GL45, 500 мл). Для обеспечения плотного соединения газ, используйте колпачок ВЭЖХ, GL45 4 разъем порта, с силиконовой тюленей: перекрывать два из портов и подключить трубы из скруббера или влаги ловушку к одному из двух портов, обеспечение подключения является жесткой. Прикрутите 45 GL ВЭЖХ винтовая крышка стеклянная бутылка 500 мл.
- Подключите PTFE Шланги Заключительный порт или HPCL GL45 винтовой крышкой и затем подключите это второй разъем порта ВЭЖХ GL45 4. Как и в случае с 2.1.2, перекрывать два из портов. Колпачок этот ВЭЖХ FG45 винт на стеклянной бутылке (45 GL, 250 мл), который будет использоваться в качестве реакционной камере.
- Подключите PTFE Шланги к окончательной порту ВЭЖХ GL45 колпачок и от этого, подключение труб к FAIMS газоанализатор, используя Swagelok 1/8 газ жесткой арматуры. Убедитесь, что внешний порт газоанализатор руководствуется Зонта, чтобы убедиться, что загрязнения не входит в область деятельности лаборатории.
- Позиция реакционной камеры так, что центр палаты 15 см от УФ-лампа (например. УФ-лампа, состоящий из 2 x 8 Вт ламп, длина волны излучения фотона пик 356 Нм).
Осторожностью: Ультрафиолетовый свет опасно для глаз; обеспечения, лампа и реактор находится в окружении металлический щит, чтобы избежать воздействия на свет.
-
Фото окисление 2-пропанол
- Место два 2-пропанол пропитывание трубы, собранные ранее (1.1) в зале разрежения установки, описанных выше. Место катализатора (например., на основе диоксида титана чувствовал, размеры 55 x 25 x 1 мм) в реакции камеры и обеспечить катализатором сталкивается с УФ-лампа. Включите потока сжатого воздуха и настроить так, чтобы поток-2,5 Л мин-1, и давление 1 бар.
- Включите инструмент FAIMS и настройки инструмента, так что можно увидеть ионного тока 2-пропанол. Использование программного обеспечения, настроенные для FAIMS устройства, увеличьте ВЧ сигнала, так что собственный Ион вершины можно увидеть на спектра, производимых FAIMS инструмента.
- С помощью программного обеспечения, настроенные для FAIMS устройства, отслеживать и записывать текущий Ион, вытекающих из различных ионных пиков, видели на спектре производства FAIMS для определенного периода времени, с катализатором в темноте. Пики будут 2-пропанол и воды. В набор точке (например. После ухода на ночь), включите в УФ-лампе и контролировать FAIMS спектра для воды и 2-пропанол ионных токов, плюс дополнительные сигналы от промежуточных Лос например ацетона. С помощью системного программного обеспечения, увеличить или уменьшить РЧ сигнала для определения новых сигналов, вытекающих из промежуточных ионов.
Осторожностью: Обеспечения и УФ-излучения и реактор покрыты металлическим щитом прежде чем лампа горит, и что щит присутствует на протяжении всего реакция УФ света. - В набор точке (например. после 4 часов), отключите УФ-лампа и продолжать следить за FAIMS спектра для 2-пропанол и дополнительных вершин.
Representative Results
FAIMS газоанализатор непрерывно производит спектры иона текущего против компенсации напряжения в ходе реакции окисления фото, описанные в 2.2, используя две трубы 2-пропанол проникновение в камере разрежения, и двуокиси титана на основе войлок Фотокаталитический в реакционной камере. Спектры, обычно производимых анализатор FAIMS, когда почувствовал это в темноте, и когда почувствовал горит проиллюстрированы в рисунке 2a. Для получения спектров с инструментом FAIMS, РЧ сигнала на инструменте равным 64% от максимума. В это значение сигнала RF ионов гидроксония (кластеры воды), ацетон мономеров и 2-пропанол мономеров, которые могут быть образованы от процесса ионизации FAIMS инструмента достигнуть извещателя в FAIMS на собственный компенсации напряжений (cv) и поэтому разделяются на спектры. Течет отдельных газов исключительно через FAIMS система может использоваться для определения спектров и компенсации значения для каждого газа16. На спектре пик при напряжении компенсации-2.15 V-Ион гидроксония, Ион кластеров воды, образуется, когда ионизированной влаги в воздухе. Пик на cv -0,14 V-это 2-пропанол14. Ион текущего прямо пропорциональна, что концентрации 2-пропанол, и таким образом, используя уровень диффузии (1.2), может быть определена концентрация 2-пропанол, введя FAIMS. Аналогичным образом с помощью ацетона, происходящих на cv -1.44 V. рисунок 2b показывает текущий Ион измеряется на определенных вершин, определены как 2-пропанол и ацетон в спектрах с РЧ сигнала на 64% от максимума, как функцию от времени на протяжении фотоокисления протокол описаны в разделе 2.2. Как тонкие изменения в поток и влажности может иметь эффект перехода ионов текущее значение cv пик, положительно или отрицательно, высота пика в CV значение ± 0,2 V используется.
Количество 2-пропанол, введя анализатор FAIMS с камерой реакции в темной увеличивается с течением времени. Как 2-пропанол входит камеры разрежения, 2-пропанол адсорбироваться на поверхности катализатора, который приходится первоначального низкое количество 2-пропанол, введя FAIMS. Как раз продолжается, что выше Ион текущего записывается, указывая, что большее количество 2-пропанол входит FAIMS. Это свидетельствует о том, что поверхность войлок покрыта 2-пропанол, следовательно уменьшается адсорбции на катализатора.
Когда горит камеры реактора, существует немедленное увеличение 2-пропанол, введя FAIMS. Это означает, что сумма в размере 2-пропанол desorbs от поверхности войлока и вводит анализатор FAIMS. Одновременно есть увеличение ионный ток от пика cv -1.44 V, который ранее был определен как ацетон, указав, что почувствовал под освещение фото окисленные 2-пропанол в ацетоне. Как раз продолжается, количество 2-пропанол уменьшается до уровня значительно ниже уровня в начальной точке освещения, и ацетон продолжает быть обнаружены, с обоих ионных токов последовательно в течение около 3 часов. Это означает, что 2-пропанол постоянно ведется фото окисленные ацетон, или углекислого газа и воды. 2-пропанол адсорбирует на поверхность, Фото окисляется, и продукция десорбции и введите FAIMS, где записывается ацетон. После того, как свет выключен, Ион 2-пропанол текущего увеличивается, в то время как ацетон Ион текущего уменьшается, подразумевая, что прекратила фото окисления.
Результаты являются представитель концентрации 2-пропанол и ацетон, постоянно контролируется в концентрациях ppb. Путем сравнения текущего 2-пропанол стабильного состояния при освещении с этим тока 2-пропанол, введя FAIMS до освещения, можно увидеть эффективность катализатора, с большей снижением 2-пропанол, ввод свидетельствует о FAIMS Улучшенный фотокатализатор. Мониторинг дополнительных Лос также позволяет лучше оценить эффективность фотокатализатор. В приложениях, очистки воздуха идеально Лос следует быть деградировали до углекислого газа и воды. Дополнительные соединения обнаружены демонстрируют неэффективность катализатора или плохой воздух очистки стратегии (скорости потока, интенсивность света, влажности). FAIMS может контролировать Фото реакции и таким образом продемонстрировать эффективность катализатора и установки очистки воздуха.
Рисунок 1. Реактора установки. Диаграмма, иллюстрирующая Фотокатализ установки разработан для использования с FAIMS газоанализатор (см. 2.1). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Типичные результаты. () типичные спектры, производимые FAIMS при РЧ сигнала 64% от максимальной, когда реакция, содержащие чувствовал в темноте (серая линия) и когда это освещенная (зеленая линия). (b) график, показывающий Ион текущий пики от напряжения компенсации против Ион текущих спектров производится во время реакции 2-пропанол фотоокисления когда РЧ сигнала на 64% максимума; 2-пропанол (красная линия) и ацетон (синяя линия), показали, с подсветкой реакции выделены. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Discussion
Протокол описывает эффективным способом определения эффективности катализаторов на основе оксида титана, определяя его поведение в унижающих человеческое достоинство модели Лос, 2-пропанол, под УФ освещения. С помощью FAIMS, количество 2-пропанол может контролироваться непрерывно на протяжении реакции, помимо других Лос-продуктов, которые могут быть произведены в реакции, в концентрациях, сопоставимые с воздуха. Этот непрерывный характер существенно отличается от газовой хроматографии, традиционно используется для мониторинга очистки воздуха фотокаталитический, который использует пакетный процесс. Дорогие, чувствительных ГХ/МС системы обычно требуется для определения концентрации ЛОС при таких низких концентрациях, и подробный анализ продуктов фотоокисления, как правило, требует дальнейшей обработки фото окисление продуктов, таких как поглощения товаров на активированный уголь и затем десорбирующиеся их в масс-спектрометр. Хотя масс-спектрометрия способен обнаружить все товары, FAIMS ограничены только продукты с высоким протонного сродства могут быть обнаружены. FAIMS отлично на определение низкой концентрации ЛОС, но может быть насыщенным в более высоких концентрациях, который ограничивает систему приложений уровня концентрации воздуха в помещениях. Преимущества FAIMS делает системы описано здесь эффективной, простой инструмент, который может обеспечить понимание фотокаталитический реакций, которые газовая хроматография является ограниченным в достижении.
С системой FAIMS, описанные здесь медицинский класс воздуха используется в качестве потока газа. С FAIMS системой настолько чувствительны высокого качества воздуха имеет решающее значение в позволяя фото окисления для анализа. Это гарантирует, что любые обнаруженные продукция от процесса фото окисления. Аналогичным образом, важно обеспечить есть нет утечки в системе, как лаборатория воздуха обычно содержит Лос в концентрациях, FAIMS способен обнаруживать. Расходные материалы, перечисленные для установки системы обеспечивают надежную систему и непрерывный мониторинг в течение дней указал, не поддающиеся обнаружению Лос, когда не катализатор или проникновение трубка присутствует.
Хотя система проста, это также очень гибкий - альтернатива Лос может испытываться таким образом, просто делая проникновение ванной содержащие альтернативные Лос, например этанол, ацетон или толуола и протокол. Фотокаталитический реакции часто страдают от влажности. Система, разработанная здесь работает при низкой влажности; Однако испытание может проводиться на выше влажность Купить, представляя увлажнитель воздуха в систему. В зависимости от используемых Лос это может привести к чувствительности FAIMS сокращается, но может осуществляться эффективное тестирование. 16
Непрерывный характер FAIMS подчеркивает преимущество над газовой хроматографии, который традиционно используется для определения фотокатализатор эффективности очистки воздуха. 16 , 17 газовая хроматография использует пакетный процесс собирать и анализировать пробы воздуха; FAIMS, с его непрерывный характер, позволяет более подробный взгляд на кинетику реакции, фотокаталитический, который может быть сложным для интерпретации с методом газовой хроматографии пакетного. Другим преимуществом является простота FAIMS. Для того, чтобы провести комплексный анализ нескольких Лос FAIMS способен, газовый хроматограф нужно будет увязываться с масс-спектрометр, который может быть дорогостоящим и требует дополнительной обработки. Кроме того для проведения долгосрочной реакции с газового хроматографа, дорогой автоматизированной системы будет обязательным или труда интенсивного выборки; Это не в случае с FAIMS.
Непрерывный характер FAIMS предлагает значительные преимущества над газовой хроматографии, которые могут быть использованы для получения более глубокого понимания процесса Фотокатализ в этих миллиард концентрациях. Кроме того простая установка, показанные здесь является гибкой, позволяя альтернативных фотокатализаторы и Лос испытываемого при сопоставимых условиях, дальнейшее улучшение понимания процесса фотокаталитический.
Disclosures
Авторы Лорен Браун и Russell Paris являются сотрудниками Owlstone нанотехнологий, компания, которая производит анализ документа FAIMS, который используется в этой статье.
Acknowledgments
Авторы признательны за финансовую поддержку от КЧП, Грант номер 259619 фото EM и Грант 620298 фото воздуха (доказательство концепции).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| PTFE Tubing | Sigma-Aldrich | 58699 SUPELCO | L x OD x ID 50 ft x 1/8 in x 0063 in |
| In-line pressure regulator | Sigma-Aldrich | 23882 SUPELCO | High purity version (outlet pressure 0-100 psi, 1/8 in stainless steel fittings |
| Moisture trap | Sigma-Aldrich | N9301193 | 70 ml 1/8 fittings |
| Screw Cap HPLC, GL 45 | VWR | 554-3002 | 4 ports complete with silicone seals |
| Duran GL 45 Glass Bottle | Scientific Laboratory Supplies | BOT5206 | 250 ml |
| Duran GL 45 Glass Bottle | Scientific Laboratory Supplies | BOT5208 | 500 ml |
| Permeation tube making kit | Owlstone Nanotechnology | ||
| 2-propanol | Fisher Scientific | 10477070 | Isopropanol, extra pure, SLR |
| Quartzel PCO Felt | Saint Gobain | ||
| UVIlite Lamp | UVItec Limited | LI-208BL | |
| Swage Fittings | Swagelok | SS-202-1 / SS-200-SET | |
| Lonestar Portable Analyzer | Owlstone Nanotechnology |
References
- Wang, S. B., Ang, H. M., Tade, M. O. Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation: State of the art. Environ. Int. 33 (5), 694-705 (2007).
- Shah, J. J., Singh, H. B. Distribution of Volatile Organic-Chemicals in Outdoor and Indoor Air - a National Vocs Data-Base. Environ. Sci. Technol. 22 (12), 1381-1388 (1988).
- Jones, A. P. Indoor air quality and health. Atmos. Environ. 33 (28), 4535-4564 (1999).
- Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W. Y., Bahnemann, D. W.
- Mills, A., LeHunte, S.
- Osterloh, F. E. Inorganic materials as catalysts for photochemical splitting of water. Chem. Mater. 20 (1), 35-54 (2008).
- Osterloh, F. E. Inorganic nanostructures for photoelectrochemical and photocatalytic water splitting. Chem. Soc. Rev. 42 (6), 2294-2320 (2013).
- Paz, Y. Application of TiO2 photocatalysis for air treatment: Patents' overview. Appl. Catal., B. 99 (3-4), 448-460 (2010).
- Herrmann, J. M. Photocatalysis fundamentals revisited to avoid several misconceptions. Appl. Catal., B. 99 (3-4), 461-468 (2010).
- Guevremont, R. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: A new tool for mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 1058 (1-2), 3-19 (2004).
- Kolakowski, B. M., Mester, Z. Review of applications of high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) and differential mobility spectrometry (DMS). Analyst. 132 (9), 842-864 (2007).
- Kanu, A. B., Dwivedi, P., Tam, M., Matz, L., Hill, H. H.
- Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. FAIMS. , Available from: http://www.owlstonenanotech.com/faims (2015).
- Ireland, C. P., Ducati, C. Investigating the photo-oxidation of model indoor air pollutants using field asymmetric ion mobility spectrometry. J. Photochem. Photobiol., A. 312, 1-7 (2015).
- Owlsteone Nanotech. Permeation Tubes and Diffusion Tubes. , Available from: http://www.owlstonenanotech.com/calibration-gas-generator/permeation-tubes-and-diffusion-tubes (2015).
- Vildozo, D., Ferronato, C., Sleiman, M., Chovelon, J. M. Photocatalytic treatment of indoor air: Optimization of 2-propanol removal using a response surface methodology (RSM). Appl. Catal., B. 94 (3-4), 303-310 (2010).
- Vildozo, D., Portela, R., Ferronato, C., Chovelon, J. M. Photocatalytic oxidation of 2-propanol/toluene binary mixtures at indoor air concentration levels. Appl. Catal., B. 107 (3-4), 347-354 (2011).
