本文介绍了流动管式反应器的操作流程及相关数据采集方法。展示了实验设置、数据记录以及生成粒径分布和颗粒物质量信息的方案,这些信息可提供有关有机气溶胶化学和物理特性的有用数据。
本文介绍了流动管式反应器的操作流程及相关数据采集方法。展示了实验设置、数据记录以及生成粒径分布和颗粒物质量信息的方案,这些信息可提供有关有机气溶胶化学和物理特性的有用数据。
有机颗粒物(PM)对地球气候系统以及城市地区公共健康的重要性日益受到关注,而为实验室研究合成颗粒物已成为普遍需求。本文的实验方案展示了在流动管反应器中通过α-蒎烯臭氧分解生成气溶胶态有机颗粒物的方法。文中描述了测量气溶胶粒子尺寸分布和形貌的方法。视频演示了流动管反应器及相关仪器的基本操作。视频的第一部分展示了气相反应物的制备、臭氧分解反应以及有机颗粒物的生成过程。第二部分展示了对所生成颗粒群体特性进行表征的操作流程。颗粒数浓度-直径分布揭示了颗粒生长的不同阶段,即冷凝、凝聚,或二者结合,具体取决于反应条件。颗粒形貌通过气溶胶颗粒质谱分析仪(APM)和扫描电子显微镜(SEM)进行表征。结果证实,在特定反应条件下,由凝聚作用生长的非球形颗粒确实存在。实验结果还表明,流动管反应器可用于在相对较高浓度和较短时间内研究有机颗粒物的物理和化学性质。
生物圈和人类活动释放的挥发性有机化合物(VOCs)在大气中与氧化剂(如臭氧或羟基自由基)发生反应,生成二次含氧有机化合物1,2。其中部分化合物由于挥发性较低,最终会贡献于大气PM1,3,4的质量浓度。大气颗粒物对气候、人类健康和能见度具有重要影响5。然而,目前对于有机颗粒物的生成机制,无论在定性还是定量方面,仍缺乏充分的表征与理解,难以准确预测其数量浓度、质量浓度以及物理和化学性质。弥补这一知识空白的一种方法是开展实验室研究,利用流动管反应器模拟大气中有机颗粒物的生成过程,从而推动对颗粒物的机理、过程及性质的深入研究6,7,8,9,10,11,12。流动管反应器能够快速合成气溶胶颗粒,适用于多种粒子数浓度和质量浓度条件下的实验研究13。
本研究通过视频资料描述了利用臭氧氧化大气中主要单萜类化合物生成亚微米级有机颗粒物(PM)的过程即 α-蒎烯)在流动管反应器中的反应,该方法最初由 Shrestha 描述 等13 简而言之,流动管由玻璃制成,内径为48.2 mm,长度为1.30 m。流动管在略高于环境压力的条件下运行,处于层流状态(雷诺数为9.4 ± 0.5),停留时间为38 ± 1 s。 14使用循环冷却器将水通入容纳流动管反应器的双层定制箱中,以将温度设定为25 ± 1 °C。
流动管反应器系统的示意图如图1所示。使用纯空气发生器产生超纯空气,该空气通过臭氧发生器,生成200–500 ppm的臭氧。另有一路流速为0.50 sLpm的纯空气用于蒸发通过注射器进样器注入圆底烧瓶中的α-蒎烯。在抽取至注射器进样器之前,α-蒎烯预先与2-丁醇按1:5015,16,17的稀释比例混合,因为2-丁醇可作为OH自由基清除剂,以确保在流动管内仅发生臭氧分解反应。圆底烧瓶被加热至135 ± 1 °C,以促进注入的有机化合物快速蒸发。α-蒎烯和臭氧的进气口相互垂直布置,以在进样点诱导湍流并实现快速混合。流动管的出口被分为几路,分别用于样品采集、粒径分布测量(通过扫描迁移率粒径谱仪-SMPS)、颗粒密度测量以及尾气排放。通过调节反应条件,可控制凝结作用相对于凝聚作用在颗粒生长过程中的相对贡献。流动管出口必须至少连接一条通向开放空气排风罩的管路,以确保即使在实验条件错误的情况下,流动管和圆底烧瓶内部也不会产生压力积聚。由此可对所生成颗粒物群体的特性进行精细调控。该流动管反应器配备可移动采样装置,可在颗粒生成过程中的不同时间点采集有机颗粒物样品。在流动管的不同长度位置测量所生成颗粒物群体的粒数-粒径分布。气溶胶粒子质量分析仪(APM)用于测量颗粒物的质量分布和动态形状因子7,18,19,从而提供有关所生成颗粒物群体形貌及其他物理性质的信息20,21。此外,颗粒物也被收集在纳米颗粒采样器上,以便后续通过扫描电子显微镜(SEM)进行离线成像分析7,22。这表明,流动管反应器是开展臭氧分解实验以及对所生成颗粒物进行快速在线和离线分析的适宜介质。
1. 流管反应器的气相注入
2. 流动管式反应器的颗粒物生成
3. 流动管反应器生成颗粒物群的表征
反应条件矩阵总结于表1。根据所选择的α-蒎烯和臭氧浓度,可产生不同数量和质量浓度的有机颗粒物13。例如,如表1所示,当臭氧浓度为43 ppm时,将α-蒎烯浓度从0.125–100 ppm变化,可分别产生(4.4 ± 0.6) × 105 至 (9.1 ± 0.3) × 106 个颗粒∙cm3,以及101 至 104 µg∙m-3的质量浓度。
可在流动管反应器内研究颗粒物群体动态特征的演变过程。通过视频演示,开展了一项实验,使用了50 ± 1 ppm的臭氧和125 ppb的α-蒎烯。颗粒物采样器在流动管内的轴向位置允许在3.0 ± 0.2至38 ± 1 s的不同时间点进行采样。图7展示了该实验中气溶胶颗粒物群体的粒径-数量分布。随着停留时间的延长,颗粒物的总数量浓度和众数直径均有所增加。当停留时间为3 s时,未检测到颗粒物;而在更长的停留时间下,可获得并测量到颗粒物群体。当停留时间从17 ± 0.5 s增加至38 ± 1 s时,众数直径从小于10 nm增长至约50 nm。相应的数量浓度从(8.6 ± 0.5) × 104 cm-3增加至(2.56 ± 0.07) × 105 cm-3。
APM装置在三次重复实验中记录的数浓度-质量分布示例显示于 图8利用颗粒物的质量直径和迁移直径计算动态形状因子, χ 在不同颗粒亚群中,动态形状因子χ定义为实际颗粒所受阻力与体积等效球体所受阻力之比。23接近球形的颗粒的形状因子趋近于1,而高度非球形的颗粒则具有显著更大的形状因子。 图9 显示了在不同迁移率直径和湿度水平下从流动管中排出的颗粒物的动态形状因子。相应的 χ 值用于 <5% 相对湿度下的值分别为 1.21 ± 0.02、1.09 ± 0.02 和 1.08 ± 0.02(一倍标准差不确定度),表明颗粒物群体主要由非球形颗粒组成。
随着相对湿度的增加,三个种群的χ值均下降,在35%相对湿度下达到最终值1.02 ± 0.01,该值在不确定度范围内对应于球形颗粒。 图10 显示暴露于条件下的颗粒的扫描电镜图像 <5% 相对湿度(左列)和 80% 相对湿度(右列)。图像表明,非球形颗粒在暴露于高相对湿度后变为圆形,具体讨论见 Zhang 等7上述结果表明,流动管式反应器能够进行多种类型的在线和离线分析。

图1。流动管反应器系统的示意图。 红色线条表示含有臭氧的气流,浅蓝色线条表示含有α-蒎烯的气流,深蓝色线条表示有机颗粒物的气流。APM系统由DMA、APM和CPC组成,并相互连接。该图先前出现在Shreatha et al.13中,经许可在此转载。

图 2。臭氧监测与记录程序的图形用户界面。

图 3。温度监测与记录程序的图形用户界面。

图4。用于压力监测与记录程序的图形用户界面。

图5。粒径分布数量分析程序的图形用户界面。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6。APM程序的图形用户界面。

图7.流动管中不同停留时间下颗粒群的粒径分布。 各粒径分布对应的总颗粒数浓度分别为:停留时间为3、10、17、25、32和38秒时,浓度依次为1.69 × 10-1、7.50 × 103、8.58 × 104、2.00 × 105、2.33 × 105 和 2.56 × 105 颗粒/cm-3。阴影区域表示粒径分布的标准偏差。该图此前出现在 Shreatha et al.13 中,经许可在此转载。 请点击此处查看此图的放大版本。

图8.使用DMA-APM系统测得的粒子数-质量分布示例。 展示了三次重复实验的结果,以证明可重复性。误差棒表示两倍标准差的不确定度,其大小约与数据标记点相同。线条代表对数据进行的正态分布拟合。横坐标根据APM的旋转速度以及APM圆筒壁间施加的电压计算得出。图中所示粒子由700 ppb的α-蒎烯和14 ppm的臭氧生成。DMA选择的中心迁移率直径为126.0 nm。该图此前曾发表于Zhang et al.7,经许可在此转载。 请点击此处查看此图的放大版本。

图9. 相对湿度升高时的动态形状因子。 面板A:由700 ppb α-蒎烯和14、25及30 ppm臭氧生成的颗粒物,其对应粒群的中心迁移直径分别为126.0、175.0和190.0 nm。相对湿度暴露时间为310 s。各面板中的误差棒表示标准差的两倍σ。该图此前曾发表于Zhang et al.7,经许可在此转载。 请点击此处查看此图的放大版本。

图10. 由700 ppb α-蒎烯生成、中心迁移直径为180.0 nm的颗粒的扫描电镜(SEM)图像。 气溶胶颗粒在二氧化硅基底上收集12小时,随后镀上5 nm厚的Pt/Pd层。电子束电压为5 kV,工作距离为2.3 mm。第1列显示在<5%相对湿度(RH)条件下形成的由颗粒状单体构成的二聚体、三聚体及更高阶的聚集体,红色圆圈标示出单体。第2列显示在暴露于80% RH后干燥至<5% RH条件下收集到的近球形颗粒。该图此前发表于Zhang et al.7,经许可在此转载。
| O3 (ppm) | 0.15±0.02 | 0.9±0.1 | 5.7±0.2 | 43±1 | 194±2 | ||
| α-蒎烯 | |||||||
| (ppm) | |||||||
| 0.125 ± 0.003 | 数量浓度 | 0 | (1±1)×102 | (1.0±0.6)×105 | (4.4±0.6)×105 | (3.2±0.2)×105 | |
| 质量浓度 | 0 | (3±5)×10-2 | 15±5 | 11±3 | 20±2 | ||
| 众数直径 | 0 | 22±4 | 60±5 | 35±3 | 34±2 | ||
| 几何标准偏差 | N/A | 1.2 | 1.3 | 1.3 | 1.5 | ||
| 1.00 ± 0.03 | 数量浓度 | 0 | (3.1±0.9)×102 | (1.5±0.2)×105 | (5.5±0.2)×105 | (5.8±0.4)×105 | |
| 质量浓度 | 0 | (9±3)×10-3 | 61±9 | (52±0.1)×102 | (66±0.1)×102 | ||
| 众数直径 | 0 | 33±7 | 86±6 | 84±3 | 85±19 | ||
| 几何标准偏差 | N/A | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.7 | ||
| 10.0 ± 0. 3 | 数量浓度 | (2±2)×101 | (4.0±0.2)×105 | (6.0±0.7)×105 | (6.3±0.7)×105 | (1.8±0.2)×106 | |
| 质量浓度 | 0* | (1.6±0.2)×102 | (2.5±0.2)×103 | (1.19±0.02)×104 | (1.57±0.02)×104 | ||
| 众数直径 | 8±9 | 81±2 | 147±9 | 245±38 | 155±5 | ||
| 几何标准偏差 | 1 | 1.4 | 1.4 | 1.4 | 1.5 | ||
| 100 ± 3 | 数量浓度 | (4.4±0.3)×105 | (8.3±0.3)×105 | (8.3±0.4)×106 | (9.1±0.2)×106 | (1.3±0.02)×107 | |
| 质量浓度 | 35±3 | (8.6±0.1)×102 | (1.3±0.1)×104 | (1.6±0.04)×105 | (4.0±0.1)×105 | ||
| 众数直径 | 48±2 | 88±5 | 134±8 | 262±12 | 334±4 | ||
| 几何标准偏差 | 1.4 | 1.6 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | ||
表1. 由α-蒎烯臭氧分解生成的颗粒物的数浓度(cm-3)、质量浓度(µg m-3)、主模式直径(nm)及几何直径标准偏差。 将材料密度设为1200 kg∙m3,用于将体积浓度转换为质量浓度,所有实验的停留时间均为38 s。*尽管存在颗粒物,但其质量浓度低于检测限。本表此前曾发表于Shreatha et al.13,经许可在此转载。
通过调节流动管反应器中的条件,可生成具有明确数浓度和质量浓度的多种二次有机气溶胶(SOA)颗粒。还可以在凝结生长和凝聚生长模式之间改变其生长机制,从而形成不同形态的颗粒。实验方案中的关键步骤包括维持流动管反应器内相对稳定的温度,以及稳定臭氧发生器输出的臭氧浓度。此外,每次实验均需仔细记录可移动注射器的位置,以确保重复实验时停留时间保持一致。
如果流动管反应器产生的颗粒浓度与预期不符,可进行多项故障排查。首先应对流动管反应器进行气密性检查。完成气密性检查后,需检查粒径-数量测量仪器,以排除所有可能的故障,例如进样口堵塞或CPC用1-丁醇溶液耗尽等问题。
因此,上述流动管反应器是研究跨越广泛浓度范围的有机气溶胶理化性质及其演化的有效工具。与其他气溶胶发生系统相比,流动管反应器能够快速生成适用于多种粒子数浓度和质量浓度的气溶胶颗粒13,在高负载质量采样中尤为有用。该反应器还配备可移动采样器,可用于研究气溶胶颗粒的演化与生长过程。然而,该反应器的滞留时间相对较短,前体物浓度相对较高,这限制了其模拟接近环境条件反应的能力。未来针对流动管反应器的研究工作将包括在内壁增加紫外光照,以便在反应器内开展光氧化反应。此外,还计划研究其他挥发性有机化合物(VOC)反应物,例如β-石竹烯和柠檬烯24。
作者声明不存在竞争性财务利益。
本材料基于美国国家科学基金会化学学部环境化学科学项目(资助号:1111418)、美国国家科学基金会(NSF)大气-地球科学学部(资助号:1524731)以及哈佛大学教师出版奖支持的工作。我们感谢Mona Shrestha、Adam Bateman、Pengfei Liu和Mikinori Kuwata在实验方面的有益讨论和协助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| (-)-α-蒎烯 | 西格玛-奥德里奇 | 305715 | |
| 2-丁醇 | 西格玛-奥德里奇 | 294810 | |
| 5.00 mL 注射器 | 哈密尔顿 | 201300 | |
| 气溶胶粒子质量分析仪 | 加诺马克 | 3600 | |
| 冷凝式粒子计数器 | TSI | 3022 | |
| 差分迁移率分析仪 | TSI | 3081 | |
| 加热套 | 科尔-帕尔默 | WU-36225-10 | |
| 质量流量控制器 | MKS | M100B | |
| 纳菲恩管 | Perma Pure | MD-700-24F-1 | |
| 纳米气溶胶采样器 | TSI | 3089 | |
| 臭氧发生器 | Jelight | 600 | |
| 臭氧监测仪 | Ecosensors | UV-100 | |
| 压力传感器 | 欧米伽 | PX409 | |
| 相对湿度传感器 | 罗特隆 | 60587161 | |
| 圆底三颈烧瓶 | Aceglass | 6944-04 | |
| 扫描电子显微镜 | 蔡司 | N/A | Ultra plus FESEM |
| 扫描迁移率粒径谱仪 | TSI | 3071A+3772 | 静电分类器型号为 3071A,冷凝粒子计数器型号为 3772 |
| 硅基底 | University Wafer | 1707 | |
| 注射器针头 | 哈密尔顿 | 90025 | 25 G,2 英寸 |
| 注射泵 | Chemyx | Fusion Touch 200 | |
| 温度传感器及软件 | 国家仪器 | USB-TC01 | |
| 水循环器 | Brinkmann | RC6 |