Produzione e misurazione del particolato organico in un reattore di tubo di flusso

I reattori a tubo di flusso sono costruiti per imitare i processi di produzione del particolato organico atmosferico e vengono utilizzati per studiare il meccanismo, i processi e la caratterizzazione del particolato. Il vantaggio dell'uso di un reattore a tubo di flusso è che consente la rapida sintesi di particelle aerosol in un'ampia gamma di concentrazioni di particelle e di massa. Per l'impianto qui presentato, il reattore a tubo di flusso è dotato di un iniettore mobile in grado di campionare particolato organico in diversi punti di tempo all'interno del reattore a flusso.

Il particolato che esce dal tubo di flusso viene analizzato da vari tipi di tecniche online e offline, tra cui un sizer di particelle di mobilità a scansione e uno spettrometro di massa delle particelle aerosol. E campionerà anche sui filtri antiparticolato. Il tubo di flusso è una piattaforma di reattore adatta per eseguire esperimenti di post-analisi e analisi online e offline del particolato prodotto.

Le particelle atmosferiche hanno fatto parte degli effetti del clima, della salute umana e della visibilità. Il meccanismo di produzione per le particelle organiche, tuttavia, rimane ancora insufficientemente caratterizzato e non è astuto. Un approccio per risolvere questo problema è utilizzare un reattore a tubo di flusso per eseguire studi di laboratorio che ci aiutino a comprendere la formazione e il meccanismo di reazione per il particolato organico.

Il reattore a tubo di flusso è costituito da tre parti. La prima parte dell'esperimento del tubo di flusso è l'iniezione di precursore organico. Il sistema di iniezione è composto da tre elementi.

Una pompa per siringhe, una siringa di vetro e una lampadina di vetro a tre lag. La soluzione organica viene iniettata continuamente utilizzando la pompa di siringa nel bulbo di vetro, quindi vaporizza. Quindi il vapore viene tamponato nel tubo di flusso dove si svolgono reazioni per produrre una popolazione di particelle.

La seconda parte del reattore a tubo di flusso è costituita dal tubo di flusso stesso e anche da un campionatore mobile. Il campionatore mobile può controllare il tempo di residenza delle particelle all'interno del tubo di flusso da tre secondi a 42 secondi, quindi aiutaci a studiare il meccanismo corrosivo per queste particelle organiche e ci aiuta anche a cambiare il meccanismo lordo tra coagulazione e condensa cresce. L'ultima parte del sistema di reattori a tubo di flusso sono gli strumenti che analizzano le particelle organiche.

Abbiamo il sizer di particelle di mobilità a scansione e l'analizzatore di massa delle particelle aerosol per studiare la concentrazione di massa numerica e anche la forma delle particelle che escono dal tubo di flusso. Di seguito sono riportati i protocolli per l'esecuzione dell'esperimento del tubo di flusso. Iniezione in fase gassosa del reattore a tubo di flusso.

A seconda dello scopo degli esperimenti, una vasta gamma di composti organici volatili può essere utilizzata come precursore organico per l'esperimento. L'alfa pinene è usato qui come esempio per la procedura di iniezione del precursore organico nel reattore a tubo di flusso. Utilizzare una micro-pipetta per prelevare un millilitro di alfa pinene e quindi trasferire il liquido in un pallone volumetrico da cinquanta millilitri.

Utilizzare due butanolo per riempire il pallone volumetrico a cinquanta millilitri diluendo così l'alfa pinene di un rapporto da uno a 49. Agitare accuratamente il pallone volumetrico per mescolare accuratamente il solvente e il soluto. Utilizzare una siringa da cinque millilitri per ritirare la soluzione di pino alfa.

Risciacquare la siringa tre volte con la soluzione e quindi riempire l'intera siringa. Rimuovere eventuali bolle nella siringa. Collegare la siringa a un ago affilato e quindi spostare la siringa su un iniettore di siringhe.

Inserire la punta dell'ago nel pallone inferiore rotondo per vaporizzare la soluzione. Preriscaldare il pallone vaporizzatore a 135 più o meno di un grado Celsius regolando la potenza del nastro riscaldante. Impostare la portata di massa della portata di portata su 5 litri standard al minuto.

Lo scopo è quello di introdurre un flusso delicato di 5 litri standard al minuto di aria purificata per vaporizzare e trasportare il pino alfa iniettato dalla siringa. Accendere l'iniettore della siringa e regolare la velocità di espulsione su un valore impostato dall'utente. Flusso passivo di aria a quattro litri standard al minuto attraverso un generatore di ozono.

Accendi il generatore di ozono. Controllare la concentrazione di ozono in base a valori appropriati regolando la lunghezza del tubo di vetro che scherma la lampada UV all'interno del generatore. Accendere il monitor della concentrazione di ozono.

Eseguire gli esperimenti dopo che la concentrazione di ozono si è stabilizzata. Produzione di particelle del reattore a tubo di flusso. Svitare il tappo all'estremità del reattore a tubo di flusso per regolare la posizione dei tubi del campionatore mobili all'interno del reattore a tubo di flusso.

Cambiare successivamente le diverse posizioni del tubo del campionatore mobile per ottenere tempi di residenza diversi. Posizionare il campionatore mobile all'inizio del reattore a tubo di flusso per ottenere il tempo di soggiorno più breve. Posizionare il campionatore mobile alla fine del reattore a tubo di flusso per ottenere il tempo di permanenza più lungo.

Ospita il reattore a tubo di flusso in una scatola di acciaio inossidabile a doppia parete a doppia parete a temperatura controllata, con giacca ad acqua. Eseguire un controllo delle perdite e un controllo del livello dell'acqua prima di ogni serie di esperimenti. Impostare la temperatura del termostato nel circolatore d'acqua a 20 gradi Celsius.

Accendere il software di registrazione della temperatura nel computer principale e impostare il tempo di campionamento dei dati su 10 secondi. Registrare la temperatura misurata dal sensore di temperatura quando si accende il pulsante di registrazione. Accendere il software di monitoraggio della pressione e impostare l'intervallo di campionamento su 10 secondi.

Impostare la lunghezza del campionamento su 36.000 punti. Caratterizzazione della popolazione di particelle prodotte del reattore a tubo di flusso. Collegare l'uscita del reattore a tubo di flusso a un sizer di particelle di mobilità a scansione mediante tubi resistenti elettrostatici.

Avviare il software che registra la distribuzione del diametro del numero. Creare un nuovo file e ogni parametro in base ai valori appropriati. Registrare le distribuzioni del diametro del numero delle particelle che escono dal reattore a tubo di flusso facendo clic sul pulsante Ok.

Collegare le due entrate di una bolla d'acqua a due regolatori di flusso della maschera in modo da regolare l'umidità dell'aria di sheathe nel tubo di flusso. Regolare la portata delle due insenature da zero a 10 litri standard al minuto in modo da modificare l'umidità relativa dell'aria di sheathe da meno del 5% a superiore al 95%Collegare l'uscita della bolle d'acqua all'ingresso dell'aria di sheathe del tubo Nafion. Collegare l'uscita del reattore a tubo di flusso all'ingresso di campionamento principale del tubo nafion.

Collegare un sensore di umidità relativa all'uscita del tubo Nafion. Per misurare l'umidità relativa dell'aria di campionamento. Collegare l'uscita della configurazione relativa del controllo dell'umidità all'ingresso di un analizzatore di mobilità differenziale.

Collegare l'uscita dell'analizzatore di mobilità differenziale all'ingresso dello strumento APM mediante tubi elettrostatici resistenti. Collegare l'uscita dell'APM a un contatore di particelle di condensazione. Accendere lo strumento APM e la casella di controllo APM premendo i rispettivi pulsanti di accensione.

Fare clic sul pulsante Remoto sulla casella di controllo APM in modo che lo strumento possa essere utilizzato dall'interfaccia software del computer. Attivare il software di controllo APM. Caricare un file di scansione preimpostato facendo clic sui pulsanti File e Carica, come mostrato nel video.

Fare clic sul pulsante Start del software di controllo APM in modo che lo strumento APM inizi a raccogliere dati. Pulire un substrato di silicio con un ciclo di acqua di metanolo e di nuovo metanolo per rimuovere eventuali contaminanti. Asciugare il substrato utilizzando un flusso delicato di azoto.

Posizionare il substrato pulito sull'elettrodo del campionatore di aerosol nanometrico. Fissare il bordo del substrato con nastro adesivo per mantenerlo stabile durante la raccolta. Accendere il campionatore di aerosol nanometrico.

Impostare la tensione su meno 9,9 kilovolt. Impostare le portate su 1,8 litri al minuto. Successivamente, rimuovere il substrato di silicio caricato con particelle raccolte dal campionatore di aerosol nanometrico.

Eseguire ulteriori analisi delle particelle sul substrato come la morfologia mediante scansione di analisi di elettroni, microscopi o superfici. Risultati rappresentativi. Esiste una gamma di concentrazioni di numero e massa di particolato organico che possono essere prodotte a seconda delle concentrazioni selezionate di pino alfa e ozono.

Come mostrato in questa tabella, queste condizioni hanno prodotto 4,4 più o meno 6 a 6,3 più o meno 7 per 10 alle cinque particelle per centimetro al cubo e concentrazioni di massa da 10 a uno a 10 ai quattro microgrammi per metro cubo rispettivamente. L'evoluzione delle caratteristiche dinamiche della popolazione di particelle può essere studiata all'interno del reattore a tubo di flusso. Questa figura mostra le distribuzioni del diametro del numero della popolazione di particelle aerosol per questo esperimento.

La concentrazione totale del numero e il diametro della modalità delle particelle sono aumentati con il tempo di residenza. La massa delle particelle e i diametri di mobilità sono stati usati per calcolare il fattore di forma dinamico kai attraverso la sottopopolazione delle particelle. Questa figura mostra i fattori di forma dinamici delle particelle che escono dal tubo di flusso a vari diametri di mobilità e livelli di umidità.

Con l'aumento dell'RH, kai è diminuito per tutte e tre le popolazioni raggiungendo un valore finale di 1,02 più o meno 01 al 35% di umidità relativa e corrispondente a un'incertezza alle particelle sferiche. Il reattore a tubo di flusso sopra descritto è un ottimo strumento per lo studio delle proprietà fisiche o chimiche e dell'evoluzione delle particelle organiche. Tuttavia, il tempo di residenza relativamente breve e l'alta concentrazione precursore limita la sua capacità di studiare le particelle organiche formate in condizioni ambientali ravvicinate.

Abbiamo dimostrato che il tubo di flusso può sintetizzare particelle attraverso un'ampia gamma di concentrazioni di massa e numeriche ed è molto adatto a distinguere una particella lorda dalla coagulazione alla condensa. Il tubo di flusso è adatto anche per la raccolta di particelle organiche sotto una massa relativamente elevata.