Artykuł metodologiczny

Produkcja i pomiar organicznego pyłu zawieszonego w Harvard Environmental Chamber

9.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/55685

⸱

18 listopada 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 2Department of Environmental Science and Engineering, Gillings School of Global Public Health, University of North Carolina, 3Department of Chemistry, Northwestern University, 4Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University

W tym artykule

Podsumowanie

Ten artykuł opisuje procedury operacyjne dla Harvard Environmental Chamber (HEC) i powiązanych przyrządów do pomiaru gatunków gazowych i cząstek. Komora środowiskowa służy do produkcji i badania wtórnych gatunków organicznych wytwarzanych z prekursorów organicznych, zwłaszcza związanych z atmosferycznym pyłem organicznym.

Streszczenie

Produkcja i ewolucja atmosferycznego organicznego pyłu zawieszonego (PM) nie są wystarczająco zrozumiałe dla dokładnych symulacji chemii atmosfery i klimatu. Złożone mechanizmy produkcji i szlaki reakcji sprawiają, że jest to trudny temat badawczy. Aby rozwiązać te problemy, potrzebna jest komora środowiskowa, zapewniająca wystarczający czas przebywania i stężenia prekursorów wtórnych materiałów organicznych w pobliżu otoczenia. Harvardzka Izba Środowiskowa (HEC) została zbudowana w celu zaspokojenia tej potrzeby, symulując produkcję związków gazowych i cząstek z lotnych związków organicznych (LZO). HEC ma objętość 4,7m3 i średni czas przebywania 3,4 h w typowych warunkach pracy. Jest on eksploatowany jako całkowicie mieszany reaktor przepływowy (CMFR), co zapewnia możliwość pracy w stanie ustalonym w nieskończoność przez kilka dni w celu pobrania próbki i analizy danych. Procedury operacyjne są szczegółowo opisane w tym artykule. Do scharakteryzowania wytwarzanych gazów i cząstek stosuje się kilka rodzajów oprzyrządowania. Spektrometr masowy aerozolu o wysokiej rozdzielczości (HR-ToF-AMS) służy do charakteryzowania cząstek. Spektrometr masowy z reakcją przeniesienia protonów (PTR-MS) służy do analizy gazów. Przedstawiono przykładowe wyniki w celu pokazania zastosowania komory środowiskowej w szerokiej gamie zastosowań związanych z właściwościami fizykochemicznymi i mechanizmami reakcji organicznych pyłów atmosferycznych.

Wprowadzenie

Atmosferyczny organiczny pył zawieszony (PM) powstaje w wyniku utleniania lotnych związków organicznych (LZO) emitowanych przez biosferę i działania antropogeniczne1,2. Pomimo istotnego wpływu tych cząsteczek aerozolu na klimat, zdrowie ludzi i widoczność3, mechanizmy produkcji pozostają nie w pełni poznane i scharakteryzowane, zarówno pod względem jakościowym, jak i ilościowym. Jednym z wyzwań dla badań laboratoryjnych, które z konieczności mają ograniczony zakres i czas, jest symulacja ewolucji atmosfery gatunków gazowych i cząstek. Czas przebywania musi być na tyle długi, aby związki zarówno w fazie gazowej, jak i cząstkowej mogły ulegać utlenianiu i reakcji wielofazowej, tak jak w środowisku otoczenia4,5,6,7,8. Kolejnym wyzwaniem jest praca w laboratorium przy stężeniach wystarczająco niskich, które reprezentują środowisko otoczenia9,10,11. Wiele ważnych procesów skaluje się wraz ze stężeniami. Na przykład zbyt wysokie stężenie masowe organicznych cząstek stałych w eksperymencie laboratoryjnym może błędnie przesunąć podział gatunków półlotnych z fazy gazowej do fazy cząstek. Skład faz gazowych i cząstek może stać się niereprezentatywny dla warunków atmosferycznych. Harvardzka Izba Środowiskowa została zaprojektowana, aby odpowiedzieć na te wyzwania, głównie poprzez zastosowanie podejścia konfiguracji ciągłego przepływu działającej w nieokreślonej skali czasowej, co pozwala na niskie stężenia i długie czasy integracji w celu wykrywania sygnału. W 2018 roku Izba obchodzi przełomową rocznicę dwunastu lat odkryć naukowych.

Komory środowiskowe różnią się w zależności od źródła światła, systemu mieszania przepływu, wielkości i liczby komór działających razem. Istnieją komory zewnętrzne, które otrzymują naturalne światło słoneczne12,13, a także komory wewnętrzne, które działają przy sztucznym świetle14,15,16,17,18,19,20,21. Komnaty zewnętrzne mogą być również budowane stosunkowo duże, minimalizując artefakty, które mogą być wprowadzane przez efekty ścian, chociaż wyzwania obejmują zmiany oświetlenia spowodowane chmurami, jak również wahania temperatury. Chociaż komory wewnętrzne mogą dokładnie kontrolować temperaturę i wilgotność względną, intensywność i widmo sztucznego światła na ogół różnią się od naturalnego światła słonecznego, co może wpływać na niektóre reakcje fotochemiczne14. Komory mogą być również eksploatowane jako reaktory okresowe lub reaktory o przepływie całkowicie mieszanym (CMFR)22. Reaktory okresowe są na ogół łatwiejsze w obsłudze i konserwacji, ale CMFR może być eksploatowany przez tygodnie, w zależności od potrzeb, aby umożliwić integrację sygnału, a tym samym pracę przy niskich, istotnych dla atmosfery stężeniach.

W niniejszym dokumencie szczegółowo opisano sprzęt i działanie Izby Środowiskowej Harvardu (HEC)7,23,24,25 są szczegółowo opisane. HEC składa się z worka teflonowego PFA o długości 4,7 m3 umieszczonego w komorze o stałej temperaturze (2,5 × 2,5 × 2,75 m3)26. Odblaskowe arkusze aluminiowe pokrywają wewnętrzne ścianki komory, aby umożliwić wielokierunkowe oświetlenie przez torbę, a tym samym zwiększyć szybkość fotochemii. HEC jest obsługiwany jako CMFR, przy całkowitym natężeniu przepływu 21 sLpm i odpowiadającym średniemu czasowi przebywania 3,4 h27. Temperatura, wilgotność i stężenie ozonu są utrzymywane za pomocą regulatorów ze sprzężeniem zwrotnym. Cząstki siarczanu amonu są używane jako cząstki nasion w celu naśladowania kondensacji składników organicznych na cząstkach nieorganicznych w środowisku otoczenia. Średnica modowa nieorganicznych cząstek siarczanowych jest wybierana na 100-200 nm, aby symulować rozmiary cząstek mierzone w field28. Procedury operacyjne są opisane w części dotyczącej protokołu, w tym prezentacja wizualna, po której następuje krótkie omówienie zastosowań i wyników badań HEC.

Protokół

UWAGA: Kluczowe mierzone parametry środowiskowe obejmują ozon (analizator ozonu), NO i NO2 (analizator NOx), wilgotność względną (czujnik wilgotności względnej), temperaturę (termopara typu K) oraz różnicę ciśnień między workiem a komorą. Marki instrumentów są wymienione w Tabeli Materiałów. Parametry środowiskowe mierzone przez przyrządy muszą być stabilne i mieścić się w wymaganiach projektowych przed rozpoczęciem doświadczeń. Komora środowiskowa wykorzystuje system sprzężenia zwrotnego do ciągłego monitorowania i dostosowywania elementów sterujących, tak aby parametry środowiskowe pozostawały w granicach wymagań przez cały czas trwania eksperymentu.

1. Procedury uruchamiania

  1. Parametry: Ustawianie i wtryskiwanie utleniaczy
    1. Ustaw parametry fizyczne komory środowiskowej za pomocą systemu sprzężenia zwrotnego (PID). Ustawić różnicę ciśnień na 4 Pa (30 mTorr). Gdy ciśnienie jest zbyt wysokie lub zbyt niskie, zawór elektromagnetyczny otwiera się lub zamyka, aby wyregulować ciśnienie worka w ustawionym zakresie.
    2. Włącz generator ozonu, aby wygenerować przepływ ozonu, przepuszczając suche powietrze przez lampę ultrafioletową. Ustaw natężenie przepływu na 0,1 sLpm, aby osiągnąć 100 ppb końcowego stężenia ozonu wewnątrz HEC. Włącz monitor ozonu i aktywuj odpowiednie oprogramowanie.
    3. Ustaw wilgotność względną worka na wyznaczone wartości. W tym konkretnym eksperymencie użyj 40% wilgotności względnej, ale poziom wilgotności względnej może zmienić się z <5% do 80%. Czujnik wilgotności względnej i system kontroli sprzężenia zwrotnego utrzymują stabilną wilgotność względną w worku poprzez regulację stosunku przepływów powietrza suchego i wilgotnego. Dopływ suchego powietrza zapewnia generator czystego powietrza, który wytwarza zerowe powietrze wolne od węglowodorów, wody (wilgotność względna < 1%) i tlenków azotu. Przepływ wilgotnego powietrza jest przygotowywany przez bulgotanie suchego powietrza przez wodę o wysokiej czystości (18 MΩ cm) w celu wytworzenia przepływu powietrza prawie nasyconego.
    4. Ustaw temperaturę komory na 25.0 ±0.1 °C. Komora klimatyzacji wewnętrznej równomiernie rozprowadza powietrze przez sufit ze stali nierdzewnej z systemami sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, które utrzymują temperaturę w wyznaczonych wartościach.
    5. Poczekaj, aż inne parametry środowiskowe będą stabilne i zgodne z wymaganiami projektowymi.
  2. Podłącz wloty przyrządów do komory środowiskowej. Uruchom samodzielnie opracowane oprogramowanie, klikając przycisk Start. Sprawdź dane w czasie rzeczywistym wyświetlane w opracowanym przez siebie oprogramowaniu, które integruje sterowanie sprzężeniem zwrotnym (Rysunek 2).
  3. Włącz wszystkie instrumenty i poczekaj, aż całkowicie się rozgrzeją.

2. Produkcja cząstek nasion

UWAGA: Przed wstrzyknięciem cząstek nasion, początkowe stężenie cząstek jest poniżej 1 cm-3.

  1. Produkcja cząstek nasion siarczanowych
    1. Wstrzyknąć quasi-monodyspersyjne suche cząstki siarczanowe do worka, zarówno w celu lepszej symulacji warunków otoczenia, jak i w celu działania jako medium dla kondensacyjnego wzrostu wtórnych materiałów organicznych. Wstrzykiwanie cząstek nasion odbywa się w następujący sposób.
    2. Rozpuścić siarczan amonu (0,01 g) w wodzie o wysokiej czystości (18 MΩ∙cm) w kolbie miarowej o pojemności 100 ml, aby przygotować roztwór (NH4)2SO4 (0,1 g∙L-1).
    3. Za pomocą atomizera wytworzyć cząstki aerozolu (NH4)2SO4 o natężeniu przepływu 3 sLpm.
    4. Przepuść strumień aerozolu przez osuszacz dyfuzyjny (żel krzemionkowy), aby obniżyć wilgotność względną do 10%.
  2. Selekcja cząstek nasion i wtryskiwanie do worków
    1. Przepuść przepływ aerozolu przez ładowarkę bipolarną (85Kr) i analizator ruchliwości różnicowej (DMA), aby dobrać rozmiar, wybrać cząstki i przygotować rozkład quasi-monodyspersyjny za pomocą mobilności elektrycznej. Funkcja transmisji jest poszerzona dzięki zastosowaniu przepływu osłony do aerozolu w DMA w stosunku 10:3. Wybrana średnica ruchliwości elektrycznej cząstek wychodzących z DMA waha się od 50 do 150 nm w zależności od eksperymentu. Typowe stężenie liczb waha się od 4 000 do 8 000 cm-3.
    2. Wprowadzić do worka aerozol quasi-monodyspersyjny o natężeniu przepływu 3 sLpm. Monitoruj cząstki opuszczające worek za pomocą skanera do pomiaru wielkości cząstek (SMPS). Poczekaj, aż rozkład wielkości cząstek nasion ustabilizuje się. Utrata cząstek spowodowana zginaniem rurki, a także ładunki elektrostatyczne na worku jest minimalna, szczególnie w przypadku rozmiarów cząstek użytych w tym eksperymencie (większych niż 100 nm)29,30.

3. Wtryskiwanie prekursorów fazy gazowej

  1. Wtryskiwanie prekursorów fazy gazowej
    1. Za pomocą strzykawki pobrać 1,00 ml roztworu izoprenu. Przepłukać strzykawkę roztworem trzy razy przed ostatecznym pobraniem.
    2. Umieścić strzykawkę we wstrzykiwaczu strzykawkowym. Włożyć końcówkę igły przez gumową uszczelkę do kolby okrągłodennej (25 ml). Podgrzać kolbę do temperatury 90 ±1 °C za pomocą taśmy grzewczej. Włączyć wstrzykiwanie strzykawki i ustawić ją na odpowiednią wartość (1,1 do 4,4 μl∙min-1). Stężenie prekursora w fazie gazowej jest dostosowywane do różnych eksperymentów poprzez kontrolowanie szybkości wstrzykiwania strzykawki. W przypadku długich eksperymentów należy w razie potrzeby odświeżyć strzykawkę.
    3. Wprowadzić przepływ 2 sLpm oczyszczonego powietrza w celu odparowania i odprowadzenia izoprenu wstrzykniętego do kolby okrągłodennej. Przepływ powietrza jest na tyle duży, że siedząca kropla na końcu strzykawki jest odparowywana, zamiast kapać do kolby. W rezultacie stężenie prekursora fazy gazowej pozostaje stabilne.
  2. Włącz przełącznik świateł ultrafioletowych wewnątrz HEC.

4. Pomiar przyrządów

UWAGA: Połączenie izoprenu i światła UV prowadzi do produkcji wtórnego materiału organicznego na cząstkach nasion siarczanu.

  1. Rozkład liczbowo-średnicowy cząstki opuszczającej worek
    1. Pobrać próbkę odpływu z worka za pomocą rurki odpornej na wyładowania elektrostatyczne.
    2. Uruchom oprogramowanie do pomiaru aerozolu i utwórz nowy plik, klikając Utwórz nowy plik. Każdy parametr jest ustawiany tak, jak pokazano w Rysunek 3. Zapisz rozkład liczbowo-średnicowy cząstek wychodzących z worka, klikając przycisk OK.
  2. Charakterystyka chemiczna pyłu organicznego.
    1. Otwórz zawór do pobierania próbek ze stali nierdzewnej znajdujący się wewnątrz worka. Przepływ próbki aerozolu w spektrometrze masowym aerozolu o wysokiej rozdzielczości (HR-ToF-AMS).
    2. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych, naciskając przycisk Acquire w lewym dolnym rogu panelu (Rysunek 4). Widma masowe organicznych cząstek stałych o wysokiej rozdzielczości są rejestrowane w czasie trwania eksperymentów. Uzyskuje się również całkowite stężenie masy organicznej.
  3. Charakterystyka gatunków w fazie gazowej
    1. Otwórz zawór do pobierania próbek rurki teflonowej z PTFE znajdującej się wewnątrz worka. Próbkowany przepływ jest kierowany do spektrometru masowego czasu przelotu reakcji przewodzenia protonów (PTR-TOF-MS). Uzyskuje się widma masowe związków gazowych o wyższym powinowactwie do protonów niż woda.
    2. Użyj ustawień parametrów źródła jonów PTR-TOF-MS pokazanych w Rysunek 5 w oprogramowaniu PTR-Manager. Rozpocznij pobieranie danych, uzyskując dostęp do menu rozwijanego Akwizycja w oprogramowaniu TofDAQ Viewer, a następnie naciskając Start. Zapisz szereg czasowy każdego jonu za pomocą tego oprogramowania.

5. Koniec eksperymentu i czyszczenie worków

  1. Zatrzymać wstrzykiwanie prekursorów fazy gazowej i cząstek nasion aerozolu.
  2. Przez kilka dni w sposób ciągły wstrzykiwać do worka czyste powietrze o stężeniu 40 l∙min-1. Włącz wszystkie światła ultrafioletowe. Ustaw stężenie ozonu na 600 ppb i ustaw temperaturę na 40 °C. W ten sposób przez kilka dni utrzymywane jest agresywne środowisko utleniania w celu wyszorowania worka. Gdy stężenie liczbowe cząstek wewnątrz komory jest mniejsze niż 0,2 cm-3, komora jest uważana za czystą i może być wykorzystana do następnego eksperymentu.

Wyniki

Przykład serii czasowej stężenia masy organicznej rejestrowanej przez HR-ToF-AMS podczas jednego eksperymentu przedstawiono na Rysunku 6. Warunki eksperymentalne obejmowały 490 ppb izoprenu, przy czym włączone lampy UV dostarczały rodników OH jako utleniacza. Stężenie masy organicznego PM systematycznie rosło od początku eksperymentu, aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego po około 4 h. Ewolucja organicznych związków w fazie gazowej była jednocześnie badana przy użyciu PTR-TOF-MS. Rysunek 7 przedstawia serię czasową intensywności sygnału C4H6O+ w tym samym eksperymencie, który pochodzi z głównych produktów utleniania izoprenu (np. metylowego winylowego ketonu, metakroleiny oraz kilku organicznych nadtlenków). Po rozpoczęciu naświetlania intensywność sygnału C4H6O+ wzrosła i nadal rosła, aż do osiągnięcia stanu stacjonarnego po 50 min.

Ryciny przedstawiają ewolucję czasową wtórnego materiału organicznego w HEC. Po wtryśnięciu, reakcji i rozkręceniu układu do stanu stacjonarnego, dane z AMS wskazują, że cząstki składają się z związków organicznych, a stężenie komponentów organicznych zwiększa się wraz z upływem czasu. Dane z PTR-MS pokazują, że prekursor wyjściowy znika z fazy gazowej, a gatunki produktów pierwszej generacji pojawiają się po zainicjowaniu reakcji. Analiza danych z pomiarów online i offline zazwyczaj koncentruje się na okresie stanu stacjonarnego. Dzięki zastosowaniu pracy w trybie CMFR z układami sprzężenia zwrotnego kontrolującymi kluczowe parametry komory, istnieje możliwość przeprowadzania eksperymentów wymagających wielu dni na ukończenie, ponieważ stężenia gatunków w fazie gazowej i cząsteczkowej pozostają stabilne w nieskończoność. Podsumowując, HEC jest wykorzystywany do symulacji chemii atmosfery, a tym samym do testowania hipotez i pogłębienia wiedzy w ważnych kwestiach związanych ze zrozumieniem zanieczyszczenia powietrza, wpływu cząstek na klimat, a nawet efektów zdrowotnych aerozoli.

Schemat komory reakcyjnej aerozolu; konfiguracja worka teflonowego; mieszanie LZO; analiza SMPS, AMS, PTR-MS.
Rycina 1Schematyczny diagram przepływu komory środowiskowej Harvard Environmental Chamber (HEC). Linie przedstawiają przepływ aerozolu. Panele po lewej stronie pokazują instrumenty wykorzystywane do monitorowania warunków reakcji. Panele po prawej stronie wymieniają instrumenty służące do charakteryzacji składników fazy gazowej i cząsteczkowej. Rysunek został opracowany na podstawie pracy Kinga. i wsp.26 Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat interfejsu sterowania systemem wtryskowym przedstawiający ustawienia przepływu i stężenia gazów dla eksperymentów.
Rysunek 2Graficzny interfejs użytkownika opracowanego programom służącego do monitorowania temperatury, ozonu, wilgotności względnej oraz ciśnienia, a także innych parametrów. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Konfiguracja analizy danych SMPS; interfejs oprogramowania dla rozkładu wielkości cząstek i ustawień DMA.
Rysunek 3Graficzny interfejs użytkownika oprogramowania wykorzystywanego do rejestracji rozkładu liczby cząstek w funkcji ich średnicy przy użyciu SMPS. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Analiza danych spektrometrii masowej; wykresy słupkowe/liniowe przedstawiają skład chemiczny, intensywność sygnału.
Rysunek 4Graficzny interfejs użytkownika oprogramowania do obsługi spektrometru mas aerozoli. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Interfejs oprogramowania do spektroskopii, wykres danych emisji optycznej, konfiguracja analizy widmowej.
Rycina 5Graficzny interfejs użytkownika oprogramowania do sterowania spektrometrem mas z przeniesieniem protonu (PTR-MS) Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Wykres stężenia masy organicznej w funkcji czasu, dane wykazujące wzrost do stanu stacjonarnego w eksperymencie trwającym 12 godzin.
Rysunek 6Przykładowe pomiary organicznego pyłu zawieszonego (PM), zcharakteryzowane za pomocą spektrometru mas aerozoli. Czerwona linia reprezentuje całkowitą intensywność sygnału dla jonów organicznych. Przedstawione dane odpowiadają okresowi krótko po wtryśnięciu izoprenu i rozpoczęciu naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Wykres wyników chromatografii przedstawiający stężenie jonów C₄H₆O⁺ w funkcji czasu w eksperymencie.
Rycina 7Przykład intensywności sygnału C 4 H 6 O+ pomiar stężenia jonu, głównego produktu fotoutleniania izoprenu, przeprowadzono za pomocą spektrometrii mas z reakcją przeniesienia protonuIntensywność sygnału zaczęła wzrastać 8 minut po naświetleniu i osiągnęła stan stacjonarny w 50. minucie. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury, kliknij tutaj.

Dyskusja

Rosnące znaczenie zrozumienia procesów powstawania i ewolucji aerozoli organicznych prowadzi do potrzeby budowy komór środowiskowych, które pozwalają symulować takie procesy w ściśle kontrolowanych warunkach. Obecnie większość komór środowiskowych opiera się na trybie reaktora okresowego19,31,32,3,34, podczas gdy istnieje bardzo niewiele komór wykorzystujących tryb reaktora z ciągłym mieszaniem15,35. Eksploatacja komory środowiskowej w trybie reaktora przepływowego zapewnia wygodę ciągłego pobierania próbek aerozoli przez wiele dni, a nawet tygodni, przy stężeniach zbliżonych do tych występujących w otoczeniu. Warto zauważyć, że warunki środowiskowe są znacznie bardziej złożone niż ściśle kontrolowane ustawienia laboratoryjne. Na przykład temperatura otoczenia ulega wahaniom, podczas gdy w komorze jest utrzymywana na stałym poziomie. Czas reakcji gazów i cząstek w komorze będzie kontrolowany i ograniczony przez czas przebywania w komorze, zamiast osiągać wielodniowy czas reakcji występujący w rzeczywistym świecie. Wykorzystanie lamp UV (blacklights), zamiast naturalnego promieniowania słonecznego, może również generować rodniki OH i symulować reakcje zachodzące w atmosferze. Jednakże lampy UV mogą czasami prowadzić do podwyższonego stężenia rodników OH w porównaniu z tymi w środowisku naturalnym, co może wpłynąć na stopień utlenienia cząsteczek organicznych i wymaga dokładnego zbadania. Niemniej jednak, poprzez dostrajanie tylko jednej lub dwóch zmiennych i kontrolowanie wszystkich pozostałych parametrów w komorze środowiskowej, możemy systematycznie badać te procesy chemiczne i fizyczne.

Jednym z krytycznych etapów eksploatacji komór z ciągłym mieszaniem jest utrzymanie ciśnienia wewnętrznego komory w optymalnym zakresie. Wysokie ciśnienie wewnątrz komory spowoduje wyciek gazów i cząstek z komory, natomiast niskie ciśnienie spowoduje zasysanie powietrza i cząstek z laboratorium do wnętrza komory, co doprowadzi do kontaminacji. Manometr jest niezbędny do monitorowania ciśnienia w komorze w celu utrzymania go w bezpiecznych wartościach (<5 Pa) przez cały czas trwania eksperymentów. Innym często obserwowanym problemem w komorze środowiskowej jest nieoczekiwana samonukleacja cząstek organicznych. Aby uniknąć tego zjawiska, konieczne jest zastosowanie niższej szybkości wstrzykiwania LZO/utleniacza lub wyższego stężenia cząstek zarodkowych. W zależności od celu eksperymentów stężenia ozonu, LZO i cząstek zarodkowych mogą różnić się o rząd wielkości. Do obliczenia szybkości przepływu, finjection, każdego gatunku wstrzykiwanego do komory można użyć następującego równania.

Równanie równowagi statycznej \( f_{\text{injection}} = \frac{c_{\text{target}}}{c_{\text{initial}}} f_{\text{total}} \), wzór. (1)

gdzie ctarget oraz cinitial oznaczają odpowiednio końcowe stężenie docelowe reagenta wewnątrz komory oraz stężenie początkowe reagenta generowanego ze źródła. Symbol ftotal oznacza całkowity przepływ wszystkich gatunków wprowadzonych do komory.

Trzecim krytycznym krokiem w celu prawidłowej eksploatacji komory środowiskowej i uzyskania wyników jest kalibracja każdego urządzenia przed rozpoczęciem eksperymentów. System SMPS można skalibrować poprzez wtryskiwanie cząsteczek PSL o znanej wielkości36. Analizatory NOx oraz ozonu są kalibrowane odpowiednio przy użyciu butli z NO o stężeniu 5 ppm rozcieńczonym N2 oraz ozonu o stężeniu 10 ppm rozcieńczonym N226. Procedury kalibracji dla AMS i PTR-MS są złożone i można je znaleźć w instrukcjach obsługi urządzeń lub w literaturze przedmiotu27,37.

Opisana powyżej konfiguracja komory środowiskowej nadaje się nie tylko do badania produkcji i ewolucji aerozoli organicznych, ale może być również zastosowana do powlekania różnych cząstek powłoką organiczną, a także do badania reakcji w fazie gazowej poprzez wstrzykiwanie wyłącznie prekursorów gazowych. Te wielokierunkowe możliwości zapewniają komorze środowiskowej elastyczność w badaniu wielu obszarów badawczych związanych z jakością powietrza, zmianami klimatycznymi oraz kwestiami zdrowia ludzkiego.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

Ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez Program Nauk Chemicznych Środowiska w Wydziale Chemii Amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF) w ramach grantu numer 1111418, Wydział Nauk o Atmosferze i Ziemi U.S. National Science Foundation (NSF) pod numerem grantu 1524731, a także Harvard Faculty Publication Award. Dziękujemy Pengfei Liu, Qi Chen i Mikinori Kuwata za przydatne dyskusje i pomoc w eksperymentach, a także Ericowi Etcovitchowi za podkładanie głosu w filmie.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
(-)-&alfa;-pinen Sigma-Aldrich305715
2-butanol Sigma-Aldrich294810
Strzykawka 5,00 ml Hamilton201300
Analizator masy cząstek aerozolowychKanomax3600
Licznik cząstek kondensacyjnychTSI3022
Analizator mobilności różnicowejTSI3081
Płaszcz grzewczyCole-parmerWU-36225-10
Regulator przepływu masowegoMKSM100B
Probówka nafionowaPerma PureMD-700-24F-1
Nanometrowy próbnik aerozoliTSI3089
Generator ozonuJelight600
Monitor ozonuEcosensorsUV-100
Czujnik ciśnieniaOmegaPX409
Czujnik wilgotnościRotronic60587161
Okrągłodenny, trzy kolba na szyjęAceglass6944-04
Skaningowy mikroskop elektronowyZeissN/AUltra plus FESEM
Mobilność skaningowaTSI3071A+3772to model 3071A, a kondensacyjny filtr cząstek to 3772
Podłoże krzemoweUniversity Wafer1707
Igła strzykawkowaHamilton9002525 G, 2-calowa
pompa strzykawkowaChemyxFusion Touch 200
Czujnik temperaturyNational InstrumentUSB-TC01
cyrkulator wodyBrinkmannRC6
względnej Klasyfikator elektrostatyczny

Bibliografia

  1. Hallquist, M., et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 5155-5236 (2009).
  2. Fehsenfeld, F., et al. Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles. 6, 389-430 (1992).
  3. Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , John Wiley, Sons. (2006).
  4. Zaveri, R. A., Easter, R. C., Shilling, J. E., Seinfeld, J. H. Modeling kinetic partitioning of secondary organic aerosol and size distribution dynamics: representing effects of volatility, phase state, and particle-phase reaction. Atmospheric Chemistry and Physics. , 5153-5181 (2014).
  5. Shiraiwa, M., Berkemeier, T., Schilling-Fahnestock, K. A., Seinfeld, J. H., Pöschl, U. Molecular corridors and kinetic regimes in the multiphase chemical evolution of secondary organic aerosol. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 8323-8341 (2014).
  6. Ziemann, P. J., Atkinson, R. Kinetics, products, and mechanisms of secondary organic aerosol formation. Chemical Society Reviews. 41, 6582-6605 (2012).
  7. Chen, Q., Liu, Y., Donahue, N. M., Shilling, J. E., Martin, S. T. Particle-Phase Chemistry of Secondary Organic Material: Modeled Compared to Measured O:C and H:C Elemental Ratios Provide Constraints. Environmental Science and Technology. 45, 4763-4770 (2011).
  8. Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
  9. Jimenez, J. L., et al. Evolution of organic aerosols in the atmosphere. Science. 326, 1525-1529 (2009).
  10. Goldstein, A. H., Galbally, I. E. Known and unexplored organic constituents in the earth's atmosphere. Environmental Science and Technology. 41, 1514-1521 (2007).
  11. Martin, S. T., et al. Sources and properties of Amazonian aerosol particles. Review of Geophysics. 48, RG2002(2010).
  12. Zhang, H., Surratt, J. D., Lin, Y. H., Bapat, J., Kamens, R. M. Effect of relative humidity on SOA formation from isoprene/NO photooxidation: enhancement of 2-methylglyceric acid and its corresponding oligoesters under dry conditions. Atmospheric Chemistry and Physics. 11, 6411-6424 (2011).
  13. Rohrer, F., et al. Characterisation of the photolytic HONO-source in the atmosphere simulation chamber SAPHIR. Atmospheric Chemistry and Physics. 5, 2189-2201 (2005).
  14. Cocker, D. R., Flagan, R. C., Seinfeld, J. H. State-of-the-art chamber facility for studying atmospheric aerosol chemistry. Environmental Science and Technology. 35, 2594-2601 (2001).
  15. Shilling, J. E., et al. Loading-dependent elemental composition of α-pinene SOA particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 771-782 (2009).
  16. Presto, A. A., Huff Hartz, K. E., Donahue, N. M. Secondary organic aerosol production from terpene ozonolysis. 1. effect of UV radiation. Environmental Science and Technology. 39, 7036-7045 (2005).
  17. Epstein, S. A., Blair, S. L., Nizkorodov, S. A. Direct photolysis of α-pinene ozonolysis secondary organic aerosol: effect on particle mass and peroxide content. Environmental Science and Technology. 48, 11251-11258 (2014).
  18. Boyd, C. M., et al. Secondary organic aerosol formation from the β-pinene+NO3 system: effect of humidity and peroxy radical fate. Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 7497-7522 (2015).
  19. Xu, L., Kollman, M. S., Song, C., Shilling, J. E., Ng, N. L. Effects of NOx on the volatility of secondary organic aerosol from isoprene photooxidation. Environmental Science and Technology. 48, 2253-2262 (2014).
  20. Loza, C. L., et al. Characterization of vapor wall loss in laboratory chambers. Environmental Science and Technology. 44, 5074-5078 (2010).
  21. Lin, Y. H., et al. Isoprene epoxydiols as precursors to secondary organic aerosol formation: acid-catalyzed reactive uptake studies with authentic compounds. Environmental Science and Technology. 46, 250-258 (2012).
  22. Martin, S. T., Kuwata, M., Smith, M. L. An analytic equation for the volume fraction of condensationally grown mixed particles and applications to secondary organic material produced in continuously mixed flow reactors. Aerosol Science and Technology. 48, 803-812 (2014).
  23. Bateman, A. P., Bertram, A. K., Martin, S. T. Hygroscopic Influence on the Semisolid-to-Liquid Transition of Secondary Organic Materials. Journal of Physical Chemistry A. 119, 4386-4395 (2015).
  24. Shilling, J. E., King, S. M., Mochida, M., Worsnop, D. R., Martin, S. T. Mass spectral evidence that small changes in composition caused by oxidative aging processes alter aerosol CCN properties. The Journal of Physical Chemistry A. 111, 3358-3368 (2007).
  25. Smith, M. L., Kuwata, M., Martin, S. T. Secondary Organic Material Produced by the Dark Ozonolysis of alpha-Pinene Minimally Affects the Deliquescence and Efflorescence of Ammonium Sulfate. Aerosol Science and Technology. 45, 244-261 (2011).
  26. King, S. M., Rosenoern, T., Shilling, J. E., Chen, Q., Martin, S. T. Increased cloud activation potential of secondary organic aerosol for atmospheric mass loadings. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 2959-2971 (2009).
  27. Shilling, J. E., et al. Particle mass yield in secondary organic aerosol formed by the dark ozonolysis of α-pinene. Atmospheric Chemistry and Physics. 8, 2073-2088 (2008).
  28. Nguyen, T. K. V., et al. Trends in particle-phase liquid water during the Southern Oxidant and Aerosol Study. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 10911-10930 (2014).
  29. Nah, T., McVay, R. C., Pierce, J. R., Seinfeld, J. H., Ng, N. L. Constraining uncertainties in particle-wall deposition correction during SOA formation in chamber experiments. Atmospheric Chemistry and Physics. 17, 2297-2310 (2017).
  30. Reineking, A., Porstendörfer, J. Measurements of Particle Loss Functions in a Differential Mobility Analyzer (TSI, Model 3071) for Different Flow Rates. Aerosol Science and Technology. 5, 483-486 (1986).
  31. Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42, 3593-3624 (2008).
  32. Surratt, J. D., et al. Reactive intermediates revealed in secondary organic aerosol formation from isoprene. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 107, 6640-6645 (2010).
  33. Surratt, J. D., et al. Effect of Acidity on Secondary Organic Aerosol Formation from Isoprene. Environmental Science and Technology. 41, 5363-5369 (2007).
  34. Isaacman-VanWertz, G., et al. Chemical evolution of atmospheric organic carbon over multiple generations of oxidation. Nature Chemistry. 10, 462-468 (2018).
  35. Docherty, K. S., et al. Trends in the oxidation and relative volatility of chamber-generated secondary organic aerosol. Aerosol Science and Technology. , 1-13 (2018).
  36. Wiedensohler, A., et al. Mobility particle size spectrometers: Calibration procedures and measurement uncertainties. Aerosol Science and Technology. 52, 146-164 (2018).
  37. Warneke, C., de Gouw, J. A., Kuster, W. C., Goldan, P. D., Fall, R. Validation of Atmospheric VOC Measurements by Proton-Transfer- Reaction Mass Spectrometry Using a Gas-Chromatographic Preseparation Method. Environmental Science and Technology. 37, 2494-2501 (2003).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

wt rny aerozol organicznywysokorozdzielczy spektrometr mas aerozolispektrometr mas z reakcj przeniesienia protonuca kowicie wymieszany reaktor przep ywowylotne zwi zki organicznecz stki zarodkowefotoutlenianie izoprenupraca w stanie ustalonym
Produkcja i pomiar organicznego pyłu zawieszonego w Harvard Environmental Chamber
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.