Produkcja i pomiar organicznego pyłu zawieszonego w Harvard Environmental Chamber

Ogólnym celem tego projektu jest wytworzenie konkretnej materii organicznej w komorze środowiskowej oraz scharakteryzowanie jej właściwości chemicznych i fizycznych. Harvardzka Izba Środowiskowa została zbudowana w celu badania powstawania cząstek organicznych i reakcji składników fazy gazowej w warunkach zbliżonych do warunków otoczenia. Mija dziesiąta rocznica działalności Izby.

Unikalną częścią tej komory jest to, że działa ona jako reaktor o całkowicie mieszanym przepływie, co daje możliwość pracy w stanie ustalonym przez wiele dni. Aby zapewnić pracę w stanie ustalonym, komora wykorzystuje system sprzężenia zwrotnego do kontrolowania ważnych parametrów komory i utrzymywania ich stabilności. Możemy przeprowadzać różne pomiary online i offline, które wymagają kilku dni, ponieważ stężenia cząstek gazowych i cząstek pozostają stabilne w nieskończoność.

Harvardzka Izba Środowiskowa składa się z trzech części. Pierwsza część to obszary nasienne pokoleń i system wytwarzania lotnych związków organicznych. Druga część to sama komora środowiskowa, a trzecia część to przyrząd analizujący ten system.

Wykorzystanie cząstek nasion w reakcjach w Harvard Environmental Chamber jest krytyczną techniką, która pozwala na stabilne wytwarzanie materiałów organicznych w fazie cząstek. Specjalnie wybieramy sole nieorganiczne jako cząstki nasion, a w reakcjach zostaną one pokryte materiałami organicznymi. Później przeprowadzamy analizę danych na materiałach organicznych, a ponieważ wybieramy sole nieorganiczne, zakłócenia powodowane przez cząstki nasion mogą być zminimalizowane.

Jednym z instrumentów, których używamy w naszym laboratorium, jest spektrometr masowy aerozolu o wysokiej rozdzielczości, w skrócie AMS. Jest to instrument zmerccelizowany przez Aerodyne Research, a obecnie jest szeroko stosowany zarówno w badaniach laboratoryjnych, jak i terenowych, w tym na statkach powietrznych. AMS zapewnia pomiary składu chemicznego cząstek nieogniotrwałych w czasie rzeczywistym, a także może być obsługiwany w trybie, który dostarcza informacji o wielkości cząstek poprzez pomiar czasu przelotu cząstek.

Tak więc, łącząc informacje o wielkości i informacje o składzie chemicznym z widm masowych, możemy uzyskać rozkłady jonomerów masowych dla mierzonych jonów. Kluczowe mierzone parametry środowiskowe obejmują ozon, NO i NO2, wilgotność względną, temperaturę oraz różnicę ciśnień między workiem a komorą. Ustaw parametry fizyczne komory środowiskowej za pomocą systemu sprzężenia zwrotnego.

Ustaw różnicę ciśnień na cztery Pascale lub 30 mini Torr. Włącz generator ozonu, aby wygenerować przepływ ozonu, przepuszczając suche powietrze przez lampę ultrafioletową. Ustaw natężenie przepływu na 0,1 standardowego litra na minutę.

Ustaw wilgotność względną worka na wyznaczone wartości. Ustaw temperaturę komory na 25 plus minus 0,1 stopnia Celsjusza. Podłączyć 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. Włącz wszystkie instrumenty i poczekaj, aż całkowicie się rozgrzeją.

Rozpuść siarczan amonu w wodzie o wysokiej czystości w 100-mililitrowym szkle objętościowym, aby przygotować roztwór siarczanu amonu. Użyj atomizera, aby wytworzyć cząstki siarczanu amonu z natężeniem przepływu trzech standardowych litrów na minutę. Przepuść przepływ aerozolu przez osuszacz dyfuzyjny, aby obniżyć wilgotność względną do 10%Przepuść przepływ aerozolu przez ładowarkę bipolarną i analizator ruchliwości różnicowej, aby dobrać rozmiar, wybrać cząstki i przygotować rozkład quasi-monodispursed za pomocą mobilności elektrycznej.

Za pomocą strzykawki pobrać jeden mililitr roztworu izoprenu. Przepłukać strzykawkę roztworem trzy razy przed ostatecznym pobraniem. Umieścić strzykawkę we wstrzykiwaczu strzykawkowym.

Włożyć końcówkę igły przez gumową uszczelkę do kolby z okrągłym dnem. Rozgrzej kolbę do 90 plus minus 1 stopnia Celsjusza za pomocą taśmy grzewczej. Włączyć wstrzykiwanie strzykawki i ustawić odpowiednią wartość.

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. Wprowadzić przepływ dwóch standardowych litrów na minutę oczyszczonego powietrza w celu odparowania i odprowadzenia izoprenu wstrzykniętego do kolby z okrągłym dnem.

Przepływ powietrza jest na tyle duży, że siedząca kropla na końcu strzykawki jest odparowywana, zamiast kapać do kolby. Połączenie izoprenu i światła UV prowadzi do produkcji wtórnego materiału organicznego. Uruchom oprogramowanie do pomiaru aerozolu i utwórz nowy plik, klikając Utwórz nowy plik.

Każdy parametr jest ustawiany tak, jak pokazano. Zapisz rozkład średnic cząstek wychodzących z worka, klikając przycisk W porządku. Zmierz przepływ aerozolu za pomocą spektrometru masowego aerozolu o wysokiej rozdzielczości czasu lotu.

Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych, naciskając przycisk Acquire w lewym dolnym rogu panelu. Widma masowe organicznych cząstek stałych o wysokiej rozdzielczości rejestrowane są w czasie trwania eksperymentów. Uzyskuje się również całkowite stężenie masy organicznej.

Otwórz wartość próbkowania rurki teflonowej PTFE znajdującej się wewnątrz torby. Próbkowany przepływ jest wskazówką dla czasu reakcji transferu protonów spektrometru masowego lotu. Ustawienia parametrów źródła jonów czasu reakcji transferu protonów spektrometru masowego lotu są pokazane na tym filmie.

Rozpocznij pobieranie danych, uzyskując dostęp do menu rozwijanego Akwizycja w górnym menu oprogramowania, a następnie naciskając przycisk Start. Zapisz szereg czasowy każdego jonu za pomocą tego oprogramowania. Zatrzymać wstrzykiwanie prekursorów fazy gazowej i cząstek nasion aerozolu.

Przez kilka dni w sposób ciągły wstrzykiwać czyste powietrze z prędkością 40 litrów na minutę do worka. Włącz wszystkie światła ultrafioletowe. Ustaw stężenie ozonu na 600 części na miliard i ustaw temperaturę na 40 stopni Celsjusza.

W ten sposób przez kilka dni utrzymywane jest agresywne środowisko utleniania w celu wyszorowania worka. Dane uzyskane ze spektrometru mas aerozolu są rejestrowane i przetwarzane. Warunki eksperymentalne to 490 PPB izoprenu z włączającymi się światłami UV, aby dostarczyć rodnik OH jako utleniacz.

Na początku eksperymentu stężenie masowe wtórnych materiałów organicznych wzrastało i po około czterech godzinach osiągnęło stan ustalony. Wykres sugeruje, że komora środowiskowa jest w stanie wytwarzać SOM z prekursorów gazów. Ewolucję związków organicznych w fazie gazowej wewnątrz komory można badać za pomocą PTRTOFMS.

Przykładowy eksperyment dotyczący fotoutleniania izoprenu przeprowadzono z około 16 PPB izoprenu wprowadzanego do komory w sposób ciągły. Rysunek przedstawia szereg czasowy jonu C4H6O+, jednego z głównych produktów utleniania izoprenu, mierzony przez PTRTOFMS. Na początku eksperymentu wewnątrz komory nie było światła UV.

Po około ośmiu minutach światło UV zostało włączone i pojawił się wyraźny trend wzrostu jonu C4H8O+. Po około 50 minutach reakcja osiąga stan ustalony. Badania laboratoryjne w komorze są bardzo ważne w dziedzinie aerozoli czy szerzej, nauk o atmosferze, a to dlatego, że pozwalają nam symulować i badać, w kontrolowany sposób, złożone zjawiska chemiczne i fizyczne, które zachodzą w atmosferze.

Badania prowadzone w komorze znacznie pomogły w pogłębieniu naszej wiedzy na temat powstawania i ewolucji wtórnych aerozoli organicznych, na przykład SOA, które są dominującym składnikiem pyłu zawieszonego w skali globalnej. Tak więc dane pochodzące z tych badań komorowych, dotyczące kwestii związanych z SOA, zostały wykorzystane do kierowania rozwojem mechanizmów chemicznych, a także zostały wykorzystane w parametryzacji powstawania i ewolucji SOA w modelach.