Denne artikkelen beskriver fremgangsmåten for flyt tube reaktoren og relaterte datainnsamling. Viser protokollene for sette eksperimenter, innspilling dataene og generere tall-diameter distribusjon samt partikkel masse informasjon, som gir nyttig informasjon om kjemiske og fysiske egenskaper av organisk aerosoler.
Organisk svevestøv (PM) er stadig mer anerkjent som viktig jordens klimasystem samt folkehelsen i urbane områder, og produksjonen av syntetiske PM for laboratoriestudier har blitt en utbredt nødvendighet. Her, viser eksperimentelle protokoller tilnærminger for å produsere aerosolized organisk PM av α-pinene ozonolysis i flyt tube reaktoren. Metodene er beskrevet for å måle størrelsen distribusjoner og morfologi av aerosol partikler. Videoen demonstrerer grunnleggende operasjoner flyt tube reaktoren og relaterte instrumentering. Den første delen av videoen viser fremgangsmåten for å forberede gassfase-reaktantene, ozonolysis og produksjon av organiske PM. Den andre delen av videoen viser prosedyrene for fastsettelse egenskapene til befolkningen produsert partikkel. Partikkel nummer-diameter distribusjonene viser ulike stadier av partikkel vekst, nemlig kondens, koagulering eller en kombinasjon av begge, avhengig av reaksjonen forhold. Partikkel morfologi er preget av en aerosol partikkel masse analyzer (APM) og en scanning elektron mikroskop (SEM). Resultatene bekrefter eksistensen av ikke-sfæriske partikler som har vokst fra koagulering for spesifikk reaksjon forhold. Eksperimentelle resultatene indikerer også at flyt tube reaktoren kan brukes å studere fysiske og kjemiske egenskaper av organisk PM for relativt høye konsentrasjoner og kort.
Flyktige organiske forbindelser (VOCs) slippes ut fra biosfæren og menneskelige aktiviteter gjennomgå reaksjoner i atmosfæren med oksidanter (som ozon eller OH radikaler) for å produsere sekundære oksygenrikt forbindelser1,2. Noen av disse forbindelsene, på grunn av sin lav volatilitet, til slutt bidrar til masse konsentrasjonen av atmosfærisk PM1,3,4. Atmosfærisk partikler har viktige effekter på klima, helse og synlighet5. Produksjonen mekanismer for organisk PM, beholdes imidlertid utilstrekkelig preget og forstått, både kvalitativt og kvantitativt, for å forutsi antallet og masse konsentrasjoner samt fysiske og kjemiske egenskaper. En tilnærming for å bygge bro denne kunnskapen hullet er utføre laboratoriestudier bruker flyt tube reaktorer for mimicking produksjonsprosessen atmosfæriske organisk PM, og dermed tilrettelegge mekanistisk, prosess og karakterisering studier av PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flyt tube reaktoren muliggjør rask syntesen av aerosol partikler for en rekke partikkel tall og masse konsentrasjoner13.
Studien beskriver, ved hjelp av videomateriale, produksjon av organiske PM som submicron størrelse partikler fra ozonolysis av en dominerende stemningsfulle monoterpene (viz. α-pinene) i en flyt tube reaktoren, som først ble beskrevet i Shrestha et al. 13 kort, flow-røret var laget av glass med en diameter på 48.2 mm og en lengde på 1,30 m. Flow-røret ble drevet litt over omgivelsestrykk i laminær strømning regimet (Reynolds antall 9,4 ± 0,5), og med en botid 38 ± 1 s 14. Temperaturen var satt til 25 ± 1 ° C ved hjelp av en resirkulerende chiller for å strømme vann i en dobbelt lag tilpassede boks som boliger flyt tube reaktoren.
En skjematisk tomt flyt tube reaktoren systemet er vist i figur 1. En ren luft generator brukes til å generere ultra ren luft som passerer gjennom en ozon generator, produserer 200-500 ppm ozon. En ekstra flyt av ren luft på 0,50 sLpm brukes til å fordampe α-Pinene injisert med en sprøyte injektor i en rund bunn kolbe. Α-Pinene er ferdigblandet med 2-butanol i fortynning forholdet 1:5015,16,17 før blir trukket tilbake til sprøyten injektoren, fordi 2-butanol kan fungere som en OH åtseldyr slik at ozonolysis var bare reaksjonen skjer i flow-røret. Rundt bunnen flasken ble oppvarmet til 135 ± 1 ° C tillater rask fordampning av de injiserte organiske forbindelsene. Α-pinene og ozon flyten viker var også arrangert vinkelrett til hverandre for å indusere turbulens og rask blande ved injeksjon poenget. Utløpet av flow-røret ble delt mellom prøvetaking, størrelse distribusjon målinger (ved skanning mobilitet partikkel sizer-SMP), partikkel tetthet måling og eksos. Reaksjonen forhold er varierte for å kontrollere relative bidrag kondens sammenlignet koagulering partikkel vekst. Resultatet av flow-røret må ha minst én linje til en utendørs eksos panseret, slik at det ikke er mulig å bygge opp trykk inni flow-røret og runde bunnen kolbe selv under feil eksperimentelle forhold. Egenskapene til befolkningen produsert partikkel kan dermed justeres fint. Flyt tube reaktoren er utstyrt med en bevegelig sampler aktivere utvalg av organiske PM på ulike tidspunkt i produksjonen. Tall-diameter fordelingen av befolkningen produsert partikkel måles på ulike lengden av flow-røret. En APM måler partikkel masse distribusjon og dynamisk form faktor7,18,19, som gir informasjon om morfologi og andre fysiske egenskaper av befolkningen produsert partikkel. 20 , 21 partikler kan også skje på en nanometer partikkel sampler for frakoblet avbildning av en SEM7,22. Implikasjonen er at flyt tube reaktoren er et egnet medium for å utføre ozonolysis eksperimenter og rask online og offline analyse av PM skapt.
Ved å justere betingelsene i flyt tube reaktoren, kan et bredt spekter av SOA partikler med godt definerte antall konsentrasjoner og masse konsentrasjoner produseres. Vekst mekanismen kan også endres mellom condensational vekst og coagulative vekst moduser, forming partikler i ulike figurer. De avgjørende skritt i protokollen inkludere opprettholde en relativt stabil temperatur av flyt tube reaktoren og stabilisere ozon konsentrasjonen av ozongeneratoren. Det er også viktig å merke seg at plasseringen av bevegelige injektoren må registreres nøye hver gang slik at botid ville forbli den samme når gjentatte eksperimenter.
Hvis partikkel konsentrasjonen fra flyt tube reaktoren synes å være annerledes enn forventet, utføres flere feilsøkingsprosedyrer. En lufttett undersøke av flyt tube reaktoren kan utføres først. Etter lufttett eksamen, tall-diameter måling apparatet må kontrolleres for å utelukke alle potensielle feil mulighetene som tilstopping vik og uttømming av 1-butanol løsning for CPC.
Derfor er flyt tube reaktoren beskrevet ovenfor et nyttig verktøy for å studere mekanisk-egenskaper og utviklingen av de organiske aerosoler som spenner over en rekke konsentrasjoner. Sammenlignet med andre aerosol generasjon systemer, kan flyt tube reaktoren raskt produsere aerosoler partikler for en rekke partikkel tall og masse konsentrasjoner13, som er spesielt nyttig i høy masse lasting prøvetaking. Flyt tube reaktoren er også utstyrt med en bevegelig sampler, aktivere studie på utvikling og vekst av aerosol partikler. På den annen side, har reaktoren en relativt kort botid og en relativt høy forløper konsentrasjon, som begrenser dens evne til å simulere nær-til-ambient reaksjonen forhold. Fremtidige arbeidet med flyt tube reaktoren er legge ultrafiolett belysning på indre veggene slik at Foto-reaksjoner kan være gjennomført innen flyt tube reaktoren. Planer er på plass for andre VOC reaktantene, slik som β-caryophyllene og fenol, skal studerte også24.
The authors have nothing to disclose.
Dette materialet er basert på arbeid støttes av National Science Foundation miljømessige kjemisk Sciences Program ved divisjon for kjemi under Grant nr. 1111418, atmosfærisk-geofag delingen av den amerikanske National Science Foundation (NSF) for under gi nummer 1524731, i tillegg til Harvard fakultetet publikasjonen Award. Vi erkjenner Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu og Mikinori Kuwata for nyttig diskusjoner og hjelp med eksperimenter.
(-)-α-pinene | Sigma-Aldrich | 305715 | |
2-butanol | Sigma-Aldrich | 294810 | |
5.00 mL syringe | Hamilton | 201300 | |
Aerosol particle mass analyzer | Kanomax | 3600 | |
Condensational particle counter | TSI | 3022 | |
Differential mobility analyzer | TSI | 3081 | |
Heating mantle | Cole-parmer | WU-36225-10 | |
Mass flow controller | MKS | M100B | |
Nafion tube | Perma Pure | MD-700-24F-1 | |
Nanometer aerosol sampler | TSI | 3089 | |
Ozone generator | Jelight | 600 | |
Ozone monitor | Ecosensors | UV-100 | |
Pressure sensor | Omega | PX409 | |
RH sensor | Rotronic | 60587161 | |
Round-bottom, three neck flask | Aceglass | 6944-04 | |
Scanning electron microscope | Zeiss | N/A | Ultra plus FESEM |
Scanning mobility particle sizer | TSI | 3071A+3772 | electrostatic classifier is model 3071A and the condensational particle ocunter is 3772 |
Silicon substrate | University Wafer | 1707 | |
Syringe Needle | Hamilton | 90025 | 25 G, 2 inch |
Syringe pump | Chemyx | Fusion Touch 200 | |
Temperature sensor and software | National Instrument | USB-TC01 | |
water circulator | Brinkmann | RC6 |