Summary
Dette papir beskriver operation proceduren for flow rør reaktor og relaterede dataindsamling. Det viser protokollerne for at angive eksperimenterne, registrering af data og generere nummer-diameter distribution samt partikel masse oplysninger, som giver nyttige oplysninger om kemiske og fysiske egenskaber af de organiske aerosoler.
Abstract
Organiske partikler (PM) er i stigende grad anerkendt som vigtigt at jordens klimasystem samt folkesundhed i byregioner, og produktionen af syntetisk PM for laboratorieundersøgelser er blevet en udbredt nødvendighed. Heri, demonstrere eksperimentelle protokoller tilgange til at producere aerosolmaterialer økologisk PM af α-pinen ozonolysis i et flow rør reaktor. Metoder er beskrevet i måling af størrelsen distributioner og morfologi af aerosol partikler. Videoen viser grundlæggende operationer af flow rør reaktor og relaterede instrumentation. Den første del af videoen viser proceduren for udarbejdelse af gas-fase reaktanter, ozonolysis og produktion af økologisk PM. Den anden del af videoen viser procedurerne til bestemmelse af egenskaberne for den producerede partikel befolkning. Partikel nummer-diameter distributioner viser forskellige stadier af partikel vækst, nemlig kondens, koagulation, eller en kombination af begge dele, afhængigt af reaktionsbetingelser. Partikel morfologi er karakteriseret ved en aerosol partikel masse analyzer (APM) og en scanning elektron mikroskop (SEM). Resultaterne bekræfter eksistensen af ikke-sfæriske partikler, som er vokset fra koagulation for specifikke reaktionsbetingelser. De eksperimentelle resultater indikerer også, at flow rør reaktor kan bruges til at studere de fysiske og kemiske egenskaber af økologisk PM for relativt høje koncentrationer og korte tidsrammer.
Introduction
Flygtige organiske forbindelser (VOC) udsendes fra biosfæren og menneskeskabte aktiviteter gennemgå reaktioner i atmosfæren med oxidanter (såsom ozon eller OH radikaler) til at producere sekundære iltet forbindelser1,2. Nogle af disse forbindelser, deres lav volatilitet, i sidste ende bidrage til massekoncentration af atmosfærisk PM1,3,4. Atmosfæriske partikler har betydelige virkninger på klimaet, menneskers sundhed og synlighed5. Produktion mekanismer af økologisk PM, forbliver dog tilstrækkeligt karakteriseret og forstået, både kvalitativt og kvantitativt for at forudsige antallet og massekoncentrationer samt fysiske og kemiske egenskaber. Én tilgang til slå bro over denne videnskløft, er at udføre laboratorieundersøgelser, der bruger flow rør reaktorer for efterligne produktionsprocesser af atmosfærisk økologisk PM, derved at lette mekanistisk, proces og karakterisering undersøgelser af PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flow rør reaktor muliggør hurtig syntesen af aerosol partikler for en række partikel antallet og massekoncentrationer13.
Den nuværende undersøgelse beskriver, ved hjælp af videomateriale, produktion af økologiske PM som submicron mellemstore partikler fra ozonolysis af en dominerende atmosfæriske monoterpene (såsom α-pinen) i et flow rør reaktoren, som blev først beskrevet i Shrestha et al. 13 kort, flow rør var lavet af glas med en indvendig diameter på 48.2 mm og en længde på 1,30 m. Flow rør blev drevet lidt ovenfor barometerstanden i laminar flow regime (Reynolds tal på 9,4 ± 0,5), og med en opholdstid på 38 ± 1 s 14. Temperaturen var angivet til 25 ± 1 ° C ved hjælp af en recirkulerende chiller til at flyde vand i en dobbelt-lags tilpassede boks at boliger flow rør reaktor.
En skematisk afbildning af flow rør reaktor system er vist i figur 1. En ren luft generator bruges til at oprette ultra-rene luft, der passerer gennem en ozon generator, der producerer 200-500 ppm ozon. En yderligere strøm af ren luft på 0,50 sLpm bruges til at fordampe α-pinen sprøjtes med en sprøjte injektor i en rund bund kolbe. Α-pinen er færdigblandede med 2-butanol ved et fortyndingsforhold på 1:5015,16,17 før tilbage til sprøjte injektor, fordi 2-butanol kan fungere som en OH skyllevæske til at sikre, at ozonolysis var den eneste reaktion forekommende inde i flow rør. Rund bund kolben blev opvarmet til 135 ± 1 ° C giver mulighed for hurtig fordampning af de injicerede organiske forbindelser. Α-pinen og ozon strømmen fjorde blev også arrangeret vinkelret på hinanden til at fremkalde turbulens og hurtige blanding på punktet, injektion. Outlet af flow rør blev delt mellem prøvetagning, størrelse distribution målinger (ved scanning mobilitet partikel sizer-SMPS), partikel densitetsmåling og udstødning. Reaktionsbetingelser er varierede for at kontrollere den relative bidrag af kondens i forhold til koagulation partikel vækst. Output flow rør skal have mindst én linje, der forbinder til en open-air udstødning hood, til at sikre, at det ikke er muligt at opbygge trykket inde flow rør og rund bund kolben selv under forkert forsøgsbetingelser. Karakteristik af den producerede partikel befolkning kan dermed justeres fint. Flow rør reaktoren er udstyret med en bevægelig sampler aktivering prøveudtagning af den økologiske PM på forskellige tidspunkter i sin produktion. Antal-diameter fordelingen af den producerede partikel befolkning er målt på forskellige længde af flow rør. En APM måler partikel massefordeling og den dynamiske form faktor7,18,19, som giver oplysninger om morfologi og andre fysiske egenskaber af den producerede partikel befolkning. 20 , 21 partikler er også indsamlet på en nanometer partikel sampler for offline imaging af en SEM7,22. Implikationen er, at flow rør reaktor er et egnet medie til at udføre ozonolysis eksperimenter og hurtigt online og offline analyse af PM produceret deri.
Protocol
1. gas-fase injektion af Flow rør reaktor
-
Økologisk forløber injektion
Bemærk: Alle de udstyr og software, der bruges under eksperimentet kan findes i Tabel af materialer. Afhængigt af formålet med eksperimenterne, kan en bred vifte af flygtige organiske forbindelser bruges som en økologisk forløber for eksperimentet. Α-pinen bruges her som eksempel proceduren for af tilføre den økologiske forløber i flow rør reaktor.- Brug en mikropipette til at opnå 1,00 mL af α-pinen. Væsken overføres til et 50.00 mL målekolbe.
- Bruge 2-butanol for at fylde målekolbe til 50.00 mL, derved fortynde α-pinen af et forhold på 1:50. Ryst målekolbe at blande opløsningsmidlet og opløst stof grundigt.
- Bruge en sprøjte (5,00 mL) til at hæve α-pinen løsning. Skyl sprøjte tre gange med løsningen og derefter udfylde det med løsning.
- Slut sprøjten til en skarp nål (25 gauge, 2-tommer lange). Sted i sprøjten ind på en sprøjte injektor. Indsætte nålen tip i en vaporizer runde-bunden kolbe (25 mL). Pre heat vaporizer kolben til 135 ± 1 ° C ved opvarmning tape.
- Indføre en blid flow af 0,5 sLpm renset luft til at fordampe og bære væk α-pinen injiceres fra sprøjten. Tilslut renset luft generator til den samme strømforsyning som opvarmning tape til at undgå opvarmning rund bund kolbe hvis ren luftforsyning er stoppet.
- Tænd sprøjte injektor, og tilpasse injektion hastighed til en passende værdi. Beregne injektion sats ved anvendelse af gasstrømmen, den ønskede VOC koncentration og sprøjte størrelse Clausius-Clapeyron ligningen. For eksempel, for en total strøm af 4,5 sLpm, ville for at nå til 125 ppb af α-pinen kræve en injektion sats af 11.7 μL/h af α-pinen og 2-butanol blanding. Sikre at den volumetriske koncentration af butanol eller α-pinen er mindre end 1% i rund bund kolben at undgå organiske forbindelser reach antændelighed grænse.
-
Ozon injektion
- Passere en luftstrøm på 4,00 sLpm gennem en ozon generator.
- Tænde ozon generator. Kontrol ozonkoncentration til passende værdier ved at justere længden af glasrør afskærmning UV-lampe inde i generatoren. Ozon og VOC nøgletal kan variere på tværs af to ordrer af størrelser afhængig af formålet med forsøget. Hvis VOC er nødvendig for at være fuldt reagerede under eksperimentet, skal så ozonkoncentration være ca. 10 gange højere end VOC koncentration at sikre ozon er i overskud.
- Tænd ozon koncentration monitor og Tilslut ozon skærm til computeren. Ved hjælp af en terminal læsningssoftwaren adgang til ozon skærm udlæsning og gemme oplysningerne fra ozon skærmen (figur 2). Udføre eksperimenter, efter ozonkoncentration stabiliserer.
2. partikel produktion af Flow rør reaktor
-
Justering af opholdstid
- Skru hætten for enden af flow rør reaktor til at justere placeringen af den bevægelige sampler slange inde i flow rør reaktoren. Ændre forskellige positioner af den bevægelige sampler slanger efterfølgende for at opnå forskellige opholdstid fra 3 s til 38 s10.
- Under hvert eksperiment, ændre placeringen af de bevægelige sampler at justere opholdstid af partiklerne bliver produceret inde i flow rør reaktoren.
- Placer den bevægelige sampler i begyndelsen af flow rør reaktor (0,10 m fra gas-fjorden) for at opnå den korteste opholdstid (3 s). Placer den bevægelige sampler for enden af flow rør reaktor (1,30 m fra gas-fjorden) for at opnå den længste opholdstid (38 s).
-
Temperaturkontrol for partikel produktion
- House flow rør reaktor i en temperatur-kontrollerede, dobbelt-walled, water-jacketed rustfrit stål kasse. Udføre en kontrol af lækage og en vand niveau kontrol forud for hvert sæt af forsøg.
- Indstil temperaturen af termostaten i vand cirkulationspumpe til 20,0 ° C.
Bemærk: Temperatur i løbet af et eksperiment varierer med ikke mere end 0,1 ° C. - Tænd temperaturen optagelse software i hovedcomputeren, og Indstil Prøvetagningstiden data til 10 s (figur 3). Temperaturføleren ligger på midtpunktet af flow rør. Starte logføring temperaturen målt fra Temperaturføleren ved at dreje på knappen Optag .
- Optage temperatur for 4 til 6 h. Stabilize temperaturen før du udfører eksperimentet.
Bemærk: Temperaturudsving flow rør reaktor er mindre end ± 0,1 ° C i en 24-timers periode.
-
Pres overvågningssystem
- Tilslut et pres skærm til flow rør outlet gennem en ¼ tommer stik og de vigtigste computer
- Tænd tryk skærm software (figur 4), og klik derefter på fil | Nye | Tid/prøveintervallet indstille prøveudtagning interval til 10 s.
- Klik på Alt datapunkter at indstille prøveudtagning længde til 36.000 point. Klik på OK for at registrere data.
Bemærk: Afgangstryk forbliver inden for ± 0,01 atm i et 24-timers periode, tyder på trykket i flow rør er stabil.
3. karakterisering af producerede partikel befolkning af Flow rør reaktor
-
Antal-diameter distributioner
- Forbinde outlet flow rør reaktor til en scanning mobilitet partikel sizer (SMPS) ved elektrostatisk-resistente slanger. Lignende instrument kan også bruges til at måle antal-diameter distributioner i stedet for SMPS.
Bemærk: Den detaljerede operationelle procedurer eller fejlfinding af SMPS kan findes i sin håndbog. - Start den software, der registrerer antallet-diameter distribution. Opret en ny fil ved at klikke på Opret en ny fil. Indstille hver parameter, vist i figur 5. Registrere antallet-diameter distributioner af partiklerne spændende flow rør reaktor ved at klikke på knappen OK .
- Forbinde outlet flow rør reaktor til en scanning mobilitet partikel sizer (SMPS) ved elektrostatisk-resistente slanger. Lignende instrument kan også bruges til at måle antal-diameter distributioner i stedet for SMPS.
-
Relativ fugtighed kontrol
- Tilsluttes to massestrøm controllere (MFC) for at justere fugtindhold i kappe i flow rør de to fjorde af en vand absorptionskolbe. Justere flow i de to fjorde fra 0-10 sLpm for at ændre relative luftfugtigheden kappe luft fra < 5% til > 95%.
- Tilsluttes luftindtaget kappe af permeabel membran tube afløb af vand absorptionskolben. Tilsluttes det vigtigste prøveudtagning indfaldende samme permeabel membran røret outlet flow rør reaktor.
- Tilsluttes stikkontakt permeabel membran rør til at måle RH prøveudtagning luft en relativ luftfugtighed (RH) sensor.
- Start RH måling program ved at klikke på knappen Start , at indtaste navnet og klikke på knappen Gem for at optage den RH data.
-
Masse og dynamiske form faktor SOM partikler
- Tilslut outlet af relativ fugtighed kontrol opsætning at indtag af en differentieret mobilitet analyzer (DMA) med en tre-fod lange elektrostatisk-resistente slanger. Tilslut outlet af DMA til indgang af APM instrument af en fod lange elektrostatisk-resistente slanger. Tilsluttes en kondens partikel counter (CPC) outlet i APM.
Bemærk: Den detaljerede operationelle procedurer eller fejlfinding af DMA og CPC kan findes i sin håndbog. - Aktivere APM instrument og APM kontrolboksen ved at trykke på knapperne respektive magt. Klik på Fjern knappen på APM kontrolboks, så instrumentet kan betjenes fra softwaregrænsefladen i computeren.
- Aktivere APM kontrol software. Indlæse en forudindstillet scanning fil ved at klikke på knapperne fil og belastning (figur 6).
- Klik på knappen Start af APM kontrol software så at APM instrument begynder at indsamle data.
- Tilslut outlet af relativ fugtighed kontrol opsætning at indtag af en differentieret mobilitet analyzer (DMA) med en tre-fod lange elektrostatisk-resistente slanger. Tilslut outlet af DMA til indgang af APM instrument af en fod lange elektrostatisk-resistente slanger. Tilsluttes en kondens partikel counter (CPC) outlet i APM.
-
Partikel samling fra flow rør reaktor
- Tilslut strømmen tube outlet til en nanometer aerosol sampler (NAS) af en tre-fod lange elektrostatisk-resistente slanger.
- Rense en silicium substrat (prime klasse, modstand 1-10 Ω∙cm) af en cyklus af methanol, vand og methanol. Tørre underlaget ved hjælp af en blid flow af kvælstof.
- Placer de rensede substrat på elektrode af NAS. Sikre kanten af underlaget med tape for at holde det stabilt under samling22.
- Tænd for NAS. Indstille spændingen til-9.9 kV. Indstille flowet til 1,8 Lpm.
- Tænde prøveudtagning instrument til at køre til 12-36 h. bagefter, fjerne silicium substrat fyldt med indsamlede partikler fra NAS. Udføre yderligere analyse af partikler på substrat, såsom morfologi af SEM7 eller overflade analyse9.
Representative Results
En matrix af reaktionsbetingelser er opsummeret i tabel 1. Der er en række tal og massekoncentrationer af økologisk PM, der kan produceres afhængigt af den valgte α-pinen og ozon koncentrationer13. For eksempel, som vist i tabel 1, når ozon koncentrationen er 43 ppm, varierende α-pinen koncentration fra 0,125-100 ppm kunne producere (4,4 ± 0,6) × 105 (9,1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 og masse koncentrationerne af 101 til 104 µg∙m-3, hhv.
Udviklingen i de dynamiske egenskaber af befolkningens partikel kan studeres inde i flow rør reaktoren. Ved hjælp af video demonstration, blev et eksperiment udført ved hjælp af 50 ± 1 ppm ozon og 125 ppb af α-pinen. Den langsgående holdning af partikel sampler inde i flow rør tilladt prøvetagning på forskellige tidspunkter fra 3,0 ± 0,2 til 38 ± 1 s. figur 7 viser antallet-diameter distributioner af aerosol partikel befolkningen til dette eksperiment. Det samlede antal koncentration og mode diameteren af partiklerne steg med opholdstid. For en opholdstid på 3 s, ingen partikler blev ikke fundet. For længere opholdstid, blev en partikel befolkning opnået og målt. Mode diameter steg fra mindre end 10 nm til omkring 50 nm for en forøgelse af opholdstid fra 17 ± 0,5 s til 38 ± 1 s. De tilsvarende tal koncentration steg fra (8.6 ± 0,5) × 104 cm-3 (2,56 ± 0,07) × 105 cm3.
Eksempler på antal-masse distributioner indspillet i tre Repliker eksperimenter af opsætningen for APM er vist i figur 8. Partikel masse og mobilitet diametre blev brugt til at beregne den dynamiske form faktor, χ, på tværs af partikel delpopulation. Dynamisk form faktor χ er forholdet mellem kraften, som på en faktiske partikel divideret med den kraft, som opleves af en bind-ækvivalent sfære23. Form faktorer af næsten kugleformede partikler tilgang enhed meget asfæriske partikler have betydeligt større form faktorer. Figur 9 viser de dynamiske form faktorer af partiklerne spændende flow rør på forskellige mobilitet diametre og høj fugtighed. De respektive χ værdier for < 5% RH var 1,21 ± 0,02, 1,09 ± 0,02 og 1.08 ± 0,02 (one-sigma usikkerhed), hvilket tyder på at partikel populationer var sammensat stort set af ikke-sfæriske partikler.
RH blev øget, χ faldt for alle tre befolkningsgrupper, at nå frem til en endelig værdi på 1.02 ± 0,01 på 35% RH og tilsvarende inden for usikkerhed til sfæriske partikler. Figur 10 viser SEM billeder af de partikler, der er udsat for < 5% RH (venstre kolonne) og 80% RH (højre kolonne). Billederne viser, at de ikke-sfæriske partikler blev runde efter eksponering for høj relativ fugtighed, som drøftet i detaljer i Zhang et al. 7. de ovenstående resultater viser, at flow rør reaktor er i stand til at udføre forskellige former for online og offline analyse.
Figur 1 . En skematisk Blokdiagram af flow rør reaktor system. De røde linjer viser strømmen som indeholder ozon, i lys blå linjer vises det flow, der indeholder α-pinen, og de mørke blå linjer viser strømmen af den økologiske PM. APM system består af en DMA, en APM og en CPC, der er forbundet med hinanden. Denne figur tidligere medvirket i Shreatha et al. 13 og er gengivet her med tilladelse.
Figur 2 . Grafisk brugergrænseflade for ozon overvågning og registrering program.
Figur 3 . Grafisk brugergrænseflade for temperatur overvågning og registrering program.
Figur 4 . Grafisk brugergrænseflade for pres overvågning og registrering program.
Figur 5 . Grafisk brugergrænseflade for programmet nummer-diameter distribution. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 . Grafisk brugergrænseflade for programmet APM.
Figur 7 . Størrelse fordeling af befolkningens partikel fra flow rør på forskellige opholdstid. De samlede antal koncentrationer for hver størrelse distribution er 1,69 × 10-1, 7,50 × 103, 8,58 × 104, 2,00 × 105, 2,33 × 105og 2,56 × 105 partikler cm-3 for residence gange 3, 10, 17, 25, 32 og 38 Sørensen, henholdsvis. De skyggelagte områder er standardafvigelsen af partikelstørrelsesfordeling. Denne figur tidligere medvirket i Shreatha et al. 13 og er gengivet her med tilladelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 . Et eksempel på nummer-masse-distribution som målt ved hjælp af DMA-APM system. Resultaterne af tre Repliker eksperimenter er vist at påvise reproducerbarhed. To-sigma usikkerhed er repræsenteret af fejllinjer, som er ca samme størrelse som datamærker. Linjerne repræsenterer passer i en normalfordeling til data. Abscissen er beregnet baseret på APM rotationshastighed og spænding mellem væggene i APM cylindre. De partikler, der er vist i plottet blev produceret fra 700 ppb α-pinen og 14 ppm ozon. En central mobilitet diameter af 126.0 nm blev valgt af DMA. Denne figur tidligere medvirket i Zhang et al. 7 og er gengivet her med tilladelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9. Dynamisk form faktor for stigende relativ fugtighed. Panelet A: partikler produceret fra 700 ppb α-pinen og 14, 25 og 30 ppm ozon for partikel befolkninger har centrale mobilitet diametre 126.0, 175.0 og 190.0 nm, henholdsvis. Eksponeringstiden til relativ luftfugtighed var 310 s. Fejllinjer i hvert panel repræsenterer to sigma af standardafvigelsen. Denne figur tidligere medvirket i Zhang et al. 7 og er gengivet her med tilladelse. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10. SEM billeder af partikler fra 700 ppb α-pinen og udtaget til en central mobilitet diameter af 180.0 nm. Aerosol-partiklerne blev indsamlet på silica substrat for 12 h og derefter belagt med 5 nm Pt/PD. Spænding for elektronstrålen var 5 kV, og arbejder afstanden var 2,3 mm. kolonne 1 viser dimer, trimer og højere-ordens vandbad af de kornede monomerer til < 5% RH. Røde cirkler identificere monomerer. Kolonne 2 viser næsten sfæriske partikler, som blev indsamlet efter udsættelse for 80% RH efterfulgt af tørring til < 5% RH. Denne figur tidligere medvirket i Zhang et al. 7 og er gengivet her med tilladelse.
| O3 (ppm) | 0.15±0.02 | 0.9±0.1 | 5.7±0.2 | 43±1 | 194±2 | ||
| Α-pinen | |||||||
| (ppm) | |||||||
| 0,125 ± 0,003 | NUM. koncentreret | 0 | (1±1) × 102 | (1.0±0.6) × 105 | (4.4±0.6) × 105 | (3.2±0.2) × 105 | |
| Massachusetts koncentreret | 0 | (3±5) × 10-2 | 15±5 | 11±3 | 20±2 | ||
| Mode Diameter | 0 | 22±4 | 60±5 | 35±3 | 34±2 | ||
| Geo. St. afvigelse | NIELSEN | 1.2 | 1.3 | 1.3 | 1.5 | ||
| 1,00 ± 0,03 | NUM. koncentreret | 0 | (3.1±0.9) × 102 | (1.5±0.2) × 105 | (5.5±0.2) × 105 | (5.8±0.4) × 105 | |
| Massachusetts koncentreret | 0 | (9±3) × 10-3 | 61±9 | (52±0.1) × 102 | (66±0.1) × 102 | ||
| Mode Diameter | 0 | 33±7 | 86±6 | 84±3 | 85±19 | ||
| Geo. St. afvigelse | NIELSEN | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.7 | ||
| 10,0 ± 0. 3 | NUM. koncentreret | (2±2) × 101 | (4.0±0.2) × 105 | (6.0±0.7) × 105 | (6.3±0.7) × 105 | (1.8±0.2) × 106 | |
| Massachusetts koncentreret | 0* | (1.6±0.2) × 102 | (2.5±0.2) × 103 | (1.19±0.02) × 104 | (1.57±0.02) × 104 | ||
| Mode Diameter | 8±9 | 81±2 | 147±9 | 245±38 | 155±5 | ||
| Geo. St. afvigelse | 1 | 1.4 | 1.4 | 1.4 | 1.5 | ||
| 100 ± 3 | NUM. koncentreret | (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 | |
| Massachusetts koncentreret | 35±3 | (8.6±0.1) × 102 | (1.3±0.1) × 104 | (1.6±0.04) × 105 | (4.0±0.1) × 105 | ||
| Mode Diameter | 48±2 | 88±5 | 134±8 | 262±12 | 334±4 | ||
| Geo. St. afvigelse | 1.4 | 1,6 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | ||
Tabel 1. Antal koncentrationer (cm-3), massekoncentrationer (µg m-3), tilstanden diameter (nm) og geometriske diameter standardafvigelsen af de partikler, der er produceret af α-pinen ozonolysis. En materiel tæthed af 1200 kg∙m3 blev brugt til konvertering af diskenhed koncentrationer til massekoncentrationer og opholdstid var 38 s for alle eksperimenter. * Selvom partikler var til stede, lå den massekoncentration under detektionsgrænsen. Denne tabel tidligere medvirket i Shreatha et al. 13 og er gengivet her med tilladelse.
Discussion
Ved at justere betingelserne i flow rør reaktor, kan en bred vifte af SOA partikler med veldefinerede nummer koncentrationer og massekoncentrationer produceres. Vækst mekanisme kan også ændres mellem condensational vækst og coagulative vækst tilstande, danner partikler med forskellige figurer. De kritiske trin i protokollen omfatter opretholde en relativ stabil temperatur af flow rør reaktor og stabilisere ozonkoncentration af ozon generator. Det er også vigtigt at bemærke, at placeringen af den bevægelige injektor skal registreres omhyggeligt hver gang således at opholdstid vil forblive det samme når gentage eksperimenterne.
Hvis partikel koncentration fra flow rør reaktor synes at være anderledes end forventet, kan du udføre flere fejlfindingsprocedurer. En lufttæt undersøge flow rør reaktor kan udføres først. Efter den lufttætte eksamen, nummer-diameter måling instrument skal kontrolleres for at udelukke alle de potentielle fejl muligheder såsom tilstopning på fjorden og udtynding af 1-butanol løsning for CPC.
Derfor er flow rør reaktoren beskrevet ovenfor et nyttigt redskab til at undersøge de fysisk-kemiske egenskaber og udviklingen af de økologiske aerosoler, der spænder over en bred vifte af koncentrationer. Sammenlignet med andre aerosol generation systemer, kan flow rør reaktor hurtigt producere aerosol partikler for en række partikel antallet og massekoncentrationer13, hvilket er særligt nyttigt i høj masse-loading prøveudtagning. Flow rør reaktor er også udstyret med en bevægelig sampler, gør det muligt for undersøgelse af udviklingen og væksten af aerosol partikler. På den anden side har af reaktoren en forholdsvis kort opholdstid og en forholdsvis høj forløber koncentration, som begrænser dens evne til at simulere tæt til omgivelsernes reaktionsbetingelser. Fremtidige arbejde med flow rør reaktoren er at tilføje ultraviolet belysning på de indre vægge, så foto-oxidation reaktioner kan gennemføres inden for flow rør reaktor. Planer er på plads for andre VOC reaktanter, såsom β-caryophyllene og limonen, skal være undersøgt samt24.
Disclosures
Forfatterne erklærer ikke konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation miljømæssige kemisk Sciences Program i Division kemi under Grant No. 1111418, atmosfærisk-GeoSciences Division af den amerikanske National Science Foundation (NSF) under tilskud antal 1524731, såvel som Harvard Fakultet publikation Award. Vi anerkender Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu og Mikinori Kuwata for nyttige diskussioner og bistand med forsøgene.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (-)-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 |
References
- Hallquist, M., et al. The formation, properties and impact of secondary organic aerosol: current and emerging issues. Atmospheric Chemistry and Physics. 9 (14), 5155-5236 (2009).
- Fehsenfeld, F., et al. Emissions of volatile organic compounds from vegetation and the implications for atmospheric chemistry. Global Biogeochemical Cycles. 6 (4), 389-430 (1992).
- Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42 (16), 3593-3624 (2008).
- Zaera, F. Regio-, stereo-, and enantioselectivity in hydrocarbon conversion on metal surfaces. Acc Chem Res. 42 (8), 1152-1160 (2009).
- Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , John Wiley & Sons. (2006).
- Duncianu, M., et al. Developement of a New Flow Reactor for Kinetic Studies. Application to the Ozonolysis of a Series of Alkenes. The Journal of Physical Chemistry A. 116 (24), 6169-6179 (2012).
- Zhang, Y., et al. Changing shapes and implied viscosities of suspended submicron particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 15 (14), 7819-7829 (2015).
- Zhang, Y., et al. Effect of Aerosol-Phase State on Secondary Organic Aerosol Formation from the Reactive Uptake of Isoprene-Derived Epoxydiols (IEPOX). Environmental Science & Technology Letters. 5 (3), 167-174 (2018).
- Shrestha, M., et al. On surface order and disorder of α-pinene-derived secondary organic material. Journal of Physical Chemistry A. , (2014).
- Tolocka, M. P., Saul, T. D., Johnston, M. V. Reactive Uptake of Nitric Acid into Aqueous Sodium Chloride Droplets Using Real-Time Single-Particle Mass Spectrometry. The Journal of Physical Chemistry A. 108 (14), 2659-2665 (2004).
- Heaton, K. J., Dreyfus, M. A., Wang, S., Johnston, M. V. Oligomers in the Early Stage of Biogenic Secondary Organic Aerosol Formation and Growth. Environmental Science & Technology. 41 (17), 6129-6136 (2007).
- Huang, Y., et al. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: design, fluid dynamics and characterization. Atmospheric Measurement Techniques. 10 (3), 839-867 (2017).
- Shrestha, M., Zhang, Y., Ebben, C. J., Martin, S. T., Geiger, F. M. Vibrational sum frequency generation spectroscopy of secondary organic material produced by condensational growth from α-pinene ozonolysis. Journal of Physical Chemistry A. 117 (35), 8427-8436 (2013).
- Ng, N. L., et al. Contribution of First- Products to Secondary Organic Aerosols Formed in the Oxidation of Biogenic Hydrocarbons. Environmental Science & Technology. 40, 2283-2297 (2006).
- Heuchel, M., et al. Evaluation of the energy distribution function from liquid/solid adsorption measurements. Langmuir. 9 (10), 2547-2554 (1993).
- Sefler, G. A., Du, Q., Miranda, P. B., Shen, Y. R. Surface crystallization of liquid n-alkanes and alcohol monolayers studied by surface vibrational spectroscopy. Chemical Physics Letters. (3-4), 347-354 (1995).
- Li, G., Dhinojwala, A., Yeganeh, M. S. Interfacial structure and melting temperature of alcohol and alkane molecules in contact with polystyrene films. The Journal of Physical Chemistry B. 113 (9), 2739-2747 (2009).
- Ehara, K., Hagwood, C., Coakley, K. J. Novel method to classify aerosol particles according to their mass-to-charge ratio-aerosol particle mass analyser. Journal of Aerosol Science. 27 (2), 217-234 (1996).
- Kuwata, M., Zorn, S. R., Martin, S. T. Using elemental ratios to predict the density of organic material composed of carbon, hydrogen, andoxygen. Science & Technology. (2), 787-794 (2011).
- Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
- Zhang, Y., et al. Kinetically Controlled Glass Transition Measurement of Organic Aerosol Thin Films Using Broadband Dielectric Spectroscopy. Atmos. Meas. Tech. 11 (6), 3479-3490 (2018).
- Liu, P., Zhang, Y., Martin, S. T. Complex refractive indices of thin films of secondary organic materials by spectroscopic ellipsometry from 220 to 1200 nm. Environmental Science & Technology. 47 (23), 13594-13601 (2013).
- Wang, Z., et al. The dynamic shape factor of sodium chloride nanoparticles as regulated by drying rate. Science and Technology. 44 (11), 939-953 (2010).
- Cui, T., et al. Development of a Hydrophilic Interaction Liquid Chromatography (Hilic) Method for the Chemical Characterization of Water-Soluble Isoprene Epoxydiol (Iepox)-Derived Secondary Organic Aerosol. Environmental Science: Processes & Impacts. , (2018).
