Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

ייצור, מדידה של החומר חלקיקים אורגניים כור צינור זרימה

Published: December 15, 2018 doi: 10.3791/55684
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 3, 1,4
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 2Department of Environmental Science and Engineering, Gillings School of Global Public Health, University of North Carolina, Chapel Hill, 3Department of Chemistry, Northwestern University, 4Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University

Summary

מאמר זה מתאר הליך המבצע הכור צינור זרימה ואיסוף נתונים קשורים. זה מראה את הפרוטוקולים עבור הגדרת הניסויים, הקלטה נתונים, יצירת התפלגות קוטר מספר, כמו גם המידע מסת החלקיקים, אשר נותן מידע שימושי אודות מאפיינים כימיים ופיזיים של אירוסולים אורגני...

Abstract

אורגניים חלקיקים (PM) מזוהה יותר ויותר חשוב מערכת האקלים של כדור הארץ וכן בריאות הציבור באזורים עירוניים, ייצור סינתטי PM במחקרי מעבדה הפכו הכרח נרחבת. במסמך זה, בפרוטוקולים ניסיוניים מדגימים גישות לייצר aerosolized PM אורגני על ידי α-pinene ozonolysis ב כור צינור זרימה. שיטות מתוארים למדידת גודל הפצות של מורפולוגיה של חלקיקי אירוסול. הסרטון מדגים פעולות בסיסיות של הכור צינור זרימה, מכשור קשורים. החלק הראשון של הוידאו מראה הליך הכנת גז-שלב שני המגיבים, ozonolysis וייצור של PM אורגני. החלק השני של הסרטון מציג את ההליכים לקביעת מאפייני האוכלוסייה חלקיקים המיוצר. ההפצות בקוטר מספר החלקיקים מראים שלבים שונים של צמיחה החלקיקים, כלומר עיבוי, קרישת דם, או שילוב של שניהם, בהתאם תנאי ריאקציה. המורפולוגיה של חלקיקים מאופיין על ידי מנתח מסת החלקיקים (APM) תרסיס, מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM). התוצאות לאשר את קיומם של חלקיקים שאינם כדורית גדלו של קרישה התגובה מסוים התנאים. תוצאות הניסוי גם להצביע על כך שניתן להשתמש הכור צינור זרימה ללמוד את תכונות פיסיקליות וכימיות של PM אורגני עבור ריכוזים גבוהים יחסית ומסגרות זמן קצר.

Introduction

תרכובות אורגניות נדיפות (Voc) הנפלטים הביוספרה ופעילויות אנתרופוגניים עוברים בתגובות האווירה עם חמצון (כגון האוזון או או רדיקלים) כדי לייצר תרכובות משניות מחומצן1,2. כמה תרכובות אלה, בשל תנודתיות נמוכה שלהם, בסופו של דבר לתרום ריכוז מסה של האטמוספירה PM1,3,4. אטמוספריים יש השלכות חשובות על האקלים, בריאות האדם ניראות5. מנגנוני הייצור של PM אורגני, לעומת זאת, נותרים דיו מאופיין ומובן, איכותית. מהניסוי והן באופן כמותי, לחזות מספר ריכוזים המוניים, כמו גם תכונות פיסיקליות וכימיות. גישה אחת לגישור פער ידע זה היא לבצע במחקרי מעבדה המשתמשים כורים צינור זרימה לחקות את תהליכי הייצור של האטמוספירה PM אורגני, ובכך הקלת מכניסטית, תהליך, ומחקרים אפיון של רה מ6 ,7,8,9,10,11,12. הכור צינור זרימה מאפשרת סינתזה מהירה של חלקיקי אירוסול עבור מגוון רחב של מספר החלקיקים, ריכוזים המוניים13.

המחקר הנוכחי מתאר, באמצעות חומרי וידאו, הפקת PM אורגני כמו חלקיקים בגודל כחיוניים מ ozonolysis של האטמוספירה הדומיננטי monoterpene (בילוי α-pinene) ב כור צינור זרימה, אשר היה הראשון שמתואר . Shrestha et al. 13 . בקצרה, צינור זרימה היה עשוי מזכוכית עם הקוטר הפנימי של 48.2 מ מ, אורך של 1.30 מ'. צינור זרימה הופעל מעט מעל ללחץ הסביבתי המשטר זרימה שכבתית (מספר ריינולדס של 9.4 ± 0.5), ועם זמן מגורים של 38 ± 1 s 14. הטמפרטורה היה מוגדר להיות 25 ± 1 ° C על-ידי שימוש chiller recirculating לזרום מים בתוך קופסה אישית שכבות כפול זה דיור הכור צינור זרימה.

מגרש סכמטי של מערכת הכור צינור זרימה מוצג באיור1. גנרטור האוויר הטהור משמש להפקת באוויר טהור במיוחד העובר דרך גנרטור אוזון, לייצר 200-500 ppm של אוזון. תזרים נוספים של אוויר טהור ב- 0.50 sLpm משמש מתמוססות α-Pinene מוזרק על ידי מזרק במזרק בבקבוקון התחתון עגול. Α-Pinene הוא טרום מעורב עם 2-butanol ביחס דילול של 1:5016,15,17 לפני מועבר אל מזרק במזרק, כי 2-butanol יכול לשמש נבלות או כדי להבטיח כי ozonolysis היתה התגובה היחידה המתרחשים בתוך צינור זרימה. . הבקבוק העגול התחתון היה מחומם ל 135 ± 1 ° C המאפשר אידוי מהיר של תרכובות אורגניות מוזרק. הזרם α-pinene ו אוזון אינלטס היו גם לארגן בניצב זה לזה כדי לגרום מערבולת ולערבב מהירה בנקודת ההזרקה. בשקע של הצינור הזרימה הייתה מפולגת בין איסוף הדגימה, מדידות התפלגות גודל (לפי גודל סמלים חלקיקים ניידות סריקה-SMPS), מדידת צפיפות החלקיקים הפליטה. תנאי ריאקציה הן מגוונות כדי לשלוט התרומה היחסית של עיבוי בהשוואה קרישה לצמיחה של חלקיקים. הפלט של הצינור זרימה צריכה להיות אחד לפחות בקו בהתחברות הוד הפליטה באוויר הפתוח, כדי להבטיח שזה לא אפשרי לבנות את הלחץ בתוך הצינור הזרימה ואת הבקבוק העגול התחתון גם בתנאים שגויים ניסיוני. מאפייני האוכלוסייה חלקיקים המיוצר ובכך ניתן דק להתאים. הכור צינור זרימה מצויד עם דוגמאות להזזה ומאפשרת דגימה של ראש הממשלה אורגני בנקודות זמן שונות בייצור שלה. התפלגות מספר בקוטר של האוכלוסייה חלקיקים המיוצר נמדד ב אורך הצינור זרימה שונים. APM מודד את החלקיקים ומדידת את הצורה דינמי פקטור7,18,19, אשר נותן מידע אודות המורפולוגיה ומאפיינים פיזיים אחרים של האוכלוסייה חלקיקים המיוצר. 20 , 21 חלקיקים גם נאספים על דוגמאות של חלקיקים ננומטר עבור הדמיה במצב לא מקוון על ידי7,SEM22. הרמז הוא הכור צינור זרימה הוא מדיום מתאים לביצוע ניסויים ozonolysis וניתוח מהיר במצב מקוון ולא מקוון של ראש הממשלה המיוצר בה.

Protocol

1. גז-שלב הזרקה של הכור צינור זרימה

  1. הזרקת קודמן אורגני
    הערה: כל הציוד ואת התוכנה ששימשה במהלך הניסוי ניתן למצוא את הטבלה של חומרים. בהתאם למטרת הניסויים, מגוון רחב של תרכובות אורגניות נדיפות ניתן כמבשר אורגני לניסוי. Α-Pinene משמש כאן כדוגמה עבור ההליך של הזרקת למבשר אורגניים לתוך הכור צינור זרימה.
    1. השתמש micropipette של 1.00 מ של α-pinene. להעביר את הנוזל 50.00 mL סטריליות.
    2. להשתמש 2-butanol כדי למלא את סטריליות 50.00 מ ל, ובכך דילול של α-pinene לפי יחס של 1:50. לנער את סטריליות לערבב הממס, ממס את ביסודיות.
    3. להשתמש את התמיסה α-pinene מזרק (5.00 מ"ל). לשטוף את המזרק שלוש פעמים עם הפתרון, ואז למלא אותו פתרון.
    4. לחבר את המזרק מחט חדה (מד 25, ארוך 2 אינץ). מקם את המזרק לתוך מזרק במזרק. הכנס את מחט לתוך בקבוקון סיבוב המדרגה מכשיר אידוי (25 מ ל). מחממים מראש את הבקבוקון מכשיר אידוי כדי 135 ± 1 ° C על ידי חימום הקלטת.
    5. להציג את זרם עדין של 0.5 sLpm טיהור אוויר לאדות ולשאת משם α-pinene מוזרק מן המזרק. להתחבר הגנרטור אוויר מטוהר הזרם אותו כמו הקלטת חימום כדי למנוע חימום את הבקבוק העגול התחתון אם אספקת האוויר הטהור מופסק.
    6. להפעיל את מזרק במזרק, להתאים את קצב הזרקת ערך הולם. לחשב את קצב הזרקת על-ידי החלת את קצב זרימת גז, ריכוז VOC הרצוי והגודל מזרק משוואת קלאוזיוס-Clapeyron. למשל, עבור זרם הכולל של 4.5 sLpm, להגיע ppb 125 של α-pinene ידרוש שיעור הזרקה של μL/h 11.7 של α-pinene ו- 2-butanol תערובת. ודא כי ריכוז הנפחי butanol או α-pinene הוא פחות מ-1% הבקבוק העגול התחתון כדי להימנע להישג תרכובות אורגניות המגבלה דליקות.
  2. הזרקת אוזון
    1. עוברים זרימה של אוויר-4.00 sLpm גנרטור אוזון.
    2. הפעל את מחולל אוזון. לשלוט על ריכוז האוזון לערכים המתאימים על-ידי התאמת אורך הצינור זכוכית סיכוך של מנורת UV בתוך הגנרטור. האוזון ואת יחסי VOC יכול להשתנות על פני שתי הזמנות של מגניטודות בהתאם למטרת הניסוי. אם VOC יש צורך להיות הגיבו באופן מלא במהלך הניסוי, אז ריכוז האוזון צריך להיות בערך 10 פעמים גבוה יותר מאשר הריכוז VOC כדי להבטיח האוזון הוא עודף.
    3. כבה את המסך ריכוז האוזון וחבר את הצג האוזון למחשב. באמצעות תוכנת קורא מסוף כדי לגשת את המדידה צג האוזון ולשמור את הנתונים שהתקבלו מהצג אוזון (איור 2). לבצע את הניסויים לאחר ריכוז האוזון מייצבת.

2. חלקיקים הייצור של הכור צינור זרימה

  1. ההתאמה של זמן מגורים
    1. פתחו את הברגת הפקק בקצה של הכור צינור זרימה כדי לכוונן את המיקום של הדוגם מטלטלין אבובים בתוך הכור צינור זרימה. שינוי עמדות שונות של הדוגם מטלטלין אבובים לאחר מכן כדי להשיג מגורים שונה פעמים 3 s s 3810.
    2. במהלך כל הניסוי, לשנות את המיקום של הדוגם להזזה כדי להתאים את זמן מגורים של החלקיקים שיופקו בתוך הכור צינור זרימה.
    3. מקם את הדוגם מטלטלין בתחילתו של הכור צינור זרימה (0.10 מ' מפני הים גז) כדי להשיג בזמן הקצר ביותר רזידנס (3 s). מקם את הדוגם מטלטלין בקצה של הכור צינור זרימה (1.30 מ' מפני הים גז) כדי להשיג את הזמן הארוך ביותר רזידנס (38 s).
  2. בקרת טמפרטורה לייצור חלקיק
    1. בית הכור צינור זרימה בתוך קופסה נירוסטה מבוקרי טמפרטורה, בעל דופן כפול, מכסה מים. מבצעים בדיקת דליפת בדיקת מפלס המים לפני כל קבוצה של ניסויים.
    2. השוכן הטמפרטורה של התרמוסטט סירקולטור מים כדי 20.0 ° C.
      הערה: טמפרטורה במהלך ניסוי משתנה על ידי יותר מ 0.1 º C.
    3. להפעיל את הטמפרטורה הקלטה תוכנה במחשב הראשי, וקבע את מועד דגימה נתונים עד 10 s (איור 3). חיישן טמפרטורה הינו ממוקם על נקודת המרכז של הצינור זרימה. הפעל רישום הטמפרטורה נמדדת חיישן טמפרטורה כאשר הפעלת את לחצן ' הקלט '.
    4. רשום את הטמפרטורה עבור 4-6 ה' Stabilize הטמפרטורה לפני ביצוע הניסוי.
      הערה: התנודות בטמפרטורה של הכור צינור זרימה הוא פחות מ ± 0.1 º C במהלך תקופה של 24 שעות ביממה.
  3. הלחץ מערכת ניטור
    1. מוניטור לחץ להתחבר לשקע צינור זרימה דרך מחבר ¼ אינץ, המחשב הראשי
    2. להפעיל את התוכנה צג לחץ (איור 4) ולאחר מכן לחץ על הקובץ | חדש | מרווח זמן/הדגימה כדי להגדיר את מרווח הדגימה עד 10 s.
    3. לחץ על סך נקודות נתונים כדי להגדיר את אורך דגימה 36,000 נקודות. לחץ על הלחצן ' אשר ' כדי להקליט את הנתונים.
      הערה: הלחץ עודפים נשאר בתוך ± 0.01 כספומט במהלך תקופה של 24 שעות ביממה, מציע שהלחץ בתוך הצינור תזרים יציב.

3. אפיון החלקיקים המיוצר אוכלוסייה של הכור צינור זרימה

  1. קוטר מספר הפצות
    1. להתחבר לשקע של הכור צינור זרימה סייזר חלקיקים ניידות סריקה (SMPS) על ידי צינורות אלקטרוסטטית עמיד. מכשיר דומה יכול לשמש גם כדי למדוד את קוטר מספר ההפצות במקום SMPS.
      הערה: מפורטות נהלים או פתרון בעיות של SMPS ניתן למצוא במדריך שלו.
    2. הפעל את התוכנה שמתעדת את התפלגות מספר-קוטר. צור קובץ חדש על ידי לחיצה על צור קובץ חדש. הגדר כל פרמטר המוצג באיור5. להקליט קוטר מספר חלוקות של החלקיקים יציאה הכור צינור זרימה על-ידי לחיצה על כפתור אישור .
  2. בקרת לחות יחסית
    1. לחבר את שני פתחי הכניסה של bubbler מים זרימת מסה שני בקרי (MFCs) על מנת להתאים את הלחות של האוויר נדן בצינור לזרום. להתאים את קצב הזרימה של פתחי הכניסה שני מן sLpm 0-10 כדי לשנות את הלחות היחסית של מעטפת האוויר מ- < 5% > 95%.
    2. להתחבר לשקע של bubbler המים הים האוויר מעטפת של הצינור קרום חדיר. להתחבר לשקע של הכור צינור זרימה לים דגימה הראשי של הצינור קרום חדיר אותו.
    3. חיישן לחות יחסית (RH) להתחבר לשקע של הצינור קרום חדיר כדי למדוד את RH של האוויר הדגימה.
    4. התחל את RH מדידה התוכנית על ידי לחיצה על לחצן התחל , הקלדת שם הקובץ ולחיצה על הלחצן ' שמור ' כדי להקליט את הנתונים RH.
  3. מסה ו גורם צורה דינמית של החלקיקים סום
    1. להתחבר לשקע של ההתקנה בקרת לחות יחסית לים של מנתח דיפרנציאלי ניידות (DMA) עם אבובים אלקטרוסטטית עמיד שלוש-כפות רגליים-ארוך. להתחבר לשקע של DMA הים של המכשיר APM מאת אבובים אלקטרוסטטית עמיד אחד-כפות רגליים-ארוך. להתחבר לשקע של APM מונה חלקיקים עיבוי (CPC).
      הערה: מפורטות נהלים או פתרון בעיות של DMA, ובקונגרס ניתן למצוא במדריך שלו.
    2. הפעל את המכשיר APM ואת תיבת בקרת APM על ידי לחיצה על הלחצנים המתאימים כוח. לחץ על כפתור מרחוק על תיבת בקרת APM כך המכשיר ניתן להפעיל את ממשק התוכנה במחשב.
    3. הפעל את תוכנת שליטה APM. לטעון קובץ סריקה שנקבע מראש על-ידי לחיצה על הלחצנים עומס של קבצים (איור 6).
    4. לחץ על לחצן ' התחל ' של תוכנת שליטה APM כך המכשיר APM מתחיל לאסוף נתונים.
  4. אוסף של חלקיקים מן הכור צינור זרימה
    1. לחבר לשקע צינור זרימה כדי דוגמאות תרסיס ננומטר (NAS) על ידי צינורות אלקטרוסטטית עמיד שלוש-כפות רגליים-ארוך.
    2. ניקוי מצע סיליקון (כיתה מעולה, עמידות 1-10 Ω∙cm) על ידי מחזור של מתנול, מים, ושוב מתנול. יבש את המצע באמצעות זרם עדין של חנקן.
    3. מקם את המצע נקי אל האלקטרודה של NAS. אבטח את הקצה של המצע עם קלטת לשמור על זה יציב במהלך אוסף22.
    4. הפעל את שירות NAS. הגדר את המתח-9.9 kV. הגדר את קצב הזרימה 1.8 Lpm.
    5. הפעל את הכלי הדגימה להפעיל עבור ה 12-36 לאחר מכן, להסיר את רפידת סיליקון נטען עם חלקיקים שנאספו מ- NAS. לבצע עוד ניתוח של חלקיקים על המצע, כגון מורפולוגיה ב SEM7 או משטח ניתוח9.

Representative Results

מטריצה של תנאי ריאקציה מסוכם בטבלה 1. יש מגוון של מספר המונית ריכוזי PM אורגני זה יכול להיות מיוצר בהתאם שנבחר α-pinene ריכוז האוזון13. לדוגמה, כפי שמוצג בטבלה 1, כאשר ריכוז האוזון הוא 43 עמודים לדקה, משתנה ריכוז α-pinene מ 0.125-100 ppm יכול לייצר (4.4 ± 0.6) × 105 (9.1 ± 0.3) × 106 particles∙cm3 ומסה ריכוזי של 101 כדי 104 µg∙m-3, בהתאמה.

האבולוציה של מאפייני האוכלוסייה חלקיקים דינמי יכול להילמד בתוך הכור צינור זרימה. על-ידי הפגנה וידאו, ניסוי נערך באמצעות 50 ± 1 עמודים לדקה של האוזון, ppb 125 של α-pinene. המיקום האורך של הדוגם חלקיקים בתוך צינור זרימה מותרת דגימה במועדים שונים מ- 3.0 ± 0.2 ל 38 ± 1 ס איור 7 מראה בקוטר מספר חלוקות של האוכלוסייה חלקיקי אירוסול עבור ניסוי זה. ריכוז מספר מוחלט וקוטר מצב החלקיקים גדלה עם הזמן residence. זמן מגורים של 3 s, אין חלקיקי אותרו. משכי זמן ארוכים יותר מגורים, אוכלוסיה החלקיקים היה מתקבל, נמדד. הקוטר מצב הוגדלה מפחות מ-10 ננומטר ל- 50 ננומטר על גידול זמן מגורים מ- 17 s ± 0.5 ל- 38 ± 1 s. ריכוז מספר המתאים עלה מ (8.6 ± 0.5) ×4 10 ס מ-3 (2.56 ± 0.07) × 105 ס מ3.

דוגמאות של ההפצות מספר-המונית טלקוה 3 ניסויים שכפל על ידי התקנה APM מוצגים באיור8. חלקיק מסה וניידות הקוטר שימשו כדי לחשב את הגורם צורה דינמית, χ, מעבר חלקיקים subpopulation. Χ מקדם הצורה דינמי הוא היחס של כוח גרירה על חלקיקים בפועל מחולק על ידי הכוח לגרור מנוסים על ידי ספירת נפח-המקבילה23. גורמי צורה של חלקיקי כדורית כמעט גישה אחדות ואילו חלקיקים מאוד aspherical יש גורמי צורה גדול יותר באופן משמעותי. איור 9 מציג את הגורמים בצורה דינאמית של החלקיקים יציאה צינור זרימה-ניידות קטרים שונים ורמות לחות. המתאימים χ ערכים עבור < % 5% לחות יחסית היו 1.21 ± 0.02, שוקל 1.09 ± 0.02, ± 1.08 0.02 (אי ודאות אחד-סיגמא), רומז כי האוכלוסיות החלקיקים היה מורכב ברובו של חלקיקים שאינם כדורית.

כמו RH הוגדל, χ ירד על כל האוכלוסיות שלוש, להגיע ערך הסופי של 1.02 ± 0.01-35% RH, המתאים בתוך אי הוודאות על חלקיקי כדורית. איור 10 מציג תמונות SEM של החלקיקים נחשפים < 5% RH (עמודה שמאלית) ו- 80% לחות (בעמודה הימנית). התמונות מציינים כי החלקיקים שאינה כדורית הפך עגול לאחר חשיפה לחות גבוהה, כמתואר בפירוט ג'אנג. et al. 7. התוצאות הנ ל מצביעות על כי הכור צינור זרימה הוא מסוגל לבצע סוגים שונים של ניתוח במצב מקוון ולא מקוון.

Figure 1
איור 1 . תרשים זרימה כללי של מערכת הכור צינור זרימה. הקווים האדומים מראים את זרימת המכיל האוזון, הקווים הכחולים אור להציג את זרימת המכיל α-pinene ולהציג הקווים הכחולים כהה הזרימה של ראש הממשלה אורגני. מערכת APM מורכב של DMA, של APM ו- CPC המחוברים זה לזה. איור זה בעבר הופיעו ב. Shreatha et al. 13 , המופקת כאן עם הרשאה.

Figure 2
איור 2 . ממשק משתמש גרפי עבור האוזון הקלטות התוכנית.

Figure 3
איור 3 . ממשק משתמש גרפי על הטמפרטורה הקלטות התוכנית.

Figure 4
איור 4 . ממשק משתמש גרפי עבור הלחץ הקלטות התוכנית.

Figure 5
איור 5 . ממשק משתמש גרפי עבור התוכנית התפלגות קוטר מספר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 . ממשק משתמש גרפי עבור התוכנית APM.

Figure 7
איור 7 . גודל חלוקת האוכלוסייה חלקיקים מהצינור זרימה בזמנים שונים מגורים. ריכוז מספר הכולל להפצה בכל גודל הם × 10 1.69-1, 7.50 × 103, 8.58 × 104, 2.00 × 105, × 10 2.335ו- 2.56 × 105 חלקיקים ס מ-3 לעיתות מגורים 3, 10, 17, 25, 32, ו- 38 s, בהתאמה. אזורים מוצללים הן סטיית התקן של התפלגות גודל החלקיקים. איור זה בעבר הופיעו ב. Shreatha et al. 13 , המופקת כאן עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8 . דוגמה להתפלגות מספר-המונית, כפי שנמדדה באמצעות מערכת DMA-APM. התוצאות של 3 ניסויים שכפל יוצגו להפגין הפארמצבטית. שני-סיגמא ודאות מיוצג על ידי קווי השגיאה, אשר הם בערך באותו גודל סמני הנתונים. הקווים מייצגות מתאים של התפלגות נורמלית על הנתונים. Abscissa מחושב בהתבסס על מהירות סיבוב APM ועל המתח הופעל בין החומות של הגלילים APM. החלקיקים שמוצג העלילה יוצרו מ 700 ppb α-pinene ו אוזון 14 עמודים לדקה. קוטר ניידות המרכזית של 126.0 ננומטר נבחר על ידי DMA. איור זה בעבר הופיעו בג'אנג. et al. 7 , המופקת כאן עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9. צורה דינמית גורם להגברת הלחות היחסית. פאנל a: חלקיקים המופק האוזון α-pinene 14, 25 ו- 30 דפים לדקה 700 ppb לאוכלוסיות חלקיקים יש קטרים ניידות המרכזית של 126.0, 175.0 190.0 ננומטר, בהתאמה. זמן חשיפה לחות יחסית היה 310 s. קווי השגיאה בחלונית כל מייצגים שני סיגמא של סטיית תקן. איור זה בעבר הופיעו בג'אנג. et al. 7 , המופקת כאן עם הרשאה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10. תמונות SEM של חלקיקי המתקבל 700 ppb α-pinene ו שנדגם לצורך קוטר במרכז הניידות של 180.0 nm. חלקיקי אירוסול היו שנאספו על המצע סיליקה במשך 12 שעות ולאחר מכן מצופה עם 5 nm של Pt/Pd. המתח עבור כשקרן האלקטרונים היה 5 kV, ואת המרחק עובד היה מראה דיימר 2.3 מ מ. עמודה 1, trimer ו agglomerates מיומנויות של מונומרים פרטנית עבור < % 5% לחות יחסית. עיגולים אדומים לזהות את מונומרים. טור 2 מראה חלקיקי כדורית כמעט שנאספו לאחר חשיפה 80% לחות יחסית ואחריו ייבוש כדי < % 5% לחות יחסית. איור זה בעבר הופיעו בג'אנג. et al. 7 , המופקת כאן עם הרשאה.

O3 (ppm) 0.15±0.02 0.9±0.1 5.7±0.2 43±1 194±2
Α-pinene
(ppm)
0.125 ± 0.003 נאם conc... 0 × 10 (1±1)2 (1.0±0.6) × 105 (4.4±0.6) × 105 (3.2±0.2) × 105
מסצ'וסטס conc... 0 × 10 (3±5)-2 15±5 11±3 20±2
מצב בקוטר 0 22±4 60±5 35±3 34±2
רח' סטיית Geo. N/A 1.2 1.3 1.3 1.5
1.00 ± 0.03 נאם conc... 0 (3.1±0.9) × 102 (1.5±0.2) × 105 (5.5±0.2) × 105 (5.8±0.4) × 105
מסצ'וסטס conc... 0 × 10 (9±3)-3 61±9 × 10 (52±0.1)2 × 10 (66±0.1)2
מצב בקוטר 0 33±7 86±6 84±3 85±19
רח' סטיית Geo. N/A 1.3 1.4 1.5 1.7
10.0 ± 0. 3 נאם conc... (2±2) × 101 (4.0±0.2) × 105 (6.0±0.7) × 105 (6.3±0.7) × 105 (1.8±0.2) × 106
מסצ'וסטס conc... 0* (1.6±0.2) × 102 (2.5±0.2) × 103 (1.19±0.02) × 104 (1.57±0.02) × 104
מצב בקוטר 8±9 81±2 147±9 245±38 155±5
רח' סטיית Geo. 1 1.4 1.4 1.4 1.5
100 ± 3 נאם conc... (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
מסצ'וסטס conc... 35±3 (8.6±0.1) × 102 (1.3±0.1) × 104 (1.6±0.04) × 105 (4.0±0.1) × 105
מצב בקוטר 48±2 88±5 134±8 262±12 334±4
רח' סטיית Geo. 1.4 1.6 1.5 1.7 1.9

טבלה 1. מספר ריכוזים (ס מ-3), ריכוזים המוניים (µg ז-3), מצב קוטר (ננומטר), קוטר גיאומטריות סטיית תקן של החלקיקים המיוצר על ידי α-pinene ozonolysis. צפיפות חומרים של 1200 kg∙m3 שימש עבור המרה של אמצעי האחסון ריכוזים המוניים ריכוזי, הפעם מגורים בת 38 s עבור כל הניסויים. * למרות חלקיקים נכחו, ריכוז מסה היה מתחת לגבול זיהוי. טבלה זו בעבר הופיעו ב. Shreatha et al. 13 , המופקת כאן עם הרשאה.

Discussion

על-ידי התאמת התנאים לכור צינור זרימה, חלקיקים טווח רחב של SOA עם ריכוזים מספר מוגדר היטב וריכוזי המוני יכול להיות מיוצר. ניתן לשנות את המנגנון צמיחה גם בין צמיחה condensational לבין מצבי הצמיחה coagulative, ויוצרים חלקיקים עם צורות שונות. השלבים הקריטיים בפרוטוקול כוללים שמירה על טמפרטורה יציבה יחסית של הכור צינור זרימה ייצוב ריכוז האוזון הגנרטור האוזון. חשוב גם לציין כי המיקום של מזרק מטלטלין זקוקה שיירשמו בקפידה בכל פעם כך הזמן מגורים תהיה אותה כאשר לחזור על הניסויים.

אם ריכוז החלקיקים מן הכור צינור זרימה נראה שונה מהצפוי, ניתן לבצע מספר הליכים לפתרון בעיות. לבחון לאוויר של הכור צינור זרימה יכולה להתבצע קודם. בעקבות הבחינה אטום, כלי מדידה בקוטר מספר צריך להיבדק כדי לא לכלול את כל פוטנציאל תקלה האפשרויות כגון סתימת כניסת, דלדול של פתרון 1-butanol עבור עלות לקליק.

ומכאן, הכור צינור זרימה שתוארו לעיל הוא כלי שימושי עבור לומדים את המאפיינים physicochemical ואת התפתחות אירוסולים אורגני המתפרסות על-פני מגוון רחב של ריכוזים. בהשוואה למערכות אחרות הדור תרסיס, הכור צינור זרימה במהירות לייצר חלקיקי אירוסול עבור מגוון רחב של מספר החלקיקים, ריכוזים המוניים13, אשר הוא שימושי במיוחד בדגימה העמסה גבוהה בנפח גדול. הכור צינור זרימה מצויד גם עם דוגמאות מטלטלין, מאפשר ללמוד על האבולוציה ועל צמיחה של חלקיקי אירוסול. מצד שני, הכור יש זמן קצר יחסית מגורים ריכוז קודמן גבוה יחסית, אשר מגביל את היכולת שלה לדמות תנאי ריאקציה קרוב להסביבה. עבודה בעתיד הכרוכים הכור צינור זרימה היא להוסיף תאורה אולטרה סגולה על גבי הקירות הפנימיים כך תגובות חמצון-צילום יכול להתבצע בתוך הכור צינור זרימה. תוכניות הן במקום עבור שאר המגיבים VOC, כגון β-קרבופילן ו limonene, להיות גם כן למד24.

Disclosures

המחברים מצהירים אין אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

חומר זה מתבסס על עבודה נתמכת על-ידי המדע קרן סביבתית כימי מדעי התכנית הלאומית בהמחלקה לכימיה תחת גרנט מס 1111418, החטיבה אטמוספרי-מדעי של ארצות הברית הלאומית למדע קרן (NSF) תחת הענק מספר 1524731, כמו גם פרס הפרסום הפקולטה הרווארד. אנו להכיר מונה Shrestha, אדם בייטמן, ליו Pengfei, Mikinori Kuwata עבור דיונים שימושי וסיוע עם הניסויים.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Zaera, F. Regio-, stereo-, and enantioselectivity in hydrocarbon conversion on metal surfaces. Acc Chem Res. 42 (8), 1152-1160 (2009).
  5. Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , John Wiley & Sons. (2006).
  6. 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).
  7. Zhang, Y., et al. Changing shapes and implied viscosities of suspended submicron particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 15 (14), 7819-7829 (2015).
  8. 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).
  9. Shrestha, M., et al. On surface order and disorder of α-pinene-derived secondary organic material. Journal of Physical Chemistry A. , (2014).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Huang, Y., et al. The Caltech Photooxidation Flow Tube reactor: design, fluid dynamics and characterization. Atmospheric Measurement Techniques. 10 (3), 839-867 (2017).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Heuchel, M., et al. Evaluation of the energy distribution function from liquid/solid adsorption measurements. Langmuir. 9 (10), 2547-2554 (1993).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 142 האטמוספירה כימיה חלקיקים (PM) כור צינור זרימה תרסיס אורגני חומר אורגני המשני (סום) גודל הפצות מורפולוגיה
ייצור, מדידה של החומר חלקיקים אורגניים כור צינור זרימה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhang, Y., Liu, P., Gong, Z.,… More

Zhang, Y., Liu, P., Gong, Z., Geiger, F. M., Martin, S. T. Production and Measurement of Organic Particulate Matter in a Flow Tube Reactor. J. Vis. Exp. (142), e55684, doi:10.3791/55684 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter