Summary
Detta dokument beskriver hur drift för flöde tube reaktor och relaterade datainsamling. Det visar protokollen för att experimenten, registrera data och generera nummer-diameter distribution samt den partikel massa information, vilket ger användbar information om kemiska och fysikaliska egenskaper av de organiska aerosoler.
Abstract
Organiska partiklar (PM) är allt mer erkänd som viktigt att jordens klimatsystem samt folkhälsa i stadsområden, och produktion av syntetiska PM för laboratoriestudier har blivit en utbredd nödvändighet. Häri, Visa experimentella protokoll metoder för att producera aerosolized organiska PM av α-pinen Ozonolys i ett flöde tube reaktor. Metoder finns beskrivna för att mäta storlek distributioner och morfologi av aerosol partiklarna. Videon visar grundläggande operationer av flöde tube reaktorn och relaterade instrumentering. Den första delen av videon visar förfarandet för förbereda gas-fas reaktanterna, Ozonolys och produktion av organiska PM. Den andra delen av videon visar förfarandena för bestämning av egenskaper av befolkningens producerade partikel. Den partikel nummer-diameter distributioner visar olika stadier av partikel tillväxt, nämligen kondens, koagulation, eller en kombination av båda, beroende på reaktionsbetingelser. Partikel morfologin kännetecknas av en aerosol partikel massa analyzer (APM) och ett svepelektronmikroskop (SEM). Resultaten bekräftar förekomsten av icke-sfäriska partiklar som har vuxit från koagulation för specifik reaktion villkor. Experimentella resultat visar också att flöde tube reaktorn kan användas för att studera fysikaliska och kemiska egenskaper av organiska PM för relativt höga koncentrationer och korta tidsramar.
Introduction
Flyktiga organiska föreningar (VOC) som avges från biosfären och antropogen verksamhet genomgår reaktioner i atmosfären med oxidanter (t ex ozon eller OH-radikaler) för att producera sekundära syresatt föreningar1,2. Några av dessa föreningar, på grund av deras låga volatilitet, bidrar i slutändan till av masskoncentrationen av atmosfäriska PM1,3,4. Atmosfäriska partiklar har viktiga effekter på klimatet, människors hälsa och synlighet5. Mekanismerna som produktion av organiska PM, återstår dock otillräckligt kännetecknas och förstås, både kvalitativt och kvantitativt, förutsäga och masskoncentrationer samt fysikaliska och kemiska egenskaper. En metod för att överbrygga detta kunskapsklyftan är att utföra laboratoriestudier som använder flöde tube reaktorer för att imitera produktionsprocesserna av atmosfäriska organiska PM, därmed underlätta mekanistisk, bearbeta och karakterisering studier till PM6 ,7,8,9,10,11,12. Flöde tube reaktorn möjliggör snabb syntesen av aerosolpartiklar för en mängd partikeln numrerar och masskoncentrationer13.
Föreliggande studie beskriver, med hjälp av videomaterial, produktion av organiska PM som submicron-storlek partiklar från Ozonolys av en dominerande atmosfäriska monoterpen (nämligen α-pinen) i ett flöde tube reaktor, som var först beskrivs i Shrestha o.a. 13 kort, flöde röret var gjord av glas med en inre diameter av 48,2 mm och en längd på 1,30 m. Flöde röret fungerades något ovanför omgivande tryck i systemet med laminärt flöde (Reynoldstal 9,4 ± 0,5) och med en uppehållstid av 38 ± 1 s 14. Temperaturen var inställd på att vara 25 ± 1 ° C med hjälp av en recirkulerande kylmaskin rinna vatten i en anpassad låda med dubbla lager att bostäder flöde tube reaktorn.
En schematisk tomt flöde tube reaktorn systemet visas i figur 1. En ren luft generator för att generera ultra ren luft som passerar genom en ozongenerator, producera 200-500 ppm av ozon. En ytterligare flöde av ren luft på 0.50 sLpm används avdunsta α-pinen injiceras av en spruta spridare i en kolv med rund botten. Α-pinen är färdigblandad med 2-butanol vid en utspädningsfaktor på 1:5015,16,17 innan dras till sprutan injektorn, eftersom 2-butanol kan fungera som en OH gatsopare att säkerställa att Ozonolys var den enda reaktionen förekommande inuti flöde röret. Rund botten kolven var uppvärmd till 135 ± 1 ° C tillåter snabb avdunstning av de injicerade organiska föreningarna. Α-pinen och ozon flödet vikar var också anordnade vinkelrätt mot varandra för att inducera turbulens och snabba blandning på insprutningspunkten. Uttaget av flöde röret delades mellan provsamling, storlek distribution mätningar (av den skanning mobility particle sizer-SMPS), partikel densitet mätning och avgaser. Reaktionsbetingelser är varierande för att styra det relativa bidraget av kondens jämfört med koagulering partikel tillväxt. Produktionen av flöde röret måste ha minst en linje som förbinder ett open-air avgaser Hood, att säkerställa att det inte är möjligt att bygga upp trycket inuti flöde röret och rund botten kolven även under Felaktiga experimentella förhållanden. Egenskaperna hos den producerade partikel befolkningen kan därmed justeras fint. Flöde tube reaktorn är utrustad med en lös sampler som möjliggör provtagning till organiska PM vid olika tidpunkter i sin produktion. Nummer-diameter fördelningen av befolkningens producerade partikel mäts vid olika längd av flöde röret. En APM mäter partikel massdistribution och dynamisk form faktor7,18,19, som ger information om morfologi och andra fysiska egenskaper av befolkningens producerade partikel. 20 , 21 partiklar samlas också på en nanometer particle sampler för offline avbildning av en SEM7,22. Innebörden är att flöde tube reaktorn är ett lämpligt medium för att utföra Ozonolys experiment och snabbt online och offline analys av den PM som tillverkats i landet.
Protocol
1. gas-fas injektion av flöde Tube reaktorn
-
Ekologiska föregångare injektion
Obs: All utrustning och programvara som används under experimentet kan hittas i Tabellen för material. Beroende på syftet med experimenten, kan ett brett utbud av flyktiga organiska föreningar användas som ekologiska föregångare för experimentet. Α-pinen används här som ett exempel för förfarandet för att injicera ekologiska föregångare i flöde tube reaktorn.- Använd en mikropipett för att erhålla 1,00 mL av α-pinen. Överför vätskan till en 50.00 mL mätkolv.
- Använd 2-butanol för att fylla mätkolven till 50.00 mL, därmed späda den α-pinen av ett förhållande på 1:50. Skaka mätkolven att blanda lösningsmedel och lösningens grundligt.
- Använd en spruta (5,00 mL) att återkalla α-pinen lösningen. Skölj sprutan tre gånger med lösningen och sedan fylla det med lösning.
- Anslut sprutan till en vass nål (25 gauge, 2-tum lång). Placera sprutan på en spruta injektor. Sätt in injektionsnålens spets i en spridare runda-botten kolven (25 mL). Pre-värme spridare kolven till 135 ± 1 ° C av värme tejp.
- Införa ett skonsam flöde av 0,5 sLpm renad luft att förånga och bära bort α-pinen injiceras från sprutan. Anslut den rena luft generatorn till samma strömförsörjning som den värme tejpen för att undvika värme rund botten kolven om ren lufttillförseln stoppas.
- Slå på sprutan injektorn och justera injektion till ett lämpligt värde. Beräkna den injektion genom att tillämpa gasflödet, önskad VOC koncentration och spruta storlek i Clausius-Clapeyron-ekvationen. Till exempel, för ett totalt flöde av 4,5 sLpm, skulle för att nå 125 ppb av α-pinen kräva en injektionshastighet 11,7 μL/h av α-pinen och 2-butanol blandning. Säkerställa att den volymetriska koncentrationen av butanol eller α-pinen är mindre än 1% i rund botten kolven att undvika organiska föreningar räckhåll explosionsgräns.
-
Ozon injektion
- Passera ett flöde av luft vid 4.00 sLpm en ozongenerator.
- Slå på ozonaggregatet. Styra ozonkoncentrationen att lämpliga värden genom att justera längden på glasröret skärmning UV-lampa inuti generatorn. De ozon och VOC nyckeltal kan variera mellan två beställningar av magnituder beroende på syftet med experimentet. Om VOC som behövs för att vara fullt reagerat under experimentet, bör då ozonkoncentrationen vara ungefär 10 gånger högre än koncentrationen i VOC att säkerställa ozon är i överskott.
- Slå på ozon koncentration bildskärmen och Anslut den ozon bildskärmen till datorn. Använder en terminal läsare programvara för att nå den ozon övervaka avläsningen och spara de uppgifter som erhållits från ozon monitor (figur 2). Utföra experimenten efter ozonkoncentrationen stabiliserar.
2. partikel produktion av flöde Tube reaktorn
-
Justering av uppehållstid
- Skruva av locket på slutet av flöde tube reaktorn att justera positionen för lös sampler slangar inuti flöde tube reaktorn. Ändra olika positioner av lös sampler slangar därefter för att uppnå olika residence gånger från 3 s till 38 s10.
- Ändra placeringen av den rörliga provtagaren att justera uppehållstid av partiklarna som produceras inne i flöde tube reaktorn under varje experiment.
- Placera den rörliga sampler i början av flöde tube reaktorn (0.10 m från gasinloppet till) för att få den kortaste uppehållstiden (3 s). Placera den rörliga sampler i slutet av flödet tube reaktorn (1,30 m från gasinloppet till) för att få längsta uppehållstid (38 s).
-
Temperaturkontroll för partikel produktion
- Hus flöde tube reaktorn i en temperatur-kontrollerad, dubbelväggiga, vattenmantlad rostfritt stål låda. Utföra en läckagekontroll och en vatten nivå kontroll före varje uppsättning experiment.
- Ställa in temperaturen på termostaten i vatten cirkulationspumpen till 20,0 ° C.
Obs: Temperaturen under ett experiment varierar med mer än 0,1 ° C. - Slå på temperatur inspelning programvara i huvuddatorn och ange data provtagningstiden till 10 s (figur 3). Temperaturgivaren är beläget vid mittpunkten av flöde röret. Börja logga temperaturen mätt från temperaturgivaren när du slår på knappen Record .
- Mäta temperaturen för 4 till 6 h. stabilisera temperaturen innan du utför experimentet.
Obs: Temperatur variationerna av flöde tube reaktorn är mindre än ± 0,1 ° C under en 24-timmarsperiod.
-
Trycket övervakningssystem
- Ansluta en tryckövervakaren till flöde tube utlopp genom en ¼ tums koppling och huvuddatorn
- Slå om trycket mjukvaran (figur 4), och klicka sedan på filen | Nya | Tid-och/eller insamlingsintervallet för att provtagning intervallet till 10 s.
- Klicka på Totalt datapunkter att ange provtagning längd till 36.000 punkter. Klicka på OK för att registrera data.
Observera: Utloppstrycket vistelser inom ± 0,01 atm under en 24-timmarsperiod, tyder på trycket i flödet röret är stabil.
3. karakterisering av producerade partikel befolkningen av flöde Tube reaktorn
-
Nummer-diameter-distributioner
- Anslut uttaget av flöde tube reaktorn till en scanning mobility particle sizer (SMPS) av elektrostatiska-resistent slang. Liknande instrument kan också användas för att mäta antal-diameter fördelningarna i stället för SMPS.
Obs: Den detaljerade operativa förfaranden eller felsökning av SMPS kan hittas i dess bruksanvisning. - Starta programvaran som registrerar nummer-diameter distribution. Skapa en ny fil genom att klicka på Skapa ny fil. Ange varje parameter som visas i figur 5. Registrera nummer-diameter fördelningorna av partiklarna spännande flöde tube reaktorn genom att klicka på OK .
- Anslut uttaget av flöde tube reaktorn till en scanning mobility particle sizer (SMPS) av elektrostatiska-resistent slang. Liknande instrument kan också användas för att mäta antal-diameter fördelningarna i stället för SMPS.
-
Relativ luftfuktighet kontroll
- Anslut de två vikar av en vatten bubbelflaskan till två massflödet handkontroller (MFCs) för att justera luftfuktigheten slida i flödet röret. Justera flödet klassar av de två inlopp från 0-10 sLpm för att ändra den relativa luftfuktigheten slida från < 5 till > 95%.
- Anslut uttaget av vatten bubbelflaskan till luftintaget slida av högpermeabla membran röret. Anslut uttaget av flöde tube reaktorn till samma högpermeabla membran rör huvudsakliga provtagning inlopp.
- Anslut en relativ fuktighet (RH) sensor till uttaget av högpermeabla membran röret att mäta RH provtagning luften.
- Starta det RH mätning program genom att klicka på knappen Start , ange filnamnet och klicka på knappen Spara för att registrera RH data.
-
Massa och dynamisk form faktor SOM partiklarna
- Anslut uttaget av den relativa luftfuktigheten inställningen till öppningen av en differential mobility analyzer (DMA) med en tre-fot långa elektrostatiska-resistent slang. Anslut uttaget av DMA till öppningen av APM instrumentet av one-fot långa elektrostatiska-resistent slang. Anslut uttaget av Revisionsplanen till en kondens partikelräknare (CPC).
Obs: Den detaljerade operativa förfaranden eller felsökning av DMA och CPC kan hittas i dess bruksanvisning. - Slå på instrumentet APM och APM kontrollboxen genom att trycka på knapparna respektive makt. Klicka på fjärr -knappen rutan APM kontroll så att instrumentet kan manövreras från programvarugränssnitt i datorn.
- Aktivera programvaran APM kontroll. Ladda en förinställda skanning fil genom att klicka på knapparna fil och belastning (figur 6).
- Klicka på knappen Start av programvaran APM kontroll så att instrumentet APM börjar samla in data.
- Anslut uttaget av den relativa luftfuktigheten inställningen till öppningen av en differential mobility analyzer (DMA) med en tre-fot långa elektrostatiska-resistent slang. Anslut uttaget av DMA till öppningen av APM instrumentet av one-fot långa elektrostatiska-resistent slang. Anslut uttaget av Revisionsplanen till en kondens partikelräknare (CPC).
-
Partikel samling från flöde tube reaktorn
- Anslut utloppet flöde tube till en nanometer aerosol sampler (NAS) av en tre fot långa elektrostatiska-resistent slang.
- Ren kisel substrat (prime grad, motstånd 1-10 Ω∙cm) av en cykel av metanol, vatten och igen metanol. Torra underlaget med hjälp av en skonsam flöde av kväve.
- Placera rengjorda underlaget på elektroden för NAS. Säkra kanten av underlaget med tejp för att hålla det stabilt under den samling22.
- Slå på NAS-enheten. Inställt-9,9-spänningen kV. Ställa in flödet till 1,8 Lpm.
- Slå på instrumentet provtagning att köra för 12-36 h. efteråt, ta bort kisel substrat laddad med insamlade partiklar från NAS. Utföra ytterligare analyser av partiklar på substraten, såsom morfologi av SEM7 eller ytan analys9.
Representative Results
En matris av reaktionsbetingelser sammanfattas i tabell 1. Det finns en rad nummer och masskoncentrationer av organiska PM som kan produceras beroende på valda α-pinen och ozon koncentrationer13. Till exempel, som visas i tabell 1, när ozonkoncentrationen är 43 ppm, varierande α-pinen koncentrationen från 0,125-100 ppm kunde producera (4,4 ± 0,6) × 105 (9,1 ± 0,3) × 106 particles∙cm3 och massa koncentrationer av 101 till 104 µg∙m-3, respektive.
Utvecklingen av dynamiska egenskaperna för partikel befolkningen kan studeras inuti flöde tube reaktorn. Med hjälp av video demonstration utfördes ett experiment med 50 ± 1 ppm av ozon och 125 ppb av α-pinen. Particle sampler inuti flöde röret längsgående position får provtagning vid olika tillfällen från 3,0 ± 0,2 till 38 ± 1 s. figur 7 visar de nummer-diameter distributionerna av aerosol partikel befolkningen för detta experiment. Den totala antal koncentrationen och läge diameter partiklarnas ökade med uppehållstid. För en uppehållstid av 3 s, inga partiklar upptäcktes. För längre residence tider, var en partikel befolkning erhållits och mätt. Läget diametern ökade från mindre än 10 nm till ca 50 nm för en ökning i uppehållstid från 17 ± 0,5 s till 38 ± 1 s. Motsvarande antal koncentrationen ökade från (8,6 ± 0,5) × 104 cm-3 (2,56 ± 0,07) × 105 cm3.
Exempel på nummer-massa fördelningarna registreras i tre replikera experiment av APM inställningarna visas i figur 8. Partikel diametrarna som massa och rörlighet användes för att beräkna den dynamiska form faktorn, χ, över partikel subpopulation. Dynamisk form faktor χ är förhållandet mellan den drar kraften på en faktisk partikel dividerat med den dragskraft som upplevs av en volym motsvarande sfär23. Form faktorer av nästan sfäriska partiklar närma enhet medan mycket asfäriska partiklar har betydligt större form faktorer. Figur 9 visar faktorerna som dynamisk form av partiklarna spännande flöde röret vid olika rörlighet diametrar och fuktighet. Respektive χ värden för < 5% RH var 1,21 ± 0,02, 1.09 ± 0,02 och 1,08 ± 0,02 (one-sigma osäkerhet), vilket tyder på att partikeln befolkningen bestod till stor del av icke-sfäriska partiklar.
RH ökade, minskade χ för alla tre populationer, når ett slutligt värde på 1,02 ± 0,01 på 35% RH och motsvarande inom osäkerhet till sfäriska partiklar. Figur 10 visar SEM-bilder av partiklar utsätts för < 5% RH (vänster kolumn) och 80% RH (högra kolumnen). Bilderna visar att de icke-sfäriska partiklarna blev rundan efter exponering för hög RH, som diskuteras i detalj i Zhang et al. 7. resultaten ovan visar att flöde tube reaktorn är kapabla att utföra olika typer av online och offline analys.
Figur 1 . En schematisk Flödesdiagram för flöde reaktorn rörledningssystemet. De röda linjerna visar flödet innehållande ozon, de ljusa blå linjerna visar flödet innehållande α-pinen och mörka blå linjer visar flödet av organiska PM. APM systemet består av en DMA, en APM och en CPC som kopplas ihop. Denna siffra tidigare medverkat i Shreatha et al. 13 och återges här med tillstånd.
Figur 2 . Grafiskt användargränssnitt för ozon övervakning och inspelning program.
Figur 3 . Grafiskt användargränssnitt för temperaturen övervakning och inspelning program.
Figur 4 . Grafiskt användargränssnitt för trycket övervakning och inspelning program.
Figur 5 . Grafiskt användargränssnitt för programmet nummer-diameter distribution. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Grafiskt användargränssnitt för programmet APM.
Figur 7 . Storlek distribution av partikel befolkningen från flödet röret på olika residence gånger. De totala antalet koncentrationerna för varje storlek distribution är 1.69 × 10-1, 7,50 × 103, 8,58 × 104, 2,00 × 105, 2,33 × 105och 2.56 × 105 partiklar cm-3 för residence gånger 3, 10, 17, 25, 32 och 38 s, respektive. De skugga områdena är standardavvikelsen för partikelstorleksfördelning. Denna siffra tidigare medverkat i Shreatha et al. 13 och återges här med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 . Ett exempel på nummer-mass distribution, som mäts med hjälp av DMA-APM systemet. Resultaten av tre replikera experiment visas att påvisa reproducerbarhet. Två-sigma osäkerhet representeras av felstaplar, vilket är ungefär samma storlek som brytpunkterna. Linjerna representerar passar av en normalfördelning till data. Abskissan beräknas baserat på APM rotationshastighet och den spänning mellan väggarna i APM cylindrarna. De partiklar som visas i handlingen producerades från 700 ppb α-pinen och 14 ppm ozon. En central rörlighet diameter på 126,0 nm valdes av DMA. Denna siffra tidigare medverkat i Zhang et al. 7 och återges här med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9. Dynamisk form faktor för att öka relativ fuktighet. Panelen A: partiklar produceras från 700 ppb α-pinen och 14, 25 och 30 ppm ozon för partikel populationer med centrala rörlighet diametrar 126,0, 175,0 och 190,0 nm, respektive. Exponeringstiden till relativ fuktighet var 310 s. Felstaplar i varje panel representerar två sigma standardavvikelse. Denna siffra tidigare medverkat i Zhang et al. 7 och återges här med tillstånd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. SEM-bilder av partiklar erhålls från 700 ppb α-pinen och provtas för centrala rörlighet diameter 180,0 nm. Aerosolpartiklar samlades på silica substraten för 12 h och sedan belagda med 5 nm Pt/Pd. Spänningen för elektronen strålar var 5 kV och arbetsavstånd var 2,3 mm. kolumn 1 visar dimer och trimer högre ordningens agglomeratbildning av granulat monomerer för < 5% RH. Röda cirklar identifiera monomerer. Kolumn 2 visar nästan sfäriska partiklar som samlades in efter exponering för 80% RH följt av torkning till < 5% RH. Denna siffra tidigare medverkat i Zhang et al. 7 och återges här med tillstånd.
| 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. konc | 0 | (1±1) × 102 | (1.0±0.6) × 105 | (4.4±0.6) × 105 | (3.2±0.2) × 105 | |
| Mass. konc | 0 | (3±5) × 10-2 | 15±5 | 11±3 | 20±2 | ||
| Läget Diameter | 0 | 22±4 | 60±5 | 35±3 | 34±2 | ||
| St. avvikelse geo. | EJ TILLÄMPLIGT | 1.2 | 1.3 | 1.3 | 1.5 | ||
| 1,00 ± 0,03 | NUM. konc | 0 | (3.1±0.9) × 102 | (1.5±0.2) × 105 | (5.5±0.2) × 105 | (5.8±0.4) × 105 | |
| Mass. konc | 0 | (9±3) × 10-3 | 61±9 | (52±0.1) × 102 | (66±0.1) × 102 | ||
| Läget Diameter | 0 | 33±7 | 86±6 | 84±3 | 85±19 | ||
| St. avvikelse geo. | EJ TILLÄMPLIGT | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.7 | ||
| 10,0 ± 0. 3 | NUM. konc | (2±2) × 101 | (4.0±0.2) × 105 | (6.0±0.7) × 105 | (6.3±0.7) × 105 | (1.8±0.2) × 106 | |
| Mass. konc | 0* | (1.6±0.2) × 102 | (2.5±0.2) × 103 | (1.19±0.02) × 104 | (1.57±0.02) × 104 | ||
| Läget Diameter | 8±9 | 81±2 | 147±9 | 245±38 | 155±5 | ||
| St. avvikelse geo. | 1 | 1.4 | 1.4 | 1.4 | 1.5 | ||
| 100 ± 3 | NUM. konc | (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 | |
| Mass. konc | 35±3 | (8.6±0.1) × 102 | (1.3±0.1) × 104 | (1.6±0.04) × 105 | (4.0±0.1) × 105 | ||
| Läget Diameter | 48±2 | 88±5 | 134±8 | 262±12 | 334±4 | ||
| St. avvikelse geo. | 1.4 | 1.6 | 1.5 | 1.7 | 1.9 | ||
Tabell 1. Antalet koncentrationer (cm-3), masskoncentrationen (µg m-3), läge diameter (nm) och standardavvikelse geometriska diameter partiklarnas produceras av α-pinen Ozonolys. En materialdensitet 1200 kg∙m3 användes för konvertering av volymen koncentrationer till masskoncentrationen och uppehållstid 38 s för alla experiment. * Även om partiklarna var närvarande, var av masskoncentrationen under detektionsgränsen. Den här tabellen tidigare medverkat i Shreatha et al. 13 och återges här med tillstånd.
Discussion
Genom att justera villkoren i flöde tube reaktorn, kan ett brett utbud av SOA partiklar med väldefinierade antal koncentrationer och masskoncentrationer produceras. Mekanismen för tillväxt kan också ändras mellan condensational tillväxt och coagulative tillväxt lägen, bildar partiklar med olika former. De kritiska steg i protokollet omfattar att upprätthålla en relativ stabil temperatur av flöde tube reaktorn och stabiliserande ozonkoncentrationen av ozonaggregatet. Det är också viktigt att notera att positionen för den rörliga spridaren behöver registreras noggrant varje gång så att uppehållstiden skulle förbli densamma när upprepa experimenten.
Om partikel koncentration från flöde tube reaktorn verkar vara annorlunda än förväntat, kan flera felsökningsåtgärder utföras. En lufttät granska av flöde tube reaktorn kan utföras först. Efter den lufttäta examen, nummer-diametermätning instrumentet måste kontrolleras för att utesluta alla potentiella fel möjligheter såsom igensättning vid inlopp och utarmning av 1-butanol lösning för CPC.
Därför är flöde tube reaktorn beskrivs ovan ett användbart verktyg för att studera de fysikalisk-kemiska egenskaper och utvecklingen av de ekologiska aerosoler som spänner över ett brett spektrum av koncentrationer. Jämfört med andra aerosol generation system, kan flöde tube reaktorn snabbt producera aerosolpartiklar för en mängd partikeln numrerar och masskoncentrationer13, vilket är särskilt användbart i högmässa-lastning provtagning. Flöde tube reaktorn är också utrustad med en lös sampler, aktivera studie om utvecklingen och tillväxten av aerosolpartiklar. Å andra har reaktorn en relativt kort uppehållstid och en relativt hög föregångare koncentration, som begränsar dennes möjligheter att simulera nära-till-omgivningens reaktion villkor. Framtida arbete som innebär flöde tube reaktorn är att lägga till ultraviolett belysning på innerväggarna så att photo-oxidation reaktioner kan genomföras inom flöde tube reaktorn. Planer finns för andra VOC reaktanterna, såsom β-karyofyllen och limonen, vara studerade samt24.
Disclosures
Författarna förklarar inget konkurrerande finansiella intressen.
Acknowledgments
Detta material bygger på arbete stöds av National Science Foundation kemiska vetenskaper miljöprogram i avdelningen för kemi under Grant nr 1111418, atmosfäriskt-GeoSciences uppdelningen av den amerikanska National Science Foundation (NSF) under licensnummer 1524731, samt Harvard fakulteten publikation Award. Vi erkänner Mona Shrestha, Adam Bateman, Pengfei Liu och Mikinori Kuwata för användbar diskussioner och hjälp med experimenten.
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).
