Waiting
Login processing...

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

Environment

उत्पादन और हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर में कार्बनिक कण बात की माप

Published: November 18, 2018 doi: 10.3791/55685
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1, 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, 3Department of Chemistry, Northwestern University, 4Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University

Summary

यह कागज हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) और गैसीय और कण प्रजातियों को मापने के लिए संबंधित इंस्ट्रूमेंटेशन के लिए आपरेशन प्रक्रियाओं का वर्णन । पर्यावरण चैंबर का उत्पादन करने के लिए और माध्यमिक कार्बनिक कार्बनिक पुरोगामी से उत्पादित प्रजातियों का अध्ययन, विशेष रूप से वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण से संबंधित का प्रयोग किया जाता है ।

Abstract

उत्पादन और वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण (प्रधानमंत्री) के विकास अपर्याप्त वायुमंडलीय रसायन विज्ञान और जलवायु के सटीक सिमुलेशन के लिए समझ रहे हैं । जटिल उत्पादन तंत्र और प्रतिक्रिया रास्ते यह एक चुनौतीपूर्ण अनुसंधान विषय बनाते हैं । इन मुद्दों को संबोधित करने के लिए, एक पर्यावरण चैंबर, पर्याप्त निवास समय और करीब प्रदान करने वाली माध्यमिक कार्बनिक पदार्थों के लिए अग्रदूतों के परिवेश सांद्रता, की जरूरत है । हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) के लिए इस की जरूरत की सेवा का निर्माण किया गया था, अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (VOCs) से गैस और कण चरण प्रजातियों के उत्पादन का अनुकरण । एचईसी ने ४.७ एम3 की मात्रा और ठेठ ऑपरेटिंग परिस्थितियों के तहत ३.४ एच का एक निकृष्ट निवास समय दिया है. यह एक पूरी तरह से मिश्रित प्रवाह रिएक्टर (CMFR), नमूना संग्रह और डेटा विश्लेषण के लिए दिन भर में अनिश्चितकालीन स्थिर राज्य आपरेशन की संभावना प्रदान करने के रूप में संचालित है । इस आलेख में विवरण में कार्रवाई कार्यविधियां बताई गई हैं । उपकरण के कई प्रकार उत्पादित गैस और कणों को चिह्नित करने के लिए उपयोग किया जाता है । एक उच्च संकल्प समय की लड़ाई एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर (HR-तोफ-एंस) कणों की विशेषता के लिए प्रयोग किया जाता है । एक प्रोटॉन-हस्तांतरण-प्रतिक्रिया मास स्पेक्ट्रोमीटर (PTR-MS) गैसीय विश्लेषण के लिए प्रयोग किया जाता है । उदाहरण के परिणाम भौतिक गुण और कार्बनिक वायुमंडलीय बात कण की प्रतिक्रिया तंत्र से संबंधित आवेदनों की एक विस्तृत विविधता में पर्यावरण चैंबर के उपयोग को दिखाने के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं ।

Introduction

वायुमंडलीय कार्बनिक बात कण (प्रधानमंत्री) अस्थिर कार्बनिक यौगिकों (VOCs) जैव मंडल और anthropogenic1,2द्वारा उत्सर्जित के ऑक्सीकरण से उत्पादित है । जलवायु पर इन एयरोसोल कणों के महत्वपूर्ण प्रभाव के बावजूद, मानव स्वास्थ्य, और दृश्यता3, उत्पादन तंत्र को पूरी तरह से समझ और विशेषता, दोनों गुणात्मक और मात्रात्मक रहते हैं । प्रयोगशाला के अध्ययन के लिए एक चुनौती है, जो सीमित गुंजाइश और समय के जरूरी हैं, के लिए गैस और कण चरण प्रजातियों के वायुमंडलीय विकास अनुकरण है । निवास टाइंस काफी लंबी है कि दोनों गैस और कणों चरणों में यौगिकों ऑक्सीकरण और बहुत अवस्थायां प्रतिक्रिया से गुजरना कर सकते है के रूप में वे परिवेश वातावरण में होगा4,5,6,7, 8. एक और चुनौती के लिए प्रयोगशाला में पर्याप्त रूप से कम है कि परिवेश9,10,11का प्रतिनिधित्व सांद्रता पर काम है । सांद्रता के साथ कई महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं पैमाने । उदाहरण के लिए, अधिक से अधिक एक प्रयोगशाला प्रयोग में कार्बनिक पीएम के उच्च जन एकाग्रता ग़लती से गैस चरण से semivolatile प्रजातियों के विभाजन के कण चरण में बदलाव कर सकते हैं । गैस और कण चरणों की संरचना गैर वातावरण स्थितियों के प्रतिनिधि बन सकता है । हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर के लिए इन चुनौतियों का जवाब डिजाइन किया गया था, मुख्य रूप से एक सतत प्रवाह एक अनिश्चित टाइमस्केल के तहत संचालित विंयास के दृष्टिकोण का उपयोग करके, जिससे कम सांद्रता और लंबे समय के एकीकरण के लिए समय की अनुमति संकेत पता लगाना । चैंबर २०१८ में वैज्ञानिक खोज के बारह साल की एक मील का पत्थर की सालगिरह मनाता है ।

पर्यावरण मंडलों प्रकाश स्रोत के आधार पर बदलती हैं, प्रवाह मिश्रण प्रणाली, आकार, और एक साथ संचालन कक्षों की संख्या । वहां आउटडोर कक्षों कि प्राकृतिक सूरज की रोशनी12,13 के रूप में के रूप में अच्छी तरह से इनडोर चैंबर किकृत्रिम प्रकाश14,15,16,17,18 के साथ संचालित प्राप्त कर रहे है ,19,20,21. बाहरी कक्षों को भी अपेक्षाकृत बड़े बनाया जा सकता है, कलाकृतियों है कि दीवार के प्रभाव से पेश किया जा सकता है ंयूनतम, हालांकि चुनौतियों बादलों की वजह से रोशनी की भिंनता के रूप में के रूप में अच्छी तरह से तापमान में विचरण शामिल हैं । हालांकि इनडोर चैंबर ध्यान से तापमान और सापेक्षिक आर्द्रता, तीव्रता और कृत्रिम प्रकाश से स्पेक्ट्रम को नियंत्रित कर सकते हैं आम तौर पर प्राकृतिक सूरज की रोशनी से अलग कर रहे हैं, जो कुछ photochemical प्रतिक्रियाओं को प्रभावित कर सकते हैं14. चैंबर भी बैच रिएक्टरों या पूरी तरह से मिश्रित प्रवाह रिएक्टरों (CMFR)22के रूप में संचालित किया जा सकता है । बैच रिएक्टरों आम तौर पर संचालित करने के लिए आसान कर रहे हैं और बनाए रखने लेकिन CMFR सप्ताह के लिए संचालित किया जा सकता, के रूप में जरूरत, संकेत एकीकरण के लिए अनुमति देने और इस तरह कम, वायुमंडलीय प्रासंगिक सांद्रता पर काम.

इसके साथ ही हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) के7,23,24,25 के हार्डवेयर और ऑपरेशन का विस्तार से वर्णन किया गया है । एचईसी एक ४.७ एम3 पीएफए Teflon एक निरंतर तापमान चैंबर (२.५ × २.५ × २.७५ एम3)26के अंदर रखे बैग के होते हैं । चिंतनशील एल्यूमीनियम शीट चैंबर के भीतरी दीवारों को कवर करने के लिए बैग के माध्यम से multipath रोशनी की अनुमति है और इस तरह photochemistry की दर में वृद्धि । एचईसी एक CMFR के रूप में संचालित है, 21 sLpm की कुल प्रवाह दर का उपयोग और ३.४ ज27का एक मतलब निवास समय के लिए इसी । तापमान, आर्द्रता, और ओजोन एकाग्रता प्रतिक्रिया नियंत्रण द्वारा बनाए रखा जाता है । अमोनियम सल्फेट कणों परिवेश वातावरण में अकार्बनिक कणों पर कार्बनिक घटकों के संघनित्र नकल करने के लिए बीज कणों के रूप में उपयोग किया जाता है । कार्बनिक सल्फेट कणों के मोड व्यास के कण आकार28क्षेत्र में मापा अनुकरण करने के लिए 100-200 एनएम होना करने के लिए चुना जाता है । प्रचालन प्रक्रियाओं का वर्णन प्रोटोकॉल अनुभाग में किया गया है, जिसमें एक दृश्य प्रस्तुतिकरण शामिल है, जिसके बाद एचईसी के आवेदनों और अनुसंधान परिणामों की संक्षिप्त चर्चा की गई.

Protocol

नोट: कुंजी मापा पर्यावरण मानकों ओजोन (ओजोन विश्लेषक), नहीं और NO2 (NOx विश्लेषक), सापेक्षिक आर्द्रता (आरएच सेंसर), तापमान (प्रकार कश्मीर thermocouple), और बैग और चैंबर के बीच अंतर दबाव शामिल हैं । साधन ब्रांडों सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध हैं । उपकरणों द्वारा मापा पर्यावरण मानकों स्थिर और डिजाइन आवश्यकताओं के भीतर होना चाहिए प्रयोगों के शुरू करने से पहले. पर्यावरण चैंबर एक प्रतिक्रिया प्रणाली का उपयोग करता है के लिए लगातार निगरानी और नियंत्रण समायोजित इतना है कि पर्यावरण मानकों एक प्रयोग के पाठ्यक्रम में आवश्यकताओं के भीतर रहते हैं ।

1. शुरू प्रक्रियाओं

  1. पैरामीटर सेटिंग और oxidants इंजेक्शन
    1. पर्यावरण चैंबर के भौतिक पैरामीटर प्रतिक्रिया प्रणाली (PID) द्वारा सेट करें । 4 फिलीस्तीनी अथॉरिटी (30 mTorr) के लिए अंतर दबाव सेट करें । जब दबाव बहुत अधिक या बहुत कम है, solenoid वाल्व को खोलता है या सेट सीमा के भीतर बैग के दबाव को समायोजित करने के लिए बंद कर देता है ।
    2. ओजोन जनरेटर पर बारी एक पराबैंगनी दीपक के माध्यम से शुष्क हवा गुजर द्वारा ओजोन प्रवाह उत्पंन करने के लिए । ०.१ sLpm को प्रवाह दर निर्धारित करने के लिए एचईसी के अंदर अंतिम ओजोन एकाग्रता के १०० ppb तक पहुंचने के लिए । ओजोन मॉनिटर पर बारी और इसी सॉफ्टवेयर को सक्रिय करें ।
    3. निर्दिष्ट मूल्यों के लिए बैग के सापेक्ष आर्द्रता निर्धारित करें । इस विशेष प्रयोग में, ४०% आरएच का उपयोग करें, लेकिन आरएच स्तर < 5% से ८०% तक बदल सकते हैं । आरएच सेंसर और प्रतिक्रिया नियंत्रण प्रणाली सूखी और आर्द्र हवा प्रवाह के अनुपात को समायोजित करके स्थिर बैग में रिश्तेदार आर्द्रता रहते हैं । शुष्क हवा की आपूर्ति शुद्ध हवा जनरेटर द्वारा प्रदान की जाती है, जो शून्य हवा हाइड्रोकार्बन, जल (आरएच < 1%), और नाइट्रोजन के आक्साइड से मुक्त उत्पन्न करता है । आर्द्र हवा के एक प्रवाह उच्च शुद्धता पानी (18 MΩ सेमी) के माध्यम से शुष्क हवा bubbling द्वारा तैयारी कर रहा है के पास-संतृप्त हवा के प्रवाह बनाने के लिए ।
    4. २५.० ± ०.१ डिग्री सेल्सियस के लिए चैंबर के तापमान सेट करें । एक आंतरिक कंडीशनिंग plenum प्रतिक्रिया नियंत्रण प्रणाली है कि नामित मूल्यों के भीतर तापमान रखने के साथ एक स्टेनलेस स्टील की छत के माध्यम से समान रूप से हवा वितरित करता है ।
    5. अंय पर्यावरणीय मापदंडों के लिए रुको और स्थिर हो डिजाइन आवश्यकताओं के भीतर ।
  2. पर्यावरण चैंबर के लिए उपकरणों की सुविधा से कनेक्ट । प्रारंभ बटन पर क्लिक करके स्वयं-विकसित सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें. प्रतिक्रिया नियंत्रण (चित्रा 2) को एकीकृत करता है कि स्वयं विकसित सॉफ्टवेयर पर प्रदर्शित वास्तविक समय डेटा की जाँच करें.
  3. सभी उपकरणों पर बारी और उन्हें पूरी तरह से गर्म करने के लिए प्रतीक्षा करें ।

2. बीज कण उत्पादन

नोट: बीज कण इंजेक्शन से पहले, प्रारंभिक कण एकाग्रता 1 सेमी-3से नीचे है ।

  1. सल्फेट बीज कणों का उत्पादन
    1. बैग में अर्ध monodisperse शुष्क सल्फेट कणों सुई, दोनों बेहतर परिवेश स्थितियों अनुकरण करने के लिए और भी माध्यमिक कार्बनिक पदार्थों की condensational वृद्धि के लिए माध्यम के रूप में कार्य करने के लिए । बीज कणों के इंजेक्शन के रूप में इस प्रकार किया जाता है ।
    2. उच्च शुद्धता पानी में अमोनियम सल्फेट (०.०१ ग्राम) भंग (18 MΩ ∙ सेमी) एक १०० मिलीलीटर volumetric कुप्पी में एक (NH4) 2SO4 समाधान (०.१ g ∙ L-1) तैयार करने के लिए ।
    3. एक पिचकारी का प्रयोग करें (NH4) 3 sLpm की एक प्रवाह दर पर 2SO4 एयरोसोल कणों का उत्पादन ।
    4. एक प्रसार ड्रायर के माध्यम से एयरोसोल प्रवाह दर्रा (सिलिका जेल) रिश्तेदार आर्द्रता 10% करने के लिए नीचे लाने के लिए ।
  2. बीज कण चयन और थैला इंजेक्शन
    1. एक द्विध्रुवी अभियोक्ता (८५केआर) और एक अंतर गतिशीलता विश्लेषक (DMA) के माध्यम से आकार कणों का चयन करें और बिजली की गतिशीलता से एक अर्ध monodisperse वितरण तैयार करने के माध्यम से एयरोसोल प्रवाह दर्रा । ट्रांसमिशन फ़ंक्शन 10:3 के DMA में एक म्यान-से-एयरोसोल प्रवाह का उपयोग करके चौड़ा है । चयनित विद्युत गतिशीलता व्यास के कणों से निकलने DMA से ५० करने के लिए १५० एनएम के आधार पर प्रयोग पर निर्भर करता है । ठेठ संख्या एकाग्रता ४,००० से ८,००० सेमी-3के लिए पर्वतमाला ।
    2. 3 sLpm की एक प्रवाह दर के साथ बैग को अर्ध monodisperse एयरोसोल फ़ीड । एक स्कैनिंग गतिशीलता कण Sizer (एसएमपीएस) का उपयोग करके बैग से बाहर निकलने कणों की निगरानी । बीज कणों के आकार के वितरण के लिए रुको स्थिर हो जाते हैं । कण के कारण झुकने टयूबिंग के रूप में के रूप में अच्छी तरह से बैग पर स्थिर शुल्क कम है, विशेष रूप से कणों इस प्रयोग में प्रयुक्त आकार (१०० एनएम से बड़ा)29,30के लिए ।

3. गैस के चरण पुरोगामी के इंजेक्शन

  1. गैस चरण के पुरोगामी के इंजेक्शन
    1. आइसोप्रीन समाधान के १.०० मिलीलीटर को वापस लेने के लिए एक सिरिंज का उपयोग करें । कुल्ला अंतिम वापसी से पहले समाधान के साथ तीन बार सिरिंज ।
    2. एक सिरिंज इंजेक्टर में सिरिंज प्लेस. एक रबर सील के माध्यम से सुई टिप एक गोल नीचे कुप्पी (25 मिलीलीटर) में डालें । पूर्व हीट टेप द्वारा ९० ± 1 ° c करने के लिए कुप्पी गर्मी । सिरिंज इंजेक्शन पर बारी और एक उचित मूल्य के लिए सेट (१.१ करने के लिए ४.४ μL ∙ मिनट-1). अग्रदूत के गैस चरण एकाग्रता सिरिंज इंजेक्शन दर को नियंत्रित करने के द्वारा विभिन्न प्रयोग के लिए समायोजित किया जाता है । लंबे प्रयोगों के लिए, आवश्यकतानुसार सिरिंज को रिफ्रेश करें ।
    3. भाप बनकर के लिए शुद्ध हवा के 2 sLpm का एक प्रवाह परिचय और दूर आइसोप्रीन दौर नीचे कुप्पी में इंजेक्शन ले । हवा का प्रवाह काफी बड़ा है कि सिरिंज की नोक पर sessile छोटी बूंद को कुप्पी में टपकाव के बजाय भाँप लिया जाता है. नतीजतन, गैस चरण के प्रणेता की एकाग्रता स्थिर रहती है ।
  2. एचईसी के अंदर पराबैंगनी रोशनी के स्विच को चालू करें ।

4. साधन माप

नोट: आइसोप्रीन और यूवी प्रकाश के संयोजन सल्फेट बीज कणों पर माध्यमिक कार्बनिक पदार्थ के उत्पादन की ओर जाता है ।

  1. संख्या-व्यास बैग बाहर निकलने के कण का वितरण
    1. नमूना इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिरोधी टयूबिंग का उपयोग करके बैग से बहिर्वाह ।
    2. एयरोसोल माप सॉफ्टवेयर शुरू करने और एक नई फ़ाइल बनाएंपर क्लिक करके एक नई फ़ाइल बनाएं । प्रत्येक पैरामीटर चित्र 3में दिखाए गए के रूप में सेट किया गया है । रिकॉर्ड नंबर- ठीक बटन पर क्लिक करके बैग से बाहर निकलने कणों के व्यास वितरण ।
  2. कार्बनिक बात कण के रासायनिक लक्षण वर्णन ।
    1. बैग के अंदर एक स्टेनलेस स्टील का नमूना वाल्व खोलो । एक उच्च संकल्प समय की उड़ान एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर (मानव संसाधन-तोफ-एम्स) में नमूना एयरोसोल प्रवाह ।
    2. पैनल (चित्रा 4) के निचले बाएँ पर अधिग्रहण बटन दबाकर डेटा अधिग्रहण सॉफ्टवेयर शुरू. कार्बनिक पीएम के उच्च संकल्प मास स्पेक्ट्रा प्रयोगों के समय पाठ्यक्रम के दौरान दर्ज कर रहे हैं । कुल कार्बनिक जन एकाग्रता भी प्राप्त की है ।
  3. गैस चरण प्रजातियों के लक्षण वर्णन
    1. बैग के अंदर एक PTFE Teflon ट्यूब का नमूना वाल्व खोलो । नमूना प्रवाह एक प्रोटॉन-हस्तांतरण प्रतिक्रिया समय की उड़ान मास स्पेक्ट्रोमीटर (PTR-तोफ-MS) के लिए निर्देशित है । गैसीय प्रजातियों के द्रव्यमान स्पेक्ट्रा पानी की तुलना में एक उच्च प्रोटॉन संबंध होने प्राप्त कर रहे हैं ।
    2. पीटीआर के आयन स्रोत के पैरामीटर सेटिंग्स का उपयोग करें-तोफ-MS में चित्र 5 में दिखाया गया सॉफ्टवेयर पीटीआर-प्रबंधक. TofDAQ व्यूअर सॉफ़्टवेयर में ड्रॉप-डाउन मेनू प्राप्ति तक पहुँचकर और फिर प्रारंभदबाकर डेटा प्राप्ति प्रारंभ करें. इस सॉफ्टवेयर के माध्यम से प्रत्येक आयन के समय श्रृंखला रिकॉर्ड.

5. प्रयोग और बैग की सफाई का अंत

  1. गैस चरण के पुरोगामी और एयरोसोल बीज कणों के इंजेक्शन बंद करो ।
  2. कई दिनों के लिए लगातार ४० एल पर शुद्ध हवा इंजेक्शन ∙ मिन-1 बैग में । सभी पराबैंगनी रोशनी चालू करें । ६०० ppb के लिए ओजोन एकाग्रता सेट और ४० डिग्री सेल्सियस के लिए तापमान निर्धारित किया है । इस तरह, एक आक्रामक ऑक्सीकरण वातावरण कई दिनों के लिए बैग साफ़ करने के लिए बनाए रखा है । जब कक्ष के अंदर कणों की संख्या एकाग्रता से कम ०.२ सेमी-3 है, चैंबर साफ माना जाता है और अगले प्रयोग के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

Representative Results

एक प्रयोग के दौरान HR-तोफ-एंस द्वारा दर्ज कार्बनिक जन एकाग्रता की समय श्रृंखला का एक उदाहरण चित्रा 6में दिखाया गया है । प्रायोगिक शर्तों यूवी रोशनी के साथ आइसोप्रीन के ४९० ppb थे के लिए ऑक्सीडेंट के रूप में कट्टरपंथी प्रदान करते हैं । कार्बनिक पीएम के जन एकाग्रता लगातार प्रयोग की शुरुआत के बाद जब तक के बारे में 4 एच स्थिर राज्य तक पहुंच गया था वृद्धि हुई । गैस चरण कार्बनिक यौगिकों के विकास के साथ-साथ PTR-तोफ-सुश्री चित्रा 7 का उपयोग कर अध्ययन किया गया था सी4ज6ओ+ संकेत तीव्रता के समय श्रृंखला से पता चलता है एक ही प्रयोग है, जो प्रमुख आइसोप्रीन से उठता है के तहत ऑक्सीकरण उत्पाद (जैसे, मिथाइल vinyl कीटोंन, methacrolein, और कई कार्बनिक hydroperoxides) । रोशनी के बाद शुरू किया गया था, सी4ज6O+ संकेत तीव्रता वृद्धि हुई है और जब तक स्थिर राज्य ५० मिनट के बाद पहुंच गया था तो कर रही है ।

आंकड़े एचईसी में माध्यमिक कार्बनिक पदार्थ के समय विकास उदाहरण देकर स्पष्ट करना । इंजेक्शन के बाद, प्रतिक्रिया, और स्थिर राज्य को स्पिन, एंस के आंकड़ों से संकेत मिलता है कि कणों कार्बनिक यौगिकों से बना रहे हैं, और कार्बनिक घटकों की एकाग्रता समय के साथ बढ़ जाती है । PTR-MS डेटा दिखाता है कि पैरेंट प्रणेता गैस चरण से खो गया है और पहली पीढ़ी के उत्पाद प्रजातियों प्रकट प्रतिक्रिया के बाद शुरू की है । ऑनलाइन और ऑफलाइन माप के डेटा विश्लेषण आमतौर पर स्थिर राज्य अवधि पर ध्यान केंद्रित । वहां के लिए प्रयोग है कि दिन की आवश्यकता खत्म करने का आयोजन करने का अवसर है क्योंकि गैस और कण चरण प्रजातियों की सांद्रता महत्वपूर्ण चैंबर मापदंडों पर प्रतिक्रिया नियंत्रण के साथ CMFR आपरेशन के उपयोग के द्वारा अनिश्चित काल के स्थिर रहते हैं । संक्षेप में, एचईसी का उपयोग वायुमंडलीय रसायन का अनुकरण करने के लिए किया जाता है और इस प्रकार वायु प्रदूषण को समझने के लिए संबंधित महत्वपूर्ण विषयों पर परिकल्पना और समझ, कणों के जलवायु प्रभावों, और एयरोसोल्स के स्वास्थ्य के प्रभाव का भी परीक्षण करती है ।

Figure 1
चित्रा 1 . हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर (एचईसी) का एक योजनाबद्ध प्रवाह आरेख. लाइनों एयरोसोल प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं । वाम पैनलों प्रतिक्रिया की स्थिति पर नजर रखने के लिए इस्तेमाल उपकरणों को दिखाते हैं । सही पैनलों उन उपकरणों कण और गैस चरण प्रजातियों की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया सूची । यह आंकड़ा किंग एट अल से अनुकूलित है । 26 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए । 

Figure 2
चित्रा 2 . स्व-विकसित कार्यक्रम के लिए ग्राफिकल यूजर इंटरफेस तापमान, ओजोन, सापेक्षिक आर्द्रता, और दबाव, अन्य प्रजातियों के बीच की निगरानी करने के लिए इस्तेमाल किया. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3 . एक एसएमपीएस का उपयोग कर संख्या व्यास वितरण रिकॉर्ड करने के लिए इस्तेमाल किया सॉफ्टवेयर के ग्राफिकल यूजर इंटरफेस । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 . सॉफ्टवेयर के ग्राफिकल यूजर इंटरफेस एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर संचालित करने के लिए । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5 . सॉफ्टवेयर के ग्राफिकल यूजर इंटरफेस प्रोटॉन-हस्तांतरण-प्रतिक्रिया मास स्पेक्ट्रोमीटर (PTR-MS) को नियंत्रित करने के लिए कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6 . उदाहरण के लिए कार्बनिक प्रधानमंत्री, के रूप में एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर द्वारा विशेषता के लिए माप । लाल लाइन कार्बनिक आयनों के लिए कुल संकेत तीव्रता का प्रतिनिधित्व करता है । दिखाया डेटा शीघ्र ही आइसोप्रीन के बाद इंजेक्शन और पराबैंगनी रोशनी शुरू करने के लिए अनुरूप है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्र 7 . सी 4 एच 6 ओ+ आयन, आइसोप्रीन फोटो ऑक्सीकरण माप का एक प्रमुख उत्पाद के संकेत तीव्रता का एक उदाहरण प्रोटॉन-हस्तांतरण-प्रतिक्रिया मास स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा है। संकेत तीव्रता रोशनी के बाद 8 मिनट बढ़ाने के लिए और ५० मिनट पर स्थिर राज्य तक पहुंच गया । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

गठन और कार्बनिक एयरोसोल्स के विकास को समझने में बढ़ती महत्व के लिए एक अच्छी तरह से नियंत्रित सेटिंग में ऐसी प्रक्रियाओं अनुकरण करने के लिए पर्यावरण मंडलों का निर्माण करने के लिए आग्रह करता है की ओर जाता है । वर्तमान में, पर्यावरण मंडलों के अधिकांश बैच रिएक्टर मोड19,31,३२,३३,३४ पर आधारित है, जबकि वहां बहुत कुछ कक्षों है कि लगातार मिश्रण का उपयोग किया गया है रिएक्टर मोड15,३५। लगातार प्रवाह रिएक्टर मोड में पर्यावरण चैंबर ऑपरेटिंग दिन या परिवेश में भी सप्ताह के लिए सतत एयरोसोल नमूना की सुविधा प्रदान करता है-सांद्रता की तरह । यह ध्यान देने योग्य है कि परिवेश की स्थिति बहुत अच्छी तरह से नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग्स से अधिक जटिल है लायक है । उदाहरण के लिए, परिवेश के तापमान में उतार चढ़ाव है, जबकि चैंबर में यह एक स्थिर मूल्य पर बनाए रखा है । गैसों और चैंबर में कणों की प्रतिक्रिया समय नियंत्रित और चैंबर के निवास द्वारा सीमित हो जाएगा, बल्कि वास्तविक दुनिया में प्रतिक्रिया समय के दिनों तक पहुँचने से । blacklights के बजाय प्राकृतिक सौर विकिरण के उपयोग, भी ओह कण उत्पंन कर सकते है और परिवेश में प्रतिक्रियाओं अनुकरण । लेकिन blacklight कई बार ओह radicles के ऊपर एकाग्रता के लिए नेतृत्व कर सकते है परिवेश वातावरण है, जो कार्बनिक अणुओं के ऑक्सीकरण राज्य को प्रभावित कर सकते है और ध्यान से जांच की जरूरत में उन लोगों के साथ तुलना में । हालांकि, केवल एक या दो चर ट्यूनिंग और पर्यावरण चैंबर के माध्यम से अन्य सभी चर को नियंत्रित करने से, हम व्यवस्थित इन रासायनिक/शारीरिक प्रक्रियाओं का अध्ययन कर सकते हैं ।

लगातार मिश्रण मंडलों के संचालन में महत्वपूर्ण कदम से एक एक इष्टतम रेंज के भीतर चैंबर के आंतरिक दबाव रखने के लिए है । कक्ष के भीतर एक उच्च दबाव गैसों और कणों के चैंबर से लीक होने का कारण होगा, जबकि चैंबर के भीतर एक कम दबाव कक्ष में प्रयोगशाला से हवा और कणों चूसना और प्रदूषण के कारण होगा । एक दबाव नापने का यंत्र के लिए सुरक्षित मूल्यों के भीतर चैंबर के दबाव (< 5 Pa) प्रयोगों के दौरान निगरानी की जरूरत है । पर्यावरण चैंबर के लिए एक और आम मनाया मुद्दा अप्रत्याशित कार्बनिक कण स्वयं nucleation है । या तो एक कम VOC/ऑक्सीडेंट इंजेक्शन दर या उच्चतर बीज कण एकाग्रता इस घटना से बचने के लिए आवश्यक है । प्रयोगों के प्रयोजन पर निर्भर करता है, ओजोन की सांद्रता, VOC, और बीज कणों परिमाण के एक आदेश के द्वारा भिन्न हो सकते हैं. निंनलिखित समीकरण प्रवाह की दर, एफइंजेक्शनकी गणना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, प्रत्येक प्रजातियों के चैंबर में इंजेक्शन ।

Equation 11

जहां सीलक्ष्य और सीप्रारंभिक प्रत्येक कक्ष के अंदर प्रतिक्रिया के अंतिम लक्ष्य एकाग्रता प्रतिनिधित्व करते है और प्रतिक्रिया है कि स्रोत से उत्पंन होता है की प्रारंभिक एकाग्रता । प्रतीक एफकुल सभी प्रजातियों कि चैंबर में इंजेक्शन थे की कुल प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं ।

सफलतापूर्वक पर्यावरण चैंबर संचालन और परिणाम प्राप्त करने के लिए तीसरे महत्वपूर्ण कदम के प्रयोगों से पहले प्रत्येक उपकरण जांचना है । एसएमपीएस प्रणाली पीएसएल कणों३६के ज्ञात आकार इंजेक्शन द्वारा नपे किया जा सकता है । कोईएक्स और ओजोन विश्लेषक एक 5 पीपीएम कोई एन2द्वारा पतला सिलेंडर का उपयोग करके तुले हैं, और 10 एन2, क्रमशः26द्वारा पतला ओजोन के पीपीएम । एंस के लिए अंशांकन प्रक्रियाओं और PTR-MS जटिल है और साधन नियमावली या पिछले साहित्य में पाया जा सकता है27,३७।

पर्यावरण चैंबर सेटअप ऊपर वर्णित केवल उत्पादन और कार्बनिक एयरोसोल्स के विकास के अध्ययन के लिए उपयुक्त नहीं है, लेकिन यह भी कार्बनिक कोटिंग के साथ विभिंन कणों कोटिंग के रूप में गैस इंजेक्शन द्वारा गैस चरण प्रतिक्रियाओं की जांच के रूप में अच्छी तरह से लागू पुरोगामी फक्त. इन कई दिशाओं पर्यावरण चैंबर अनुसंधान हवा की गुणवत्ता, जलवायु परिवर्तन से संबंधित क्षेत्रों की एक किस्म का अध्ययन करने में लचीलापन प्रदान करते हैं, और मानव स्वास्थ्य विषयों ।

Disclosures

लेखक कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हितों की घोषणा ।

Acknowledgments

यह सामग्री अमेरिकी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) के रसायन विज्ञान के प्रभाग में पर्यावरण रासायनिक विज्ञान कार्यक्रम द्वारा समर्थित काम पर आधारित है अनुदान संख्या ११११४१८ के तहत, वायुमंडलीय-भूविज्ञान अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान प्रभाग फाउंडेशन (NSF) के तहत अनुदान संख्या १५२४७३१, साथ ही हार्वर्ड संकाय प्रकाशन पुरस्कार. हम Pengfei लियू, क्वी चेन, और Mikinori Kuwata उपयोगी विचार विमर्श और प्रयोगों के साथ सहायता के लिए स्वीकार करते हैं, साथ ही एरिक Etcovitch के लिए वीडियो के voiceover जा रहा है ।

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 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, 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, 389-430 (1992).
  3. Seinfeld, J. H., Pandis, S. N. Atmospheric Chemistry and Physics: from air pollution to climate change. , John Wiley, Sons. (2006).
  4. Zaveri, R. A., Easter, R. C., Shilling, J. E., Seinfeld, J. H. Modeling kinetic partitioning of secondary organic aerosol and size distribution dynamics: representing effects of volatility, phase state, and particle-phase reaction. Atmospheric Chemistry and Physics. , 5153-5181 (2014).
  5. Shiraiwa, M., Berkemeier, T., Schilling-Fahnestock, K. A., Seinfeld, J. H., Pöschl, U. Molecular corridors and kinetic regimes in the multiphase chemical evolution of secondary organic aerosol. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 8323-8341 (2014).
  6. Ziemann, P. J., Atkinson, R. Kinetics, products, and mechanisms of secondary organic aerosol formation. Chemical Society Reviews. 41, 6582-6605 (2012).
  7. Chen, Q., Liu, Y., Donahue, N. M., Shilling, J. E., Martin, S. T. Particle-Phase Chemistry of Secondary Organic Material: Modeled Compared to Measured O:C and H:C Elemental Ratios Provide Constraints. Environmental Science and Technology. 45, 4763-4770 (2011).
  8. Liu, P., et al. Highly Viscous States Affect the Browning of Atmospheric Organic Particulate Matter. ACS Central Science. 4 (2), 207-215 (2018).
  9. Jimenez, J. L., et al. Evolution of organic aerosols in the atmosphere. Science. 326, 1525-1529 (2009).
  10. Goldstein, A. H., Galbally, I. E. Known and unexplored organic constituents in the earth's atmosphere. Environmental Science and Technology. 41, 1514-1521 (2007).
  11. Martin, S. T., et al. Sources and properties of Amazonian aerosol particles. Review of Geophysics. 48, RG2002 (2010).
  12. Zhang, H., Surratt, J. D., Lin, Y. H., Bapat, J., Kamens, R. M. Effect of relative humidity on SOA formation from isoprene/NO photooxidation: enhancement of 2-methylglyceric acid and its corresponding oligoesters under dry conditions. Atmospheric Chemistry and Physics. 11, 6411-6424 (2011).
  13. Rohrer, F., et al. Characterisation of the photolytic HONO-source in the atmosphere simulation chamber SAPHIR. Atmospheric Chemistry and Physics. 5, 2189-2201 (2005).
  14. Cocker, D. R., Flagan, R. C., Seinfeld, J. H. State-of-the-art chamber facility for studying atmospheric aerosol chemistry. Environmental Science and Technology. 35, 2594-2601 (2001).
  15. Shilling, J. E., et al. Loading-dependent elemental composition of α-pinene SOA particles. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 771-782 (2009).
  16. Presto, A. A., Huff Hartz, K. E., Donahue, N. M. Secondary organic aerosol production from terpene ozonolysis. 1. effect of UV radiation. Environmental Science and Technology. 39, 7036-7045 (2005).
  17. Epstein, S. A., Blair, S. L., Nizkorodov, S. A. Direct photolysis of α-pinene ozonolysis secondary organic aerosol: effect on particle mass and peroxide content. Environmental Science and Technology. 48, 11251-11258 (2014).
  18. Boyd, C. M., et al. Secondary organic aerosol formation from the β-pinene+NO3 system: effect of humidity and peroxy radical fate. Atmospheric Chemistry and Physics. 15, 7497-7522 (2015).
  19. Xu, L., Kollman, M. S., Song, C., Shilling, J. E., Ng, N. L. Effects of NOx on the volatility of secondary organic aerosol from isoprene photooxidation. Environmental Science and Technology. 48, 2253-2262 (2014).
  20. Loza, C. L., et al. Characterization of vapor wall loss in laboratory chambers. Environmental Science and Technology. 44, 5074-5078 (2010).
  21. Lin, Y. H., et al. Isoprene epoxydiols as precursors to secondary organic aerosol formation: acid-catalyzed reactive uptake studies with authentic compounds. Environmental Science and Technology. 46, 250-258 (2012).
  22. Martin, S. T., Kuwata, M., Smith, M. L. An analytic equation for the volume fraction of condensationally grown mixed particles and applications to secondary organic material produced in continuously mixed flow reactors. Aerosol Science and Technology. 48, 803-812 (2014).
  23. Bateman, A. P., Bertram, A. K., Martin, S. T. Hygroscopic Influence on the Semisolid-to-Liquid Transition of Secondary Organic Materials. Journal of Physical Chemistry A. 119, 4386-4395 (2015).
  24. Shilling, J. E., King, S. M., Mochida, M., Worsnop, D. R., Martin, S. T. Mass spectral evidence that small changes in composition caused by oxidative aging processes alter aerosol CCN properties. The Journal of Physical Chemistry A. 111, 3358-3368 (2007).
  25. Smith, M. L., Kuwata, M., Martin, S. T. Secondary Organic Material Produced by the Dark Ozonolysis of alpha-Pinene Minimally Affects the Deliquescence and Efflorescence of Ammonium Sulfate. Aerosol Science and Technology. 45, 244-261 (2011).
  26. King, S. M., Rosenoern, T., Shilling, J. E., Chen, Q., Martin, S. T. Increased cloud activation potential of secondary organic aerosol for atmospheric mass loadings. Atmospheric Chemistry and Physics. 9, 2959-2971 (2009).
  27. Shilling, J. E., et al. Particle mass yield in secondary organic aerosol formed by the dark ozonolysis of α-pinene. Atmospheric Chemistry and Physics. 8, 2073-2088 (2008).
  28. Nguyen, T. K. V., et al. Trends in particle-phase liquid water during the Southern Oxidant and Aerosol Study. Atmospheric Chemistry and Physics. 14, 10911-10930 (2014).
  29. Nah, T., McVay, R. C., Pierce, J. R., Seinfeld, J. H., Ng, N. L. Constraining uncertainties in particle-wall deposition correction during SOA formation in chamber experiments. Atmospheric Chemistry and Physics. 17, 2297-2310 (2017).
  30. Reineking, A., Porstendörfer, J. Measurements of Particle Loss Functions in a Differential Mobility Analyzer (TSI, Model 3071) for Different Flow Rates. Aerosol Science and Technology. 5, 483-486 (1986).
  31. Kroll, J. H., Seinfeld, J. H. Chemistry of secondary organic aerosol: Formation and evolution of low-volatility organics in the atmosphere. Atmospheric Environment. 42, 3593-3624 (2008).
  32. Surratt, J. D., et al. Reactive intermediates revealed in secondary organic aerosol formation from isoprene. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 107, 6640-6645 (2010).
  33. Surratt, J. D., et al. Effect of Acidity on Secondary Organic Aerosol Formation from Isoprene. Environmental Science and Technology. 41, 5363-5369 (2007).
  34. Isaacman-VanWertz, G., et al. Chemical evolution of atmospheric organic carbon over multiple generations of oxidation. Nature Chemistry. 10, 462-468 (2018).
  35. Docherty, K. S., et al. Trends in the oxidation and relative volatility of chamber-generated secondary organic aerosol. Aerosol Science and Technology. , 1-13 (2018).
  36. Wiedensohler, A., et al. Mobility particle size spectrometers: Calibration procedures and measurement uncertainties. Aerosol Science and Technology. 52, 146-164 (2018).
  37. Warneke, C., de Gouw, J. A., Kuster, W. C., Goldan, P. D., Fall, R. Validation of Atmospheric VOC Measurements by Proton-Transfer- Reaction Mass Spectrometry Using a Gas-Chromatographic Preseparation Method. Environmental Science and Technology. 37, 2494-2501 (2003).

Tags

पर्यावरण विज्ञान १४१ अंक पर्यावरण चैंबर बात कण (प्रधानमंत्री) माध्यमिक कार्बनिक सामग्री (सोम) माध्यमिक कार्बनिक एयरोसोल (SOA) एयरोसोल मास स्पेक्ट्रोमीटर (एंस) प्रोटॉन स्थानांतरण प्रतिक्रिया मास स्पेक्ट्रोमीटर (PTR-MS)
उत्पादन और हार्वर्ड पर्यावरण चैंबर में कार्बनिक कण बात की माप
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhang, Y., Gong, Z., Sa, S. d.,… More

Zhang, Y., Gong, Z., Sa, S. d., Bateman, A. P., Liu, Y., Li, Y., Geiger, F. M., Martin, S. T. Production and Measurement of Organic Particulate Matter in the Harvard Environmental Chamber. J. Vis. Exp. (141), e55685, doi:10.3791/55685 (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