フィールド非対称イオン移動度分析法を用いた室内空気レベルの濃度で 2-プロパノールの光酸化反応の分析

Chemistry
JoVE Journal
Chemistry
AccessviaTrial
 

Summary

2-プロパノールの説明など室内空気濃度 (ppb) モデル揮発性有機炭素の分解に光触媒の効果を決定するためのプロトコル。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Ireland, C. P., Coto, M., Brown, L., Paris, R., Ducati, C. Analyzing the Photo-oxidation of 2-propanol at Indoor Air Level Concentrations Using Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. J. Vis. Exp. (136), e54209, doi:10.3791/54209 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

基づく二酸化チタン触媒 VOC 2-プロパノールとこれを示す室内空気濃度 (ppb) 揮発性有機炭素 (揮発性有機化合物) を分解する光触媒の効果を決定するための汎用プロトコルを示す.プロトコルは、フィールド非対称イオン移動度分光法 (FAIMS) 継続的に識別し、2-プロパノール、ppb レベルでのアセトンなどの揮発性有機化合物の濃度を監視することができる分析ツールを活用します。FAIMS の連続性質により詳細な速度論的解析と長期的な反応、ガス ・ クロマトグラフィー、伝統的空気浄化特性に使用されるバッチ処理上重要な利点を提供します。FAIMS の光触媒空気清浄機の使用はごく最近初めて、使用されているし、次に示すプロトコル、代替の Voc ・光触媒と同等のプロトコルを使用してテストすることができる柔軟性を提供していますユニークです低濃度で光触媒空気浄化反応を明らかにするシステム。

Introduction

室内空気の質は、最近の最前線に来ています。おそらく驚くほど、室内の空気には、屋外の空気よりも高濃度の揮発性有機炭素 (Voc) の大きい数が含まれています。1住宅の家、職場、車、列車、航空機などの交通機関などの場所で屋内では、自分の時間の 80% を支出以上の人々 と空気質は本当の問題をすることができます。一般的な室内空気中の VOCs の多くは変異原性や発癌性、23をのでこれらの取り外し重要課題である健康と仕事を休んで時間を生産する「シックハウス症候群」の現象になるために特に.1空気浄化装置は、半導体、必ず酸化チタン (TiO2) 紫外線で活性化が光酸化プロセスによる VOC を低下、光触媒を含めることができます。光触媒水分解水素製造・汚染物質分解4,5,6,7; のアプリケーションとの研究の栽培面積は、します。空気清浄機は、このアプリケーションの8の実用化のため特にアクティブな領域です。ただし、屋内空気 (通常 ppb) に存在する濃度で揮発性有機化合物を検出するは困難です。光触媒反応の反応速度で次ラングミュア ヒンシュルウッド速度9、高濃度 Voc を分解で光触媒の効果は低濃度でその効果の代表ではないです。ここで述べる汎用性の高いシステムとフィールド非対称イオン移動度分光法 (FAIMS) を使用してそのような低濃度の Voc を分解で光触媒の効果を決定するためのプロトコルによる TiO2にこれを説明光触媒、およびモデル VOC 2-プロパノール。

電離ガスの流れ、FAIMS 分離し、大気圧1011,12さまざまな電場下における機動力に基づく化学イオンを識別します。Voc などの高プロトン親和性を持つ分子が分離し、部分十億の (ppb) 解像度あたりと ppb 濃度13FAIMS、によって検出に適して。同時に複数の voc 成分を継続的に監視が可能、光触媒空気浄化 VOC 汚染物質として使用を監視するための追加のように、テストで使用する理想的な分析です。FAIMS 検出することも中間体または光触媒反応から高プロトン親和性、重要な要件を持つ他の VOC 製品光触媒が有効であることと、分解が完了した場合、生成される Voc のいくつかはのような有毒かもしれないことを証明するのか低下して VOC よりさらに有毒な。

FAIMS のみ最近、光触媒空気浄化アプリケーション14初めて使用されています、FAIMS、ガスクロマトグラフィーに優れて示唆ではないが明らかにする強力な可能性を秘めている多彩な選択肢を提供しています空気浄化の勉強ツールです。ここで 2-プロパノールによる二酸化チタン光触媒による光酸化を含むプロトコルでこのテクニックを示します。室内の空気に 2-プロパノールを生成するには、レベル濃度浸透管は使用される15です。封印された PTFE パーミエーション チューブ内に含まれる VOC 密封され一定の流れの下で、両端に圧着する液体の VOC を含む PTFE 管から成る室内空気に匹敵する濃度で、一定の速度を拡散します。この流れが渡されます、フェルトを含む反応室にし、FAIMS アナライザーにアイデンティティと VOC の定量を決定ことができます。FAIMS により、2 - プロパノールに決定してのスペクトルのライブラリを介して濃度 VOCs、アセトンがライブラリとそのスペクトルの比較を通して決定など写真反応中に生成されたその他の Voc のアイデンティティを知っています。この手法の主な利点は、その柔軟性: 代替の Voc と触媒パーミエーション チューブや触媒を変更するだけをテストできます。

Protocol

1. VOC 浸透管とその普及率の定量の化粧

  1. 2-プロパノール浸透管の化粧
    注:汚染を避けるためには、このプロセスの間に手袋を着用します。
    注意: 2-プロパノールは可燃性と刺激。すべての開いた炎からこの手順を実行します。2-プロパノールを処理するときは、手袋を着用します。詳細については、2-プロパノールの MSDS を参照してください。
    1. 測定し、PTFE チューブの 14 cm 長さにカットします。
    2. シール、PTFE チューブと 2 cm 金属圧着で、カバーの端に PTFE ロッドの 2 cm の長さを挿入することによって、管の一方の端を圧着
    3. PTFE チューブを配置、ロッドと、圧着に圧着ツール、し、逆にこれを配置します。副をオンに締め、圧着と PTFE チューブをシールするためにできるだけ。
    4. ピペットの PTFE チューブの開口に 2-プロパノール、量 PTFE チューブが約 1/3 フル (約 3-4 mL)。
    5. 繰り返し 1.1.2 - 1.1.3 シールし、浸透管の開放端を圧着するには透過ソースが完了します。
  2. パーミエーション チューブ VOC の拡散速度の測定
    1. パーミエーション チューブの重量と時間の両方を指摘し、少なくとも 4 の小数点以下の桁数を校正のバランスを使用して重量を量る。
    2. 圧縮空気から供給 (理想的には医療用圧縮空気または同等)、接続チューブ (PTFE チューブ、内径の直径 1/8 0.063 で) のラインに圧力調整器。レギュレータから接続、250 mL GL45 ガラスのビンをねじ込み GL45 4 ポート コネクタのポートの 1 つに同じ直径の PTFE チューブを使用します。2 つのポートの遮断し PTFE チューブの長さを最終的なポートに接続し、ヒューム フードにこのアウトレットをガイドします。
    3. GL45 ガラス瓶にパーミエーション チューブを置き、2.5 L 分-1の流量で圧縮空気の定数の蒸気があることを確認します。また、システムを図 1 に示す、セクション 2.1 で説明としての希釈室にチューブを置きます。
    4. 特定の時間間隔で (例えば. 毎日) 体重測定 (1.2.1) と場所 (1.2.2) システムに戻るを繰り返します。重量の減少はバランスを使用して検出された場合増加パーミエーション チューブの重量を量る間の時間間隔 (e.g。 毎週、隔週)。拡散速度によってこの校正プロセスが数ヶ月の期間を取ることができることに注意してください。
    5. グラフの x 軸に分単位で時間とナノグラム (ng) の y 軸での質量損失の普及率。点の間の直線を描画します。直線の方程式 (y = mx + c)、直線の傾き (m) を決定します。これは ng 分-1の透過率です。

2. 光酸化反応

  1. 空と光酸化反応 (図 1) で使用するための装置のセットアップ
    1. チューブを接続 (PTFE チューブ、内径の直径 1/8 0.063 で) 圧縮空気からのラインへの供給圧力調整器。このことから、水分の一貫した低レベル入力セットアップを確保するための水分トラップを接続します。ここから、さらにきれいな圧縮空気スクラバーに PTFE チューブを接続します。
    2. 水分トラップまたはスクラバーから接続、透過チューブ (GL45、500 mL) を保持するために使用する希釈チャンバーになりますガラスのボトルに同じ直径の PTFE チューブを使用します。ガス タイトな接続を確保するには、スクリュー キャップ GL45 4 ポート コネクタ、シリコン シールとの完全な高速液体クロマトグラフィーを使用: 2 ポートのブロックし、接続がタイトなことを確認、他の 2 ポートの 1 つにスクラバーまたは moister トラップからチューブを接続します。高速液体クロマトグラフィー GL 45 スクリュー キャップを 500 mL 瓶にねじ込みます。
    3. 最終的なポートまたは hpcl ペ GL45 ねじキャップに PTFE チューブを接続し、2 番目の高速液体クロマトグラフィー GL45 4 ポート コネクタにこれ。2.1.2 と 2 つのポートをブロックします。反応チャンバーとして使用されるガラス瓶 (GL 45、250 mL) へこの HPLC FG45 スクリュー キャップのネジします。
    4. 高速液体クロマトグラフィー GL45 ねじキャップの最終的なポートに PTFE チューブを接続、FAIMS ガスアナライザーにチューブを接続、これからスウェージ ロックを使用して 1/8 ガス タイトなフィッティング。ガス分析計の外部ポートは、汚染検査作業領域に入らないようにヒューム フードに誘導されたを確認します。
    5. 反応室を移動して、商工会議所のセンターは、UV ランプから 15 センチメートル (e.g。 ピーク光子の放出波長 356 の 2 × 8 W チューブ ランプから成る UV ランプ nm)。
      注意:紫外線は目に危険です。ランプと原子炉は光への暴露を避けるために金属製のシールドに囲まれたことを確認します。
  2. 2-プロパノールの光酸化反応
    1. 希釈商工会議所上記の設定で 2 つ 2-プロパノール透過チューブ以前組み立て (1.1) を配置します。触媒を配置 (e.g。、二酸化チタンによるフェルト寸法 55 × 25 × 1 mm) の反応で、商工会議所、触媒、UV ランプを直面していることを確認。圧縮空気の流れを有効にし、ので流れは 2.5 L 分-1で、圧力は 1 つのバーを調整します。
    2. FAIMS 楽器を切り、2-プロパノールのイオン電流を見ることができるように楽器を設定します。FAIMS 楽器によって生成されているスペクトルの異なるイオンのピークを見ることができるので、RF 波形を増やす FAIMS デバイスの構成ソフトウェアを使用して。
    3. FAIMS デバイスの構成ソフトウェアを使用して、監視し、暗闇の中で触媒を期間、FAIMS によって生成されたスペクトルに見られる異なるイオン ピークから発せられる、現在のイオンを記録します。ピークは 2-プロパノール ・水されます。設定ポイントで (e.g。 一晩を残して後)、UV ランプを点灯、2-プロパノールと水のイオン電流に加えてアセトンなど中間揮発性有機化合物からの補助信号 FAIMS スペクトルを監視。システム ソフトウェアを使用して、増やすか中間のイオンから発せられる新しい信号を決定するための RF 波形を減らします。
      注意:原子炉や紫外線がランプが点灯する前に金属製のシールドで覆われたシールドが全体の UV 光反応全体に存在する両方を確認します。
    4. 設定ポイントで (e.g。 4 時間後)、UV ランプをオフにすると、2-プロパノールと追加のピーク FAIMS スペクトルを監視し続けます。

Representative Results

FAIMS ガスアナライザーは連続希釈室の 2 つの 2-プロパノール浸透管を利用した 2.2 で説明写真酸化反応の過程でイオン補償電圧対電流スペクトルを生成、酸化チタンによるフェルト反応室の光触媒。図 2 a にフェルトが、暗闇の中、フェルトは照らされたとき通常 FAIMS アナライザーによって生成スペクトルを示します。FAIMS 計測器でスペクトルを取得するには、計測器の RF 波形は最大の 64% に設定されます。この RF 波形値個別補償電圧 (cv)、FAIMS で検出器に到達ヒドロニウム イオン (クラスター水)、アセトン モノマー、FAIMS 楽器イオン化過程から形作ることができる 2-プロパノール モノマーとの離れているのでスペクトル。個々 のガスにだけ流れる、FAIMS システム スペクトルを決定するため使用することができます、各補正値ガス16。スペクトル補償電圧-2.15 V ピークはヒドロニウム イオン、空気中の水分がイオン化され形成される水クラスター イオン。-0.14 V の cv のピークは 2-プロパノール14のことです。イオン電流は 2-プロパノール濃度と拡散率 (1.2) を使用して、2-プロパノール、FAIMS を入力の濃度は決定できるに直接比例します。同様に、アセトンと光酸化プロトコル全体の時間の関数として、最大の 64% に RF 波形で 2-プロパノールとスペクトルにおけるアセトンとして識別特定ピーク測定図 2b V.-1.44 の cv でイオン電流を発生します。セクション 2.2 で説明します。流れや湿度の微妙な変化は、肯定的または否定的にイオン電流ピーク cv 値をシフトの効果を持つことができます, CV 値 ± 0.2 V のピークの高さが使用されます。

2-プロパノール FAIMS アナライザーで、時間をかけて暗い増加反応室に入る量。2-プロパノールに入ると希釈室、2-プロパノール、2-プロパノール、FAIMS を入力の初期の少量の触媒の表面に吸着しました。時間続けて高いイオン電流が記録されていることを示す 2-プロパノールの多量、FAIMS に入ります。これは、フェルトの表面は 2-プロパノールで覆われている、したがって、触媒への吸着が減少していることを示唆しています。

原子炉チャンバーが点灯、2-プロパノール、FAIMS を入力の即時増加があります。これは、2-プロパノールの量、フェルトの表面からムレないかつ FAIMS アナライザーを入力することを意味します。同時に、以前アセトン、照明の下でフェルトがアセトンに 2-プロパノールを写真酸化を示すとして識別されているイオン cv-1.44 V、ピーク電流の増加があります。時間続けて、大幅、照明の初期の時点でレベルより下のレベルに 2-プロパノール減少量とアセトンが両方のイオン電流を約 3 時間の期間にわたって一貫した、検出され続けています。これは、2-プロパノールは一貫して写真酸化、アセトン、または二酸化炭素と水にされる意味します。2-プロパノールに吸着、表面は写真酸化及び製品脱着し、FAIMS、アセトンが記録されています。ライトをオフにすると後、は、アセトン イオン電流減少光酸化反応が停止していることを意味しながら 2-プロパノール イオン電流が増加します。

結果は、2-プロパノールと ppb 濃度の連続観測、アセトンの濃度の代表です。2-プロパノール電流を照射前に FAIMS と照明の下で定常状態 2-プロパノールの現在を比較すると、2-プロパノールの示す FAIMS を入力で大きく減少し、触媒の有効性を見ることができる、優れた光触媒。光触媒の効果のより良い評価その他の揮発性有機化合物のモニタリングできます。空気の浄化では、理想的には VOC が二酸化炭素と水に低下する必要があります。検出される他の化合物は、非効果的な触媒または悪い空気浄化戦略 (流量、光度、湿度) を示しています。FAIMS は光反応を監視したのでと触媒の有効性を実証し、空気浄化セットアップ。

Figure 1
図 1。原子炉セットアップします。FAIMS ガス分析器で使用するため開発された光触媒セットアップを示す図 (2.1 を参照してください)。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2。典型的な結果。(a) 代表的なスペクトルの RF 波形は、フェルトを含む反応が (灰色の線) 暗闇の中で最大の 64% にあり、それは、FAIMS プロデュース点灯 (緑の線)。(b) 補償電圧対イオン電流スペクトルからのピーク時、イオンの現在を示すグラフは、RF 波形は最大の 64 %2-プロパノールの光酸化反応中に生成2-プロパノール (赤い線)、アセトン (青線) 強調表示点灯反応を示します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

プロトコルでは、分解モデル VOC、2-プロパノール、紫外線照射下での動作を決定することによりチタン酸化物ベース触媒の有効性を決定するの効果的な方法について説明します。FAIMS を使用すると、2-プロパノールの量は、室内空気に匹敵する濃度での反応で生成される可能性が他の VOC 製品に加えて、反応全体で継続的に監視できます。この継続的な性質は、ガス ・ クロマトグラフィー、バッチ プロセスを使用して光触媒室内空気の浄化を監視する昔とは大きく違います。高価な機密の GC/MS システムは一般にそのような低濃度で揮発性有機化合物の濃度を決定するのに必要な写真酸化生成物の詳細な分析を一般的に光酸化製品のように処理します。吸着した活性炭製品とし、質量分析計にそれらを放出します。質量分析法、すべての製品を検出することができるが、FAIMS の制限は、高いプロトン親和性を持つ製品のみが認識されることです。FAIMS は低濃度揮発性有機化合物を決定するに優れていますが高濃度で飽和することができます室内空気濃度アプリケーション システムを制限します。FAIMS 作るシステムはガスクロマトグラフィーを光触媒反応への洞察力を達成するために制限されますを提供できる効果的なシンプルなツールをここで説明の利点。

ここで説明 FAIMS システム、医療グレードの空気が流ガスとして使用されます。とても敏感な FAIMS システムと空気の高品質グレードは分析する光酸化を可能に重要です。これにより、検出されたすべての製品写真酸化プロセスから。同様に、それはシステムに漏れがないことを確認する重要な大気は、通常濃度で揮発性有機化合物を含む、FAIMS、検出ことが可能。システムのセットアップに記載されている消耗品は、信頼性の高いシステムを提供、日の期間にわたって継続的な監視は指定されていない検出可能な Voc 触媒は添加しないときまたはパーミエーション チューブが存在。

透過用浴槽を単に、代替の VOC、エタノール、アセトン、トルエンなど、次のプロトコルを含むシステムは簡単です、それはまた非常に柔軟な - Voc の代替は、この方法でテストことができます、間。光触媒反応は多くの場合湿度を受けます。ここに開発されるシステムが低湿度の下で作動します。しかし、テストが可能で高い湿度は加湿器を導入、システムを購入します。によって使用される VOC、減少、FAIMS の感度がありますが、効果的なテストを遂行にすることができます。16

FAIMS の連続性質は、空気浄化の光触媒効果を判定するために使用されているガス ・ クロマトグラフィー上の優位性を強調表示します。16,17ガス ・ クロマトグラフィーを収集し、空気のサンプルを分析するバッチ プロセスを使用してください。FAIMS、連続本来バッチ ガスクロマトグラフィー法による解釈に挑戦することができる光触媒反応の速度論をより詳細に見てことができます。FAIMS のシンプルさは、別の利点です。複数の Voc FAIMS の複雑な分析を実施するためには、ガスクロマト グラフ、質量分析計、高価になることができます、追加の処理を必要とするリンクする必要があります。さらに、ガスクロマト グラフ、長期的反応を遂行する高価な自動化されたシステムになる必須、または労働集約的なサンプリング;これは、FAIMS とケースではありません。

FAIMS の連続性質はこれらの ppb の濃度で光触媒プロセスのより深い理解を得るために利用することができますガス ・ クロマトグラフィーに比べて大きな利点を提供しています。また、ここで示した簡単なセットアップは柔軟、代替触媒と光触媒プロセスの理解のさらなる向上と同等の条件の下でテストされる揮発性有機化合物。

Disclosures

著者ローレン ブラウンとラッセル パリ Owlstone ナノテクノロジー、この資料で使用されている FAIMS 解析装置を製造している会社の従業員であります。

Acknowledgments

著者は、ERC は、グラントの下で財政的な支援番号の 259619 写真 EM および許可番号 620298 写真空気 (概念実証) のために感謝しています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PTFE Tubing Sigma-Aldrich 58699 SUPELCO  L x OD x ID 50 ft x 1/8 in x 0063 in
In-line pressure regulator Sigma-Aldrich 23882 SUPELCO High purity version (outlet pressure 0-100 psi, 1/8 in stainless steel fittings
Moisture trap Sigma-Aldrich N9301193 70 ml 1/8 fittings
Screw Cap HPLC, GL 45 VWR 554-3002 4 ports complete with silicone seals
Duran GL 45 Glass Bottle Scientific Laboratory Supplies BOT5206 250 ml 
Duran GL 45 Glass Bottle Scientific Laboratory Supplies BOT5208 500 ml
Permeation tube making kit Owlstone Nanotechnology
2-propanol Fisher Scientific 10477070  Isopropanol, extra pure, SLR
Quartzel PCO Felt Saint Gobain
UVIlite  Lamp UVItec Limited LI-208BL
Swage Fittings Swagelok SS-202-1 / SS-200-SET
Lonestar Portable Analyzer Owlstone Nanotechnology

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, S. B., Ang, H. M., Tade, M. O. Volatile organic compounds in indoor environment and photocatalytic oxidation: State of the art. Environ. Int. 33, (5), 694-705 (2007).
  2. Shah, J. J., Singh, H. B. Distribution of Volatile Organic-Chemicals in Outdoor and Indoor Air - a National Vocs Data-Base. Environ. Sci. Technol. 22, (12), 1381-1388 (1988).
  3. Jones, A. P. Indoor air quality and health. Atmos. Environ. 33, (28), 4535-4564 (1999).
  4. Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W. Y., Bahnemann, D. W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. 95, (1), 69-96 (1995).
  5. Mills, A., LeHunte, S. An overview of semiconductor photocatalysis. J. Photochem. Photobiol., A. 108, (1), 1-35 (1997).
  6. Osterloh, F. E. Inorganic materials as catalysts for photochemical splitting of water. Chem. Mater. 20, (1), 35-54 (2008).
  7. Osterloh, F. E. Inorganic nanostructures for photoelectrochemical and photocatalytic water splitting. Chem. Soc. Rev. 42, (6), 2294-2320 (2013).
  8. Paz, Y. Application of TiO2 photocatalysis for air treatment: Patents' overview. Appl. Catal., B. 99, (3-4), 448-460 (2010).
  9. Herrmann, J. M. Photocatalysis fundamentals revisited to avoid several misconceptions. Appl. Catal., B. 99, (3-4), 461-468 (2010).
  10. Guevremont, R. High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: A new tool for mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 1058, (1-2), 3-19 (2004).
  11. Kolakowski, B. M., Mester, Z. Review of applications of high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) and differential mobility spectrometry (DMS). Analyst. 132, (9), 842-864 (2007).
  12. Kanu, A. B., Dwivedi, P., Tam, M., Matz, L., Hill, H. H. Ion mobility-mass spectrometry. J. Mass Spectrom. 43, (1), 1-22 (2008).
  13. Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry. FAIMS. Available from: http://www.owlstonenanotech.com/faims (2015).
  14. Ireland, C. P., Ducati, C. Investigating the photo-oxidation of model indoor air pollutants using field asymmetric ion mobility spectrometry. J. Photochem. Photobiol., A. 312, 1-7 (2015).
  15. Owlsteone Nanotech. Permeation Tubes and Diffusion Tubes. Available from: http://www.owlstonenanotech.com/calibration-gas-generator/permeation-tubes-and-diffusion-tubes (2015).
  16. Vildozo, D., Ferronato, C., Sleiman, M., Chovelon, J. M. Photocatalytic treatment of indoor air: Optimization of 2-propanol removal using a response surface methodology (RSM). Appl. Catal., B. 94, (3-4), 303-310 (2010).
  17. Vildozo, D., Portela, R., Ferronato, C., Chovelon, J. M. Photocatalytic oxidation of 2-propanol/toluene binary mixtures at indoor air concentration levels. Appl. Catal., B. 107, (3-4), 347-354 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics