In deze paper worden operatie procedures beschreven voor het Harvard milieu kamer (HEC) en verwante instrumentatie voor het meten van verontreinigende gassen en deeltjes soorten. Het milieu expositiekamer gebruik wordt gemaakt om te produceren en secundaire organische soorten geproduceerd uit de organische precursoren, vooral met betrekking tot sfeervolle organische deeltjes te bestuderen.
De productie en de evolutie van de atmosferische organische deeltjes (PM) zijn onvoldoende begrepen voor nauwkeurige simulaties van atmosferische chemie en klimaat. De complexe productie-mechanismen en de reactie trajecten maken dit een uitdagende onderzoeksonderwerp. Om deze kwesties te behandelen, is een milieu kamer, voldoende verblijftijd en sluiten-aan-de concentraties van precursoren te voorzien van secundaire organische materialen, nodig. De Harvard milieu kamer (HEC) werd gebouwd om te dienen deze behoefte, simuleren de productie van gas en deeltjes fase soorten van vluchtige organische stoffen (VOS). De HEC heeft een volume van 4,7 m3 en een gemiddelde verblijftijd van 3.4 h onder normale bedrijfsomstandigheden. Het wordt beheerd als een volledig gemengde stroom reactor (CMFR), met de mogelijkheid van onbepaalde steady-state operatie over dagen voor monster collectie en data analyse. De operatie procedures worden beschreven in dit artikel in detail. Verschillende soorten instrumentatie worden gebruikt voor het karakteriseren van de geproduceerde gas en deeltjes. Een hoge resolutie tijd-voor-strijd Aerosol massa Spectrometer (HR-ToF-AMS) wordt gebruikt voor het karakteriseren van deeltjes. Een Proton-overdracht-reactie massa Spectrometer (PTR-MS) wordt gebruikt voor gasvormige analyse. Voorbeeld resultaten worden gepresenteerd om aan te tonen het gebruik van het milieu kamer in een breed scala aan toepassingen in verband met de fysisch-chemische eigenschappen en reactiemechanismen van organische atmosferische zwevende deeltjes.
Atmosferische organische deeltjes (PM) wordt geproduceerd door de oxidatie van vluchtige organische stoffen (VOS) wordt uitgestraald door de biosfeer en de antropogene activiteiten1,2. Ondanks de belangrijke gevolgen van deze deeltjes op klimaat, gezondheid van de mens, en zichtbaarheid3, de mechanismen van de productie onvolledig blijft aërosol begrepen en gekenmerkt, zowel kwalitatief en kwantitatief. Een uitdaging voor laboratoriumonderzoek, die noodzakelijkerwijs beperkt en tijd, is om de atmosferische evolutie van gas en deeltjes fase soorten simuleren. Residentie keer moet lang genoeg dat de verbindingen in zowel gas en deeltjes fasen oxidatie en multifase reactie kunnen ondergaan als in ambient omgevingen4,5,6,7, 8. Een andere uitdaging is om te werken in het laboratorium bij concentraties voldoende laag die vertegenwoordigen de omgevingstemperatuur milieu9,10,11. Vele belangrijke processen schaal met concentraties. Te hoge massaconcentratie van organische PM in een laboratorium experiment kan bijvoorbeeld ten onrechte verschuiven het partitioneren van halfvluchtig soorten van de gasfase tot de fase van de deeltjes. De samenstelling van het gas en deeltjes fasen kan worden niet-representatieve van atmosferische omstandigheden. De Harvard milieu kamer werd ontworpen om te reageren op deze uitdagingen, vooral met behulp van de aanpak van de configuratie van een continue stroom geëxploiteerd onder een onbepaalde tijdschaal, waardoor lage concentraties en lange integratie tijden voor signaal detectie. Het Parlement viert de verjaardag van een mijlpaal van twaalf jaar van wetenschappelijke ontdekking in 2018.
Milieu chambers afhankelijk van de lichtbron, de stroom systeem, de grootte en het aantal kamers die samen te mengen. Er zijn buiten kamers die ontvangen van natuurlijk zonlicht12,13 , evenals indoor kamer die werken met kunstmatig licht14,15,16,17,18 ,19,20,21. Buiten kamers kunnen ook worden gebouwd relatief grote, minimaliseren artefacten die kunnen worden ingevoerd door muur effecten, hoewel uitdagingen de variatie van de verlichtingssterkte vanwege wolken evenals variantie in temperatuur omvatten. Hoewel binnen kamers zorgvuldig temperatuur en relatieve vochtigheid kunt, zijn de intensiteit en het spectrum van het kunstlicht over het algemeen anders dan het natuurlijke zonlicht, die gevolgen voor bepaalde photochemische reacties14 hebben kan. Kamers kunnen ook worden bediend als batch reactoren of volledig gemengde stroom reactoren (CMFR)22. Batch reactoren zijn over het algemeen gemakkelijker te bedienen en te onderhouden, maar CMFR kan worden bediend voor weken, zo nodig, mogelijk te maken voor Signaalintegratie en daardoor werken bij lage, atmosferisch relevante concentraties.
Hierin, worden de hardware en de werking van de Harvard milieu kamer (HEC)7,23,24,25 in detail beschreven. De HEC bestaat uit een 4.7 m3 PFA Teflon zak gehuisvest in een kamer met constante temperatuur (2,5 × 2,5 × 2,75 m3)26. Reflecterende aluminium bladen hebben betrekking op de binnenmuren van de kamer aan multipath verlichting toestaan via de zak en daardoor het tempo van de fotochemie. De HEC wordt beheerd als een CMFR, met behulp van een totale debiet van 21 sLpm en overeenkomt met een gemiddelde verblijftijd van 3.4 h27. Temperatuur, vochtigheid en ozonconcentratie worden onderhouden door feedback besturingselementen. Ammoniumsulfaat deeltjes worden gebruikt als zaad deeltjes na te bootsen de condensatie van organische componenten op anorganische deeltjes in het omringende milieu. De diameter van de modus van de anorganische sulfaat deeltjes is geselecteerd om te worden 100-200 nm te simuleren de deeltjesgrootte gemeten in het veld28. Operatie procedures worden beschreven in de sectie van protocol hierin, met inbegrip van een visuele presentatie, gevolgd door een korte bespreking van toepassingen en resultaten van het onderzoek van de HEC.
Het toenemend belang bij het begrijpen van de vorming en evolutie van organische aërosolen leidt tot de drang om te bouwen milieu kamers te simuleren van dergelijke processen in een goed gecontroleerde omgeving. Op dit moment, zijn allermeest naar de milieu kamers gebaseerd op batch reactor modus19,31,32,33,34 terwijl zijn er zeer weinig kamers die gebruik maken van continu mengen reactor modus15,35. Exploitatie van het milieu kamer in continu stroom reactor modus biedt het gemak van continue aërosol bemonstering voor dagen of zelfs weken bij ambient-achtige concentraties. Het is vermeldenswaard dat de omgevingsomstandigheden veel complexer dan de instellingen goed gecontroleerde laboratorium zijn. Bijvoorbeeld, schommelt de temperatuur van ambient terwijl in de zaal wordt het onderhouden op een constante waarde. De reactietijd van de gassen en deeltjes in de zaal zal worden gecontroleerd en beperkt door de residentie van de kamer, in plaats van bereiken dagen van reactietijd in de echte wereld. Het gebruik van blacklights, in plaats van natuurlijke zonnestraling, kunt ook genereren OH radicalen en simuleren van de reacties in de omgevingstemperatuur. Maar blacklight soms kan leiden tot verhoogde concentratie van OH radicles vergeleken met die van het omringende milieu, die invloed kan hebben op de staat van de oxidatie van de organische moleculen en moet zorgvuldig worden onderzocht. Echter door afstemming van slechts een of twee variabelen en de controle van alle andere variabelen door milieu kamer, kunnen wij deze chemische/fysische processen systematisch bestuderen.
Een van de kritische stappen operationele continu mengen chambers is te houden van de inwendige druk van de kamer binnen een optimaal bereik. Een hoge druk in de zaal zal veroorzaken lekken van de gassen en deeltjes uit de zaal, terwijl een lage druk binnen de zaal zal lucht en deeltjes van het laboratorium in de kamer zuigen en verontreiniging veroorzaken. Een manometer is nodig om te controleren de druk van de kamer binnen de veilige waarden (< 5 Pa) in de loop van de experimenten. Een ander gemeenschappelijk waargenomen probleem voor het milieu kamer is zelf nucleatie van onverwachte organische deeltjes. Een lager tarief van de VOC/oxidant injectie of een hogere zaad deeltje concentratie is nodig om te voorkomen dat dit fenomeen. Afhankelijk van het doel van de experimenten, kunnen de concentraties van ozon, VOC en zaad deeltjes variëren van een orde van grootte. De volgende vergelijking kan worden gebruikt voor het berekenen van het debiet, finjectie, van elke soort geïnjecteerd in de kamer.
(1)
waar c–doel en cinitiële elke vertegenwoordigen het einddoel-concentratie van de reactieve binnen de kamer en de beginconcentratie van het reactieve die is gegenereerd op basis van de bron. Het symbool ftotaal vertegenwoordigen de totale stroom van alle soorten die werden geïnjecteerd in de kamer.
De derde kritieke stap voor succesvol opereren het milieu kamer en het verkrijgen van de resultaten is het kalibreren van elk instrument voor de experimenten. Het systeem van exploitanten met AMM kan worden gekalibreerd door het injecteren van bekende grootte van de PSL deeltjes36. De NO-analysator voorx en ozon zijn gekalibreerd met behulp van een 5 ppm geen cilinder verdund door N2en 10 ppm van ozon verdund door N2, respectievelijk26. De kalibratie procedures voor AMS en PTR-MS zijn ingewikkeld en kunnen worden gevonden in instrument handleidingen of vorige literaturen27,37.
De opstelling van de milieu kamer hierboven beschreven is niet alleen geschikt voor het bestuderen van de productie en de evolutie van organische aërosolen, maar ook van toepassing in de coating van de verschillende deeltjes met organische coating, evenals behandeling van gas fase reacties door het injecteren van gas precursoren alleen. Deze meerdere richtingen bieden milieu kamer de flexibiliteit bij het bestuderen van allerlei onderzoeksgebieden aan de kwaliteit van de lucht, klimaatverandering en menselijke gezondheidsonderwerpen gerelateerde.
The authors have nothing to disclose.
Dit materiaal is gebaseerd op werk gesteund door de chemische wetenschappen milieuprogramma in de afdeling van de chemie van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) subsidie onder nummer 1111418, de atmosferische-Geowetenschappen-divisie van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) subsidie onder nummer 1524731, evenals Harvard faculteit publicatie Award. Wij erkennen Pengfei Liu, Qi Chen, Mikinori Kuwata voor nuttige discussies en hulp bij de experimenten, alsmede Eric Etcovitch voor de Voice-over van de video.
(-)-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 |