Herstellung und Messung von organischen Partikeln in einem Flow Rohrreaktor

Durchflussrohrreaktoren werden gebaut, um die Produktionsprozesse von atmosphärischen organischen Partikeln nachzuahmen, und werden verwendet, um den Mechanismus, die Prozesse und die Charakterisierung der Partikel zu untersuchen. Der Vorteil eines Durchflussrohrreaktors ist, dass er die schnelle Synthese von Aerosolpartikeln über eine Vielzahl von Partikeln und Massenkonzentrationen ermöglicht. Für den hier vorgestellten Aufbau ist der Durchflussrohrreaktor mit einem beweglichen Injektor ausgestattet, der organische Partikel zu verschiedenen Zeitpunkten im Durchflussreaktor abtasten kann.

Die Partikel, die das Durchflussrohr verlassen, werden durch verschiedene Arten von Online- und Offline-Techniken analysiert, darunter ein Scanning-Mobilitätspartikel-Sizer und ein Aerosol-Partikelmassenspektrometer. Und wird auch auf Partikelfilter proben. Das Durchflussrohr ist eine geeignete Reaktorplattform für die Durchführung von Postanalyseexperimenten und schnelle Online- und Offline-Analysen der produzierten Partikel.

Atmosphärische Partikel waren Teil der Auswirkungen von Klima, menschlicher Gesundheit und Sichtbarkeit. Der Produktionsmechanismus für organische Partikel ist jedoch nach wie vor unzureichend charakterisiert und nicht klug. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, einen Durchflussrohrreaktor zu verwenden, um Laborstudien durchzuführen, die uns helfen, die Bildung und den Reaktionsmechanismus für organische Partikel zu verstehen.

Der Durchflussrohrreaktor besteht aus drei Teilen. Der erste Teil des Strömungsröhrenexperiments ist die Injektion von organischen Vorläufern. Das Injektionssystem besteht aus drei Elementen.

Eine Spritzenpumpe, eine Glasspritze und eine Drei-Lag-Glaslampe. Die organische Lösung wird kontinuierlich mit der Schleifpumpe in die Glasbirne injiziert, und dann verdampft sie. Dann wird der Dampf in das Durchflussrohr geschwappt, wo Reaktionen stattfinden, um eine Partikelpopulation zu erzeugen.

Der zweite Teil des Durchflussrohrreaktors besteht aus dem Durchflussrohr selbst und auch aus einem beweglichen Sampler. Der bewegliche Sampler kann die Verweilzeit der Partikel im Durchflussrohr von drei Sekunden bis 42 Sekunden steuern, hilft uns daher, den ätzenden Mechanismus für diese organischen Partikel zu untersuchen und uns auch dabei zu helfen, den Grobmechanismus zwischen Gerinnung und Kondensation zu wechseln. Der letzte Teil des Durchflussrohrreaktorsystems sind die Instrumente, die organische Partikel analysieren.

Wir haben den Scanning-Mobilitätspartikel-Sizer und den Aerosol-Partikelmassenanalysator, um die Anzahl der Massenkonzentrationen zu untersuchen und auch die Form der Partikel zu untersuchen, die aus dem Durchflussrohr kommen. Die Protokolle für die Durchführung des Durchflussröhrenexperiments sind unten dargestellt. Gasphaseninjektion des Durchflussrohrreaktors.

Je nach Zweck der Experimente kann eine breite Palette flüchtiger organischer Verbindungen als organischer Vorläufer für das Experiment verwendet werden. Alpha-Pinen wird hier als Beispiel für das Verfahren der Injektion des organischen Vorläufers in den Durchflussrohrreaktor verwendet. Verwenden Sie eine Mikropipette, um einen Milliliter Alpha-Pinen zurückzuziehen und dann die Flüssigkeit in einen fünfzig Milliliter Volumetrischen Kolben zu übertragen.

Verwenden Sie zwei Butanol, um den volumetrischen Kolben auf fünfzig Milliliter zu füllen, wodurch die Alpha-Pinen um ein Verhältnis von eins zu 49 verdünnen. Schütteln Sie den Volumetkolben, um das Lösungsmittel und die Lösung gründlich zu mischen. Verwenden Sie eine Fünf-Milliliter-Spritze, um die Alpha-Pinen-Lösung zurückzuziehen.

Spülen Sie die Spritze dreimal mit der Lösung und füllen Sie dann die gesamte Spritze. Entfernen Sie alle Blasen in der Spritze. Schließen Sie die Spritze an eine scharfe Nadel an und bewegen Sie die Spritze dann auf einen Spritzeninjektor.

Setzen Sie die Nadelspitze in einen runden Bodenkolben ein, um die Lösung zu verdampfen. Den Verdampferkolben auf 135 plus oder minus ein Grad Celsius vorheizen, indem Sie die Leistung des Heizbandes einstellen. Stellen Sie den Massendurchflussregleraufkurs auf 5 Standardliter pro Minute ein.

Ziel ist es, einen sanften Fluss von 5 Standardliter pro Minute gereinigte Luft einzuführen, um Alpha-Pinen aus der Spritze zu verdampfen und wegzutragen. Schalten Sie den Spritzeninjektor ein und stellen Sie die Auswurfrate auf einen vom Benutzer festgelegten Wert ein. Passiver Luftstrom bei vier Standardliteren pro Minute durch einen Ozongenerator.

Schalten Sie den Ozongenerator ein. Steuern Sie die Ozonkonzentration auf angemessene Werte, indem Sie die Länge des Glasrohrs anpassen, das die UV-Lampe im Inneren des Generators abschirmt. Schalten Sie den Ozonkonzentrationsmonitor ein.

Führen Sie die Experimente durch, nachdem sich die Ozonkonzentration stabilisiert hat. Partikelproduktion des Durchflussrohrreaktors. Lösen Sie die Kappe am Ende des Durchflussrohrreaktors, um die Position der beweglichen Proberrohre im Durchflussrohrreaktor anzupassen.

Ändern Sie die verschiedenen Positionen der beweglichen Probekübel anschließend, um unterschiedliche Verweilzeiten zu erreichen. Positionieren Sie den beweglichen Sampler am Anfang des Durchflussrohrreaktors, um die kürzeste Verweilzeit zu erhalten. Positionieren Sie den beweglichen Sampler am Ende des Durchflussrohrreaktors, um die längste Verweilzeit zu erhalten.

Beherbergen Sie den Durchflussrohrreaktor in einem temperaturgeregelten Doppelwand-, Wassermantel-, Edelstahlkasten. Führen Sie vor jedem Versuchssatz eine Leckkontrolle und eine Wasserstandsprüfung durch. Stellen Sie die Temperatur des Thermostats im Wasserzirkulator auf 20 Grad Celsius ein.

Schalten Sie die Temperaturaufzeichnungssoftware im Hauptcomputer ein und stellen Sie die Datenabtastzeit auf 10 Sekunden ein. Zeichnen Sie die vom Temperatursensor gemessene Temperatur auf, wenn Sie die Aufnahmetaste einschalten. Schalten Sie die Drucküberwachungssoftware ein und stellen Sie das Abtastintervall auf 10 Sekunden ein.

Legen Sie die Stichprobenlänge auf 36 000 Punkte fest. Charakterisierung der produzierten Partikelpopulation des Durchflussrohrreaktors. Verbinden Sie den Auslass des Durchflussrohrreaktors durch elektrostatisch beständige Schläuche mit einem Scanning-Mobilitätspartikel-Sizer.

Starten Sie die Software, die die Verteilung des Zahlendurchmessers aufzeichnet. Erstellen Sie eine neue Datei und jeden Parameter für die entsprechenden Werte. Zeichnen Sie die Verteilung der Anzahl der Partikel auf, die den Durchflussrohrreaktor verlassen, indem Sie auf die Schaltfläche Okay klicken.

Schließen Sie die beiden Einlässe eines Wasserblasens an zwei Maskenstromregler an, um die Luftfeuchtigkeit der Ummantelungsluft im Durchflussrohr einzustellen. Stellen Sie den Durchfluss der beiden Einlässe von null auf 10 Standardliter pro Minute ein, um die relative Luftfeuchtigkeit der Ummantelungsluft von weniger als 5% auf mehr als 95% zu ändern. Verbinden Sie den Auslass des Wasserblasens mit dem Ummantellufteinlass des Nafion-Rohrs. Schließen Sie den Auslass des Durchflussrohrreaktors an den Hauptprobeneinlass des Nafion-Rohrs an.

Schließen Sie einen relativen Feuchtigkeitssensor an den Auslass des Nafion-Rohrs an. Zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit der Probenahmeluft. Schließen Sie den Auslass des relativen Feuchtigkeitskontroll-Setups an den Einlass eines Differenzmobilitätsanalysators an.

Verbinden Sie den Auslass des Differential-Mobilitätsanalysators mit dem Einlass des APM-Instruments durch elektrostatisch beständige Schläuche. Schließen Sie den Ausgang des APM an einen Kondensationspartikelzähler an. Schalten Sie das APM-Instrument und die APM-Steuerbox ein, indem Sie die entsprechenden Netztasten drücken.

Klicken Sie auf die Remote-Taste in der APM-Steuerbox, damit das Gerät über die Softwareschnittstelle im Computer bedient werden kann. Schalten Sie die Steuerungssoftware APM ein. Laden Sie eine voreingestellte Scandatei, indem Sie auf die Schaltflächen Datei und Laden klicken, wie im Video gezeigt.

Klicken Sie auf die Start-Taste der APM-Steuerungssoftware, damit das APM-Instrument mit der Datenerfassung beginnt. Reinigen Sie ein Siliziumsubstrat durch einen Zyklus von Methanolwasser und wieder Methanol, um Verunreinigungen zu entfernen. Trocknen Sie das Substrat mit einem sanften Stickstofffluss.

Legen Sie das saubere Substrat auf die Elektrode des Nanometer-Aerosol-Probenehmers. Sichern Sie den Rand des Substrats mit Klebeband, um es während der Sammlung stabil zu halten. Schalten Sie den Nanometer-Aerosol-Sampler ein.

Stellen Sie die Spannung auf minus 9,9 Kilovolt ein. Stellen Sie die Durchflussmengen auf 1,8 Liter pro Minute ein. Anschließend entfernen Sie das mit gesammelten Partikeln beladene Siliziumsubstrat aus dem Nanometer-Aerosol-Sampler.

Führen Sie weitere Analysen von Partikeln auf dem Substrat durch, wie z. B. Morphologie durch Rasterelektronen-, Mikroskop- oder Oberflächenanalyse. Repräsentative Ergebnisse. Es gibt eine Reihe von Anzahl- und Massenkonzentrationen von organischen Partikeln, die je nach den ausgewählten Alpha-Pinen- und Ozonkonzentrationen produziert werden können.

Wie in dieser Tabelle dargestellt, ergaben diese Bedingungen 4,4 plus oder minus 6 bis 6,3 plus oder minus 7 mal 10 zu den fünf Partikeln pro Zentimeter würfelnund und Massenkonzentrationen von 10 bis 10 bis zu den vier Mikrogramm pro Meter Würfel. Die Entwicklung der dynamischen Eigenschaften der Partikelpopulation kann im Durchflussrohrreaktor untersucht werden. Diese Abbildung zeigt die Verteilungen des Durchmessers der Aerosolpartikelpopulation für dieses Experiment.

Die Gesamtanzahl und der Modusdurchmesser der Partikel nahmen mit der Verweilzeit zu. Die Partikelmassen- und Mobilitätsdurchmesser wurden verwendet, um den dynamischen Formfaktor kai über die Partikelsubpopulation hinweg zu berechnen. Diese Abbildung zeigt die dynamischen Formfaktoren der Partikel, die das Durchflussrohr bei verschiedenen Mobilitätsdurchmessern und Feuchtigkeitswerten verlassen.

Mit der Erhöhung des RH verringerte sich kai für alle drei Populationen und erreichte einen Endwert von 1,02 plus oder minus 01 bei 35% relativer Luftfeuchtigkeit und entsprach einer Unsicherheit gegenüber sphärischen Partikeln. Der oben beschriebene Durchflussrohrreaktor ist ein großartiges Werkzeug für Die Erforschung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften und der Entwicklung organischer Partikel. Die relativ kurze Verweilzeit und die hohe Vorläuferkonzentration begrenzen jedoch ihre Fähigkeit, die unter engen Umgebungsbedingungen gebildeten organischen Partikel zu untersuchen.

Wir haben gezeigt, dass das Durchflussrohr Partikel über einen sehr weiten Bereich von Massenkonzentrationen und Zahlenkonzentrationen synthetisieren kann und sehr geeignet ist, ein Teilchenbrutto von Gerinnung zu Kondensation zu unterscheiden. Das Durchflussrohr eignet sich auch zum Sammeln organischer Partikel unter einer relativ hohen Masse.