フローチューブの原子炉は、大気中の有機粒子状物質の製造プロセスを模倣するために構築され、粒子状物質のメカニズム、プロセス、および特性を研究するために使用されます。フローチューブ反応器を使用する利点は、粒子数および質量濃度の広い範囲にわたってエアロゾル粒子の迅速な合成を可能にすることである。ここで提示されるセットアップのためにフロー管の反応器は流れの反応器の内部の異なったポイントで有機粒子状物質をサンプルすることができる移動可能な注入器が装備されている。
フローチューブから出る粒子状物質は、走査移動性粒子サイザやエアロゾル粒子質量分析計など、さまざまな種類のオンラインおよびオフラインの技術によって分析されます。また、粒子状フィルターにサンプリングします。フローチューブは、ポスト分析実験を行い、オンラインで高速で、そして生成された粒子状物質のオフライン分析を行うための適切なリアクタプラットフォームです。
大気粒子は、気候、人間の健康と可視性の影響の一部となっています。しかし、有機粒子状物質の製造機構は、まだ十分に特徴付けが不十分であり、驚くべきものではありません。この問題を解決する一つのアプローチは、フローチューブ反応器を使用して、有機粒子状物質の形成と反応機構を理解するのに役立つ実験室での研究を行うことである。
流管の反応器は3つの部分から成っている。フローチューブ実験の最初の部分は、有機前駆体の注入です。射出システムは3つの要素から成る。
シリンジポンプ、ガラス注射器、3ラグガラス電球。有機溶液は、ガラス球根にシリングポンプを使用して連続的に注入され、その後気化する。その後、蒸気は、粒子集団を生成するために反応が行われるフローチューブにスワッピングされます。
流管の反応器の第2の部分は流管自体およびまた移動可能なサンプラーから成っている。可動サンプラーは、流管内の粒子の滞留時間を3秒から42秒に制御できるため、この有機粒子の腐食機構を研究し、凝固と凝縮の大きくなる間の総機構の切り替えに役立ちます。流管の原子炉システムの最後の部分は、有機粒子を分析する機器です。
走査移動度パーティクルサイザーとエアロゾル粒子質量分析装置を有しており、質量濃度の数を調べ、フローチューブから出てくる粒子の形状を調べる。フローチューブ実験を行うためのプロトコルを以下に示す。フローチューブ反応器の気相噴射。
実験の目的に応じて、広範囲の揮発性有機化合物を実験用の有機前駆体として用いることができる。アルファピネンは、フローチューブ反応器に有機前駆体を注入する手順の例としてここで使用される。マイクロピペットを使用してアルファピネンを1ミリリットル引き出し、液体を50ミリリットルの体積フラスコに移します。
2つのブタノールを使用して体積フラスコを50ミリリットルに充填し、アルファピネンを1〜49の比率で希釈します。ボリュームフラスコを振って溶媒と溶質を十分に混ぜます。アルファピネン溶液を撤回するために5ミリリットルの注射器を使用してください。
注射器を溶液で3回すすいで、注射器全体を充填します。シリンジの泡を取り除く。注射器を鋭い針に接続し、注射器を注射器に移します。
針先を丸底フラスコに挿入して溶液を気化させます。加熱テープのパワーを調整して、気化器フラスコを摂氏135プラスマイナス1度に予熱します。マスフローコントローラレートを1分当たり5標準リットルに設定します。
目的は、気化し、注射器から注入アルファピネンを運ぶために毎分精製空気5標準リットルの穏やかな流れを導入することです。注射器インジェクタをオンにし、ユーザーが設定した値に射出速度を調整します。オゾン発生器を通して毎分4標準リットルで空気の受動流。
オゾン発生器の電源を入れます。発電機内部のUVランプを遮蔽するガラス管の長さを調整して、オゾン濃度を適切な値に制御します。オゾン濃度モニタの電源を入れます。
オゾン濃度が安定した後に実験を行う。フローチューブ反応器の粒子生成。フローチューブリアクタ内の可動サンプラーチューブの位置を調整するために、フローチューブリアクタの端部のキャップを緩めます。
その後、異なる居住時間を達成するために、移動可能なサンプラーチューブの異なる位置を変更します。フローチューブ反応器の始めに可動サンプラーを配置し、最短滞時間を得る。フローチューブ反応器の端に可動サンプラーを配置し、最長の滞留時間を得る。
温度制御された二重壁、水ジャケット、ステンレス鋼箱に流管の反応器を収容する。実験の各セットに先立って、漏れチェックと水位チェックを行います。サーモスタットの温度を水のサーキュレーターで摂氏20度に設定します。
メインコンピュータの温度記録ソフトウェアをオンにし、データサンプリング時間を10秒に設定します。記録ボタンをオンにしたときの温度センサから測定した温度を記録します。圧力モニタソフトウェアの電源を入れ、サンプリング間隔を10秒に設定します。
サンプリング長さを 36,000 ポイントに設定します。フローチューブ反応器の生成粒子集団の特性評価静電抵抗管によって走査移動性粒子サイザーに流管の出口を接続します。
数値直径分布を記録するソフトウェアを起動します。新しいファイルと各パラメータを適切な値に作成します。[OK]ボタンをクリックして、フローチューブリアクタから出るパーティクルの直径分布の数を記録します。
水バブラーの 2 つの入口を 2 つのマスク フロー コントローラに接続して、フローチューブ内の気体の湿度を調整します。2つの流入口の流量を1分当たり0~10標準リットルに調整し、空気の相対湿度を5%未満から95%以上に変更し、水バブラーの出口をナフィオンチューブの気流口に接続します。フローチューブのコンセントをナフィオンチューブの主サンプリング入口に接続します。
ナフィオン管の出口に相対湿度センサーを接続します。サンプリング空気の相対湿度を測定する。相対湿度制御セットアップの出口を差動度アナライザの入口に接続します。
差動度アナライザの出口を静電抵抗管でAPM機器の入口に接続します。APM の出口を凝縮粒子カウンターに接続します。APMインストゥルメントとAPMコントロールボックスの電源を入れます。
APMコントロールボックスの[リモート]ボタンをクリックして、計測器をコンピュータのソフトウェアインターフェイスから操作できるようにします。APM コントロール ソフトウェアをオンにします。ビデオに示すように、[ファイル] ボタンと [ロード] ボタンをクリックして、事前設定のスキャン ファイルを読み込みます。
APM計測器がデータ収集を開始するように、APMコントロールソフトウェアの[開始]ボタンをクリックします。メタノール水のサイクルでシリコン基板を洗浄し、再びメタノールを除去して汚染を除去します。窒素の穏やかな流れを使用して、基板を乾燥させます。
ナノメートルエアロゾルサンプラーの電極にクリーンな基板を置きます。テープで基板のエッジを固定し、収集中に安定した状態に保ちます。ナノメートルエアロゾルサンプラーをオンにします。
電圧をマイナス9.9キロボルトに設定します。流量を毎分1.8リットルに設定します。その後、ナノメートルエアロゾルサンプラーから集められた粒子を積んだシリコン基板を取り外します。
走査型電子、顕微鏡、表面解析など、基板上の粒子のさらなる分析を行います。代表結果。選択したアルファピネンおよびオゾン濃度に応じて生成することができる有機粒子状物質の数および質量濃度の範囲がある。
この表に示すように、これらの条件は、それぞれ立方体の1メートル当たり4マイクログラムに10〜10の5粒子センチメートルと質量濃度に4.4プラスマイナス6〜6.3プラスマイナス7回を生成した。粒子集団の動的特性の進化は、フローチューブ反応器内で研究することができる。この図は、この実験におけるエアロゾル粒子集団の直径分布を示している。
粒子の総濃度とモード直径は滞留時間とともに増加した。粒子質量と移動性の直径を使用して、粒子のサブ集団全体での形状係数カイの動的形状を計算しました。この図は、様々な移動性直径および湿度レベルで流れ管を出る粒子の動的形状因子を示す。
RHが増加するにつれて、カイは35%相対湿度で1.02プラスマイナス01の最終値に達し、球状粒子に対する不確実性に対応する3つの集団すべてで減少した。上述のフローチューブ反応器は、有機粒子の物理的または化学的性質および進化の研究に最適なツールです。しかし、相対的な短い滞留時間および高い前駆体濃度は、近接周囲条件下で形成される有機粒子の研究能力を制限する。
我々は、フローチューブが質量濃度および数濃度の非常に広い範囲にわたって粒子を合成することができ、凝固から凝縮に粒子総量を区別するのに非常に適していることを示した。この流れ管は、相対的に高い質量で有機粒子を集めるのにも適している。
