Advanced

Chemical kinetics and transport of tropospheric trace compounds - implications for environment and air quality

Ausmeel, Stina LU (2015) FYSM60 20151
Department of Physics
Combustion Physics
Abstract
Fourier transform infrared spectroscopy techniques were used to study the kinetics of gas-phase reactions of three lactones, γ-valerolactone (GVL), 2(5H)-furanone (2(5HF) and 3-methyl-2(5H)-furanone (3M2(5H)F) with Cl atoms, OH radicals and O3 respectively. The experiments were performed in a photochemical reactor at a total pressure of 700 Torr at room temperature (298±2 K). Both relative rate and absolute rate methods were used to determine the reaction rate constants (unit cm3molecule-1s-1) yielding kGVL+Cl = (4.56 ± 0.51)∙10-11, kGVL+OH = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+Cl = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+OH = (4.06 ± 0.073)∙10-12, k2(5H)F+O3 = (6.73 ± 0.18)∙10-20, k3M2(5H)F+Cl = (16.1 ± 1.8)∙10-11, k3M2(5H)F+OH = (12.6 ± 0.52)∙10-12 and... (More)
Fourier transform infrared spectroscopy techniques were used to study the kinetics of gas-phase reactions of three lactones, γ-valerolactone (GVL), 2(5H)-furanone (2(5HF) and 3-methyl-2(5H)-furanone (3M2(5H)F) with Cl atoms, OH radicals and O3 respectively. The experiments were performed in a photochemical reactor at a total pressure of 700 Torr at room temperature (298±2 K). Both relative rate and absolute rate methods were used to determine the reaction rate constants (unit cm3molecule-1s-1) yielding kGVL+Cl = (4.56 ± 0.51)∙10-11, kGVL+OH = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+Cl = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+OH = (4.06 ± 0.073)∙10-12, k2(5H)F+O3 = (6.73 ± 0.18)∙10-20, k3M2(5H)F+Cl = (16.1 ± 1.8)∙10-11, k3M2(5H)F+OH = (12.6 ± 0.52)∙10-12 and k3M2(5H)F+O3 = (5.42 ± 1.23)∙10-19. Using atmospheric abundances of Cl, OH and O3 the lifetime of each lactone towards each of the reaction sinks was calculated. The largest sink for all three lactones is through the reaction with OH (lifetimes of tens of days). Removal by Cl atoms can become equally significant when abundant in high concentrations which could be locally important. The lifetime against removal by O3 (months-years) is relatively long on a tropospheric scale even at high concentrations. No significant reaction products were identified for experiments performed in N2. For experiments using an N2/O2 mixture the identified products are formic acid (HCOOH), formyl chloride (CHClO), maleic anhydride (C2H2(CO)2O) and phosgene (CCl2O). There are still unidentified reaction products. In addition to the kinetic studies a project was performed where a chemical transport model (GEOS-Chem) was used to study updated reaction rate constants and photolysis rate constants of bromoform (CHBr3) and bromine nitrate (BrONO2) in the troposphere. The effect on tropospheric inorganic bromine levels, and consequently ozone levels, was insignificant for bromoform and more significant for bromine nitrate. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
– Att förstå mänsklig och naturlig påverkan på klimat och luftmiljö
Människans energiförbrukning ökar i stadig takt med jordens befolkning och fokus på klimatförändringar gör att efterfrågan på hållbar energi har blivit stor. Ett alternativ till fossila bränslen är de så kallade ”andra generationens biobränslen”. Dessa kan tillverkas av cellulosa från träd och gräs som inte är värdefulla som livsmedel, i motsats till t.ex. raps. Fördelen med bio¬bränslen ur klimat¬synpunkt är att kol¬dioxiden (en växthusgas) som frigörs vid förbränning motsvarar det som växten tog upp under sin växtperiod. Eftersom denna cykel går snabbt jämfört med processen att skapa olja som tar flera miljoner år, så kallas bränslet förnybart.
Innan ett nytt ämne... (More)
– Att förstå mänsklig och naturlig påverkan på klimat och luftmiljö
Människans energiförbrukning ökar i stadig takt med jordens befolkning och fokus på klimatförändringar gör att efterfrågan på hållbar energi har blivit stor. Ett alternativ till fossila bränslen är de så kallade ”andra generationens biobränslen”. Dessa kan tillverkas av cellulosa från träd och gräs som inte är värdefulla som livsmedel, i motsats till t.ex. raps. Fördelen med bio¬bränslen ur klimat¬synpunkt är att kol¬dioxiden (en växthusgas) som frigörs vid förbränning motsvarar det som växten tog upp under sin växtperiod. Eftersom denna cykel går snabbt jämfört med processen att skapa olja som tar flera miljoner år, så kallas bränslet förnybart.
Innan ett nytt ämne börjar användas som bränsle är det viktigt att tänka på konsekvenserna. När ett nytt läkemedel tas fram görs flera tester för att säkerställa att det har sin tänkta verkan men inte ger allvarliga bieffekter. På samma sätt är det med ämnen släpps ut i atmosfären. Även ett spårämne från stora utsläpp kan få konsekvenser om inte sido¬effekterna hittas i tid. Ett exempel är användandet av freoner i kylskåp på 1900-talet. Utsläpp från oförsiktig hantering resulterade nedbrytning av ozonskiktet som skyddar oss från solens UV-strålning.
I beslut där man väger klimatfördelar mot hälsoproblem är det viktigt att känna till så mycket som möjligt i förväg. Om utsläpp av växthus¬gaser från ett biobränsle minskar kan det låta som en bra behandling mot klimat¬förändringar. Men finns det risk för giftiga utsläpp och en ohälsosam luftmiljö? Stannar ämnena kvar i atmosfären länge? Detta är frågor som måste besvaras för att kunna göra bra långsiktiga bedömningar och undvika problem likt de som freon¬¬¬erna skapade. I detta examensarbete kommer jag med förslag på hur tre ämnen som tillhör den kemiska gruppen laktoner skulle kunna påverka luftkvaliteten. Lakton¬erna kan användas som bränslen eller lösningsmedel och är förnybara. Resultaten skulle kunna användas i en tidig bedömning av ämnenas lämplighet för storskalig användning.
Laborationer genomfördes på Centret för Atmosfärsforskning vid Köpenhamns Universitet. En så kallad smog-kammare användes för att undersöka gas¬blandningar med de olika laktonerna. Molekylernas förmåga att absorbera ljus gör att vi kan identifiera ämnen med hjälp av deras ”skuggor”. Med upprepade experiment mättes hur fort laktonerna försvinner från atmosfären och vilka produkter som bildas. Den uppmätta livstiden för ämnena varierar mellan 5 och 40 dagar vilket gör att de hinner transporteras över stora areor men inte nå stratosfären. Några av ämnena som bildas är ofarliga men spår hittades av fosgen som är mycket giftig gas som använts i kemisk krigsföring. Det kommer vara viktigt att mäta hur stora koncen¬trationer av respektive produkt som bildas.
Under arbetet genomfördes även ett sidoprojekt om kemi och transport i atmosfären vilket gav en bredare bild av storskalig klimat¬-modellering vilket är ett komplement till laborativt arbete. I arbetet med datormodellen skulle uppmätta nivåer av ämnen innehållande brom förklaras. Likt klor bryter brom ner ozonskiktet men kunskap om dessa ämnens påverkan på luften närmast jordytan saknas. Det finns flera frågor kvar att besvara när det gäller framtida energiförsörjning och för att få en mer komplett förståelse för atmosfär och klimat. Både experiment och datormodeller är verktyg för att i slutändan kunna nå ett samhälle hållbart för alla.
Handledare: Elna Heimdal Nilsson
Examensarbete 60 hp i Fysik 2015
Avdelningen för Förbränningsfysik, Fysiska Institutionen, Lunds universitet (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Ausmeel, Stina LU
supervisor
organization
course
FYSM60 20151
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
language
English
id
7452469
date added to LUP
2015-08-21 11:42:56
date last changed
2015-08-21 11:42:56
@misc{7452469,
  abstract     = {Fourier transform infrared spectroscopy techniques were used to study the kinetics of gas-phase reactions of three lactones, γ-valerolactone (GVL), 2(5H)-furanone (2(5HF) and 3-methyl-2(5H)-furanone (3M2(5H)F) with Cl atoms, OH radicals and O3 respectively. The experiments were performed in a photochemical reactor at a total pressure of 700 Torr at room temperature (298±2 K). Both relative rate and absolute rate methods were used to determine the reaction rate constants (unit cm3molecule-1s-1) yielding kGVL+Cl = (4.56 ± 0.51)∙10-11, kGVL+OH = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+Cl = (2.94 ± 0.41)∙10-11, k2(5H)F+OH = (4.06 ± 0.073)∙10-12, k2(5H)F+O3 = (6.73 ± 0.18)∙10-20, k3M2(5H)F+Cl = (16.1 ± 1.8)∙10-11, k3M2(5H)F+OH = (12.6 ± 0.52)∙10-12 and k3M2(5H)F+O3 = (5.42 ± 1.23)∙10-19. Using atmospheric abundances of Cl, OH and O3 the lifetime of each lactone towards each of the reaction sinks was calculated. The largest sink for all three lactones is through the reaction with OH (lifetimes of tens of days). Removal by Cl atoms can become equally significant when abundant in high concentrations which could be locally important. The lifetime against removal by O3 (months-years) is relatively long on a tropospheric scale even at high concentrations. No significant reaction products were identified for experiments performed in N2. For experiments using an N2/O2 mixture the identified products are formic acid (HCOOH), formyl chloride (CHClO), maleic anhydride (C2H2(CO)2O) and phosgene (CCl2O). There are still unidentified reaction products. In addition to the kinetic studies a project was performed where a chemical transport model (GEOS-Chem) was used to study updated reaction rate constants and photolysis rate constants of bromoform (CHBr3) and bromine nitrate (BrONO2) in the troposphere. The effect on tropospheric inorganic bromine levels, and consequently ozone levels, was insignificant for bromoform and more significant for bromine nitrate.},
  author       = {Ausmeel, Stina},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Chemical kinetics and transport of tropospheric trace compounds - implications for environment and air quality},
  year         = {2015},
}