في هذه الورقة، يتم تقديم إجراء لقياس المعلمات النقل الجماعي للمواد الكيميائية في مختلف المواد. تتضمن هذه العملية توظيف نموذج نشر معكوس تستند إلى تحليل بخار ملامح الانبعاثات التي سجلتها في الوقت الحقيقي، مطياف الكتلة في فراغ عالية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
منهج تحليل معكوس لتوصيف النقل الكيميائية في مواد الطلاء
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
القدرة على تميز النقل مباشرة الكيميائية والتفاعلات التي تحدث ضمن المواد (أي ديناميات تحت السطحية) هي عنصر حيوي في فهم النقل الجماعي الملوثات والقدرة على تطهير المواد. إذا الملوثة مادة، مع مرور الوقت، ونقل المواد الكيميائية شديدة السمية (مثل الأنواع عوامل الحرب الكيميائية) من هذه المادة يمكن أن يؤدي إلى التعرض للبخار أو نقلها إلى الجلد، الذي يمكن أن يؤدي إلى التعرض عن طريق الجلد للموظفين الذين يتعاملون مع المواد. نظرا لسمية عالية من عوامل الحرب الكيميائية، والإفراج عن كميات المواد الكيميائية النزرة هو مصدر قلق كبير. خصائص توزيع تركيز الجوفية ورسم الخرائط والنقل وكلاء يمتص تمكن مخاطر التعرض ليتم تقييمها في ظروف غير مجربة. وعلاوة على ذلك، هذه الأدوات يمكن استخدامها لوصف ديناميات التفاعل تحت السطحية لتصميم في نهاية المطاف تحسين بالمطهرات أو إجراءات إزالة التلوث. Tس تحقيق هذا الهدف، تم تطوير تحليل كتلة نهج النمذجة النقل العكسي التي تستخدم قياسات مطيافية الكتلة وقت حل لانبعاث بخار من الطلاء الطلاء الملوثة كمعلمة المدخلات لحساب تركيز التشكيلات تحت السطحية. يتم توفير التفاصيل حول إعداد العينات، بما في ذلك الملوثات ومناولة المواد، وتطبيق مطياف الكتلة لقياس الملوثات المنبعثة بخار، وتنفيذ تحليل معكوس باستخدام نموذج نشر القائمة على الفيزياء لتحديد خصائص النقل من عوامل الحرب الكيميائية الحية بما في ذلك المقطر الخردل (HD) وغاز الأعصاب VX.
المقدمة
هي التي تحرك آليات النقل الجماعي المرتبطة تلوث المواد من عوامل الحرب الكيميائية من قبل مجموعة متنوعة من العمليات convolved بما في ذلك التحولات الفيزيائية الدولة، التفاعلات الكيميائية بين أنواع المحمول، واجهات المواد. لتطوير تكنولوجيات فعالة لإزالة التلوث، وإجراءات إزالة التلوث الأمثل، والنماذج التنبؤية، فمن الأهمية بمكان أن عملية التلوث يفهم جيدا، بما في ذلك نقل الملوثات إلى مواد عبر امتصاص وانبعاث الكيميائية لاحق مرة أخرى إلى البيئة. وبالتالي، فمن الضروري أن يتم تطوير المناهج التي يمكن تقييم ملامح تركيز تحت السطحية للأزواج الملوثات المادية بوصفها وظيفة من الظروف البيئية. مقياس متصلة، تم تطوير نموذج قائم على الفيزياء للتنبؤ التوزيع تركيز وكيل استيعابها في ركيزة الملوثة. المشتقة تجريبيا المعلمات النقل الجماعي تمكن من التنبؤ رانه بخار الانبعاثات من المواد الملوثة آخر إزالة التلوث. القدرة على التنبؤ توزيع التركيز في مادة يمكن أن يسهل تقييم المخاطر المحتملة وبخار، بدوره، يمكن تشخيص دقيقة من المخاطر السمية 1. هذا النهج يسمح لتقدير المعلمات الملوثات المادي زوج محددة النقل الجماعي مثل انتشارية والتشبع تركيز هذا بدوره النمذجة تصريح لسيناريوهات وغيرها من الشروط. في هذه الدراسة، فقد تعاملنا تلوث السائل من المرحلة فرقت المذيبات، الطلاء الطلاء البولي يوريثين مع عوامل الحرب الكيميائية مكرر (2-كلوروإيثيل) كبريتيد (الخردل المقطر، وكيل نفطة HD) وسين -ethyl S - [2- (diisopropylamino) إيثيل] methylphosphonothioate (VX)، وهو غاز الأعصاب الفوسفات العضوي.
المنهجية المطورة يميز ملامح الامتزاز الغاز من المواد الملوثة، بما في ذلك عوامل الحرب الكيميائية مثل HD و VX، دونالعديد من القيود التي تعيق البعض نهج 2،3. قياس الطيف الكتلي وقت حل التطور الملوثات من ركائز الملوثة تسمح لنموذج النقل ناشر مع التحليل العكسي لحساب المعلمات النقل الجماعي للالملوثات في المواد، بما في ذلك بيان التركيز لامتصاص الملوثات بدءا من الحدث تخلل الأصلي. مع إنشاء القدرة التنبؤية لترسم ملامح تركيز الملوثات في المواد بوصفها وظيفة من الظروف البيئية تأتي القدرة على تقييم المخاطر السمية وبالتالي تطوير طرق لإزالة التلوث فعال.
في هذه الورقة، يتم عرض التفاصيل المرتبطة إعداد العينات، بما في ذلك العمل مع الملوثات عوامل الحرب الكيميائية، فضلا عن جمع البيانات التجريبية من المواد الملوثة والنمذجة اللاحقة 4. تم إجراء التشغيل التجريبي كما تنازلياribed في الملوثات الكيميائية ومصدر المطهر ثيقة 5 وسوف تناقش في القسم التالي. مخطط التدفق لخطوات إعداد العينات وتحليلها في تضمينها في الشكل 1.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. حالة الطلاء ركائز للبيئة المرغوب
- مسبقا غرفة بيئية لتكييف الركيزة إلى درجة حرارة معينة ورطوبة نسبية (20 ° C، 50٪). تأكد من أن الظروف الركيزة يتم الاحتفاظ باستمرار لأن كلا درجة الحرارة والمحتوى المائي يمكن أن تؤثر بشكل كبير من معدلات الامتصاص في المواد.
- معطف سميك 0.32 سم، 5.08 سم أقراص قطرها الفولاذ المقاوم للصدأ مع مساحة 20.25 سم 2 مع طبقة من الطلاء (MIL-DTL-53039، مذيب للتشتت (SD) نظام طلاء البولي يوريثين الأليفاتية 6) مع مجموع سمك الطلاء ( التمهيدي ومعطف أعلى) حوالي 100 ميكرون. وضع ركائز (مع العدد المرغوب فيه من مكررات) على الصواني الفولاذ المقاوم للصدأ مع سطح الاختبار إلى أن يتعرض إلى وكيل الكيميائية التي تواجه صعودا.
- تغطية ركائز مع أطباق بتري. وضع الصواني التي تحتوي على ركائز الاختبار في غرفة البيئية لا يقل عن 60 ميلن لكن من الناحية المثالية O / N، إذا أمكن ذلك.
2. تلوث شروطا مسبقة ركائز
- ارتداء معدات الوقاية الشخصية مثل معطف المختبر، ونظارات السلامة، وقفازات.
- تنبيه: الحصول على الملوثات الكيميائية من التخزين البارد ويسمح قنينة حاوية الأولية للتوازن لRT. المواد الكيميائية المستخدمة في هذا البروتوكول هي المعيار التحليلية الكيميائية كيل المراجع (CASARM، 98.0٪ النقاء) الصف وCASARM HD (عالية النقاء 89.0٪) الصف VX (سواء الطور السائل). الحصول على معلومات من النقاء إما يحلل بالرنين المغناطيسي أو الغاز اللوني / الطيفي الشامل النووي والحفاظ على الملف.
ملاحظة: تحذير: إن التعامل مع عوامل الحرب الكيميائية يجب فقط أن يقوم بها الأفراد المدربين في مرفق معتمد باستخدام المطبقة احتياطات السلامة والأمان والضمان. - تنبيه: تناسب الأداة تسليم الوكيل مع طرف ماصة وتكوين أداة لتقديم قطرات من الوكيل (على سبيل المثال، 1 ميكرولتر). إرفع قبعة وقارورة الملوثات، ووضع غطاء على سطح غطاء محرك السيارة، المواضيع مواجهة. التقاط ماصة، وخفض ببطء طرف في حل الملوثات. تحميل أداة التوصيل مع وكيل وكيل وفقا للإرشادات الشركة المصنعة. ضع بلطف ماصة المحملة على سطح العمل غطاء محرك السيارة، وخلاصة القارورة الملوثات.
- تنبيه: تلوث ركائز الاختبار.
- إزالة الصواني التي تحتوي على ركائز اختبار من غرفة البيئية.
- إزالة أطباق بتري من ركائز الاختبار، ووضع على سطح غطاء محرك السيارة. رقميا تصوير كل اختبار الركيزة لتسجيل ظهور كل الركيزة قبل التلوث.
- التقاط ماصة المحملة وتقديم قطرة واحدة (على سبيل المثال، 1 ميكرولتر) من وكيل أول اختبار على الركيزة. تغطية المواد الملوثة مع طبق بتري البوليسترين لتقليل التبخر في حين تلويث ركائز إضافية. كرر لكل الركيزة. تحميل طرف ماصة (Sتيب 2.3) عند الضرورة.
ملاحظة: جمع عينات تأكيد ماصة قبل وبعد الجرعات من ركائز للتحليل عبر اللوني لتأكيد التسليم كتلة الملوثات. - إزالة أطباق بتري من ركائز الاختبار ووضع على سطح غطاء محرك السيارة. رقميا تصوير كل اختبار الركيزة الأولى لتسجيل التفاعلات الملوثات المادية.
- تغطية ركائز اختبار مع أطباق بتري.
- وضع علبة من ركائز مرة أخرى في غرفة البيئية.
التفاعل 3. ملوثات المادي فترة الشيخوخة
- قبل الشيخوخة العينات، وتنفيس عالية الفولاذ المقاوم للصدأ فراغ غرفة تجريبية ليكون جاهزا للاستخدام في القسم 4.
- السماح للركائز الملوثة إلى سن في غرفة البيئية لمدة محددة، والتي يمكن أن تختلف على أساس ديناميات التفاعل الكيميائي المواد للبيئة (على سبيل المثال، 60 دقيقة).
- إزالة ركائز من Environm وental غرفة ومكان على سطح العمل من غطاء محرك السيارة. إزالة أطباق بتري من ركائز اختبار وتصوير رقميا كل ركيزة لتسجيل ما بعد الشيخوخة-الملوثات المادي التفاعلات.
- ضعف-احتواء عينات الاختبار (على سبيل المثال، حاويات محكم متعددة) ونقل إلى غطاء محرك السيارة يعمل مع غرفة فراغ عالية.
4. ارتفاع فراغ قياس الانبعاثات غرفة بخار
فراغ الغرفة عالية هي سفينة صغيرة الحجم التي تضخها توربو الجزيئية مضخة سحب ومضخة دعم الحجاب الحاجز (الشكل 2). هي التي شنت مطياف الكتلة رباعي على المنفذ الذي يواجه مباشرة حامل الركيزة التي تسيطر عليها درجة الحرارة ويستخدم لقياس تطور الغاز في الوقت الحقيقي من ركائز الملوثة في ظل ظروف الفراغ العالية. وترد تفاصيل كاملة عن الفراغ المواصفات والمواد غرفة في إشارة 4.
- ضمان أن الغرفة هو تنفيس بشكل صحيح.
- تنبيه: Unpackage العينات التي أعدت في القسم 3، وإزالة طبق بيتري من ركائز الاختبار. وضع اختبار واحد في كل الركيزة التي تسيطر عليها درجة الحرارة حامل الركيزة باستخدام ملاقط الفولاذ المقاوم للصدأ.
- ختم فراغ الغرفة وتبدأ مضخة أسفل التسلسل. تنفيذ هذه الخطوة مثل أن الغرفة هي فراغ مختومة في الوقت السن المحددة (على سبيل المثال، 60 دقيقة) فيما يتعلق عندما كانت ملوثة الركيزة.
- بدء تسجيل القنوات جزء الجماعية المختارة بوصفها وظيفة من الزمن (مقياسا مباشرا لتدفق الشامل) التي تم تحديدها مع كتلة محددة لكل القيم وحدة تهمة (م / ض). قياس الأنواع الغاز خلفية محددة بالإضافة إلى شظايا الكتلة الأولية من جزيئات من الفائدة (VX: م / ض = 114، HD: م / ض = 109) في الوقت الحقيقي في <0.25 هرتز حتى ينخفض الضغط الجزئي الملوثات أقل من حدود الكشف من مطياف الكتلة (10-8 باسكال).
- جمع منحنيات الانبعاثات لمدة انبعاث الملوثات من الركيزة.
- إيقاف تسجيل منحنيات الانبعاثات مع مطياف الكتلة مرة واحدة انخفض تدفق الشامل الملوثات إلى خط الأساس ضغط الغرفة.
- تنفيس فراغ الغرفة عالية إلى الضغط الجوي.
5. تقييم ما بعد المعالجة لمجموع ملوثات المتبقي
- فتح أداة عالية فراغ غرفة بخار الانبعاثات (HVVEC) وإزالة الركيزة من الغرفة باستخدام ملاقط الفولاذ المقاوم للصدأ.
- وضع الركيزة في وعاء استخراج الزجاج وإضافة 20 مل من استخراج المذيبات إلى جرة (على سبيل المثال، الإيزوبروبيل: VX، الكلوروفورم: HD). سقف جرة وجرة دوامة ثلاث مرات. ترك الركيزة في المذيبات استخراج لمدة 60 دقيقة.
- دوامة الجرة مرة أخرى ثلاث مرات ثم إرفع قبعة جرة. باستخدام نظيفة، القابل للتصرف، ماصة الزجاج، ونقل ما يقرب من 1-2 مل من استخراج المذيبات في قارورة التحليلية للتحليل عن طريق الغاز أو السائلاللوني 7 لقياس كتلة الملوثات التي يحتفظ بها ركائز.
6. تحليل البيانات والنمذجة
- تحويل البيانات الخام الطيف الكتلي (الضغط الجزئي المستمدة من قياس ايون الحالية) إلى تدفق جماعي من الركيزة. استخدام مزيج من الصيغة هيرتز-كنودسن لتحويل الضغط الجزئي للغاز الكشف عن الأنواع لحادث تدفق البخار عند كاشف وتشمل عامل التحجيم التي تمثل المنطقة الملوثة على الركيزة من الحدث تلوث الأصلي.
- استخدام أساليب العكسية (على سبيل المثال، خوارزمية Levenberg-ماركوارت) لتحديد تركيز التشبع ونشر القيم الثابتة (المعايير الأساسية للنقل الجماعي) لنقل الملوثات من خلال طلاء الدهان. المقارنة بين تدفق بخار تجريبيا إلى تدفق بخار توقع (حل تحليلي للقانون الثاني فيك الحدود مع الظروف مناسبة تطبيقها (انظر المعادلة 4 من المرجع 4)).
- استخدام المعلمات النقل الجماعي للتنبؤ محات تركيز لنظام الملوثات مادية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
لوحة العليا من الشكل 3 يعرض أمثلة على تدفق الشامل المحسوبة لVX وHD من ركائز رسمت SD على أساس قياس الطيف وقت حل شامل لأجزاء الكتلة الرئيسية من VX وHD (الكتلة إلى تهمة نسبة، م / ض = 114 و 109 على التوالي). مطياف الكتلة رباعي ثلاثة مكونات رئيسية: وهي المؤين، محلل كتلة أو مرشح، وكشف المسؤول. والمتأينة الأنواع الغاز عبر التأين تأثير الإلكترون (خيوط الساخنة على غرار مصدر الإلكترون)، ويتم حقن الأيونات المنتجة إلى تصفية الشامل quadrupolar في طريقها الى ا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
تم تحديد المعلمات النقل الجماعي للHD وVX في الرسم عن طريق تحليل معكوس العددي للبيانات الانبعاثات بخار. مع المعلمات المحسوبة، كان من الممكن لثم إنتاج خرائط تركيز الانحدار تعتمد على الوقت لتوزيع الملوثات في طلاء الدهان. أظهرت نتائج التحليل معكوس أن ذوبان HD في الرسم SD كان أعلى من VX، ولكن انتشارية 5X أقل تقريبا. وتشير النتائج إلى أن التلوث HD عالية التركيز كان على سطح الطلاء، في حين أن الشخصية تلوث VX اخترقت من خلال طلاء الدهان SD. ولذلك، فإن متطلبات إزالة التلوث للدهان SD تختلف بن...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
شكر وتقدير
الكتاب أشكر الدكتور ويس غوردون (ECBC) للحصول على الدعم في تصميم الصك. هذا العمل يمثل النتائج التراكمية من اثنين من برامج البحوث التي تمولها (وكالة الدفاع لتقليص التهديد) اريك وفينشتاين ومايكل روبرتس تحت CA08MSB317 البرنامج. ويمكن الحصول على التقارير الفنية واستشهد هنا في http://www.dtic.mil .
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| صينية الفولاذ المقاوم للصدأ | ماكماستر كار | 4189T1 | 13-5 / 8 "L × 9-3 / 4" W ، http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp |
| MIL-DTL-53039 نظام طلاء البولي يوريثين الأليفاتي القابل للتشتت بالمذيبات | ركائز مقدمة من المصدر الداخلي | ||
| التفاصيل الكاملة حول مواصفات غرفة التفريغ والمواد المدرجة في المرجع 4. | |||
| مكرر (2-كلورو إيثيل) كبريتيد | CASARM | TOXIC | |
| em>O< / em>-ethyl S< / em>-[2- (diisopropylamino)ethyl] methylphosphonothioate | CASARM | TOXIC | |
| Pipetter | Fisher Scientific | 22260201 | Range of 1.0 & micro; من l إلى 10 مل |
| نصائح ماصة | فيشر Scientific | 13-683-709 | 0.1 مل حجم |
| الفولاذ المقاوم للصدأ عالية الفراغ غرفة | تصميم مخصص | ||
| مطياف الكتلة رباعي الأقطاب | ExTorr | RGA300 | |
| ملاقط الفولاذ المقاوم للصدأ | ماكماستر كار | 5516A15 | أي ملاقط من الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبة. |
| استخراج الزجاج | التخصصات العلمية | 170808 | جرة يناسب الركيزة بقطر ~ 5 سم. الجرار الزجاجية المختلفة ذات الأغطية المبطنة بالتفلون مناسبة للركائز ذات الأحجام المختلفة. |
| الكلوروفورم | سيجما ألدريتش | 650498 | ضار. قد يتغير مذيب الاستخراج ل HD اعتمادا على الطريقة التحليلية. |
| الأيزوبروبانول | سيجما ألدريتش | 650447 | ضار. قد يتغير مذيب الاستخراج ل VX اعتمادا على الطريقة التحليلية. |
| ماصة باستور | VWR | 14673-010 | الحجم = 5 3/4 " |
المراجع
- Willis, M. P., Mantooth, B. A., Lalain, T. Novel Methodology for the Estimation of Chemical Warfare Agent Mass Transport Dynamics, Part II: Absorption. J. Phys. Chem. C. 116, 546-554 (2011).
- Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
- Taviera, P., Mendes, A., Costa, C. On the Determination of Diffusivity and Sorption Coefficients Using Different Time-lag Models. J. Membr. Sci. 221, 123-133 (2003).
- Willis, M. P., Gordon, W. O., Lalain, T. A., Mantooth, B. A. Characterization of Chemical Agent Transport in Paints. J. Hazard Mater. 260, 907-913 (2013).
- Lalain, T., Mantooth, B., Shue, M., Pusey, S., Wylie, D. The Chemical Contaminant and Decontaminant Test Methodology Source Document. Second Edition. Report No. ECBC-TR-980. , U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. Aberdeen Proving Ground, MD. (2011).
- MIL-DTL-53039B: Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant. , U.S. Army Research Laboratory, Weapons and Materials Research Directorate, Materials Applications Branch, Specifications and Standards Office. Aberdeen Proving Ground, MD. (2005).
- Shue, M., et al. Low-Level Analytical Methodology Updates to Support Decontaminant Performance Evaluations. Report No. ECBC-TR-883. , Aberdeen Proving Ground, MD. U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center. (2011).
- Schwope, A. D., Klein, J. M., Sidman, K. R., Reid, R. C. Sorption-Desorption Phenomena of Chemicals from Polymer (Paint) Films. J. Hazard. Mater. 13, 353-367 (1986).
- Li, F., Niu, J. Control of Volatile Organic Compounds Indoors - Development of an Integrated Mass-Transfer-Based Model and Its Application. Atmos. Environ. 41, 2344-2354 (2007).
- Li, F., Niu, J., Zhang, L. A Physically-Based Model for Prediction of VOCs Emissions from Paint Applied to an Absorptive Substrate. Build. Environ. 41, 1317-1325 (2006).
- Li, F., Niu, J. L. Simultaneous Estimation of VOCs Diffusion and Partition Coefficients in Building Materials via Inverse Analysis. Build. Environ. 40, 1366-1374 (2005).
- Li, F., Niu, J. L. An Inverse Technique to Determine Volatile Organic Compounds Diffusion and Partition Coefficients in Dry Building Material. Heat and Mass Transfer. 41, 834-842 (2005).
- Li, F., Niu, J. L. An Inverse Approach for Estimating the Initial Distribution of Volatile Organic Compounds in Dry Building Material. Atmos. Environ. 39, 1447-1455 (2005).
- Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
- Goossens, E. L. J., van der Zanden, A. J. J., Wijen, H. L. M., van der Spoel, W. H. The Measurement of the Diffusion Coefficient of Water in Paints and Polymers from Their Swelling by Using an Interferometric Technique. Prog. Org. Coat. 48, 112-117 (2003).
- Arya, R. K., Vinjamur, M. Measurement of Concentration Profiles Using Confocal Raman Spectroscopy in Multicomponent Polymeric Coatings-Model Validation. J. Appl. Polym. Sci. 128, 3906-3918 (2013).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
