Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Обратная Анализ подход к характеризации химической транспорта в красках

8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51825

⸱

29 августа 2014 г.

 ,  ,  , 
1Decontamination Sciences Branch, U.S. Army Edgewood Chemical Biological Center, 2OptiMetrics, Inc., a DCS Company

В этой статье

Краткое содержание

В этой статье, процедура для количественного параметры массы перевозки химических веществ в различных материалах представлена. Этот процесс включает в себя применения в основе диффузионной модели обратного анализа в пар профилей выбросов, записанные в режиме реального времени, масс-спектрометрии в высоком вакууме.

Аннотация

Возможность напрямую характеризуют химического транспорта и взаимодействия, которые происходят в материале (т.е., подземные динамика) является жизненно важным компонентом в понимании загрязнений массоперенос и способность обеззараживания материалов. Если материал загрязнен, в течение долгого времени, транспортный высокотоксичных химических веществ (например, видов химических ОВ) из материала может привести к воздействию паров или передавать на кожу, что может привести к чрескожного контакта с персоналом, которые взаимодействуют с Материал. В связи с высокой токсичностью химических отравляющих веществ, освобождение следовых химических величин представляет значительный интерес. Отображение подземные распределительные концентрация и транспортные характеристики поглощенных агентов позволяет опасности воздействия должны быть оценены в непроверенных условиях. Кроме того, эти инструменты могут быть использованы для характеристики динамики подземных реакции в конечном счете разработать улучшенные средства дегазации или процедуры дезактивации. То достижения этой цели, обратную массу анализ транспортной подход моделирования была разработана, который использует времяразрешенные измерения масс-спектроскопии эмиссии паров из загрязненных лакокрасочных покрытий как входного параметра для расчета концентрационных профилей подземных. Подробная информация представлена ​​на пробоподготовки, включая примеси и обработки материалов, применения масс-спектрометрии для измерения излучаемой загрязняющих паров и реализации обратного анализа с использованием физики на основе диффузии модель для определения транспортных свойств живых боевых отравляющих веществ включая дистиллированную горчица (HD) и нервно-паралитических VX.

Введение

Механизмы масса транспортные, связанные с загрязнением материалов по отравляющих веществ приводятся в различных свернутых процессов, включая физических переходов состояний, химических взаимодействий между мобильными видов и материалов интерфейсов. Разработать эффективные технологии обеззараживания, оптимизированные процедуры дезактивации и прогнозирующих моделей, жизненно важно, чтобы процесс загрязнения хорошо понимают, в том числе перенос загрязняющих веществ в материалах через поглощения и последующего химического выброса обратно в окружающую среду. Следовательно, крайне важно, чтобы подходы разрабатываются, которые могут оценить профили концентрации подземных для загрязняющих-материал пар в зависимости от условий окружающей среды. Континуум-шкала, основанная на физике модель была разработана для прогнозирования распределения концентрации поглощенного вещества в загрязненной подложки. Экспериментально полученные параметры массовые транспортные возможность предсказывать тон паров излучение загрязненного материала сообщению обеззараживания. Способность прогнозировать распределение концентрации в материале может облегчить оценку потенциальных опасностей пара и, в свою очередь, позволит точные диагнозы токсикологической опасности 1. Такой подход позволяет для оценки загрязнения-материал парных конкретных параметров масса транспортных, таких как диффузии и насыщения концентрации, что, в свою очередь разрешение моделирования для других сценариев и условий. В этом исследовании мы рассматривали загрязнения жидкой фазы платежеспособных-дисперсионные, полиуретановых покрытий с боевых отравляющих веществ бис (2-хлорэтил) сульфида (дистиллированной горчицей, кожно-нарывного действия HD) и O -этил S - [2- (диизопропиламино) этил] methylphosphonothioate (VX), фосфорорганическими ОВ нервно-паралитического.

Разработанная методология характеризует профили газа десорбции из загрязненных материалов, в том числе боевых отравляющих веществ, таких как HD и VX, безмногие ограничения, которые препятствуют другие подходы 2,3. Временным разрешением измерения масс-спектрометрии загрязнений эволюции от загрязненных субстратов позволяют диффузным транспортной модели с обратного анализа для расчета параметров массовых перевозок для загрязняющего вещества в материале, в том числе поглощенной профиля концентрации для загрязняющего вещества, начиная от исходного события проникающей. С созданием в прогнозных возможностях для разграничения концентрационные профили примесей в материалах в зависимости от условий окружающей среды приходит способность оценивать токсикологические опасности и в конечном итоге разработать маршруты для действенной очистки.

В данной работе, детали, связанные с пробоподготовки представлены, в том числе работы с химических ОВ загрязнений, а также экспериментальной сбора данных от загрязненных материалов и последующего моделирования 4. Экспериментальные опыты были проведены как по алфавиту с началаribed в химический загрязнитель и источника дезинфицирующего документа 5 и будет обсуждаться в следующем разделе. Блок-схема для подготовки и анализа проб шагов в показана на рисунке 1.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Состояние Paint Подложки в нужное окружающей среды

  1. Предустановленные на окружающую камеру для кондиционирования подложки до установленной температуры и относительной влажности воздуха (20 ° C, 50%). Убедитесь, что условия подложки последовательно поддерживается, так как оба температура и содержание воды может значительно повлиять на уровень поглощения в материалах.
  2. Пальто толщиной 0,32 см, радиус 5,08 см диски из нержавеющей стали с площадью поверхности 20,25 см 2 со слоем краски (алифатический системы покрытия полиуретан MIL-DTL-53039, растворитель диспергируемые (SD) 6) при общей толщине покрытия ( грунтовка и верхний слой) из примерно 100 мкм. Поместите подложки (с желаемым числом повторов) на лотки из нержавеющей стали с контролируемой поверхности подвергаются воздействию химического агента вверх.
  3. Покройте субстратов с чашки Петри. Поместите подносы, содержащие тестовые субстраты в климатической камере в течение по крайней мере 60 мильN, но в идеале O / N, если это возможно.

2 Загрязнение выдержано подложках

  1. Дон индивидуальной защиты, такие как халате, защитных очков и перчаток.
  2. ВНИМАНИЕ: Получить химические загрязняющие вещества из холодного хранения и позволяют первичной флакон контейнер для уравновешивания до комнатной температуры. Химические вещества, используемые в настоящем Протоколе Химическое вещество Стандартный аналитический Справочные материалы (CASARM, 98,0% чистоты) класса HD и CASARM (89,0% высокой чистоты) класса VX (как жидкая фаза). Получить информацию чистоты из либо ядерный магнитный резонанс или газовой хроматографии / масс-спектроскопия анализ и поддерживать на файл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: ВНИМАНИЕ: Обработка боевых отравляющих веществ должны выполняться только квалифицированным персоналом в утвержденном объекте использования применимых безопасности, безопасности и поручительства меры предосторожности.
  3. ВНИМАНИЕ: Установить приспособление доставки агент с кончика пипетки и настроить инструмент для доставки капельку агента (например, 1 мкл). Открыватьзагрязнителем флакон, и поместите крышку на поверхности капота, темы вверх. Возьмите пипетку, и медленно опустите наконечник в загрязнений решения. Установить инструмент доставки агент с агентом в соответствии с инструкциями изготовителя. Аккуратно поместите загруженный пипетки на рабочей поверхности капота, и, обобщая загрязнений флакон.
  4. ВНИМАНИЕ: загрязнять тест субстраты.
    1. Снимите лотки, содержащие тестовые субстраты из климатической камере.
    2. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов, и установить на поверхности капота. Цифровая сфотографировать каждый испытуемой основы для записи внешнего вида каждой подложки до заражения.
    3. Сбор загруженного пипетки и поставить одну каплю (например, 1 мкл) агента на первой тестовой подложке. Накройте загрязненный материал с полистирольной чашки Петри, чтобы минимизировать испарению, а загрязняющие дополнительные субстраты. Повторите для каждой подложки; перезагрузите пипетки (SТЭП 2,3), если необходимо.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Соберите образцы подтверждения пипетки до и после дозирования подложек для анализа с помощью хроматографии, чтобы подтвердить загрязнений доставку массы.
    4. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов и установить на поверхности капота. Цифровая фотография каждого контрольного субстрат для записи начальных загрязнителем-материальных взаимодействий.
    5. Обложка тестовые субстраты с чашки Петри.
    6. Поместите лоток субстратов обратно в климатическую камеру.

3 загрязнителями материал Взаимодействие Старение Период

  1. До старения образцов, вентиляционные из нержавеющей стали высокого вакуума экспериментальную камеру, чтобы подготовить его к использованию в разделе 4.
  2. Разрешить загрязненных субстратов в возрасте окружающей среды в камере в течение определенного времени, которое может изменяться на основе динамики химической материалом и окружающей средой (например, 60 мин).
  3. Удалить субстраты из EnvironmСИХИЧЕСКОЕ камера и место на рабочей поверхности капота. Снимите чашки Петри из тестовых субстратов и цифровой сфотографировать каждый субстрат для записи после старения загрязняющих-материал взаимодействий.
  4. Дважды содержат тестовые образцы (например, несколько контейнеров герметичные) и передать в рабочую капюшон с высокой вакуумной камере.

Измерение Vapor выбросов палата 4 высокого вакуума

Высокая вакуумная камера представляет собой небольшой объем судно с накачкой от турбо молекулярный насос сопротивления и диафрагма форвакуума (Рисунок 2). Масс-спектрометра установлен на порт, что обращено к контролируемой температурой подложкодержатель и используется для измерения эволюцию в режиме реального времени газа из загрязненных субстратов в условиях глубокого вакуума. Полная информация о спецификациях камерных вакуумных и материалов включаются в работе 4.

  1. Убедитесь, что камера вентилируется.
  2. ВНИМАНИЕ: Распаковать образцы, приготовленные в разделе 3, и удалить чашки Петри из тестовых субстратов. Поместите один тест субстрата в каждой контролируемой температурой подложкодержателя используя пинцет из нержавеющей стали.
  3. Печать в вакуумную камеру и начать последовательность откачивания. Выполните этот шаг таким образом, что камера является вакуумная упаковка в указанное время возрастной (например, 60 мин) по отношению к тому, когда подложка была загрязнена.
  4. Начало записи выбранных каналов массы осколка в виде функции времени (прямого измерения массового потока) определили с удельной массой на единицу значений заряда (м / з). Измерьте конкретных видов фон газа в дополнение к первичным фрагментов массовых от исследуемых молекул (VX: м / з = 114; HD: м / з = 109) в режиме реального времени в <0,25 Гц до загрязняющее парциальное давление не падает ниже пределов обнаружения масс-спектрометра (10 - 8 Па).
  5. Соберите кривые выбросов длядлительность выброса загрязняющих веществ от подложки.
  6. Остановить запись кривых выбросов с масс-спектрометра раз загрязняющее поток массы снизился до базовой давления в камере.
  7. Vent высокую вакуумную камеру к атмосферному давлению.

5 Последующая обработка по оценке общее оставшееся загрязнителя

  1. Откройте высокой вакуумная камера выбросов паров (HVVEC) инструмент и устраните подложку из камеры, используя пинцет из нержавеющей стали.
  2. Поместите подложку в банке экстракции стекла и добавляют 20 мл экстракционного растворителя в сосуд (например, изопропиловый спирт: VX хлороформ: HD). Закрывают банку и закружить в банку три раза. Оставьте подложку в экстракционного растворителя в течение 60 мин.
  3. Вихревой банку три раза, а затем снова Открывать банку. Используя чистую, одноразовые пипетки, стекло, передавать примерно от 1 до 2 мл экстракционного растворителя в аналитический флакона для анализа с помощью газа или жидкостихроматографии 7 для измерения загрязнений массу удерживаемого субстратов.

6 Анализ и моделирование данных

  1. Преобразование данных спектрометрии сырой массы (парциальное давление происходит от измеренного ионного тока) для массового потока от подложки. Используйте сочетание формуле Герца-Кнудсена для преобразования парциального давления обнаруженных видов газа в потоке паров падающего на детектор и включают в себя масштабный коэффициент, который учитывает загрязненной территории на подложке из исходного события загрязнения.
  2. Используйте обратные методы (например, Левенберга-Марквардта) для определения концентрации насыщения и диффузии постоянные значения (ключевых параметров массопереноса) для переноса загрязняющих веществ через лакокрасочного покрытия. Сравните поток экспериментально определенный паров к потоку прогнозируемого паров (аналитическое решение для второго закона Фика с соответствующими граничными условиями, применяемых (см уравнение 4 из ссылки 4)).
  3. Используйте параметры массы транспортных предсказать концентрационные профили для загрязнений-материал системы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

На верхней панели Рисунок 3 приведены примеры расчетного массового потока VX и HD от субстратов SD роспись на основе временным разрешением масс-спектрометрии для основных массовых фрагментов VX и HD (массы к заряду, м / з = 114 и 109, соответственно). Масс-спектрометра состоит из трех основных компонентов: ионизатора, масс-анализатора или фильтров, и детектора заряда. Виды газа ионизируют посредством ионизации электронным ударом (горячей нити типа источника электронов), и полученные ионы вводят...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Массовые транспортных параметров HD и VX в краске были определены с помощью цифровой обратной анализа паров данных о выбросах. С расчетных параметров, можно было затем производят зависящие от времени карты градиента концентрации загрязняющих веществ для распределения в лакокрасочного покрытия. Результаты анализа показали, что обратные растворимость HD в SD краски была выше, чем VX, но коэффициент диффузии была примерно 5x ниже. Полученные результаты свидетельствуют о том, что загрязнение HD был высококонцентрированный н...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы благодарят доктора Wes Gordon (ECBC) за поддержку в конструкции прибора. Эта работа представляет совокупные результаты двух научно-исследовательских программ, финансируемых Эрик Левенштейн и Майкл Робертс (обороны Агентство по уменьшению угрозы) по программе CA08MSB317. В технических отчетов, приведенные здесь, могут быть получены в http://www.dtic.mil .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Лоток из нержавеющей сталиMcMaster Carr4189T113-5/8" Д x 9-3/4" Ш, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp
MIL-DTL-53039 сольвентно-диспергируемая системаПодложки поставляются из внутреннего источника
Климатическая камераИндивидуальный дизайн. Полная информация о технических характеристиках и материалах вакуумной камеры приведена в ссылке 4.
бис(2-хлорэтил) сульфидCASARMTOXIC
O-этил S-[2-(диизопропиламино)этил] метилфосфонотиоатCASARMTOXIC
PipetterFisher Scientific22260201диапазон 1,0 &микро; l до 10 мл
Пипеттерные наконечникиFisher Scientific13-683-7090,1 мл Объем
Нержавеющая сталь Высоковакуумная экспериментальная камераИндивидуальный дизайн
Квадрупольный масс-спектрометрExTorrRGA300
Пинцет из нержавеющей сталиMcMaster Carr5516A15Подходит любой пинцет из нержавеющей стали.
Стеклянная экстракционная банкаScientific Specialties170808Jar подходит для подложки диаметром ~5 см. Различные стеклянные банки с крышками с тефлоновой подкладкой подходят для подложек разного размера.
ХлороформСигма-Олдрич650498ВРЕДЕН. Экстракционный растворитель при БГ может меняться в зависимости от аналитического метода.
ИзопропанолСигма-Олдрич650447ВРЕДЕН. Экстракционный растворитель для VX может меняться в зависимости от аналитического метода.
Дозатор ПастеровскийVWR14673-010размер = 5 3/4"
алифатического полиуретанового покрытия

Ссылки

  1. 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).
  2. Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
  15. 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).
  16. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Масс-спектрометриялакокрасочные покрытияэмиссия паровмоделирование диффузиидесорбция загрязняющих веществподповерхностная динамикаоценка опасностейпроцедуры деконтаминации
Обратная Анализ подход к характеризации химической транспорта в красках
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.