Bu yazıda, çeşitli malzemelerin kimyasalların toplu taşıma parametrelerini hesaplamak için bir prosedür sunulmuştur. Bu işlem, gerçek zamanlı, yüksek vakumda kütle spektrometresi ile kaydedildi emisyon profilleri buhar ters-bazlı analiz difüzyon modeli kullanılarak içerir.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Boyalar Kimyasal Ulaştırma Karakterizasyonu bir Ters Analizi Yaklaşımı
Bu makalede
Özet
Özet
Doğrudan bir malzeme içinde meydana gelen kimyasal taşıma ve etkileşimleri karakterize etmek için yeteneği (yani yeraltı dinamikleri) kirletici kütle taşıma ve malzeme dezenfekte yeteneği anlamak hayati bir bileşendir. Bir malzeme kirlenmiş ise, zamanla, malzemeden (örneğin kimyasal savaş ajanı türler gibi) son derece toksik kimyasalların taşıma buhar çıkmasına neden olabilir veya etkileşim personele perkütan maruz kalmaya neden olabilir cilde, transfer malzemesi. Nedeniyle kimyasal savaş ajanlarının yüksek toksisite, iz kimyasal miktarlarda serbest önemli bir meseledir. Emilen maddelerin eşleme yeraltı konsantrasyonu dağıtım ve nakil özellikleri tehlikeler denenmemiş koşullarda değerlendirilmesini sağlar. Ayrıca, bu araçlar nihayetinde geliştirilmiş dekontaminasyonlara veya dekontaminasyon prosedürleri tasarım yeraltı reaksiyon dinamiklerini tanımlamak için kullanılabilir. To Bu hedefe ulaşmak, bir ters analiz toplu taşıma modelleme yaklaşımı yeraltı konsantrasyon profillerinin hesaplanması için giriş parametresi olarak kontamine boya kaplamalar buharı emisyonuna zaman çözüme kütle spektroskopisi ölçümleri kullanır geliştirildi. Ayrıntılar distile dahil kirletici ve malzeme taşıma, yayılan kirletici buhar ölçümü için kütle spektrometresi uygulama ve canlı kimyasal savaş ajanları taşıma özelliklerini belirlemek için bir fizik tabanlı difüzyon modeli kullanılarak ters analizi uygulanması da dahil olmak, numune hazırlama sağlanır hardal (HD) ve sinir ajanı VX.
Giriş
Kimyasal savaş ajanları ile materyallerin kirlenme ile ilgili kütle nakil mekanizmaları fiziksel durum geçişleri, Mobil türleri arasındaki kimyasal etkileşimleri ve malzemeler de dahil olmak üzere arayüzleri Evrişmiş çeşitli işlemler ile tahrik edilmektedir. Etkili dekontaminasyon teknolojileri, optimize edilmiş dekontaminasyon prosedürleri ve tahmin modelleri geliştirmek için, kirlenme süreci iyi emilimi ile malzemelerin içine kirleticilerin taşınması ve ortama geri sonraki kimyasal emisyon da dahil anlaşıldığı önemlidir. Sonuç olarak, bu yaklaşım, çevre koşullarının bir fonksiyonu olarak kirletici malzeme çifti için satıh-altı konsantrasyon profillerini değerlendirmek için geliştirilmiştir olması zorunludur. Bir süreklilik ölçekli, fizik-tabanlı model bir kontamine substrat emilen madde konsantrasyonu dağılımını tahmin etmek için geliştirilmiştir. Deneysel olarak türetilmiş toplu taşıma parametreler t tahminini etkinleştirmekO kirlenmiş malzeme sonrası dekontaminasyon emisyonun buhar. Bir malzeme konsantrasyon dağılımını tahmin becerisi potansiyel buhar tehlikelerin değerlendirmesini kolaylaştırmak ve, sırayla, toksikolojik tehlikeleri 1 doğru teşhis etkinleştirebilirsiniz. Bu yaklaşım, yayınım ve doygunluk konsantrasyonu gibi kirletici madde çifti özel toplu taşıma parametrelerinin tahmini için izin veren bir diğer senaryolar ve koşullar için dönüş izni modelleme. Bu çalışmada, kimyasal ajanlar bis (2-kloroetil) sülfid (damıtılmış hardal, kabarcıklı maddesi HD) ve O-etil S, solvent olarak dağılmış, poliüretan boya kaplama sıvı faz kirlenme tedavi eden - [2 (diisopropilamino) etil] methylphosphonothioate (VX), bir organofosfat sinir ajan.
Geliştirilen metodoloji olmadan, HD ve VX gibi kimyasal savaş ajanları dahil olmak üzere kontamine malzemelerin, gaz desorpsiyon profillerini karakterizediğer engel çok sayıda kısıtlama 2,3 yaklaşır. Kirlenmiş alt-tabakalardan kirletici evrim süre-çözülmüş kütle spektrometrisi ölçümleri orijinal olay geçirgenlik başlayarak kirletici için emilen konsantrasyon profili de dahil olmak üzere kirletici malzeme için, toplu taşıma parametreleri hesaplamak için ters analizi ile bir dağılım taşınması model sağlar. Çevre koşullarının bir fonksiyonu gibi malzemelerin kirletici konsantrasyonu profillerini tanımlamak için bir öngörü yeteneği kurulması ile toksikolojik tehlikeler ve sonuçta etkili dekontaminasyon için yollar geliştirmek için yetenek geliyor.
Bu yazıda, numune hazırlama ile ilgili detayları kimyasal savaş ajanı kirleticiler ile çalışma yanı sıra, kontamine materyallerden deneysel veri toplama ve sonraki modelleme 4 dahil sunulmaktadır. Deneysel çalışır azalan gibi gerçekleştirilmiştirkimyasal kirletici ve Dekontaminant kaynak belgedeki 5 ribed ve sonraki bölümde ele alınacaktır. Örnek hazırlama ve analiz adımları için bir akış şeması Şekil 1 'de yer alan.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
İstenen Çevreye 1. Durum Boya Yüzeyleri
- Belirli bir sıcaklık ve bağıl nem (20 ° C, 50%) olarak alt-tabaka hale getirilmesi için, önceden ayarlayın kazanı. Sıcaklık ve su içeriği hem de anlamlı malzemelerin içine emilim oranlarını etkileyebilir beri alt katman şartları sürekli korunduğundan emin olun.
- 0.32 cm kalınlığında kaplama, toplam kaplama kalınlığına sahip bir boya tabakası (6 MIL-DTL-53039, bir çözücü dağılabilen (SS) alifatik poliüretan kaplama sistemi) ile 20,25 cm2'lik bir yüzey alanına sahip 5.08 cm çapında paslanmaz çelik diskler ( yaklaşık 100 mikron astar ve üst kat). Test yüzeyine sahip paslanmaz çelik tepsiler üzerine (replika istenen sayıda) yüzü yukarı bakacak şekilde alt-tabakalar, bir kimyasal maddeye maruz kalmasına yerleştirin.
- Petri kapları ile yüzeylerde örtün. En az 60 mil için çevre odasına testi substratlar içeren tepsileri yerleştirinn ama ideal O / N, mümkünse.
Şartlandırılarak Substratlarm 2. Bulaşma
- Bu laboratuvar önlüğü, gözlük ve eldiven gibi Don kişisel koruyucu ekipmanlar.
- DİKKAT: Soğuk depolama kimyasal kirleticileri edinin ve birincil konteyner şişe oda sıcaklığına gelmesini sağlayınız. Bu protokolde kullanılan kimyasallar Kimyasal Ajan Standart Analitik Referans Malzeme (CASARM,% 98.0 saflıkta) notu HD ve CASARM (% 89.0 yüksek saflıkta) dereceli VX (her ikisi de sıvı faz) vardır. Ya nükleer manyetik rezonans veya gaz kromatografisi / kütle spektroskopisi analizleri gelen saflık bilgi edinin ve dosya korumak.
NOT: DİKKAT: kimyasal savaş ajanlarının kullanımı sadece yürürlükteki emniyet, güvenlik ve kefalet önlemler kullanarak onaylı bir tesiste eğitimli personel tarafından yapılmalıdır. - DİKKAT: Bir pipet ile madde dağıtım aracını Fit ve ajan bir damlacık (örneğin, 1 ul) teslim aracı yapılandırın. Şapkasını çıkarmakkirletici flakon ve kaput yüzeyde kap yerleştirin, ipler yukarı bakacak. Pipet Pick up ve yavaş yavaş kirletici çözelti içine ucu indirin. Üreticinin talimatlarına uygun olarak bir madde ile maddesi sevk aracı yükleyin. Yavaşça kaput çalışma yüzeyine yüklenen pipet yerleştirmek ve kirletici şişeyi özetleyelim.
- DİKKAT: Test yüzeylerde Karışmamalıdır.
- Çevre odasından test alt tabakaları içeren tepsileri çıkarın.
- Test alt tabakalardan Petri yemekleri çıkarın ve kaput yüzeyde ayarlayın. Dijital kirlenme önce her alt tabaka görünümünü kaydetmek için her test substratı fotoğraflamak.
- Yüklenen pipet Pick up ve tek bir damlacık teslim (örneğin, 1 ul) ilk test tabaka üzerine maddesi. Ek substratlar kirlenmesine neden olurken buharlaşmasını en aza indirmek için bir polistiren Petri kabı ile kirlenmiş malzemeyi kapsamaktadır. Her tabaka için tekrarlayın; (S pipet yenidengerekli olduğu gibi) 2.3 TEP.
NOT: kirletici kütle teslim onaylamak için önce kromatografi ile analiz için substratların dozdan sonra pipet onay örneklerini toplar. - Test alt tabakalardan Petri kaplarına çıkarın ve kapak yüzeyi üzerinde ayarlayın. Dijital başlangıç kirletici madde etkileşimleri kaydetmek için her test substratı fotoğraflamak.
- Petri kapları ile testi yüzeylerde örtün.
- Geri çevre odasına yüzeylerde tepsiye yerleştirin.
3. Kirletici malzeme Etkileşim Yaşlanma Dönem
- Örnekleri yaşlanma öncesinde, Bölüm 4 kullanılmak üzere hazırlamak için paslanmaz çelik yüksek vakum deneysel odasını havalandırın.
- Kimyasal madde çevre ilişkileri dinamikleri (örneğin, 60 dakika) göre değişik olabilir, belirtilen süre boyunca çevre odasında, yaşa kirlenmiş yüzeyler izin verin.
- Çevreden gelen tabakaları kaldırkaput çalışma yüzeyinde ental odası ve yer. Test alt tabakalardan Petri yemekleri çıkarın ve dijital post-yaşlanma kirletici madde etkileşimleri kaydetmek için her tabakayı fotoğraf.
- Test örnekleri (örneğin, birden çok hava geçirmez konteyner) çift içeren ve yüksek bir vakum odasına sahip çalışma başlık transfer.
4. Yüksek Vakum Buhar Emisyon Ölçüm Odası
Yüksek vakum haznesi, turbo moleküler çekme pompası ve bir diyafram pompa desteği (Şekil 2) tarafından pompalanan küçük hacimli bir kaptır. Bir dört kutuplu kütle spektrometresi ile doğrudan ısı kontrollü bir alt-tabaka ile karşı karşıya tutucu ve yüksek vakum koşulları altında bulaşmış alttabakaları gerçek zamanlı gaz oluşumunu ölçmek için kullanılan bir bağlantı noktasına monte edilmektedir. Vakum hücresi, özellikleri ve malzemeler hakkında tüm ayrıntıları referans 4 dahildir.
- Bölmesi düzgün delindiğinden emin olun.
- DİKKAT: Bölüm 3'te hazırlanan örnekleri paketini ve test alt tabakaları Petri tabağı çıkarın. Paslanmaz çelik cımbız kullanarak her sıcaklık kontrollü substrat tutucu içine bir test substratı yerleştirin.
- Vakum odasına mühür ve pompa aşağı dizisi başlar. Bölme, belirtilen yaş zamanda vakumlu sızdırmaz olduğu şekilde, bu adımı gerçekleştirmek (örneğin, 60 dakika) alt-tabaka kontamine zaman ile ilgili olarak.
- Birim yük değerleri için spesifik KÜTLE (m / z) tespit zamanın bir fonksiyonu (kütle akışına doğrudan ölçüsü) olarak seçilen kütle fragmanı kanalı kayda başlayın. Kirletici kısmi basıncı tespit edilebilir sınırların altına düşene kadar <0.25 Hz gerçek zamanlı olarak:,: (m / z = 109 HD, m / z = 114, VX), ilgi konusu moleküllere birincil kitle fragmanlarının yanı sıra, spesifik bir arka plan gaz türü bulunmamaktadır (- 8 Pa 10) kütle spektrometresi.
- Için emisyon eğrileri toplayınsubstrattan kirletici emisyonu süresi.
- Kirletici kütle akı odası basıncı taban düşmüştür kez kütle spektrometresi ile emisyon eğrileri Kaydı durdur.
- Atmosfer basıncına göre yüksek bir vakum odasına havalandırın.
Toplam Kalan Kirletici 5. Tedavi sonrası Değerlendirme
- Yüksek vakum buhar emisyonu bölmesi (HVVEC) cihazı açma ve paslanmaz çelik cımbız kullanarak odasından tabakayı çıkarın.
- Cam kavanoz içine ekstre yerleştirilmesidir ve kavanoz, ekstraksiyon solventinin 20 ml ilave (örneğin, izopropil alkol: VX; kloroform: HD). Kavanoz kap ve kavanoz üç kez girdap. 60 dakika boyunca özütleme çözücüsü içinde substratın bırakın.
- Tekrar JAR üç kez girdap ve sonra kavanoz şapkasını çıkarmak. Temiz, tek kullanımlık cam pipet kullanarak, gaz ya da sıvı ile analiz için bir şişe içine analitik özütleme, çözücünün yaklaşık olarak 1-2 ml aktarmakkromatografi 7 yüzeylerde tarafından tutulan kirletici kütlesini ölçmek için.
6. Veri Analizi ve Modelleme
- Substrattan kütle akışına ham verileri kütle spektrometrisi (ölçülen iyon akımından türetilmiş kısmi basınç) dönüştürün. Dedektörde olay buhar akışının tespit gaz türlerin kısmi basıncını dönüştürmek için Hertz Knudsen, formül bir kombinasyonunu kullanarak ve orijinal kirlenme olayından alt-tabaka üzerinde kirlenmiş alan oluşturan bir ölçekleme faktörünü içerir.
- Boya kaplama yoluyla kirletici taşınması için doygunluk konsantrasyonu ve difüzyon sabiti değerleri (anahtar toplu taşıma parametreleri) belirlemek için ters yöntemleri (örneğin, Levenberg-Marquardt algoritması) kullanın. Bir tahmin buhar akı ile deneysel olarak belirlenen buhar akışına Karşılaştırması (uygulanan uygun sınır koşulları ile Fick'in ikinci yasasının bir analitik çözüm (kaynak denklemi 4 bakınız 4)).
- Kirletici malzeme sistemi için konsantrasyon profilleri tahmin toplu taşıma parametrelerini kullanın.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
VX ve HD (ana kütle fragmanları zaman çözümlü bir kütle spektrometresi göre SD boyanmış alt-tabakalardan hesaplanan kütle VX akısı HD Şekil 3 görüntüler örneklerin üst panel kütle-yük oranı, m / z = 114 ve 109, sırasıyla). Bir iyonlaştırıcı, kütle analizörü veya filtre ve bir ücret dedektör: Bir dört kutuplu kütle spektrometresi üç ana bileşeni vardır. Gaz türleri elektron darbeli iyonlaştırma, (sıcak bir filaman tarzı elektron kaynağı) ile iyonize edilebilir ve üretilen iyonlar, iyon ...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Boya HD ve VX için toplu taşıma parametreler buhar emisyon verilerinin sayısal ters analizi ile belirlenmiştir. Hesaplanan parametreler ile, daha sonra boya kaplama içerisinde kirletici maddelerin dağıtımı için zamana bağlı konsantrasyon gradyanı harita üretmek mümkün olmuştur. Ters analiz sonuçları SD boya HD çözünürlük VX daha yüksek olduğunu gösterdi, ama yayınım alt yaklaşık 5x oldu. Sonuçlar VX kirlilik profili SD boya tabakası nüfuz ise HD kirlilik, kaplamanın yüzeyinde yüksek düzeyde konsantre edilmiş olduğunu gö...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Teşekkürler
Yazarlar alet tasarım desteği için Dr Wes Gordon (ECBC) teşekkür ederim. Bu çalışma programı CA08MSB317 altında Eric Lowenstein'a ve Michael Roberts (Savunma Tehdit Azaltma Dairesi) tarafından finanse edilen iki araştırma programlarından kümülatif sonuçlarını temsil eder. Bu tarifnamede değinilen teknik raporlar elde edilebilir http://www.dtic.mil .
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Paslanmaz Çelik Tepsi | McMaster Carr | 4189T1 | 13-5/8" L x 9-3/4" W, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp |
| MIL-DTL-53039 solventle dağılabilen alifatik poliüretan kaplama sistemi | İç kaynak Çevre | ||
| Odası | . Vakum odası özellikleri ve referans 4'te yer alan malzemelerle ilgili tüm ayrıntılar. | ||
| bis (2-kloroetil) sülfür | CASARM | TOKSİ | |
| O < / em>-etil S < / em> - [2- (diizopropilamino) etil] metilfosfonotiyoat | CASARM | ZEHİRLİ | |
| Pipetleyici Fisher Bilimsel | 22260201 | Aralığı 1.0 ve mikro; l ila 10 ml | |
| Pipet Uçları | Fisher Scientific | 13-683-709 | 0.1 ml Hacim |
| Paslanmaz Çelik Yüksek Vakum Deney Odası | Özel Tasarım | ||
| Dört Kutuplu Kütle Spektrometresi | ExTorr | RGA300 | |
| Paslanmaz Çelik Cımbız | McMaster Carr | 5516A15 | Herhangi bir paslanmaz çelik cımbız uygundur. |
| Cam Ekstraksiyon Kavanozu | Bilimsel Spesiyaliteler | 170808 | Kavanoz, ~ 5 cm çapında bir alt tabakaya uyar. Farklı boyutlardaki yüzeyler için teflon kaplı kapaklı farklı cam kavanozlar uygundur. |
| Kloroform | Sigma-Aldrich | 650498 | ZARARLIDIR. HD için ekstraksiyon çözücüsü, analitik yönteme bağlı olarak değişebilir. |
| İzopropanol | Sigma-Aldrich | 650447 | ZARARLIDIR. VX için ekstraksiyon çözücüsü, analitik yönteme bağlı olarak değişebilir. |
| Pastör Pipeti | VWR | 14673-010 | boyut = 5 3/4" |
Kaynaklar
- 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).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
