منهج تحليل معكوس لتوصيف النقل الكيميائية في مواد الطلاء

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

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.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Willis, M. P., Stevenson, S. M., Pearl, T. P., Mantooth, B. A. An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints. J. Vis. Exp. (90), e51825, doi:10.3791/51825 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. حالة الطلاء ركائز للبيئة المرغوب

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

  1. ارتداء معدات الوقاية الشخصية مثل معطف المختبر، ونظارات السلامة، وقفازات.
  2. 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.
  3. 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.
  4. تنبيه: تلوث ركائز الاختبار.
    1. إزالة الصواني التي تحتوي على ركائز اختبار من غرفة البيئية.
    2. إزالة أطباق بتري من ركائز الاختبار، ووضع على سطح غطاء محرك السيارة. رقميا تصوير كل اختبار الركيزة لتسجيل ظهور كل الركيزة قبل التلوث.
    3. 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.
    4. إزالة أطباق بتري من ركائز الاختبار ووضع على سطح غطاء محرك السيارة. رقميا تصوير كل اختبار الركيزة الأولى لتسجيل التفاعلات الملوثات المادية.
    5. تغطية ركائز اختبار مع أطباق بتري.
    6. وضع علبة من ركائز مرة أخرى في غرفة البيئية.

التفاعل 3. ملوثات المادي فترة الشيخوخة

  1. قبل الشيخوخة العينات، وتنفيس عالية الفولاذ المقاوم للصدأ فراغ غرفة تجريبية ليكون جاهزا للاستخدام في القسم 4.
  2. 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).
  3. 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.
  4. 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.

  1. ضمان أن الغرفة هو تنفيس بشكل صحيح.
  2. 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.
  3. 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.
  4. بدء تسجيل القنوات جزء الجماعية المختارة بوصفها وظيفة من الزمن (مقياسا مباشرا لتدفق الشامل) التي تم تحديدها مع كتلة محددة لكل القيم وحدة تهمة / 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).
  5. جمع منحنيات الانبعاثات لمدة انبعاث الملوثات من الركيزة.
  6. إيقاف تسجيل منحنيات الانبعاثات مع مطياف الكتلة مرة واحدة انخفض تدفق الشامل الملوثات إلى خط الأساس ضغط الغرفة.
  7. تنفيس فراغ الغرفة عالية إلى الضغط الجوي.

5. تقييم ما بعد المعالجة لمجموع ملوثات المتبقي

  1. فتح أداة عالية فراغ غرفة بخار الانبعاثات (HVVEC) وإزالة الركيزة من الغرفة باستخدام ملاقط الفولاذ المقاوم للصدأ.
  2. 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.
  3. 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

  1. 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.
  2. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 التوصل الى كوب أو المضاعف الإلكترون كاشف فاراداي لقياس ايون الحالية (يتناسب مع الضغط الجزئي للغازات قياس ). عن الأداة المستخدمة في هذه الطريقة، يقع المؤين في وثيقة (<3.5 سم)، خط البصر القرب من سطح الركيزة بحيث تم الكشف عن الأنواع المنبعثة من ركيزة الملوثة (زاوية الانبعاثات ذروتها في الركيزة عادي) تفضيلي والزائفة على الفور. يتم تعيين الأيونات التي تتكون من أيون الحالية في كاشف لشظايا الكتلة (م) مع دولة التأين معين (ض) الذي ينتج عن عملية التأين تأثير الإلكترون من خلال استخدام معايير مطياف الكتلة المستقلة وقواعد البيانات (مثل NIST أطياف الكتلة قاعدة البيانات). الوفرة النسبية للأيونات معينة إنشاؤه في حالة الإلكترون تأثير التأين هو جزيء محددة، وهناك حاجة إلى عناية كبيرة في تعيين طيفية الجماعية خاصة بالنسبة للجزيئات الكبيرة، مثل VX وHD، والتي نادرا ما تخضع التأين أو تجزئة الأحداث واحدة. قبل أن أجريت تجارب حلها الوقت، سجلت أطياف الشامل الكامل لظروف التحضير الركيزة تعادل التحقق من وجود وفرة نسبية من قمم م / ض محددة لأنواع أدخلت إلى غرفة التحليل. هذا التحقق شملت تؤكد أن شدة جزء الشامل الرئيسي المتوقع لرلم convolved انه تحليلها في المصالح مع مساهمات من الأنواع الأخرى في النظام. القياسات وقت حل في تجارب لاحقة ثم سجلت كثافة قمم محددة م / ض بوصفها وظيفة من الوقت المرتبطة التحاليل المصالح.

بيانات مطياف الكتلة الخام في شكل الضغوط الجزئية للغازات التي تقاس في المؤين من الطيف. لهذه الدراسة، تستند القيم الضغط الجزئي للHD الابتدائي وشظايا VX المستخدمة في حسابات التدفق على التأين النيتروجين المقطع العرضي مع أي معيار التصحيح الممكنة لجزيء محدد كفاءة تجزئة. كما هو محدد في البروتوكول، خطوة 6.1، يتم تحويل هذه القياسات الضغط الجزئي في كاشف أولا إلى تدفق الشامل باستخدام الصيغة هيرتز-كنودسن التي تتعلق:

المعادلة 1 Equatioن 1

حيث N ديت، ط، هو حادث تدفق الجزيئي، P ط، يتم قياس الضغط الجزئي (باسكال)، m هو الكتلة الجزيئية للأنواع (ز / جزيء)، ك هو ثابت بولتزمان (J / K)، وT هو درجة حرارة الغرفة (K). ثم، من أجل تحديد تدفق من السطحية الملوثة، N ج، تدفق كتلة قياسها كاشف، N ديت، ط، ومضروبا في نسبة المساحة كشف مطياف الكتلة (مساحة المقطع العرضي للكشف مواز ل الملوثة السطح) إلى منطقة التلوث على السطح:

المعادلة 2 المعادلة 2

حيث A ديت هي مساحة كاشف و A ج هي منطقة ملوثة علىالركيزة. البيانات التي تظهر في لوحة أعلى من الشكل (3) التركيز على النظام الزمنية المرتبطة النقل الجماعي ناشر للأنواع النابعة من باطن الأرض من الركيزة. أظهرت القياسات السابقة لقياس الطيف الكتلي أن كلا VX وقطرات HD لم يبقى لاطئة على SD-الطلاء مع الصب السائل المتبقي على الركيزة قبل إدخالها إلى فراغ. كان متوسط ​​المساحة الملوثة النهائية لVX وHD 2.6 ± 0.1 و 5.9 ± 0.6 سم 2 على التوالي. النظام وقت مبكر (<1،000 ثانية) لا يتم تضمين البيانات في هذه المؤامرات التي تتأثر جزئيا مطياف موازنة جماعية للتشغيل المؤين عند ضغوط جزئية عالية نسبيا فضلا عن الامتزاز من الملوثات السائلة السائبة التي المحاصرين أو ضعيفة ملزمة على سطح الركيزة. وتظهر البيانات نظام محدودة الانتشار التي تبدأ مع انخفاض الهائل في معدل تدفق الشامل وهو مصدر البيانات المستخدمة لتقدير معلمة من diffuالنقل SIVE من باطن الأرض الركيزة الملوثة. وأكد تعريف التحول في الأنظمة من خلال قياس تبخر VX HD وسائل تترسب على ركائز الزجاج البورسليكات (مادة كتيمة)، والتي أظهرت معدل التبخر المستمر لكلا VX وHD حتى تم استنزاف السائل المودعة. لأغراض توضيح التفاعلات المختلفة التي تتكون من نظام معقد قيد الدراسة، واللوحة السفلية في الشكل 3 تظهر إشارات خلفية قياس من الطلاء الركيزة غير ملوثة. ملاحظة تطور الوقت غير رتيب وكذلك صدفة من الميزات الشخصية عبر الأنواع. كما يتم تسجيل القياسات في ظل ظروف الفراغ، أي من الأنواع المحاصرين في الركيزة الطلاء قادرون على نشرها من الطلاء. وتوضح هذه الملاحظة إمكانية أن معدل تدفق الشامل من الركيزة (متناسبة مع الضغط الجزئي) يمكن أن تتأثر الوفرة النسبية من الفئران(ه) من استنزاف الأنواع الأخرى في الطلاء، بما في ذلك المياه والمذيبات الطلاء.

تم إجراء تقدير المعلمة باستخدام تدفق الانبعاثات بخار محدودة الانتشار. تناسب محسوب، وهو الحل التحليلي للقانون الثاني من نشر فيك، ويسمح لتحديد التشبع وانتشارية ثابتة ل-الملوثات المادي 8 مجموعات محددة. هو الدافع وراء انبعاث بخار، بما في ذلك كتلة تدفق حجم فضلا عن معدل وقت تغيير تدفق الشامل، من مادة عن طريق توزيع الملوثات فيما يتعلق المواد وكذلك المعلمات النقل المرتبطة الملوثات في المواد 9- 11. إذا كان من المعروف توزيع الملوثات، ثم تدفق الملوثات من المواد يمكن التنبؤ 1. في المقابل، إذا تم قياس تدفق الانبعاثات بخار (على غرار الإجراء التجريبي الموصوفة هنا)، وتوزيع التركيز في الركيزة وTRANSPيمكن تحديد المعلمات أورط. الاسلوب الذي يشار إليه عادة باسم تحليل معكوس 12،13. في هذه التجربة، تعبيرا عن تدفق البخار من الركيزة يمكن أن تستمد من خلال أحادي البعد (1D) الحل التحليلي للقانون فيك الثاني للوضع تركيز الملوثات في سمك الطلاء محدود، على افتراض النقل الجماعي ناشر 4،13 الشكل 4 يوضح شروط الحدود مختلفة تترافق مع تقييد الحل التحليلي لنشر الجزيئي في استيعاب محدود سماكة الطلاء. يتم توثيق التفاصيل الكاملة للحساب أماكن أخرى وتلخيص النتائج في الجدول 1.

تم تنفيذ المعلمات النقل الجماعي المقدرة من القياسات تدفق بخار للتنبؤ توزيع تركيز الملوثات والتطور داخل طلاء الدهان SD. وتضمنت هذه النتيجة تمثل مجال تركيز على عشرickness من الطلاء في بداية انتشار الملوثات من طلاء الدهان (بعد تبخر السائل الجزء الأكبر من السطح). وتبين اللوحة العليا من الشكل 5 نتائج المحاكاة لتوزيع التركيز المكاني التي تعتمد من HD أو VX في طلاء الدهان SD. على الرغم من أن طلاء يمتص كتلة أعلى من HD، كما يتبين من تركيز التشبع أكبر المدرجة في الجدول 1، وأكثر موضعيا بالقرب من سطح الركيزة مقارنة مع VX. وتوضح اللوحة السفلية من الشكل 5 تدفق البخار الناتج من الملوثات من الدهانات، والتي يمكن أن تسفر عن المخاطر الصحية للعاملين في محيط المادة. تظهر الاختلافات في الظواهر النقل بين HD و VX أن التفاعلات بين الجزيئات يمكن أن يغير نقل امتصاص الجزيئات من خلال أنظمة الطلاء لتوليد توزيعات مختلفة.

الرقم 1. إعداد الركيزة وقياس الرسم البياني الذي يوضح الخطوات لشروط مسبقة، وتلويث، والشيخوخة، وقياس الانبعاثات لاحق من وكيل من ركائز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. تخطيطي لفراغ الغرفة عالية الانبعاثات بخار. يتم تحميل ركائز على حامل الركيزة التي تسيطر عليها درجة الحرارة التي تواجه مباشرة مطياف الكتلة رباعي. الغرفة لديها ضغط قاعدة (لا الركيزة تحميل) من <10-7 باسكال وضختبواسطة توربو الجزيئية مضخة السحب معتمد بواسطة مضخة دعم الحجاب الحاجز. يتم إدخال ركائز مع فراغ الغرفة تنفيس، وقياسات تدفق الشامل في مطياف الكتلة تبدأ مرة يتم ضخ هذا النظام باستمرار <10-2 باسكال. يخدم قطر الركيزة كمرجع الحجم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3
الرقم 3. الأعلى: VX (الازرق) وHD (الحمراء) يحسب تدفق من ركائز بناء على القياس التجريبي من الانبعاثات الملوثة من بخار العامل الكيميائي SD ركائز طلاء مقاوم. الضغط الجزئي (مشتقة من أيون الحالية) تقاس في مطياف الكتلة من شظايا الرئيسية لتحليلها معين (VX : م / ض = 114؛ HD: م / ض = 109) يمكن أن تكون ذات صلة مباشرة إلى تدفق الشامل الأصلي من الركيزة، على افتراض خط البصر الكشف عن الأنواع المنبعثة من المواد. البيانات المعروضة هي للنظام النقل الجماعي محدودة الانتشار فقط عندما المستوعبة بالجملة، متجهة سطح ملوث السائل أسفل:. خلفية قياسات الضغط الجزئي للأنواع الغاز المنبعث من الطلاء على الركيزة غير ملوثة. لغرض توضيح تعقيد النظام قيد الدراسة، يتم تضمين الملفات الشخصية للحل بدوام كامل من نقطة بدء جمع البيانات (عندما انخفض إجمالي ضغط الغرفة أدناه 10-2 باسكال، أقرب النقطة التي مطياف الكتلة يمكن تسجيل ). يوضح مفتاح اللون القيم م / ض محددة التي تتوافق مع الأنواع الكشف عن تحديدها.

حمولة / 51825 / 51825fig4highres.jpg "العرض =" 500 "/>
الرقم 4. تعريف 1D امتصاص ناشر الجزيئي يحكمها القانون فيك، بما في ذلك الشروط الحدية تعريف المتغيرات: C الفرعية، وتركيز الملوثات في الركيزة، C الفرعي، جلس، وتركيز التشبع، ض، بعد طول سمك الطلاء استيعاب ؛ D الفرعي، انتشارية من الملوثات في طلاء؛ ر الفرعي، سمك الطلاء الطلاء. عن النموذج الذي يصف قياس تحت فراغ لتطور الملوثات من الركيزة، ونموذج يفترض أنه في ض = 0، سيكون هناك فراغ واجهة طلاء، النقطة التي يهيمن النقل محدودة الانتشار. وترد تفاصيل شكل الحل التحليلي للقانون فيك مع هذه الشروط الحدية واستخدامها لاحقا مع تحليل الحسابات العكسية في refereالامتحانات التنافسية الوطنية 4.

الرقم 5
الشكل 5. الأعلى: المحتسبة لمحات من تركيز تجريبيا تدفق كتلة من ركائز الطلاء لكل وكيل بوصفها وظيفة من عمق طلاء الدهان باستخدام تحليل معكوس. لمحات تعكس توزيع عند النقطة التي تدفق بخار من المواد الملوثة يأتي فقط من باطن الأرض ويتم تحديد بواسطة وسائل النقل الجماعي ناشر. عموما، في هذه الحالة، يتم امتصاص المزيد من HD الجماعية ويفعل ذلك في جزء أرق من الفيلم الطلاء مقارنة VX. وينعكس هذا الاختلاف في تركيز التشبع ونشر قيم معامل محسوبة أسفل:. المحسوبة بخار ملامح تدفق استنادا لمحات تركيز نقطة الانطلاق في الجزء العلوي من هذا الرقم. محسوب، تدفق بخار تعتمد على الوقت يتطابق مع إكسبالبيانات erimental هو مبين في الشكل (3) فيما يتعلق بالتنبؤ الفرق النسبي في تطور كل وكيل. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

وكيل انتشارية (م 2 / ث) التشبع (ز / م 3)
VX 9.91 ± 0.07 × 10 -14 5.32 ± 0.03 × 10 4
HD 2.11 ± 0.04 × 10 و# 8211 (14)؛ 1.17 ± 0.01 × 10 5

الجدول 1. قداس النقل نتائج تقدير المعلمة لVX وHD التفاعل مع الطلاء SD. الجدول مقتبس من المرجع 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 بناء على الملوثات الكيميائية. تطبيقات هذه الطريقة توفر فهم التأسيسي من امتصاص الملوثات في المواد، وفي نهاية المطاف، أداة التنبؤية لوصف مقاومة الملوثات من المواد.

على الرغم من أن العمل قدم حوقد أظهرت يحرث الوعد، هناك العديد من العوامل للنظر في مثل هذه الأنظمة التي تحتوي في جوهرها كثير من التفاعلات المتشابكة. لتوسيع هذا النهج لأكثر الملوثات المادية نظم لظروف بيئية مختلفة سيتطلب تقييم المستمر من التأثيرات على قياسات التدفق الجماعي. وتشمل هذه الآثار الامتزاز أنواع متعددة من الجزء الأكبر، وغيرها من التحاليل التي تهم كما أشير إليه في الشكل 3، التي قد تكون أو لا يغير من ديناميكية النقل الجماعي نسبة إلى الظروف البيئية الأخرى. على سبيل المثال، قد يتسبب البيئة قياس فراغ تغيير في تكوين استيعابها والمحتوى (على سبيل المثال، الماء والمذيبات العضوية الأخرى المرتبطة الطلاء) مقارنة ظروف الضغط المحيطة التي يمكن بدورها تغيير الشخصى تطور الملوثات.

تطبيق هذه التقنية على الأنظمة الكيميائية المستمرة التي تتطلب درجة عالية من مجموعة ديناميكية أكبر لللض جزئيالقياسات قد تتطلب إعادة تقييم لحساسية الجهاز فيما يتعلق بالعلاقة بين ضغط الغرفة وقياس ايون الحالية. على العكس، تطبيق هذه التقنية إلى الأنواع الكيميائية شديدة التقلب أو رد الفعل قد تتطلب دراسة متأنية من الوقت بين الجلاء الغرفة وجمع البيانات (الخطوات 4.3 و 4.4) لضمان تدفق البيانات كتلة قابلة للحياة.

أخيرا، قد تكون هناك آليات أخرى 14-16 التي تحكم النقل الجماعي، مثل النقل التي يسهل اختراقها ونشر المتبادل أو الحاجة لمراعاة طبيعة متعدد الطبقات من الطلاء الطلاء مثل التمهيدي وأعلى طبقات معطف. كل هذه التأثيرات المحتملة فيما يتعلق تميز نقل الملوثات هي حاليا جزء من الدراسات الجارية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

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 .

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Stainless Steel Tray McMaster Carr 4189T1 13-5/8" L x 9-3/4" W, http://www.mcmaster.com/#stainless-steel-trays/=p8dcgp
MIL-DTL-53039 solvent-dispersible aliphatic polyurethane coating system Substrates supplied by internal source
Environmental Chamber Custom Design. Full details on vacuum chamber specifications and materials included in reference 4.
bis(2-chloroethyl) sulfide CASARM TOXIC
O-ethyl S-[2-(diisopropylamino)ethyl] methylphosphonothioate CASARM TOXIC
Pipetter Fisher Scientific 22260201 Range of 1.0 µl to 10 ml
Pipetter Tips Fisher Scientific 13-683-709 0.1 ml Volume
Stainless Steel High Vacuum Experimental Chamber Custom Design
Quadrupole Mass Spectrometer ExTorr RGA300
Stainless Steel Tweezers McMaster Carr 5516A15 Any stainless steel tweezers are appropriate.
Glass Extraction Jar Scientific Specialties 170808 Jar fits a ~5 cm diameter substrate. Different glass jars with teflon lined lids are appropriate for different sized substrates.
Chloroform Sigma-Aldrich 650498 HARMFUL. The extraction solvent for HD may change depending on the analytical method.
Isopropanol Sigma-Aldrich 650447 HARMFUL. The extraction solvent for VX may change depending on the analytical method.
Pasteur Pipette VWR 14673-010 size = 5 3/4"

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics