पेंट्स में रासायनिक परिवहन की विशेषता के लिए एक व्युत्क्रम विश्लेषण दृष्टिकोण

Chemistry

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Summary

इस पत्र में, विभिन्न सामग्रियों में रसायनों की जन परिवहन मापदंडों बढ़ाता के लिए एक प्रक्रिया प्रस्तुत किया है. इस प्रक्रिया वास्तविक समय, उच्च निर्वात में मास स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा दर्ज उत्सर्जन प्रोफाइल के वाष्प को एक व्युत्क्रम विश्लेषण के आधार प्रसार मॉडल को रोजगार शामिल है.

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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).

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Abstract

सीधे एक सामग्री के भीतर होते हैं कि रासायनिक परिवहन और बातचीत के लिए चिह्नित करने की क्षमता (यानी, उपसतह गतिशीलता) संदूषक जन परिवहन और माल शुद्ध करने की क्षमता को समझने में एक महत्वपूर्ण घटक है. एक सामग्री दूषित कर रहा है, समय के साथ, सामग्री के बाहर (जैसे रासायनिक युद्ध एजेंट प्रजाति के रूप में) अत्यधिक जहरीले रसायनों के परिवहन वाष्प जोखिम में परिणाम कर सकते हैं या साथ बातचीत जो कर्मियों को percutaneous जोखिम में परिणाम कर सकते हैं, जो त्वचा, के लिए स्थानांतरण सामग्री. कारण रासायनिक युद्ध एजेंटों की उच्च विषाक्तता के लिए, ट्रेस रासायनिक मात्रा की रिहाई महत्वपूर्ण चिंता का विषय है. लीन एजेंटों की मैपिंग उपसतह एकाग्रता वितरण और परिवहन विशेषताओं जोखिम खतरों untested परिस्थितियों में मूल्यांकन किया जा करने के लिए सक्षम बनाता है. इसके अलावा, इन उपकरणों अंततः सुधार decontaminants या परिशोधन प्रक्रियाओं डिजाइन करने के लिए उपसतह प्रतिक्रिया गतिशीलता चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. टीओ इस लक्ष्य को प्राप्त करने, एक व्युत्क्रम विश्लेषण जन परिवहन मॉडलिंग दृष्टिकोण उपसतह एकाग्रता प्रोफाइल के गणना के लिए इनपुट पैरामीटर के रूप में दूषित रंग कोटिंग्स से वाष्प उत्सर्जन का समय हल जन स्पेक्ट्रोस्कोपी माप का इस्तेमाल करता है कि विकसित किया गया था. विवरण आसुत सहित संदूषक और सामग्री हैंडलिंग, उत्सर्जित दूषित वाष्प की माप के लिए मास स्पेक्ट्रोमेट्री के आवेदन, और जीने रासायनिक युद्ध एजेंटों के परिवहन गुण निर्धारित करने के लिए एक भौतिक विज्ञान आधारित प्रसार मॉडल का उपयोग उलटा विश्लेषण के कार्यान्वयन सहित, नमूना तैयार करने पर प्रदान की जाती हैं सरसों (एचडी) और तंत्रिका एजेंट VX.

Introduction

रासायनिक युद्ध एजेंटों द्वारा सामग्री के प्रदूषण के साथ जुड़े जन परिवहन तंत्र शारीरिक राज्य संक्रमण, मोबाइल प्रजातियों के बीच रासायनिक बातचीत, और सामग्री इंटरफेस सहित convolved प्रक्रियाओं की एक किस्म के द्वारा संचालित कर रहे हैं. प्रभावोत्पादक परिशोधन प्रौद्योगिकी, अनुकूलित परिशोधन प्रक्रियाओं, और भविष्य कहनेवाला मॉडल विकसित करने के लिए, यह संदूषण प्रक्रिया अच्छी तरह से अवशोषण के माध्यम से सामग्री में contaminants के परिवहन और वापस वातावरण में बाद में रासायनिक उत्सर्जन सहित, समझा जाता है कि महत्वपूर्ण है. नतीजतन, यह दृष्टिकोण पर्यावरण की स्थिति के एक समारोह के रूप में दूषित सामग्री जोड़े के लिए उपसतह एकाग्रता प्रोफाइल के मूल्यांकन कर सकते हैं कि विकसित कर रहे हैं कि जरूरी है. एक सातत्य पैमाने पर, भौतिक विज्ञान आधारित मॉडल एक दूषित सब्सट्रेट में लीन एजेंट की एकाग्रता वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए विकसित किया गया था. प्रयोगात्मक व्युत्पन्न जन परिवहन मापदंडों टी की भविष्यवाणी सक्षमवह दूषित सामग्री पोस्ट परिशोधन से उत्सर्जन वाष्प. एक सामग्री में एकाग्रता वितरण की भविष्यवाणी करने की क्षमता संभावित वाष्प खतरों के आकलन की सुविधा और, बारी में, विषाक्तता खतरों 1 की सटीक निदान सक्षम कर सकते हैं. यह दृष्टिकोण इस तरह diffusivity और संतृप्ति एकाग्रता के रूप में दूषित सामग्री जोड़ी विशिष्ट जन परिवहन मापदंडों के एक अनुमान के लिए अनुमति देता है कि एक अन्य परिदृश्यों और स्थितियों के लिए बारी परमिट मॉडलिंग में. इस अध्ययन में, हम रासायनिक युद्ध एजेंटों भारतीय मानक ब्यूरो (2 chloroethyl) सल्फाइड (आसुत सरसों, छाला एजेंट HD) और हे -ethyl एस के साथ विलायक छितरी, polyurethane रंग कोटिंग्स के तरल चरण संदूषण का इलाज किया है - [2 (diisopropylamino) एथिल] methylphosphonothioate (VX), एक organophosphate तंत्रिका एजेंट.

विकसित पद्धति के बिना, HD और VX जैसे रासायनिक युद्ध एजेंटों सहित दूषित सामग्री, से गैस desorption प्रोफाइल्स की विशेषताअन्य यात्री सुविधा और क्षमता है कि प्रतिबंध के कई 2,3 दृष्टिकोण. दूषित substrates से दूषित पदार्थों को विकास का समय हल मास स्पेक्ट्रोमेट्री माप मूल पारगमन घटना से शुरू संदूषक के लिए अवशोषित एकाग्रता प्रोफाइल सहित सामग्री में संदूषक, के लिए जन परिवहन मापदंडों की गणना करने के लिए उलटा विश्लेषण के साथ एक वाचाल परिवहन मॉडल के लिए अनुमति देते हैं. पर्यावरण की स्थिति के एक समारोह के रूप में सामग्री में contaminants के एकाग्रता प्रोफाइल के वर्णन के लिए एक भविष्य कहनेवाला क्षमता की स्थापना के साथ विषाक्तता के खतरों का आकलन और अंततः प्रभावोत्पादक परिशोधन के लिए मार्गों को विकसित करने की क्षमता आती है.

इस पत्र में, नमूना तैयार करने से संबंधित विवरण रासायनिक युद्ध एजेंट contaminants के साथ काम करते हैं, साथ ही साथ दूषित सामग्री से प्रयोगात्मक डेटा संग्रह और बाद मॉडलिंग 4 सहित, प्रस्तुत कर रहे हैं. प्रायोगिक रन जानकारी के रूप में आयोजित की गईरासायनिक संदूषक और decontaminant स्रोत दस्तावेज़ 5 में ribed और अगले भाग में चर्चा की जाएगी. नमूना तैयार करने और विश्लेषण कदम के लिए एक प्रवाह चार्ट चित्रा 1 में शामिल है.

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Protocol

वांछित पर्यावरण के लिए 1 दशा पेंट Substrates

  1. निर्दिष्ट तापमान और सापेक्ष आर्द्रता (20 डिग्री सेल्सियस, 50%) सब्सट्रेट कंडीशनिंग के लिए पर्यावरण कक्ष पूर्व निर्धारित. तापमान और पानी की मात्रा दोनों में काफी सामग्री में अवशोषण दर को प्रभावित कर सकते हैं के बाद से सब्सट्रेट स्थितियां लगातार बनाए रखा है कि यह सुनिश्चित करें.
  2. 0.32 सेमी मोटी कोट, कुल कोटिंग मोटाई के साथ रंग की एक परत (6 लाख DTL-53039, एक विलायक dispersible (एसडी) स्निग्ध polyurethane कोटिंग प्रणाली) के साथ 20.25 2 सेमी की एक सतह क्षेत्र के साथ 5.08 सेमी त्रिज्या स्टेनलेस स्टील डिस्क ( लगभग 100 मीटर की किताब और ऊपर कोट). परीक्षण सतह के साथ स्टेनलेस स्टील ट्रे पर (प्रतिकृति की वांछित संख्या के साथ) substrates ऊपर की ओर का सामना करना पड़ एक रासायनिक एजेंट के संपर्क में होने की जगह.
  3. पेट्री डिश के साथ substrates के कवर. कम से कम 60 मील के लिए पर्यावरण कक्ष में परीक्षण substrates युक्त ट्रे रखेंn लेकिन आदर्श ओ / एन, यदि संभव हो तो.

Preconditioned Substrates के 2 संदूषण

  1. ऐसी प्रयोगशाला कोट, सुरक्षा चश्मा, और दस्ताने के रूप में डॉन व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण.
  2. चेतावनी: कोल्ड स्टोरेज से रासायनिक contaminants प्राप्त करें और प्राथमिक कंटेनर शीशी आरटी को संतुलित करने के लिए अनुमति देते हैं. इस प्रोटोकॉल में प्रयुक्त रसायनों रासायनिक एजेंट स्टैंडर्ड विश्लेषणात्मक संदर्भ सामग्री (CASARM, 98.0% शुद्धता) ग्रेड HD और CASARM (89.0% उच्च शुद्धता) ग्रेड VX (दोनों तरल चरण) कर रहे हैं. या तो परमाणु चुंबकीय अनुनाद या गैस क्रोमैटोग्राफी / मास स्पेक्ट्रोस्कोपी विश्लेषण से काफी पवित्रता जानकारी प्राप्त करें और फ़ाइल पर बनाए रखें.
    नोट: चेतावनी: रासायनिक युद्ध एजेंटों की हैंडलिंग केवल लागू सुरक्षा, सुरक्षा, और ज़मानत सावधानियों का उपयोग कर एक अनुमोदित सुविधा में प्रशिक्षित कर्मियों द्वारा किया जाना चाहिए.
  3. चेतावनी: एक विंदुक टिप के साथ एजेंट वितरण उपकरण फिट और एजेंट की एक छोटी बूंद (जैसे, 1 μl) वितरित करने के लिए उपकरण को विन्यस्त. खुलनासंदूषक शीशी, और हुड सतह पर टोपी जगह, धागे का सामना करना पड़. पिपेट उठाओ, और धीरे धीरे संदूषक समाधान में टिप कम है. निर्माता के निर्देशों के अनुसार एजेंट के साथ एजेंट वितरण उपकरण लोड करें. धीरे हुड काम की सतह पर लोड पिपेट जगह है, और संदूषक शीशी संक्षिप्त.
  4. चेतावनी: परीक्षण substrates दूषित.
    1. पर्यावरण कक्ष से परीक्षण substrates युक्त ट्रे निकालें.
    2. परीक्षण substrates से पेट्री डिश निकालें, और हुड सतह पर निर्धारित किया है. डिजिटल संदूषण से पहले प्रत्येक सब्सट्रेट की उपस्थिति दर्ज करने के लिए प्रत्येक परीक्षा सब्सट्रेट तस्वीर.
    3. लोड पिपेट उठाओ और एक भी छोटी बूंद देने (जैसे, 1 μl) पहले टेस्ट सब्सट्रेट एजेंट की. अतिरिक्त substrates contaminating जबकि वाष्पीकरण कम करने के लिए एक polystyrene पेट्री डिश के साथ दूषित सामग्री को कवर किया. प्रत्येक सब्सट्रेट के लिए दोहराएँ; (एस पिपेट टिप पुनः लोडआवश्यक के रूप में) 2.3 TEP.
      नोट: दूषित जन वितरण की पुष्टि करने से पहले और क्रोमैटोग्राफी के माध्यम से विश्लेषण के लिए substrates के खुराक के बाद पिपेट पुष्टि नमूने एकत्र.
    4. परीक्षण substrates से पेट्री डिश निकालें और हुड सतह पर निर्धारित किया है. डिजिटल प्रारंभिक दूषित सामग्री बातचीत रिकॉर्ड करने के लिए प्रत्येक परीक्षा सब्सट्रेट तस्वीर.
    5. पेट्री डिश के साथ परीक्षण substrates के कवर.
    6. वापस पर्यावरण कक्ष में substrates के ट्रे रखें.

3 Contaminant सामग्री सहभागिता एजिंग अवधि

  1. नमूने उम्र बढ़ने से पहले, धारा 4 में उपयोग के लिए इसे तैयार करने के लिए स्टेनलेस स्टील उच्च वैक्यूम प्रायोगिक कक्ष वेंट.
  2. रासायनिक सामग्री पर्यावरण बातचीत गतिशीलता (जैसे, 60 मिनट) पर आधारित विभिन्न जा सकता है जो निर्दिष्ट अवधि के लिए पर्यावरण कक्ष में उम्र को दूषित substrates की अनुमति दें.
  3. वातावरण से substrates निकालेंहुड के काम की सतह पर ental कक्ष और जगह. परीक्षण substrates से पेट्री डिश निकालें और डिजिटल पोस्ट बुढ़ापे दूषित सामग्री बातचीत रिकॉर्ड करने के लिए प्रत्येक सब्सट्रेट तस्वीर.
  4. परीक्षण के नमूने (जैसे, कई कंटेनर) डबल होते हैं और उच्च निर्वात चैम्बर के साथ काम हुड के लिए स्थानांतरण.

4 उच्च वैक्यूम भाप उत्सर्जन चैंबर मापन

उच्च निर्वात चैम्बर एक टर्बो आणविक खींचें पंप और एक डायाफ्राम समर्थन पंप (चित्रा 2) द्वारा पंप एक छोटी मात्रा पोत है. एक quadrupole मास स्पेक्ट्रोमीटर सीधे एक तापमान नियंत्रित सब्सट्रेट धारक चेहरे और उच्च निर्वात परिस्थितियों में दूषित substrates से वास्तविक समय गैस विकास को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है कि एक बंदरगाह पर मुहिम शुरू की है. निर्वात चैम्बर विनिर्देशों और सामग्री पर पूर्ण विवरण संदर्भ 4 में शामिल किए गए हैं.

  1. चैम्बर ठीक से निकाल रहा है कि सुनिश्चित करें.
  2. चेतावनी: धारा 3 में तैयार नमूनों unpackage, और परीक्षण substrates से पेट्री डिश हटा दें. स्टेनलेस स्टील चिमटी का उपयोग कर प्रत्येक तापमान नियंत्रित सब्सट्रेट धारक में एक परीक्षण सब्सट्रेट रखें.
  3. निर्वात चैम्बर सील और पंप नीचे अनुक्रम शुरू करते हैं. चैम्बर निर्दिष्ट उम्र समय में सील वैक्यूम ऐसी है कि इस कदम प्रदर्शन (जैसे, 60 मिनट) सब्सट्रेट दूषित किया गया था जब के संबंध में.
  4. इकाई प्रभारी मूल्यों के प्रति विशिष्ट जन (एम / जेड) के साथ की पहचान एक समय के समारोह (जन प्रवाह का सीधा उपाय) के रूप में चयनित जन टुकड़ा चैनल रिकॉर्डिंग शुरू. संदूषक आंशिक दबाव का पता लगाने सीमा से नीचे चला जाता है जब तक <0.25 हर्ट्ज पर वास्तविक समय में:;: (मी / z = 109 HD M / Z = 114 VX) ब्याज के अणुओं से प्राथमिक जन टुकड़े के अलावा विशिष्ट पृष्ठभूमि गैस प्रजातियों उपाय (- 8 पा 10) मास स्पेक्ट्रोमीटर की.
  5. के लिए उत्सर्जन घटता लीजिएसब्सट्रेट से दूषित पदार्थों का उत्सर्जन की अवधि.
  6. संदूषक जन प्रवाह चैम्बर दबाव आधारभूत की कमी आई है एक बार मास स्पेक्ट्रोमीटर के साथ उत्सर्जन घटता रिकॉर्डिंग बंद करो.
  7. वायुमंडलीय दबाव को उच्च निर्वात चैम्बर वेंट.

कुल शेष Contaminant के लिए 5 उपचार के बाद मूल्यांकन

  1. उच्च वैक्यूम भाप उत्सर्जन कक्ष (HVVEC) साधन खोलें और स्टेनलेस स्टील चिमटी का उपयोग कर कक्ष से सब्सट्रेट हटा दें.
  2. एक गिलास निष्कर्षण जार में सब्सट्रेट प्लेस और जार को सॉल्वेंट एक्सट्रैक्शन की 20 मिलीलीटर जोड़ने (जैसे, isopropyl शराब: VX, क्लोरोफॉर्म: HD). जार कैप और जार में तीन बार घुमाना. 60 मिनट के लिए निष्कर्षण विलायक में सब्सट्रेट छोड़ दें.
  3. फिर जार तीन बार घुमाना और फिर जार खुलना. एक साफ, डिस्पोजेबल, गिलास पिपेट का उपयोग, गैस या तरल के माध्यम से विश्लेषण के लिए एक विश्लेषणात्मक शीशी में निष्कर्षण विलायक के लगभग 1 से 2 मिलीलीटर हस्तांतरणक्रोमैटोग्राफी 7 substrates द्वारा बनाए रखा संदूषक जन को मापने के लिए.

6 डेटा विश्लेषण और मॉडलिंग

  1. सब्सट्रेट से जन प्रवाह के लिए कच्चे मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा (मापा आयन वर्तमान से व्युत्पन्न आंशिक दबाव) में कनवर्ट करें. डिटेक्टर पर घटना वाष्प प्रवाह को पता चला गैस प्रजातियों के आंशिक दबाव में परिवर्तित करने के लिए हर्ट्ज-Knudsen सूत्र का एक संयोजन का उपयोग करें और मूल संदूषण घटना से सब्सट्रेट पर दूषित क्षेत्र के लिए खातों कि एक स्केलिंग कारक शामिल हैं.
  2. रंग कोटिंग के माध्यम से दूषित पदार्थों के लिए संतृप्ति एकाग्रता और प्रसार स्थिर मूल्यों (कुंजी जन परिवहन मापदंडों) निर्धारित करने के लिए उलटा तरीकों (जैसे, Levenberg-Marquardt एल्गोरिथ्म) का प्रयोग करें. एक भविष्यवाणी की वाष्प प्रवाह करने के लिए प्रयोगात्मक निर्धारित वाष्प प्रवाह की तुलना करें (एप्लाइड उचित सीमा की स्थिति के साथ फिक के दूसरे कानून को एक विश्लेषणात्मक समाधान (संदर्भ से समीकरण 4 देखें) 4). दूषित सामग्री प्रणाली के लिए एकाग्रता के प्रोफाइल की भविष्यवाणी करने के लिए जन परिवहन मापदंडों का उपयोग करें.

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Representative Results

VX और HD (के मुख्य जन टुकड़े के लिए समय हल मास स्पेक्ट्रोमेट्री पर आधारित एसडी पेंट substrates से गणना की जन VX के प्रवाह और HD चित्रा 3 दिखाता उदाहरण के शीर्ष पैनल बड़े पैमाने पर करने के लिए प्रभारी अनुपात, मी / z = 114 और 109, क्रमशः). एक ionizer, एक जन विश्लेषक या फिल्टर, और एक प्रभारी डिटेक्टर: एक quadrupole मास स्पेक्ट्रोमीटर तीन मुख्य घटक हैं. गैस प्रजातियों इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण (रेशा गर्म शैली इलेक्ट्रॉन स्रोत) के माध्यम से आयनित कर रहे हैं, और उत्पादन आयनों आयन वर्तमान को मापने के लिए मापा गैसों का आंशिक दबाव को (आनुपातिक एक फैराडे कप या इलेक्ट्रॉन गुणक डिटेक्टर तक पहुंचने के लिए रास्ते में एक quadrupolar जन फिल्टर में इंजेक्ट कर रहे हैं ). एक दूषित सब्सट्रेट (उत्सर्जन कोण सब्सट्रेट सामान्य पर नुकीला) से उत्सर्जित प्रजातियों को प्राथमिकता पाया गया है, ताकि इस विधि में इस्तेमाल साधन के लिए, ionizer सब्सट्रेट सतह पर, रेखा की दृष्टि निकटता (<3.5 सेमी) करीब में स्थित था औरछद्म तत्क्षण. डिटेक्टर पर आयन वर्तमान समावेश कि आयनों एक विशिष्ट आयनीकरण राज्य स्वतंत्र मास स्पेक्ट्रोमेट्री मानकों और डेटाबेस के उपयोग के माध्यम से इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण प्रक्रिया का परिणाम है कि (जेड) (जैसे, NIST जन स्पेक्ट्रा के साथ बड़े पैमाने पर टुकड़े (एम) के लिए आवंटित कर रहे हैं डेटाबेस). एक इलेक्ट्रॉन प्रभाव ionization घटना में बनाई गई विशेष आयनों के रिश्तेदार बहुतायत अणु विशिष्ट है, और महान देखभाल विशेष रूप से शायद ही कभी एक आयनीकरण या विखंडन घटनाओं से गुजरना जो ऐसे VX और HD के रूप में बड़े अणुओं, के लिए बड़े पैमाने पर वर्णक्रमीय हस्ताक्षर बताए में की जरूरत है. समय हल प्रयोगों प्रदर्शन किया गया, इससे पहले कि बराबर सब्सट्रेट तैयारी की स्थिति के लिए पूरा जन स्पेक्ट्रा उपस्थिति और विश्लेषण चेंबर में शुरू की प्रजातियों के लिए विशिष्ट मी / z चोटियों के रिश्तेदार बहुतायत सत्यापित करने के लिए दर्ज किए गए. इस सत्यापन की पुष्टि शामिल है कि टी के लिए उम्मीद की मुख्य जन टुकड़ा की तीव्रताब्याज की वह विश्लेष्य प्रणाली में अन्य प्रजातियों से योगदान के साथ convolved नहीं किया गया था. बाद के प्रयोगों में समय हल माप तो ब्याज की analytes के साथ जुड़े समय के एक समारोह के रूप में विशिष्ट मी / z चोटियों की तीव्रता दर्ज की गई.

स्पेक्ट्रोमीटर के ionizer के रूप में मापा कच्चा मास स्पेक्ट्रोमेट्री डेटा गैसों का आंशिक दबाव के रूप में कर रहे हैं. इस अध्ययन के लिए, प्राथमिक HD और प्रवाह गणना के लिए इस्तेमाल किया VX टुकड़े के लिए आंशिक दबाव मूल्यों संभव अणु विशिष्ट विखंडन दक्षता के लिए कोई सुधार के साथ एक नाइट्रोजन आयनीकरण क्रॉस सेक्शन मानक पर आधारित हैं. प्रोटोकॉल में निर्दिष्ट के रूप में, 6.1 कदम, डिटेक्टर पर इन आंशिक दबाव माप पहले संबंधित है हर्ट्ज- Knudsen सूत्र का उपयोग कर एक जन प्रवाह में बदल रहे हैं:

समीकरण 1 Equation 1

जहां, मैं इस घटना आणविक प्रवाह, पी मैं, आंशिक दबाव (पा) में मापा जाता है, एम प्रजातियों (छ / अणु), कश्मीर बोल्ट्जमान निरंतर (जम्मू / कश्मीर) है, और टी है की आणविक जन एन डेट है चैम्बर तापमान (कश्मीर). फिर, दूषित सतह से प्रवाह निर्धारित करने के क्रम में, एन सी, डिटेक्टर पर मापा जन प्रवाह, एन डेट, मैं, मास स्पेक्ट्रोमीटर डिटेक्टर क्षेत्र का अनुपात (डिटेक्टर समानांतर के पार अनुभागीय क्षेत्र से गुणा किया जाता है सतह पर संदूषण के क्षेत्र के लिए) सतह दूषित:

2 समीकरण 2 समीकरण

एक डेट डिटेक्टर का क्षेत्र है और जहां एक सी दूषित क्षेत्र पर हैसब्सट्रेट. सब्सट्रेट की उपसतह से होने वाले प्रजातियों के लिए वाचाल जन परिवहन के साथ जुड़े समय शासन पर चित्रा 3 फोकस के शीर्ष पैनल में दिखाया गया डेटा. मास स्पेक्ट्रोमेट्री से पहले माप VX और HD बूँदें दोनों सब्सट्रेट पूर्व वैक्यूम शुरूआत करने पर अवशिष्ट थोक तरल के साथ एसडी रंग पर बिना डंठल नहीं रह था कि प्रदर्शन किया; VX और HD के लिए औसत अंतिम दूषित क्षेत्र क्रमशः 2 सेमी 2.6 ± 0.1 और 5.9 ± 0.6 थी. प्रारंभिक समय शासन (<1,000 सेकंड) डेटा की सतह पर फंसे या दुर्बलता ही है कि आंशिक रूप से अपेक्षाकृत उच्च आंशिक दबाव के साथ ही थोक तरल संदूषक की desorption पर ionizer ऑपरेशन के लिए मास स्पेक्ट्रोमीटर संतुलन से प्रभावित हैं जो इन भूखंडों में शामिल नहीं हैं सब्सट्रेट. डेटा जन प्रवाह की दर में एक घातीय कमी के साथ शुरू होता है और diffu के पैरामीटर के आकलन के लिए इस्तेमाल किया डेटा का स्रोत है कि एक प्रसार सीमित शासन का प्रदर्शनदूषित सब्सट्रेट की उपसतह से निर्णायक परिवहन. शासनों में संक्रमण की परिभाषा जमा तरल समाप्त हो गया था जब तक VX और HD दोनों के लिए एक निरंतर वाष्पीकरण दर का प्रदर्शन किया जो borosilicate ग्लास substrates (अभेद्य सामग्री), जमा पर VX के वाष्पीकरण और HD तरल मापने के द्वारा पुष्टि की गई. अध्ययन के तहत जटिल प्रणाली है कि शामिल विभिन्न बातचीत illustrating के प्रयोजनों के लिए, चित्रा 3 में नीचे पैनल एक पवित्र रंग सब्सट्रेट से मापा पृष्ठभूमि संकेतों से पता चलता है. गैर monotonic समय विकास के साथ ही प्रजाति के प्रोफाइल में सुविधाओं का संयोग नोट. माप वैक्यूम शर्तों के तहत दर्ज कर रहे हैं के रूप में, रंग सब्सट्रेट में फंस प्रजातियों के किसी भी कोटिंग के बाहर diffusing में सक्षम हैं. इस अवलोकन (आंशिक दबाव के लिए आनुपातिक) सब्सट्रेट के बाहर जन प्रवाह की दर चूहे के रिश्तेदार बहुतायत से प्रभावित किया जा सकता है कि संभावना दिखाता हैपानी और रंग सॉल्वैंट्स सहित कोटिंग में अन्य प्रजातियों की कमी की ई.

पैरामीटर अनुमान प्रसार सीमित वाष्प उत्सर्जन प्रवाह का उपयोग किया गया था. प्रसार की फिक के दूसरे कानून को एक विश्लेषणात्मक समाधान है जो गणना फिट, विशिष्ट दूषित सामग्री संयोजन 8 के लिए संतृप्ति और diffusivity निरंतर के निर्धारण के लिए अनुमति देता है. एक सामग्री से जन प्रवाह परिमाण के साथ ही बड़े पैमाने पर प्रवाह के परिवर्तन के समय दर सहित भाप उत्सर्जन, सामग्री के लिए सम्मान के साथ ही सामग्री 9- में संदूषक के साथ जुड़े परिवहन मानकों के साथ दूषित वितरण के द्वारा संचालित है 11. एक contaminant के वितरण में जाना जाता है, तो सामग्री से contaminant प्रवाह 1 भविष्यवाणी की जा सकती. इसके विपरीत, वाष्प उत्सर्जन प्रवाह, सब्सट्रेट और परिवहन में एकाग्रता वितरण (यहाँ बताया प्रयोगात्मक प्रक्रिया के समान) में मापा जाता है अगरort पैरामीटर निर्धारित किया जा सकता है; सामान्यतः के रूप में उलटा विश्लेषण 12,13 में जाना जाता है कि एक तकनीक. इस प्रयोग में, सब्सट्रेट से वाष्प प्रवाह के लिए एक अभिव्यक्ति वाचाल जन परिवहन 4,13 संभालने, एक परिमित मोटाई कोटिंग में संदूषक एकाग्रता प्रोफ़ाइल के लिए फिक के दूसरे कानून को एक आयामी (-1 डी) विश्लेषणात्मक समाधान के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है. 4 चित्रा एक परिमित मोटाई अवशोषित कोटिंग में आणविक प्रसार के लिए विश्लेषणात्मक समाधान में बाधा के साथ जुड़े विभिन्न सीमा की स्थिति को दिखाता है. गणना की पूरी जानकारी कहीं और 4 दर्ज हैं, और परिणाम तालिका 1 में संक्षेप हैं.

वाष्प प्रवाह माप से अनुमान जन परिवहन मापदंडों एसडी रंग कोटिंग के भीतर संदूषक एकाग्रता वितरण और विकास की भविष्यवाणी करने के लिए लागू किया गया. इस परिणाम से तीन वर्षों में एकाग्रता क्षेत्र का प्रतिनिधित्व शामिलरंग कोटिंग से बाहर contaminant के प्रसार के शुरू में पेंट की ickness (सतह से थोक तरल वाष्पीकरण के बाद). चित्रा 5 के शीर्ष पैनल एसडी रंग कोटिंग में HD या VX के स्थानिक निर्भर एकाग्रता वितरण के लिए सिमुलेशन परिणाम दिखाता है. तालिका 1 में सूचीबद्ध एक बड़ा संतृप्ति एकाग्रता से संकेत के रूप कोटिंग, एच.डी. की एक उच्च जन अवशोषित हालांकि, यह अधिक VX साथ तुलना सब्सट्रेट की सतह के पास ही सीमित नहीं है. चित्रा 5 के नीचे पैनल सामग्री के आसपास के क्षेत्र में कर्मियों के लिए स्वास्थ्य खतरों उपज सकता है जो पेंट से contaminants, के परिणामस्वरूप वाष्प प्रवाह को दिखाता है. HD और VX के बीच परिवहन घटना में मतभेद intermolecular बातचीत विभिन्न वितरण उत्पन्न करने के लिए रंग प्रणाली के माध्यम से अणुओं को अवशोषित के परिवहन को बदल सकते हैं कि प्रदर्शित करता है.

चित्रा 1, contaminating उम्र बढ़ने, और substrates से एजेंट के बाद उत्सर्जन को मापने, शर्त के लिए कदम दिखाता है कि सब्सट्रेट तैयारी और माप प्रवाह चार्ट. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 2
उच्च वैक्यूम भाप उत्सर्जन चैंबर के चित्रा 2 योजनाबद्ध. Substrates सीधे एक quadrupole मास स्पेक्ट्रोमीटर चेहरे कि एक तापमान नियंत्रित सब्सट्रेट धारक पर लोड कर रहे हैं. चैम्बर <10 के आधार दबाव (लोड नहीं सब्सट्रेट) है - 7 पा और पंप हैएक डायाफ्राम समर्थन पंप द्वारा समर्थित है कि एक टर्बो आणविक खींचें पंप द्वारा. Substrates निर्वात चैम्बर निकाल के साथ शुरू की है, और इस प्रणाली <10 नीचे पंप है एक बार मास स्पेक्ट्रोमीटर में बड़े पैमाने पर प्रवाह की माप शुरू कर रहे हैं - 2 Pa. सब्सट्रेट व्यास पैमाने संदर्भ के रूप में कार्य करता है. यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

चित्रा 3
चित्रा 3 ऊपर: दूषित एसडी रासायनिक एजेंट प्रतिरोधी कोटिंग substrates से वाष्प उत्सर्जन की प्रयोगात्मक माप के आधार पर substrates से VX (नीला) और HD (लाल) की गणना प्रवाह. एक दिया analyte के लिए मुख्य अंशों का मास स्पेक्ट्रोमीटर (VX पर मापा जाता है (वर्तमान आयन से व्युत्पन्न) आंशिक दबाव : मी / z = 114; एच.डी.: मी / z = 109) सामग्री से उत्सर्जित प्रजातियों की लाइन की दृष्टि का पता लगाने, यह सोचते हैं सब्सट्रेट से मूल जन प्रवाह करने के लिए सीधे संबंधित हो सकता है. दिखाया गया डेटा थोक, सतह बाध्य संदूषक तरल desorbed गया है केवल जब प्रसार सीमित जन परिवहन व्यवस्था के लिए कर रहे हैं निचला:. एक पवित्र रंग सब्सट्रेट द्वारा उत्सर्जित गैस प्रजातियों के लिए पृष्ठभूमि आंशिक दबाव माप. अध्ययन के तहत प्रणाली की जटिलता illustrating के प्रयोजन के लिए पूरा समय हल प्रोफाइल के कुल चैम्बर दबाव 10 से नीचे गिरा जब (डेटा इकट्ठा करने का प्रारंभिक बिंदु से शामिल किए गए हैं - 2 Pa, जल्द से जल्द बात जिस पर मास स्पेक्ट्रोमीटर रिकॉर्ड कर सकता ). रंग चाबी की पहचान का पता चला प्रजातियों के अनुरूप कि विशिष्ट मी / z मूल्यों को दिखाता है.

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सीमा की स्थिति सहित फिक के कानून द्वारा शासित -1 डी आणविक वाचाल अवशोषण की 4 चित्र परिभाषा, चर की परिभाषा:. सी उप सब्सट्रेट में प्रदूषक की एकाग्रता, सी उप बैठे, संतृप्ति एकाग्रता, जेड, अवशोषित कोटिंग की मोटाई साथ दूरी , डी उप, कोटिंग में contaminant के diffusivity, t उप, रंग कोटिंग की मोटाई. सब्सट्रेट से दूषित पदार्थों को विकास के लिए वैक्यूम के तहत माप वर्णन करता है कि मॉडल के लिए, मॉडल जेड = 0 पर, एक वैक्यूम कोटिंग इंटरफेस, बिंदु, जिस पर प्रसार सीमित परिवहन हावी हो जाएगा कि मानता है. इन सीमा की स्थिति और उलटा विश्लेषण गणना के साथ अपने बाद के उपयोग के साथ फिक के कानून के विश्लेषणात्मक समाधान के रूप refere में विस्तृत रहे हैंnce 4.

चित्रा 5
चित्रा 5 शीर्ष: उलटा विश्लेषण का उपयोग पेंट कोटिंग गहराई के एक समारोह के रूप में प्रत्येक एजेंट के लिए रंग substrates से प्रयोगात्मक निर्धारित जन प्रवाह से एकाग्रता के प्रोफाइल परिकलित. प्रोफाइल के दूषित पदार्थ से वाष्प प्रवाह उपसतह से पूरी तरह आते हैं और वाचाल जन परिवहन के द्वारा निर्धारित किया जाता है, जहां बिंदु पर वितरण दर्शाते हैं. कुल मिलाकर, इस मामले में, अधिक HD जन अवशोषित कर लेता है और VX की तुलना में रंग फिल्म की एक पतली हिस्से में ऐसा करता है. इस अंतर की गणना संतृप्ति एकाग्रता और प्रसार गुणांक मूल्यों में दिखाई देता है नीचे:. आंकड़ा के शीर्ष भाग में प्रारंभिक बिंदु एकाग्रता प्रोफाइल के आधार पर गणना की वाष्प प्रवाह प्रोफाइल. गणना, समय पर निर्भर वाष्प प्रवाह ऍक्स्प से मेल खाता हैप्रत्येक एजेंट के विकास में रिश्तेदार अंतर की भविष्यवाणी के संबंध में 3 चित्र में दिखाया erimental डेटा. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

एजेंट Diffusivity (एम 2 / एस) संतृप्तता (छ / 3 मीटर)
VX 9.91 ± 0.07 × 10 -14 5.32 ± 0.03 × 10 4
एच.डी. 2.11 ± 0.04 × 10 &# 8211; 14 1.17 ± 0.01 × 10 5

तालिका 1 जन परिवहन पैरामीटर अनुमान VX और HD एसडी रंग के साथ बातचीत के लिए परिणाम. तालिका संदर्भ 4 से रूपांतरित किया.

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Discussion

रंग में HD और VX के लिए जन परिवहन मापदंडों वाष्प उत्सर्जन डेटा के संख्यात्मक व्युत्क्रम विश्लेषण के माध्यम से निर्धारित किया गया है. गणना मापदंडों के साथ, यह तो रंग कोटिंग में दूषित वितरण के लिए समय पर निर्भर एकाग्रता ढाल नक्शे का उत्पादन करने के लिए संभव था. उलटा विश्लेषण परिणाम एसडी रंग में HD की घुलनशीलता VX तुलना में अधिक था कि प्रदर्शन किया, लेकिन diffusivity कम लगभग 5x था. परिणाम VX संदूषण प्रोफाइल एसडी रंग कोटिंग के माध्यम से प्रवेश जबकि एच.डी. संदूषण, कोटिंग की सतह पर अत्यधिक ध्यान केंद्रित किया गया है कि सुझाव है. इसलिए, एसडी रंग के लिए परिशोधन आवश्यकताओं रासायनिक संदूषक के आधार पर अलग होगा. इस विधि के अनुप्रयोग, अंत में, सामग्री का दूषित प्रतिरोध चिह्नित करने के लिए एक भविष्य कहनेवाला उपकरण सामग्री में दूषित अवशोषण का एक मूलभूत समझ प्रदान करने और.

काम ज प्रस्तुत हालांकिपहले आंतरिक रूप से कई उलझ बातचीत होते हैं कि इस तरह के सिस्टम में विचार करने के लिए कई कारक हैं, वादा दिखाया है. जन प्रवाह माप पर प्रभावों की एक सतत मूल्यांकन की आवश्यकता होगी विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों के लिए और भी अधिक दूषित सामग्री सिस्टम के लिए इस दृष्टिकोण का विस्तार करने के लिए. इन प्रभावों या अन्य पर्यावरणीय स्थितियों के लिए जन परिवहन गतिशीलता रिश्तेदार को बदल नहीं हो सकता है जो चित्रा 3 में संकेत के रूप में ब्याज की analytes, के अलावा अन्य थोक से कई प्रजातियों के desorption शामिल हैं. उदाहरण के लिए, निर्वात माप वातावरण अवशोषित संरचना और सामग्री में बदलाव के कारण हो सकता है (जैसे, पानी और रंग के साथ जुड़े अन्य कार्बनिक विलायकों) बारी में दूषित विकास प्रोफाइल को बदल सकते हैं कि परिवेश के दबाव की स्थिति की तुलना में.

आंशिक pressu के लिए एक बड़ा गतिशील रेंज की आवश्यकता है कि अत्यधिक लगातार रासायनिक प्रणालियों के लिए तकनीक के आवेदनमाप चैम्बर दबाव और मापा आयन वर्तमान के बीच के रिश्ते के संबंध में साधन संवेदनशीलता का मूल्यांकन आवश्यकता हो सकती है फिर से. इसके विपरीत, अत्यधिक अस्थिर या प्रतिक्रियाशील रासायनिक प्रजातियों के लिए तकनीक के आवेदन व्यवहार्य जन प्रवाह डेटा सुनिश्चित करने के लिए कक्ष निकासी और डेटा संग्रह (4.3 और 4.4 कदम) के बीच समय की सावधानी से विचार करने की आवश्यकता हो सकती.

अंत में, इस तरह के झरझरा परिवहन और आपसी प्रसार या प्राइमर और ऊपर कोट परतों की तरह रंग कोटिंग्स के बहुपरत प्रकृति लिए खाते की आवश्यकता के रूप में जन परिवहन को नियंत्रित करने वाले अन्य तंत्र 14-16, हो सकता है. दूषित पदार्थों निस्र्पक के संबंध में इन संभव प्रभावों के सभी वर्तमान में चल रही पढ़ाई का हिस्सा हैं.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

लेखकों उपकरण डिजाइन में समर्थन के लिए डॉ वेस गॉर्डन (ECBC) धन्यवाद. इस काम के कार्यक्रम CA08MSB317 तहत एरिक Lowenstein और माइकल रॉबर्ट्स (डिफेंस थ्रेट रिडक्शन एजेंसी) द्वारा वित्त पोषित दो अनुसंधान कार्यक्रमों से संचयी परिणाम का प्रतिनिधित्व करता है. इस के साथ साथ उद्धृत तकनीकी रिपोर्टों में प्राप्त किया जा सकता 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"

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References

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