Boyalar Kimyasal Ulaştırma Karakterizasyonu bir Ters Analizi Yaklaşımı

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

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.

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

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

İstenen Çevreye 1. Durum Boya Yüzeyleri

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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

  1. Bu laboratuvar önlüğü, gözlük ve eldiven gibi Don kişisel koruyucu ekipmanlar.
  2. 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.
  3. 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.
  4. DİKKAT: Test yüzeylerde Karışmamalıdır.
    1. Çevre odasından test alt tabakaları içeren tepsileri çıkarın.
    2. Test alt tabakalardan Petri yemekleri çıkarın ve kaput yüzeyde ayarlayın. Dijital kirlenme önce her alt tabaka görünümünü kaydetmek için her test substratı fotoğraflamak.
    3. 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.
    4. Test alt tabakalardan Petri kaplarına çıkarın ve kapak yüzeyi üzerinde ayarlayın. Dijital başlangıç ​​kirletici madde etkileşimleri kaydetmek için her test substratı fotoğraflamak.
    5. Petri kapları ile testi yüzeylerde örtün.
    6. Geri çevre odasına yüzeylerde tepsiye yerleştirin.

3. Kirletici malzeme Etkileşim Yaşlanma Dönem

  1. Örnekleri yaşlanma öncesinde, Bölüm 4 kullanılmak üzere hazırlamak için paslanmaz çelik yüksek vakum deneysel odasını havalandırın.
  2. Kimyasal madde çevre ilişkileri dinamikleri (örneğin, 60 dakika) göre değişik olabilir, belirtilen süre boyunca çevre odasında, yaşa kirlenmiş yüzeyler izin verin.
  3. 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.
  4. 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.

  1. Bölmesi düzgün delindiğinden emin olun.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Için emisyon eğrileri toplayınsubstrattan kirletici emisyonu süresi.
  6. Kirletici kütle akı odası basıncı taban düşmüştür kez kütle spektrometresi ile emisyon eğrileri Kaydı durdur.
  7. Atmosfer basıncına göre yüksek bir vakum odasına havalandırın.

Toplam Kalan Kirletici 5. Tedavi sonrası Değerlendirme

  1. Yüksek vakum buhar emisyonu bölmesi (HVVEC) cihazı açma ve paslanmaz çelik cımbız kullanarak odasından tabakayı çıkarın.
  2. 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.
  3. 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

  1. 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.
  2. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 akımını ölçmek için ölçülen gazların kısmi basıncına (orantılı bir Faraday kabı ya da elektron çoğaltıcı dedektöre giden yolda bir quadrupolar kitle filtre içine enjekte edilir ). Kirlenmiş bir alt-tabaka (alt-tabaka, normal emisyon açısı kadar yükseldi) çıkan türler tercihen tespit edildi ki bu yöntemde kullanılan alet için iyonlaştırıcı alt-tabaka yüzeyine, doğru görüş yakınlık (<3.5 cm) yakın bulunan vesözde anında. Detektördeki iyon akımını içeren iyonlar, belirli bir durumda bağımsız bir iyonizasyon kütle spektrometresi standartları ve veri tabanının kullanılması yoluyla elektron darbeli iyonizasyon işlemi neticesinde ortaya çıkan (Z) (örneğin, NIST kütle spektrumları, kütle parçalarının (m) 'e atanan veritabanı). Bir elektron darbe iyonizasyon olayı yaratılmış belirli iyonların göreceli bolluğu molekülü-özeldir ve büyük bakım özellikle nadiren tek iyonizasyon veya parçalanma olayları geçmesi gibi VX ve HD gibi daha büyük moleküller, kitle spektral imzaları atama gereklidir. Zaman çözümlü bir deney yapılmıştır önce, alt-tabaka hazırlama koşullarına eşdeğer tam kütle spektrumları varlığı ve analiz odasına sokulur türlere spesifik m / z zirvelerin nispi bolluk doğrulamak için kaydedildi. Bu doğrulama teyit dahil olduğu t beklenen ana kütle parçasının yoğunluğuilgi o analit sistemindeki diğer türlerden katkılarıyla convolved değildi. Daha sonraki deneylerde zaman çözümlü ölçümler, daha sonra, ilgi konusu analit ile bağlantılı, zamanın bir fonksiyonu olarak belirli bir, m / z piklerin yoğunluğu kaydedildi.

Spektrometrenin iyonizer ölçüldüğünde Ham kütle spektrometresi verileri gazların kısmi basınçlarının biçimindedir. Bu çalışma için, birincil HD ve akış hesaplamalarda kullanılan VX fragmanları kısmi basıncı değerleri mümkündür molekülü spesifik parçalanma verimliliği için bir düzeltme ile bir azot iyonizasyon kesit standardına dayanır. Protokolde belirtildiği gibi, 6.1 Adım, Dedektörün bu kısmi basıncı ölçümleri ilk ilgilidir Hertz-Knudsen formülü kullanarak bir kütle akışına dönüştürülür:

Denklem 1 Denklemdenn, 1

burada i, olay moleküler akısı, Pi, kısmi basınç (Pa) ölçülür, m türleri (g / molekül), k Boltzmann sabiti (J / K), ve T bir molekül kütlesi olan K det odası sıcaklığı (K). Daha sonra, kirlenmiş yüzeyden akışının belirlenmesi amacıyla, H c, dedektör ölçülen kütle akışı, K deterjanı, ı, kütle spektrometresi, detektör alanının oranı (detektör paralel enine kesit alanı ile çarpılarak yüzeyde kontaminasyon alanına) yüzey kontamine:

Denklem 2 Denklem 2

det bir detektör alanı olup burada A C kirli bölge üzerindediralt-tabaka. Substratın yeraltında kaynaklanan türün pasif toplu taşıma araçları ile ilişkili zaman rejimi Şekil 3 odak üst panelinde gösterilen veriler. Kütle spektrometresi önce Ölçümler VX ve HD damla hem alt tabakaya önce vakum giriş yapmak için artık toplu sıvı ile SD-boya sapsız kalmaması gösterdi; VX ve HD için ortalama nihai kirlenmiş alanı sırasıyla cm 2 2.6 ± 0.1 ve 5.9 ± 0.6 idi. Erken zaman rejimi (<1.000 saniye) veri yüzeyinde sıkışan veya zayıf bağlı kısmen nispeten yüksek bir kısmi basıncı gibi toplu sıvı kirletici desorpsiyon işlemi için iyonlaştırıcı kütle spektrometresi dengeleme etkilenmektedir Bu tertipler, dahil edilmez alt-tabaka. Verileri kütle akış hızındaki bir üstel azalma ile başlar ve diffu parametre tahmini için kullanılan veri kaynağı olan bir difüzyon ile sınırlı rejimi göstermekkirlenmiş substratın yeraltında gelen sive ulaşım. Rejimlerde geçiş tanımı biriken sıvı tükenene kadar VX ve HD hem de sabit bir buharlaştırma hızı olduğu borosilikat cam alt-tabakalar (su geçirmez malzeme) üzerine çöktürülmüş, VX buharlaşmasını ve HD sıvı ölçümü ile teyit edilmiştir. Çalışılan karmaşık bir sistem içeren, farklı etkileşimleri gösteren amaçları için, Şekil 3 'de, bir alt panel ve kontamine olmamış boya substrattan ölçülen arka plandaki sinyal gösterir. Olmayan monoton zaman evrim yanı sıra türler profillerinde özelliklerin tesadüf unutmayın. Ölçümler vakum koşulları altında kaydedilmektedir olarak, boya alt-tabaka içinde tutulan türün herhangi bir kaplama üzerinden difüzyon yeteneğine sahiptirler. Bu gözlem, (kısmi basıncına orantılı) substratın üzerinden kütle akışına oranı sıçanın görece bolluğu ile etkilenebilen olasılığını göstermektedirSu dahil olmak üzere solventler ve boya kaplamanın diğer türler, tükenmesi örn.

Parametre tahmini difüzyon ile sınırlı buhar emisyonu akı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fick difüzyon ikinci kanununa analitik bir çözümdür hesaplanan uyum, belirli kirletici malzeme kombinasyonları 8 için doygunluk ve yayınım sabiti belirlenmesi için olanak sağlar. Bir malzemeden kütle akışı büyüklüğü hem de kütle akışına değişim dahil olmak üzere, zamana göre buhar emisyonu, materyaline göre hem de malzeme içinde kirletici 9 ile bağlantılı taşıma parametreleri ile kirletici madde dağılımı ile tahrik edilir 11. Bir kirletici maddenin dağılımı bilindiği takdirde, kirletici maddeden akı 1 tahmin edilebilir. Bunun aksine, buhar emisyonu akı, alt-tabaka ve Şeffaf konsantrasyon dağılımının (burada tarif edilen prosedüre benzer şekilde, deneysel) ölçülmesi halindeort parametreler tespit edilebilir; genel olarak ters analizi 12,13 adlandırılan bir teknik. Bu deneyde, alt-tabakadan buhar akı için bir ekspresyon pasif kütle transferini 4,13 varsayarak, sınırlı bir kalınlığa kaplamada kirletici konsantrasyonu profili için Fick'in ikinci yasasının için bir tek boyutlu (1D), analitik aracılığı ile elde edilebilir. Şekil 4 Bir sonlu kalınlık emici kaplama moleküler difüzyon için analitik çözüm sınırlayıcı ile ilişkili farklı sınır koşulları göstermektedir. Hesaplamanın tüm ayrıntıları yerde 4 belgelenen ve sonuçlar Tablo 1'de özetlenmiştir.

Buhar akı ölçümlerden elde edilen toplu taşıma parametreleri SD boya kaplama içindeki kirletici konsantrasyonu dağılımını ve evrimini tahmin uygulanmıştır. Bu sonuç, th konsantrasyon alanı temsil dahilboya kaplama üzerinden kirletici difüzyon başlangıcında boya ickness (yüzeyinden dökme sıvı buharlaştırma sonra). Şekil 5, üst panel SD boya kaplama HD ya da VX uzaysal bağımlı konsantrasyon dağıtımı için simülasyon sonuçlarını göstermektedir. Tablo 1'de verilen daha büyük bir doyma konsantrasyonu ile gösterildiği gibi, kaplama, HD, daha yüksek bir kütle emilir, ancak daha VX ile karşılaştırıldığında alt-tabakanın yüzeyine yakın olarak lokalize olur. Şekil 5'in alt paneli malzemenin çevresinde personele sağlık riskleri getirebilimektedir boyalarından kirletici maddelerin, elde edilen buhar akışına göstermektedir. HD ve VX arasında taşıma olayları arasındaki farklar moleküller arası etkileşimlerin, farklı dağılımları oluşturmak için boya sistemleri ile molekülleri emme geçişini değiştiren de göstermektedir.

"Şekil Şekil 1., kirletici yaşlanma ve alt tabakalardan ajan sonraki emisyonunu ölçme, preconditioning için adımları göstermektedir Yüzey hazırlama ve ölçüm akış şeması. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2
Yüksek vakum buhar emisyonu odasının Şekil 2. şematik. Elyaf doğrudan bir dört kutuplu kütle spektrometresi ile karşı karşıya bir sıcaklık kontrollü bir alt-tabaka tutucu üzerine yüklenir. Odacık <10 taban basıncı (yüklü hiçbir alt tabaka) var - 7 Pa ve pompalanırbir diyafram pompa desteği ile desteklenen bir turbo moleküler sürükleme pompası ile. Substratlar vakum odası havalandırıldı sunulur, ve sistem <10 aşağı pompalanır sonra kütle spektrometresi kitle akış ölçümleri başlaması olan - 2 Pa. Yüzey çapı bir ölçek referans olarak hizmet vermektedir. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. Üst: Kirlenen SD kimyasal madde dayanıklı kaplama yüzeylerde gelen buhar emisyon deneysel ölçümüne dayalı substratlarından VX (mavi) ve HD (kırmızı) hesaplandı akı. Verilen bir analit için temel parçalarının kütle spektrometresi (VX ölçülmüştür (iyon akımından elde edilen) kısmi basıncı, : M / z = 114; HD: m / z = 109) materyalden yayılan türlerinin hattı görüş algılama varsayarak, alt-tabaka orijinal kütle akışına doğrudan ilgili olabilir. Gösterilen veriler toplu, yüzey bağlı kirletici sıvı dezorbe yalnızca difüzyon ile sınırlı kitle taşımacılığı rejimi içindir Alt:. Kirlenmemiş bir boya alt tabaka tarafından yayılan gaz türler için Arkaplan kısmi basınç ölçümleri. Çalışma altında sistemin karmaşıklığı açıklamak amacıyla, tam zaman çözümlü profilleri, toplam basıncı 10 odasının altına düştü (veri toplama başlangıç ​​noktasından dahildir - 2 Pa, en erken noktası, kütle spektrometresi kayıt olabilir ). Renk anahtarı tespit tespit türlere uygun özel m / z değerleri göstermektedir.

yük / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Sınırlandırma koşulları dahil olmak Fick'in hakları ile tabi 1D moleküler pasif absorpsiyon Şekil 4. tanımı, değişken tanımı:. C biriminin, alt-tabaka içinde kirletici konsantrasyonu C biriminin, doymuş, doyma konsantrasyonu, z emici kaplamanın kalınlığı boyunca mesafe D alt, kaplamada kirletici difüzyon t alt, boya kaplama kalınlığına bağlıdır. Substrattan kirletici evrimi için vakum altında ölçülmesini anlatır modeli için, model, z = 0, bir vakum kaplama arayüzü noktasında difüzyon ile sınırlı taşıma ağırlıkta olmak olacağı varsayılmaktadır. Bu sınır koşulları ve ters analizi hesaplamalar ile sonraki kullanımı ile Fick'in yasası, analitik şekli ayrıntılı olarak reference 4.

Şekil 5,
Şekil 5. En: ters analizi kullanılarak bir boya kaplama derinliğinin bir fonksiyonu olarak her madde için boya alt-tabakalardan deneysel olarak tespit edilmiş kütle akışı ikinci konsantrasyon profillerini hesaplanmıştır. Profiller, kirlenmiş malzemenin 'den gelen buhar akışı yeraltında gelen sadece gelir ve pasif toplu ulaşım araçları ile belirlenen noktada dağılımını gösterir. Genel olarak, bu durumda, daha fazla HD kütlesi emilmektedir ve VX ile karşılaştırıldığında boya filminin ince bir kısmında yapar. Bu fark, hesaplanan doyma konsantrasyonu ve yayılma katsayısı değerlerindeki yansıtıyor Alt:. Şeklin üst bölümünde başlangıç ​​noktası konsantrasyonu profillerinde göre hesaplanan buhar akışında profilleri. Hesaplanan, zamana bağlı buhar akışında exp eşleşenHer maddenin evrim nispi farkı tahmin ilişkin olarak Şekil 3'te gösterilmiştir erimental verileri. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Ajan Yayıcılığıdır (m 2 / s) Doygunluk (g / m 3)
VX 9.91 ± 0.07 × 10 -14 5.32 ± 0.03 × 10 4
HD 2.11 ± 0.04 × 10 &# 8211; 14 1.17 ± 0.01 × 10 5

Tablo 1. Kitle ulaşım parametre kestirimi VX ve HD SD boya ile etkileşim için sonuçlar. Tablo referans 4 uyarlanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 göstermektedir. Bu nedenle, SD boya dekontaminasyon gereksinimleri kimyasal kirletici göre farklılık gösterir. Bu yöntemin uygulamaları, sonuçta, malzeme kirletici direncinin karakterize edilmesi için bir öngörü aracı maddelerin kirlenme emme temel bir anlaşılmasını sağlar ve.

Çalışma h sunulmasına rağmenere özünde çok dolaşmış etkileşimleri içeren bu gibi sistemlerde dikkate sayıda faktör vardır, söz göstermiştir. Kütle akı ölçümleri üzerindeki etkilerin sürekli bir değerlendirmesini gerektirecek farklı çevresel koşullar için daha kirletici materyal sistemler için bu yaklaşımı uzatmak için. Bu etkiler, ya da diğer çevresel koşullara toplu taşıma dinamikleri nisbetle değiştirebilir veya değiştirmeyebilir, Şekil 3'te kastedildiği gibi, ilgi konusu analit dışındaki kütleden çok türlerinin geri çekilmesine içerir. Örneğin, vakum ölçüm ortamı emilmiş bileşim ve içerikte bir değişikliğe yol açabilir (örneğin, su ve boya ile ilişkili diğer organik çözücü maddeler), daha sonra evrim kirletici profili değiştirebilir ortam basıncı koşulları ile karşılaştırıldığında.

Kısmi pressu için büyük bir dinamik aralığı gerektiren oldukça kalıcı kimyasal sistemlere tekniği uygulamaölçümleri odası basınç ve ölçülen iyon akım arasındaki ilişki ile ilgili olarak cihazın duyarlılığı bir değerlendirme gerektirebilir yeniden. Tersine, çok uçucu veya reaktif kimyasal türlerin tekniğin uygulanması canlı kütle akışı verileri sağlamak için odasının boşaltılması ve veri toplama (4.3 ve 4.4 adımları) arasındaki zaman dikkatli değerlendirilmesi gerekebilir.

Son olarak, bu tür gözenekli ulaşım ve karşılıklı difüzyon ya da astar ve üst kat tabakaları gibi boya kaplamaların çok katmanlı doğası hesaba ihtiyaç olarak kitle taşımacılığı düzenleyen diğer mekanizmalar 14-16, olabilir. Kirletici taşıma karakterize açısından bu olası etkilerin hepsi şu anda devam eden çalışmaların bir parçasıdır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

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 .

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