Een Inverse Analyse aanpak van de karakterisering van de Chemical Transport in Paints

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

In deze paper wordt een procedure voor het kwantificeren van de massa parameters van chemicaliën in verschillende materialen vervoer gepresenteerd. Dit proces omvat het gebruik van een inverse-analyse toplaag model emissieprofielen opgenomen door real-time, massaspectrometrie in hoog vacuüm damp.

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

De mogelijkheid om rechtstreeks te karakteriseren chemisch transport en interacties die plaatsvinden binnen een materiaal (dat wil zeggen, ondergrondse dynamiek) is een essentieel onderdeel in verontreinigingen massatransport en de mogelijkheid om materialen te ontsmetten begrijpen. Als een materiaal wordt vervuild, tijd, het transport van zeer giftige stoffen (zoals chemische strijdmiddelen species) uit het materiaal kan leiden tot blootstelling damp of overdracht naar de huid, wat kan leiden tot percutane blootstelling aan personeel dat interactie met de materiaal. Door de hoge toxiciteit van chemische strijdmiddelen, het vrijkomen van chemische sporen hoeveelheden van groot belang. Mapping ondergrond concentratie distributie en transport eigenschappen van geabsorbeerd agenten stelt gevaren blootstelling worden beoordeeld in niet-geteste omstandigheden. Bovendien kunnen deze instrumenten worden gebruikt om ondergrondse reactie dynamiek karakteriseren om uiteindelijk te ontwerpen verbeterd ontsmettingsmiddelen of decontaminatie procedures. To dit doel te bereiken, werd een inverse analyse massatransport modelmatige benadering ontwikkeld die tijdopgeloste massa spectroscopie metingen van damp uitstoot van verontreinigde verflagen als parameter input voor de berekening van ondergrondse concentratie profielen gebruikt. Details worden verstrekt over de monstervoorbereiding, inbegrip van de verontreinigde en material handling, de toepassing van massaspectrometrie voor de meting van de uitgestoten verontreinigende damp, en de uitvoering van de inverse analyse met behulp van een physics-based diffusiemodel transport eigenschappen van levend chemische strijdmiddelen te bepalen waaronder gedestilleerd mosterd (HD) en het zenuwgas VX.

Introduction

Het massatransport mechanismen van verontreiniging van het door chemische strijdmiddelen worden aangedreven door een verscheidenheid van werkwijzen waaronder geconvolueerde fysische toestand overgangen, chemische interacties tussen mobiele soorten en materialen interfaces. Om effectief decontaminatie technologieën, geoptimaliseerd decontaminatie procedures, en voorspellende modellen te ontwikkelen, is het essentieel dat de verontreiniging proces goed wordt begrepen, waaronder het transport van verontreinigingen in materialen via absorptie en de daaropvolgende chemische emissie terug in het milieu. Bijgevolg is het noodzakelijk dat benaderingen ontwikkeld die ondergrond concentratieprofielen voor verontreiniging-materiaal paren als functie van omgevingscondities kunnen evalueren. Een continu-schaal natuurkundige model ontwikkeld om de concentratie verdeling van geabsorbeerde stof in een vervuilde substraat voorspellen. Experimenteel afgeleid massa parameters transport mogelijk te maken van de voorspelling van thij damp emissie uit de verontreinigde materiaal na ontsmetting. Het vermogen om de concentratieverdeling in een materiaal te voorspellen kan de beoordeling van mogelijke gevaren damp vergemakkelijken en, op zijn beurt mogelijk nauwkeurige diagnose van toxicologische risico 1. Deze aanpak maakt het mogelijk om een ​​schatting van de verontreiniging-materiaal paar parameters massatransport zoals diffusie en verzadiging concentratie die op hun beurt vergunning modellering voor een andere scenario's en voorwaarden. In deze studie hebben we de vloeistoffase verontreiniging van oplosmiddel gedispergeerde polyurethaan verflagen chemische strijdmiddelen bis (2-chloorethyl) sulfide (gedestilleerd mosterd, blaartrekker HD) en O-ethyl S behandeld - [2 (diisopropylamino) ethyl] methylphosphonothioate (VX), een organofosfaat zenuwgas.

De ontwikkelde methodiek kenmerkt gas desorptie profielen van verontreinigde materialen, met inbegrip van chemische strijdmiddelen zoals HD en VX, zonderveel van de beperkingen die andere hinderen benadert 2,3. Tijdsopgeloste massaspectrometrie metingen verontreinigende evolutie van verontreinigde substraten zodat een diffusieve transport model inverse analyse massa transportparameters de berekening van de verontreiniging in het materiaal, met inbegrip van de geabsorbeerde concentratieprofiel voor de verontreiniging vanaf de oorspronkelijke permeatie event. Met de invoering van een voorspellend vermogen voor de afbakening concentratieprofielen van verontreinigingen in materialen als functie van de omgevingscondities is de mogelijkheid om toxicologische risico beoordelen en uiteindelijk routes voor effectieve ontsmetting ontwikkelen.

In deze paper worden de gegevens in verband met de monstervoorbereiding gepresenteerd, waaronder het werken met chemische oorlogsvoering middel contaminanten, maar ook experimentele dataverzameling van verontreinigd materiaal en de daaropvolgende modellen 4. Experimentele proeven werden uitgevoerd als described in de chemische verontreiniging en ontsmettingsmiddel brondocument 5 en zal in de volgende paragraaf worden besproken. Een stroomschema voor de monstervoorbereiding en analyse stappen in opgenomen in figuur 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1 Voorwaarde Paint Substrates om de gewenste Milieu

  1. Stel de klimaatkamer voor substraat conditionering naar de opgegeven temperatuur en relatieve vochtigheid (20 ° C, 50%). Zorg ervoor dat de ondergrond voorwaarden consequent worden gehandhaafd, aangezien zowel de temperatuur en watergehalte aanzienlijk absorptie tarieven kunnen beïnvloeden in materialen.
  2. Coat 0,32 cm dik, 5.08 cm straal schijven roestvrijstaal met een oppervlak van 20,25 cm2 met een verflaag (MIL-DTL-53039, een oplosmiddel verspreidende (SD) alifatisch polyurethaan coatingsysteem 6) met een totale laagdikte ( primer en aflak) van ongeveer 100 micrometer. Plaats de substraten (met gewenste aantal herhalingen) op roestvast stalen platen met het proefoppervlak te worden blootgesteld aan een chemisch agens naar boven.
  3. Bedek de substraten met petrischaaltjes. Plaats de laden met de test substraten in de klimaatkamer gedurende ten minste 60 kmn maar idealiter O / N, indien mogelijk.

2 Besmetting van gepreconditioneerde Substrates

  1. Don persoonlijke beschermingsmiddelen zoals laboratoriumjas, veiligheidsbril en handschoenen.
  2. LET OP: Haal de chemische verontreinigingen van de koelhuizen en laat primaire container flacon in evenwicht tot kamertemperatuur. De chemicaliën die worden gebruikt in dit protocol zijn Chemische stof Standard Analytical Reference Material (CASARM, 98,0% zuiverheid) rang HD en CASARM (89,0% hoge zuiverheid) rang VX (zowel vloeibare fase). Verkrijgen zuiverheid informatie hetzij NMR of gaschromatografie / massaspectroscopie geanalyseerd en dossier handhaven.
    LET OP: LET OP: Het omgaan met chemische strijdmiddelen mag alleen worden uitgevoerd door geschoold personeel bij een erkende faciliteit met de geldende veiligheidsvoorschriften, veiligheid en zekerheid voorzorgsmaatregelen.
  3. LET OP: Plaats de agent levering tool met een pipet en configureren van de tool om een druppel van middel (bijvoorbeeld, 1 ui) te leveren. Haal het beschermkapje van deverontreiniging flesje, en plaats de dop op de motorkap oppervlak, discussies naar boven. Pak de pipet, en langzaam de tip in de verontreiniging oplossing. Laad de agent levering tool met agent in overeenstemming met de aanwijzingen van de fabrikant. Plaats voorzichtig het geladen pipet op de motorkap werkvlak, en samen te vatten de verontreiniging flacon.
  4. LET OP: Contaminate de test substraten.
    1. Verwijder de laden met de test substraten uit de klimaatkamer.
    2. Verwijder de petrischaaltjes uit de test substraten, en zet op de motorkap oppervlak. Digitaal fotograferen elke test substraat om de verschijning van elk substraat voor besmetting op te nemen.
    3. Pak de geladen pipet en leveren een enkele druppel (bijvoorbeeld 1 ul) van het middel op de eerste test substraat. Bedek het verontreinigde materiaal met een polystyreen petrischaal om verdamping te minimaliseren, terwijl besmetting extra substraten. Herhaal dit voor elke ondergrond; laadt u het pipet (STEP 2.3) als dat nodig is.
      OPMERKING: Verzamel pipet bevestiging monsters voor en na toediening van substraten voor analyse via chromatografie aan verontreinigende massa levering te bevestigen.
    4. Verwijder de petrischaaltjes uit de test substraten en ingesteld op de motorkap oppervlak. Digitaal fotograferen elke test substraat om de oorspronkelijke verontreiniging-materiaal interacties opnemen.
    5. Bedek alle ondergronden met de petrischaaltjes.
    6. Plaats de lade van substraten terug in de klimaatkamer.

3 Verontreinigende-materiaal interactie rijpingsperiode

  1. Voorafgaand aan de veroudering van de monsters, ontlucht de roestvrijstalen hoog vacuüm experimentele kamer voor te bereiden voor gebruik in hoofdstuk 4.
  2. Laat de verontreinigde substraten leeftijd in de klimaatkamer voor de opgegeven duur kan worden gevarieerd op basis van de chemische stof-omgeving interactie dynamica (bijvoorbeeld 60 min).
  3. Verwijder substraten uit de omgeentele kamer en plaats op het werkoppervlak van de kap. Verwijder de petrischaaltjes uit de test substraten en digitaal fotograferen elk substraat aan de post-aging verontreiniging-materiaal interacties opnemen.
  4. Dubbelklik bevatten de monsters (bijvoorbeeld meerdere luchtdichte verpakkingen) en over te dragen aan de werkende kap met hoge vacuümkamer.

4 High Vacuum Vapor Emission Measurement Kamer

De hoge vacuümkamer is een klein volume gepompt door een turbomoleculaire pomp drag en een diafragma backing pomp (figuur 2). Een quadrupool massaspectrometer is gemonteerd op een poort die direct geconfronteerd met een temperatuurgeregelde substraathouder en wordt gebruikt voor real-time gasontwikkeling meet van verontreinigde substraten onder vacuum. Volledige details over de vacuümkamer specificaties en materialen zijn in het referentiebedrag 4.

  1. Zorg ervoor dat de ruimte goed is geventileerd.
  2. LET: Uitpakken het opgesteld in hoofdstuk 3 monsters, en verwijder petrischaal uit de test substraten. Plaats een testsubstraat in elkaar temperatuurgestuurde substraathouder met roestvrijstalen pincet.
  3. Dicht de vacuümkamer en begint de pomp naar beneden volgorde. Voer deze stap zodat de kamer vacuüm afgedicht op bepaalde leeftijd tijd (bijvoorbeeld 60 min) ten opzichte van wanneer het substraat is verontreinigd.
  4. Begin opname geselecteerd massa fragment kanalen als functie van de tijd (directe maat massaflux) geïdentificeerd specifieke massa per lading waarden (m / z). Meet specifieke species achtergrondgas naast de primaire massafragmenten van de moleculen van interesse (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) in real time op <0,25 Hz tot verontreiniging partiële druk beneden detectiegrenzen van de massaspectrometer (10-8 Pa).
  5. Verzamel de emissie curves voorde duur van de emissie van verontreinigingen van het substraat.
  6. Stoppen met opnemen emissie bochten met de massaspectrometer zodra de verontreiniging massaflux is afgenomen tot de druk in de verbrandingskamer baseline.
  7. Vent de hoge vacuümkamer tot atmosferische druk.

5 Post-behandeling Evaluatie totale resterende Verontreinigende

  1. Open het hoog vacuüm dampemissie kamer (HVVEC) en verwijder het substraat uit de kamer met behulp van roestvrijstalen pincet.
  2. Plaats het substraat in een glazen pot en extractie voeg 20 ml extractie oplosmiddel aan de pot (bijvoorbeeld isopropylalcohol: VX; chloroform: HD). Dop op de pot en schud de pot drie keer. Laat het substraat in het extractie oplosmiddel voor 60 minuten.
  3. Zwenk de pot drie keer opnieuw en vervolgens Haal het beschermkapje van de pot. Met behulp van een schone, wegwerpbare, glazen pipet ongeveer 1 tot 2 ml oplosmiddel voor de extractie in een analytische flacon voor analyse via gas of vloeistofchromatografie 7 de verontreiniging massa vastgehouden door de substraten te meten.

6 Data-analyse en modellering

  1. Zet ruwe massaspectrometrie data (partiële ontleend gemeten ionenstroom) massa flux van het substraat. Gebruik van een combinatie van de Hertz-Knudsen verstrekken waarmee partiële gedetecteerde gas soorten invallende dampstroom bij de detector en van een schaalfactor welke met de vervuilde gebied op het substraat van de oorspronkelijke verontreiniging event.
  2. Gebruik inverse methoden (bijvoorbeeld Levenberg-Marquardt algoritme) om de verzadiging concentratie en diffusie constante waarden (key massa parameters vervoer) voor het transport van vuile stoffen door de verflaag te bepalen. Vergelijk de experimenteel bepaalde damp flux naar een voorspelde damp flux (een analytische oplossing voor Fick tweede wet met de juiste grens toegepaste voorwaarden (zie vergelijking 4 uit referentie 4)). Gebruik de massa parameters transport naar de concentratie-profielen voor de verontreiniging-materiaal systeem te voorspellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het bovenpaneel van Figuur 3 toont voorbeelden van de berekende massa flux van VX en HD uit SD ondergronden basis van tijdsopgeloste massaspectrometrie voor de hoofdmassa fragmenten van VX en HD (massa tot lading ratio, m / z = 114 en 109, respectievelijk). Een quadrupool massaspectrometer bestaat uit drie hoofdonderdelen: een ionisator, een massa-analyzer of een filter, en een lading detector. Gas species geïoniseerd door elektroneninslag ionisatie (hot filament stijl elektronenbron), en de geproduceerde ionen worden geïnjecteerd in een quadrupool massa filter weg naar het bereiken van een Faraday cup of elektronenmultiplicator detector voor het meten ionenstroom (evenredig met partiële gemeten gassen ). Voor instrument gebruikt in deze methode, de ionisator is gelegen in de buurt (<3,5 cm), line-of-sight nabijheid van het substraat oppervlak, zodat soorten uitgestoten door een vervuilde ondergrond (stralingshoek piekte op substraat normaal) bij voorkeur werden gedetecteerd enpseudo-ogenblikkelijk. De ionen die de ionenstroom op de detector omvatten worden toegewezen massafragmenten (m) met een bepaalde ionisatietoestand (z) als gevolg van de elektroneninslag ionisatieproces door het gebruik van onafhankelijke massastandaarden en databases spectrometrie (bijvoorbeeld NIST massaspectra database). De relatieve overvloed van bepaalde ionen die in een elektron invloed ionisatie evenement is molecuul-specifiek, en veel zorg nodig is bij het toekennen van de massa spectrale signatuur met name voor grotere moleculen, zoals VX en HD, die zelden ondergaan enkele ionisatie of fragmentatie gebeurtenissen. Voordat tijdsopgeloste experimenten werden uitgevoerd, volledig massaspectra gelijkwaardige ondergrondvoorbehandeling condities werden opgenomen op de aanwezigheid en relatieve overvloed van bepaalde m / z pieken voor het geïntroduceerd in de analysekamer species verifiëren. Deze controle opgenomen bevestigd dat de intensiteit van de verwachte hoofdmassa fragment voor thij voorkeursanaliet werd niet geconvolueerd met bijdragen van andere soorten in het systeem. De tijdsopgeloste metingen in volgende experimenten vervolgens geregistreerd de intensiteit van specifieke m / z pieken als functie van de tijd geassocieerd met de analyten.

Ruwe massaspectrometrie gegevens in de vorm van partiële gassen gemeten op de ionisator van de spectrometer. Voor dit onderzoek worden de partiële drukwaarden voor de primaire HD en VX-fragmenten gebruikt voor de flux berekeningen gebaseerd op een stikstofatoom ionisatie dwarsdoorsnede standaard niet gecorrigeerd voor mogelijke molecule specifieke fragmentatie efficiëntie. Zoals vastgelegd in het protocol, Stap 6.1 worden deze partiële druk metingen op de detector eerst omgezet in een massa flux met behulp van de Hertz-Knudsen formule die betrekking heeft:

Vergelijking 1 Equation 1

waar N det, i, invalt moleculaire flux, P i, gemeten partiële druk (Pa), m is de molecuulmassa van de soort (g / molecuul), k de Boltzmann constante (J / K), en T de kamertemperatuur (K). Dan, om de flux van het verontreinigde oppervlak bepalen, N c, massa flux gemeten op de detector, N det, i, wordt vermenigvuldigd met de verhouding van de massa spectrometer detectorgebied (dwarsdoorsnede van de detector parallel aan de besmette oppervlak) naar het gebied van besmetting op het oppervlak:

Vergelijking 2 Vergelijking 2

waarbij A det is het gebied van de detector en een c is het besmette gebied ophet substraat. De weergegeven in het bovenste paneel van Figuur 3 focus op de tijd regime geassocieerd met diffuse massatransport voor soorten die afkomstig zijn uit de ondergrond van het substraat gegevens. Metingen voorafgaand aan massaspectrometrie aangetoond dat zowel VX en HD druppels niet wintereik hebben blijven op de SD-verf met een resterende vloeibare bulk van de ondergrond voorafgaand aan de introductie in vacuüm; de gemiddelde laatste besmette gebied voor VX en HD was 2,6 ± 0,1 en 5,9 ± 0,6 cm 2, respectievelijk. Vroege tijdstip regime (<1,000 sec) gegevens zijn niet opgenomen in deze percelen, die deels worden beïnvloed door de massaspectrometer in evenwicht brengen voor ionisator operatie bij relatief hoge partiële drukken evenals desorptie van bulk vloeibare verontreiniging die wordt gevangen of zwak gebonden aan het oppervlak van het substraat. De gegevens tonen een diffusie beperkt regime, dat begint met een exponentiële afname van de massa stroomsnelheid en is de bron van de gegevens die worden gebruikt voor het schatten van parameters van DIFFUsive vervoer van de ondergrond van de verontreinigde ondergrond. De definitie van de overgang in regimes werd bevestigd door het meten verdamping van VX en HD vloeistof afgezet op boorsilicaatglas substraten (ondoorlatend materiaal), dat een constante verdampingssnelheid aangetoond voor zowel VX en HD tot de neergeslagen vloeistof uitgeput. Ten behoeve van illustratie van de verschillende interacties die het ingewikkelde systeem omvatten onder studie, het onderste paneel in figuur 3 geeft de achtergrond gemeten signalen uit een niet verf substraat. Let op de niet-monotone tijdsevolutie en het samenvallen van functies tussen soorten profielen. Al worden geregistreerd, onder vacuüm, van de soorten gevangen in de verf substraat kunnen diffunderen uit de coating. Deze waarneming geeft de mogelijkheid dat de mate van massa flux uit het substraat (evenredig partiële druk) kan worden beïnvloed door de relatieve abundantie van rate van de uitputting van andere soorten in de coating, met inbegrip van water en verf oplosmiddelen.

Parameterschatting werd uitgevoerd met de diffusie beperkte dampemissie flux. De berekende fit, een analytische oplossing voor Fick's tweede wet van diffusie, maakt de bepaling van verzadiging en diffusie constante voor de specifieke contaminant-materiaalcombinaties 8. Kookdampen inbegrip van de massa flux magnitude en de tijdsnelheid van verandering van de massa flux, van een materiaal wordt door de verontreiniging verdeling met betrekking tot het materiaal en het transport parameters voor de verontreiniging in het materiaal 9- 11. Indien de verdeling van een stof bekend is, moet de verontreiniging flux van het materiaal kan worden voorspeld 1. Als daarentegen de kookdampen gemeten wordt (vergelijkbaar met de hierin beschreven experimentele procedure), de concentratie verdeling in het substraat en transportort parameters worden bepaald; een techniek die algemeen wordt aangeduid als inverse analyse 12,13. In dit experiment kan een uitdrukking voor dampstroom uit het substraat worden afgeleid via een eendimensionale (1D) analytische oplossing Fick's tweede wet van de verontreiniging concentratieprofiel in een eindige dikte coating, uitgaande diffusie massatransport 4,13. Figuur 4 illustreert de verschillende randvoorwaarden verbonden beperken de analytische oplossing voor moleculaire diffusie in een eindige dikte absorberende coating. De volledige details van de berekening zijn elders gedocumenteerd 4, en de resultaten zijn samengevat in Tabel 1.

Het massatransport parameters geschat uit de damp flux metingen werden uitgevoerd om de verontreiniging concentratie verdeling en evolutie binnen de SD verflaag te voorspellen. Dit resultaat opgenomen die het veld concentratie over de steickness van de verf aan het begin van verspreiding van de verontreiniging uit de verflaag (na bulk vloeistof verdampen van het oppervlak). Het bovenste paneel van Figuur 5 illustreert simulatieresultaten voor de ruimtelijk-afhankelijke concentratie distributie van HD of VX in de SD-coating. Hoewel de bekleding geabsorbeerd een grotere massa van HD, zoals aangegeven door een grotere verzadigingsconcentratie in tabel 1, wordt meer gelokaliseerd nabij het ​​oppervlak van het substraat ten opzichte van VX. Het onderste paneel van Figuur 5 illustreert de resulterende damp flux van de verontreinigingen uit de verf die gezondheidsrisico's kan opleveren voor personeel in de nabijheid van het materiaal. De verschillen in transportvergelijkingen tussen HD en VX zien dat intermoleculaire interacties het transport van absorberende moleculen via verfsystemen verschillende distributies gegenereerd kunnen veranderen.

"Figuur Figuur 1 Voorbereiding van de ondergrond en de meting stroomschema dat stappen illustreert voor conditionering, besmetten, veroudering, en het meten van de daaropvolgende emissie van stof van substraten. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2 Schematische voorstelling van de hoog vacuüm dampemissie kamer. Substraten zijn geladen op een temperatuur-gecontroleerde substraathouder die direct geconfronteerd met een quadrupool massaspectrometer. De kamer heeft een basis druk (geen substraat geladen) van <10-7 Pa en wordt gepompteen turbomoleculaire pomp weerstand die wordt ondersteund door een diafragma voorvacuümpomp. Substraten worden geïntroduceerd in de vacuümkamer ontlucht, en metingen massa flux in de massaspectrometer zodra het systeem wordt gepompt <10-2 Pa. Substraat diameter dient als een schaal referentie. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3 Top: VX (blauw) en HD (rood) berekend flux van substraten op basis van experimentele metingen van kookdampen uit verontreinigde SD chemisch agens coating substraten. De partiële druk (afgeleid van ionenstroom) gemeten op de massaspectrometer van de belangrijkste fragmenten van een bepaalde analyt (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) kan direct worden gerelateerd aan de oorspronkelijke massa flux van het substraat-gezichtslijn detectie van species die uit de veronderstelling materiaal. De getoonde gegevens zijn voor de diffusie beperkt massa-regime vervoer alleen als bulk,-oppervlak gebonden verontreiniging vloeistof is gedesorbeerd Bottom:. Achtergrond partiële metingen voor gas soorten uitgezonden door een ongerepte verf substraat. Voor het illustreren de ingewikkeldheid van het bestudeerde systeem, worden de full tijdsopgeloste-profielen van het beginpunt van dataverzameling (als totaal kamerdruk daalde onder 10-2 Pa, de eerste plaats waarop de massaspectrometer kan opnemen ). De toets illustreert specifieke m / z waarden die overeenkomen met de geïdentificeerde gedetecteerde molecuul.

belasting / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figuur 4 Definitie van 1D moleculaire diffusie absorptie onder Fick's wet, waaronder randvoorwaarden Definitie van variabelen. Sub C, concentratie van verontreiniging in het substraat, sub C, za, verzadigingsconcentratie, z, afstand langs de dikte van het absorberende coating ; D sub, diffusie van verontreiniging in de deklaag; t sub, de dikte van de verflaag. Voor het model dat de meting beschreven onder vacuüm contaminant evolutie van het substraat, het model veronderstelt dat bij z = 0, is er een vacuum-coating tussenvlak, het punt waarop diffusie beperkte transport domineert zijn. De vorm van de analytische oplossing voor Fick's wet met deze randvoorwaarden en het latere gebruik van inverse analyse berekeningen zijn beschreven in referentience 4.

Figuur 5
Figuur 5 Top: Berekende concentratie profielen uit experimenteel bepaalde massa flux van verf substraten voor elke agent in functie van de verflaag diepte met behulp van inverse analyse. De profielen weerspiegelen de verdeling op het punt waar de dampstroom uit het verontreinigde materiaal uitsluitend afkomstig van de ondergrond en wordt door diffusie massatransport. Kortom, in dit geval, wordt meer HD massa opgenomen en doet dit op een dunnere deel van de verffilm opzichte VX. Dit verschil weerspiegelt in de berekende verzadigingsconcentratie en diffusiecoëfficiënt waarden Onderkant. Berekend dampstroom profielen gebaseerd op het uitgangspunt concentratieprofielen in het bovenste gedeelte van de figuur. De berekende tijdsafhankelijke dampstroom is geselecteerd experimental gegevens weergegeven in figuur 3 met betrekking tot het voorspellen van het relatieve verschil in de evolutie van elke agent. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Agent Diffusiviteit (m 2 / s) Verzadiging (g / m 3)
VX 9,91 ± 0,07 × 10 -14 5,32 ± 0,03 x 10 4
HD 2.11 ± 0.04 x 10 &# 8211; 14 1.17 ± 0.01 x 10 5

Tabel 1 Massatransport parameterschatting resultaten voor VX en HD interactie met SD verf. Tabel aangepast uit referentie 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Massatransport parameters voor HD en VX in de verf werden bepaald via de numerieke inverse analyse van damp emissiegegevens. Met berekende parameters, kon men produceert dan tijdsafhankelijke concentratiegradiënt map contaminant verspreiding in de verflaag. De inverse analyseresultaten toonden aan dat de oplosbaarheid van HD in de SD verf hoger dan VX, maar de diffusie ongeveer 5x lager. De resultaten suggereren dat de HD verontreiniging was zeer geconcentreerd aan het oppervlak van de coating, terwijl de VX besmetting profiel dringt door de SD verflaag. Daarom zal decontaminatie eisen SD verf verschillen op basis van de chemische contaminant. Toepassingen van deze werkwijze een fundamenteel begrip van contaminant absorptie in materialen en, uiteindelijk, een voorspellend gereedschap voor de verontreiniging weerstand van materialen te bekomen.

Hoewel het werk dat here heeft aangetoond belofte, zijn er tal van factoren te overwegen in systemen als deze die intrinsiek veel verstrikt interacties bevatten. Om deze aanpak nog meer verontreiniging-materiaal voor verschillende milieu-omstandigheden uit te breiden zal een voortdurende evaluatie van de invloeden op de massa flux metingen vereisen. Deze effecten omvatten desorptie van meerdere soorten uit de massa, andere dan de analyten zoals gezinspeeld in figuur 3, die al dan niet het massatransport dynamiek opzichte van andere omgevingscondities veranderen. Bijvoorbeeld kan het vacuüm meetomgeving een verandering in de samenstelling opgenomen en de inhoud veroorzaken (bijvoorbeeld water en andere organische oplosmiddelen geassocieerd met verf) vergeleken omgevingsdruk omstandigheden die weer kan veranderen de verontreiniging evolutie profiel.

Toepassing van de techniek zeer persistent chemische systemen die een groter dynamisch bereik voor gedeeltelijke pressu vereisenre metingen evaluatie van de gevoeligheid instrument met betrekking tot de relatie tussen kamerdruk en gemeten ionenstroom vereisen. Omgekeerd kan de toepassing van de techniek om zeer vluchtige of reactieve chemische soorten zorgvuldige afweging van de tijd tussen kamer evacuatie en het verzamelen van gegevens (stap 4.3 en 4.4) nodig om levensvatbaar massaflux gegevens te waarborgen.

Tot slot kunnen er andere mechanismen 14-16 dat massatransport regeren, zoals poreuze transport en wederzijdse diffusie of de noodzaak om rekening te houden met de meerlagige karakter van verflagen zoals primer en aflak lagen. Al deze mogelijke invloeden met betrekking tot het karakteriseren van transport van vuile stoffen zijn momenteel deel uit van de lopende studies.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs danken dr Wes Gordon (ECBC) voor steun in het instrument ontwerp. Dit werk vertegenwoordigt de cumulatieve resultaten van twee gefinancierd door Eric Lowenstein en Michael Roberts (Defensie Threat Reduction Agency) onder programma CA08MSB317 onderzoeksprogramma's. De hierin genoemde technische rapporten zijn verkrijgbaar op 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