En invers Analyse Tilnærming til Karakterisering av Chemical Transport i Maling

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

I dette papir, er en fremgangsmåte for å kvantifisere de massetransportparametere av kjemikalier i forskjellige materialer presenteres. Denne prosessen innebærer å ansette en invers-analyse basert spredningsmodell til damp profiler utslipps registrert av real-time, massespektrometri i høyt vakuum.

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

Evnen til å karakterisere direkte kjemisk transport og interaksjoner som forekommer i løpet av et materiale (dvs. undergrunns dynamikk) er en viktig komponent i å forstå kontaminant massetransport og evnen til å dekontaminere materiale. Hvis et materiale er forurenset over tid, kan transport av svært giftige kjemikalier (for eksempel kjemisk stridsmiddel arter) ut av materialet resultere i dampeksponering eller overføre til huden, noe som kan føre til perkutan eksponering for personell som samhandler med materiale. På grunn av den høye giftighet av kjemiske stridsmidler, er frigjøring av kjemiske spormengder av stor betydning. Kartlegging grunnen konsentrasjon distribusjon og transport egenskapene absorbert agenter gjør eksponeringsfarer skal vurderes i uprøvde forhold. Videre kan disse verktøyene kan brukes til å karakterisere undergrunnsreaksjonsdynamikken til slutt å utforme forbedrede decontaminants eller dekontaminering prosedyrer. To oppnå dette målet, ble en invers analyse massetransport modellering tilnærming utviklet som utnytter tids løst massespektroskopi målinger av damp utslipp fra forurenset maling belegg som inngangsparameter for beregning av undergrunnen konsentrasjonsprofiler. Detaljer er gitt på prøvepreparering, inkludert kontaminant og materialhåndtering, anvendelse av massespektrometri for måling av emittert kontaminant damp, og gjennomføring av invers analyse ved hjelp av en fysikk-baserte diffusjon modell for å bestemme transportegenskaper av levende kjemiske stridsmidler herunder destillert sennep (HD) og nervegass VX.

Introduction

De massetransportmekanismer er forbundet med forurensning av materialer ved kjemiske stridsmidler er drevet av en rekke forskjellige prosesser inklusive konvolverte fysiske tilstandsoverganger, kjemiske interaksjoner mellom mobile arter, og materialer grensesnitt. For å utvikle effektive dekontaminering teknologier, optimalisert dekontaminering prosedyrer, og prediktive modeller, er det viktig at forurensning prosessen er godt forstått, inklusive transport av forurensninger i materialer via absorpsjon og påfølgende kjemisk utslipp i miljøet. Derfor er det viktig at tilnærminger er utviklet som kan evaluere grunnen konsentrasjonsprofiler for miljøgifter-materiale parene som funksjon av miljøforhold. En kontinuum-skala, ble fysikk-baserte modellen som er utviklet for å forutsi fordeling av konsentrasjonen absorbert middel i en forurenset substrat. Eksperimentelt avledet massetransport parametere aktivere prediksjon av than damp utslipp fra forurenset materiale innlegget dekontaminering. En evne til å forutsi konsentrasjonen distribusjon i et materiale kan lette vurderingen av potensielle farer damp og i sin tur gjøre det mulig nøyaktige diagnoser av toksikologiske farer en. Denne tilnærmingen gjør det mulig for en estimering av miljøgifter-materiale par spesifikke massetransport parametere som diffusiviteten og metning konsentrasjon som i sin tur tillatelse modellering for en andre scenarier og betingelser. I denne studien har vi behandlet væskefasen forurensning av løsemiddel-spredt, polyuretan maling belegg med kjemiske stridsmidler bis (2-kloretyl) sulfid (destillert sennep, blemme agenten HD) og O -etyl S - [2 (diisopropylamino) etyl] methylphosphonothioate (VX), et organofosfat nervegass.

Den utviklet metodikk karakteriserer gass desorpsjon profiler fra forurensede materialer, inkludert kjemiske stridsmidler som HD og VX, utenmange av de restriksjoner som hindrer andre tilnærminger 2,3. Tid-løst massespektrometri måling av forurensningen evolusjon fra forurensede substrater tillate en diffusive transport modell med invers analyse for å beregne massetransportparametere for forurensningen i materialet, herunder den absorberte konsentrasjonsprofilen for forurensningen som starter fra den opprinnelige gjennomtrengelighet event. Med etableringen av en prediktiv evne for opptegning konsentrasjons profiler av forurensninger i materialer som funksjon av miljøforhold kommer muligheten til å vurdere toksikologiske farer og til slutt utvikle ruter for effektiv dekontaminering.

I denne utredningen, er detaljene knyttet til prøveopparbeidelse presentert, herunder arbeid med kjemisk stridsmiddel forurensninger, samt eksperimentelle datainnsamling fra forurensede materialer og påfølgende modellering fire. Eksperimentelle forsøk ble gjennomført som synkenderibed i kjemisk forurensning og dekontaminanten kildedokumentet 5 og vil bli diskutert i neste avsnitt. Et flytskjema for prøveopparbeidelse og analyse trinn i inkludert i figur 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Tilstand Maling Underlag til ønsket Miljø

  1. Forhåndsinnstilt miljøkammer for substrat kondisjone til den angitte temperatur og relativ fuktighet (20 ° C, 50%). Sørg for at underlaget forholdene er konsekvent opprettholdt siden både temperatur og vanninnhold i betydelig grad kan påvirke absorpsjon priser på materialer.
  2. Coat 0,32 cm tykke, 5,08 cm radius rustfrie plater med et areal på 20,25 cm 2 med et lag av maling (MIL-DTL-53039, et løsningsmiddel-dispergerbar (SD) alifatisk polyuretan-beleggssystem 6) med en total beleggtykkelse ( grunning og toppstrøk) på ca 100 mikrometer. Plasser substratene (med ønsket antall replikater) på rustfrie stålbrett med testoverflaten til å bli utsatt for en kjemisk middel vendt oppover.
  3. Dekk substrater med petriskåler. Plasser de skuffer som inneholder test substrater i miljøkammeret i minst 60 min men ideelt O / N, hvis mulig.

2. Forurensning av preconditioned Underlag

  1. Don personlig verneutstyr som frakk, vernebriller og hansker.
  2. FORSIKTIG: Skaff kjemiske forurensninger fra kjølelager og la første posen hetteglass skal stabilisere seg til RT. Kjemikaliene som brukes i denne protokollen er Kjemiske midler Standard Analytical Reference Material (CASARM, 98,0% renhet) karakter HD og CASARM (89,0% høy renhet) karakter VX (både væskefase). Skaff renhet informasjon fra enten kjernemagnetisk resonans eller gasskromatografi / massespektroskopi analyser og vedlikeholde sine arkiver.
    MERK: FORSIKTIG: Håndteringen av kjemiske stridsmidler bør kun utføres av faglærte personer ved et godkjent anlegg ved hjelp av gjeldende sikkerhet, sikkerhet og kausjonist forholdsregler.
  3. FORSIKTIG: Monter agenten levering verktøyet med en pipette og konfigurere verktøy for å levere en dråpe middel (for eksempel en fil). Slipp utforurensning hetteglass, og sett lokket på panseret overflaten, tråder vendt opp. Plukk opp pipetten, og sakte senke spissen inn forurensningen løsning. Laste agenten levering verktøyet med agent i samsvar med produsentens anvisninger. Påfør lastet pipette på panseret arbeidsflate, og oppsummering forurensningen hetteglasset.
  4. FORSIKTIG: forurense test underlag.
    1. Fjern skuffene inneholder test underlag fra miljøkammeret.
    2. Fjern petriskåler fra test underlag, og satt på panseret overflaten. Digitalt fotografere hver test underlaget å spille inn utseendet til hver underlaget før forurensning.
    3. Ta opp den innlastede pipette og levere en eneste dråpe (f.eks, 1 mL) av middel på den første test substratet. Dekk forurenset materiale med en polystyren petriskål for å minimalisere fordampning mens forurensende flere substrater. Gjenta for hver underlaget; reload pipettespissen (STEP 2.3) etter behov.
      MERK: samle pipette bekreftelse prøver før og etter dosering av substrater for analyse via kromatografi å bekrefte forurensningen masse levering.
    4. Fjern petriskåler fra test underlag og satt på panseret overflaten. Digitalt fotografere hver test underlaget å spille de innledende forurensning-materielle interaksjoner.
    5. Dekk test underlag med petriskåler.
    6. Plasser magasinet substrater tilbake i miljøkammeret.

3. Kontaminant-materiale Interaksjon Aldring Periode

  1. Før aldring prøvene luftes rustfritt stål høyvakuum eksperimentelle kammer for å klargjøre den for bruk i seksjon 4.
  2. Tillat de forurensede overflater til alder i miljøkammeret for den angitte varighet, som kan varieres på grunnlag av kjemisk-material-omgivelse interaksjons dynamikk (f.eks, 60 minutter).
  3. Fjern underlag fra environmental kammer og plass på topplaten av hetten. Fjern petriskåler fra test underlag og digitalt fotografere hvert substrat for å registrere post-aging miljøgifter-materiale interaksjoner.
  4. Dobbelt inneholde stikkprøvene (f.eks flere lufttette beholdere) og overføre til arbeids hette med høy vakuumkammer.

4. Høy Vacuum Vapor Emission Chamber Måling

Den høye vakuumkammeret er en liten volum fartøyet pumpes av en turbo molekylærpumpe drag og en membranpumpe bakside (figur 2). En kvadrupol massespektrometer er montert på en port som direkte vender mot et temperaturkontrollert substrat holderen og blir brukt til å måle sanntidsgassutviklingen fra forurensede substrater under høyvakuum betingelser. Alle detaljer rundt vakuumkammer spesifikasjoner og materialer inngår i referanse fire.

  1. Sørg for at kammeret er riktig ventilert.
  2. FORSIKTIG: Unpackage prøvene utarbeidet i § 3, og fjern petriskål fra test underlag. Plasser en test underlaget hver temperaturkontrollert underlaget holderen med rustfritt stål pinsett inn.
  3. Forsegl vakuumkammeret og starte pumpen ned sekvens. Dette utføres slik at kammeret er forseglet ved den angitte alder tid (f.eks, 60 minutter) i forhold til når substratet var forurenset.
  4. Begynn å ta opp valgte masse fragment kanaler som en funksjon av tid (direkte mål på massefluks) identifiseres med spesifikke massen per enhetsladeverdier (m / z). Måle spesifikke bakgrunnsgassarter i tillegg til de primære massefragmenter fra molekyler av interesse (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) i sanntid på <0,25 Hz inntil forurensningen partialtrykket faller under påvisningsgrensene i massespektrometer (10-8 Pa).
  5. Samle utslippskurvene forvarigheten av utslipp av forurensningen fra substratet.
  6. Stopp opptak utslippskurvene med massespektrometer når forurensningen massefluks har sunket til kammeret trykklinjen.
  7. Luft med høy vakuumkammeret til atmosfæretrykket.

5. Post-behandling Taksering totale gjenværende Kontaminant

  1. Åpne høyvakuum utslippsdampkammeret (HVVEC) instrument og fjerne substratet fra kammeret ved hjelp av rustfrie stål pinsett.
  2. Plasser substratet i en glasskrukke ekstraksjon og tilsett 20 ml ekstraksjons-oppløsningsmiddel til krukken (for eksempel isopropyl alkohol: VX: kloroform: HD). Cap glasset og virvle glasset tre ganger. La substratet i ekstraksjons-oppløsningsmiddel i 60 min.
  3. Virvle glasset tre ganger igjen og deretter korken glasset. Ved hjelp av et rent, disponibel, glass-pipette, overføres omtrent 1 til 2 ml av ekstraksjons-oppløsningsmiddel i en analytisk ampulle for analyse via gass-eller væskekromatografi 7 for å måle forurensnings massen beholdt av substratene.

6. Data Analysis og modellering

  1. Konverter rå massespektrometri data (partialtrykk utledet fra målte ion strøm) til massefluks fra substratet. Bruk av en kombinasjon av den Hertz-Knudsen formelen for omdannelse partialtrykket av detekterte gassarter på innfallende fluks damp ved detektoren, og omfatter en skaleringsfaktor som står for det forurensede område på substratet fra den opprinnelige forurensningen event.
  2. Bruk inverse metoder (f.eks Levenberg-Marquardt algoritme) for å bestemme metningskonsentrasjonen og diffusjon konstante verdier (nøkkelmassetransport parametre) for forurensningen transport gjennom maling belegg. Sammenligne den eksperimentelt bestemte damp flux til en anslått damp fluks (en analytisk løsning på Fick andre lov med passende grensebetingelser anvendt (se ligning 4 fra referanse 4)). Bruk massetransportparametere for å forutsi konsentrasjonsprofiler for forurensningen-materialsystem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den øvre delen av figur 3 viser eksempler på beregnede massefluks av VX og HD fra SD-malt substrater basert på tid-løst massespektrometri for hovedmassen fragmenter av VX og HD (masse-til-charge-forhold, m / z = 114 og 109, henholdsvis). En kvadrupol massespektrometer har tre hovedkomponenter: et ioniserte, en masse analysator eller filter, og en kostnad detektor. Gass arter er ionisert via elektron innvirkning ionisering (varm glødetråd stil elektron-kilde), og de produserte ioner som injiseres i en filtermasse quadrupolar underveis til å nå en Faraday kopp eller elektron-multiplikator detektor for måling av ione strøm (proporsjonal med partialtrykket av målte gassene ). For instrument som brukes i denne fremgangsmåten, ble det ioniser plassert i tett (<3,5 cm), line-of-sight nærhet til substratoverflaten, slik at arter som slippes ut fra en forurenset substrat (utslippsvinkel nådde substrat normal) ble detektert og fortrinnsvispseudo-umiddelbart. De ionene som utgjør ion strøm ved detektoren er tilordnet masse fragmenter (M) med en bestemt ionisering tilstand (z) som resulterer fra den elektron innvirkning ionisering prosess ved bruk av uavhengige massespektrometri standarder og databaser (f.eks NIST massespektra database). Den relative overflod av spesielle ioner som er opprettet i et elektron innvirkning ionisering arrangementet er molekyl-spesifikke, og stor forsiktighet er nødvendig med å tildele massespektraldata signaturer spesielt for større molekyler, slik som VX og HD, som sjelden gjennomgår enkelt ionisering eller fragmentering hendelser. Før tids løst eksperimenter ble utført, ble det hele massespektra for ekvivalent forbehandling betingelser registreres for å bekrefte tilstedeværelsen og relative overflod av spesifikke m / z topper for de arter som innføres i analysekammeret. Denne verifisering inkludert bekrefter at intensiteten av den forventede hovedmasse fragment for than analytten av interesse var ikke konvolvert med bidrag fra andre arter i systemet. De tidsoppløst målinger i påfølgende eksperimenter så registrert intensiteten av spesifikke m / z topper som en funksjon av tid forbundet med analytten av interesse.

Rå massespektrometri data er i form av partialtrykk av gasser som målt ved ioniser av spektrometeret. For denne studien, er de partielle trykkverdier for det primære og HD VX-fragmenter som brukes til de fluksberegningene basert på et nitrogen ionisering tverrsnitt standard uten korreksjon for mulige molekyl-spesifikk fragmentering effektivitet. Som spesifisert i protokollen, trinn 6.1, er disse partielle trykkmålinger ved detektoren først omdannes til en massefluks ved hjelp Hertz-Knudsen formel som relaterer:

Ligning 1 Equation 1

hvor N Det, i, er hendelsen molekyl flussmiddel, P i, måles partialtrykk (Pa), m er den molekylære massen av artene (g / molekyl), k er Boltzmanns konstant (J / K), og T er kammertemperaturen (K). Deretter, for å bestemme fluksen fra den forurensede overflaten, N c, massen flux målt ved detektoren, N Det, i, er multiplisert med forholdet mellom det massespektrometer detektorområde (tverrsnittsarealet av detektoren parallelt forurensede overflaten) til området av forurensning på overflaten:

Formel 2 Formel 2

der A Det er arealet av detektoren og A c er det forurensede området påsubstratet. Resultatene vist i den øvre delen av figur 3 fokus på tidspunktet regime forbundet med diffusiv massetransport for arter som stammer fra undergrunnen av substratet data. Målinger før massespektrometri demonstrert at både VX og HD-dråper ikke forbli fastsittende på SD-maling med rest bulk væske på underlaget før innføring til vakuum; den gjennomsnittlige endelige forurensede område for VX og HD var 2,6 ± 0,1 og 5,9 ± 0,6 cm 2, henholdsvis. Tidlig tid regime (<1,000 sek) data ikke er inkludert i disse flatene, og disse er delvis påvirket av massespektrometer ekvilibrering for ioniser drift ved relativt høye partialtrykk, samt desorpsjon av bulk flytende kontaminant som fanges eller svakt bundet på overflaten substratet. Dataene viser en diffusjon begrenset regime som begynner med en eksponentiell nedgang i massefluks rate og er kilden til dataene som brukes for parameter estimering av diffutende transport fra undergrunnen av den forurensede substratet. Definisjonen av overgangen i regimer ble bekreftet ved måling av fordampning av VX og HD væske avsatt på borsilikat glass-substrater (ugjennomtrengelig material), som viste en konstant fordampningshastigheten for både VX og HD inntil det avsatte væske ble tømt. For å illustrere de forskjellige interaksjoner som utgjør det komplekse systemet som studeres, bunnpanelet i Figur 3 viser bakgrunnssignaler, målt fra en forurenset maling substrat. Legg merke til den ikke-monoton tidsutviklingen samt sammentreff av funksjoner på tvers av arter profiler. Ettersom målingene blir registrert under vakuum, hvilket som helst av de arter som er fanget i malingen substrat er i stand til å diffundere ut av belegget. Denne observasjonen illustrerer muligheten for at frekvensen av massefluks ut av substratet (proporsjonal med partialtrykk) kan påvirkes av den relative overflod av rottee av uttømming av andre arter i belegget, inkludert vann og malingsfjerner.

Parameterestimering ble utført ved hjelp av diffusjon begrenset utslipps damp flux. Den beregnede form, noe som er en analytisk løsning for å Fick andre lov for diffusjon, tillater bestemmelse av metning og diffusivitet konstant for de spesifikke kontaminant-materiale kombinasjoner 8. Damp utslipp, inkludert massefluks størrelsesorden, så vel som tidsendringstakten av massefluks, fra et materiale som er drevet av forurensningen fordeling med hensyn til materialet, så vel som transportparameterne assosiert med forurensningen i materialet 9- 11. Dersom fordelingen av en forurensning som er kjent, og deretter forurensningen fluks fra materialet kan forutsies en. I kontrast, dersom utslippet av damp fluks måles (i likhet med den eksperimentelle fremgangsmåte som er beskrevet heri), fordelingen konsentrasjonen i substratet og transport parametrene kan bestemmes; en teknikk som er ofte referert til som inverse analyse 12,13. I dette eksperimentet, kan et uttrykk for damp fluks fra substratet være avledet via en én-dimensjonal (1D) analytisk løsning for å Fick andre lov for forurensningen konsentrasjonsprofilen i en endelig tykkelse belegg, forutsatt diffusiv massetransport 4,13. Figur 4 illustrerer de forskjellige grensebetingelser i forbindelse med å begrense den analytiske løsningen for molekylær diffusjon i en endelig tykkelse absorberende belegg. De fullstendige detaljer av beregningene er dokumentert andre steder 4, og resultatene er oppsummert i Tabell 1.

Massetransporten parametrene estimert fra damp flux målinger ble gjennomført for å forutsi forurensningen konsentrasjon distribusjon og utvikling innenfor SD maling belegg. Dette resultatet er inkludert representerer konsentrasjonen feltet over thickness av malingen ved starten av diffusjon av forurensningen av malingsbelegget (etter bulk væske fordampning fra overflaten). Den øvre delen av figur 5 viser simuleringsresultater for den romlige avhengig konsentrasjon fordeling av HD eller VX i SD malingsbelegget. Selv om belegget absorberte en større masse av HD, som indikert ved en høyere metningskonsentrasjonen er oppført i Tabell 1, er det mer lokalisert nær overflaten av substratet mot VX. Det nederste panel i figur 5 illustrerer den resulterende damp fluks av forurensningene fra maling, noe som vil kunne gi helsefarer for personell i nærheten av materialet. Forskjellene i transportfenomener mellom HD og VX viser at inter interaksjoner kan endre transport av absorberende molekyler gjennom malingssystemer for å generere ulike distribusjoner.

"Figur Figur 1. Forbehandling og måling flytdiagram som illustrerer trinnene for prekondisjonering, forurensende, aldring, og måle påfølgende utslipp av agent fra underlag. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Skjematisk av høyvakuum utslippsdampkammeret. Substrater er lastet opp på en temperaturkontrollert substrat holderen som direkte vender mot en kvadrupol massespektrometer. Kammeret har et basistrykk (ingen substrat lastet) på <10-7 Pa og pumpesav en turbo molekylærpumpe drag som er støttet av en membranpumpe backing. Substrater er innført med vakuumkammeret luftet, og målinger av massefluks ved massespektrometer begynner når systemet pumpes ned <10 - 2 Pa. Substrat diameter fungerer som en skala referanse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Øverst: VX (blå) og HD (rød) beregnet fluks fra underlag basert på eksperimentell måling av damp utslipp fra forurenset SD kjemiske middel bestandig belegg underlag. Partialtrykket (avledet fra ione-strøm) målt på massespektrometer av de viktigste fragmenter for en gitt analytt (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) kan være knyttet direkte til den opprinnelige massefluks fra substratet, forutsatt line-of-sight påvisning av arter som slippes ut fra materialet. Data er oppgitt er for diffusjon begrenset massetransport regimet bare når bulk, overflate-bundet forurensningen væske har desorberes Bunn:. Bakgrunns delvis trykkmålinger for gassarter som sendes ut av en forurenset maling underlaget. For det formål å illustrere kompleksiteten av systemet som studeres, er de fullstendige tids løst profiler tatt fra startpunktet for å samle inn data (når totale kammertrykket falt under 10 - 2 Pa, det tidligste punkt hvor massespektrometer kunne ta opp ). Den fargeknapp illustrerer spesifikke m / z verdiene som svarer til de identifiserte oppdagede arter.

belastning / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4. Definisjon av 1D molekyl diffusiv absorpsjon styrt av Fick lov, inklusive grensebetingelser Definisjon av variabler:. Sub C, konsentrasjonen av forurensningen i substratet, C-sub, sat, metningskonsentrasjonen, z, avstand langs tykkelsen av det absorberende belegget ; D sub, diffusivitet av forurensningen i belegget, t sub, tykkelsen av malingsbelegget. For den modell som beskriver måling under vakuum for forurensningen evolusjon fra substratet, antar modellen som ved z = 0, vil det være et vakuum-belegg grensesnitt, det punktet hvor diffusjons-begrenset transport dominerer. Form av den analytiske løsningen til Fick lov med disse grensebetingelser og den påfølgende bruk med inverse analyse Beregningene er beskrevet i reference fire.

Figur 5
Figur 5. Øverst: Beregnet konsentrasjonsprofiler fra eksperimentelt bestemte massefluks fra maling substrater for hvert middel som en funksjon av dybde ved hjelp av malingsbelegg invers analyse. Profilene reflektere fordelingen ved det punkt hvor dampen fluks fra det kontaminerte materiale kommer utelukkende fra undergrunnen, og er bestemt av masse diffusive transport. Totalt, i dette tilfellet, er mer HD masse absorbert og gjør det på en tynnere del av lakkfilmen sammenlignet med VX. Denne forskjellen gjenspeiles i de beregnede metning konsentrasjon og diffusjon koeffisientverdier Bottom:. Beregnet damp flux profiler basert på startpunktet konsentrasjonsprofiler i den øverste delen av figuren. Den beregnede, tidsavhengig damp fluks tilsvarer experimental data vist i Figur 3 med hensyn til å forutsi den relative forskjellen i utviklingen av hver agent. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Agent Diffusivitet (m 2 / s) Metning (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 x 10 5

Tabell 1. massetransport parameter estimering resultater for VX og HD samspill med SD maling. Tabell tilpasset fra referanse fire.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Massetransport parametere for HD og VX i malingen ble bestemt via den numeriske inverse analyse av damputslippsdata. Med beregnede parametere, var det mulig å produsere og deretter tidsavhengige konsentrasjonsgradient kart for forurensningen fordeling i malingsbelegget. Den inverse analyseresultatene viste at løseligheten av HD i SD malingen var høyere enn VX, men diffusivitet var omtrent 5x lavere. Resultatene tyder på at HD kontaminering var svært konsentrert ved overflaten av belegget, mens VX kontaminering profilen trengt gjennom SD malingsbelegget. Derfor vil dekontaminering krav til SD maling variere basert på den kjemiske forurensningen. Anvendelser av denne metoden gir en grunnleggende forståelse av kontaminant absorpsjon i materialer og, til slutt, en prediktiv verktøy for å karakterisere forurensningsmotstand materialer.

Selv om arbeidet som presenteres here har vist lovende, er det mange faktorer å vurdere i systemer som disse som egentlig inneholder mange viklet interaksjoner. For å utvide denne tilnærmingen til enda mer forurensning-materiale systemer for ulike miljøforhold vil kreve en kontinuerlig evaluering av påvirkninger på massefluks målinger. Disse effektene omfatter desorpsjon av flere arter fra hoveddelen, andre enn analytten av interesse som antydet i figur 3, som kan eller ikke kan endre massetransport dynamikk i forhold til andre miljøforhold. For eksempel kan vakuummålemiljøet forårsake en endring i den absorberte sammensetning og innhold (f.eks, vann og andre organiske løsningsmidler i forbindelse med maling) i forhold til det omgivende trykk som kan i sin tur endrer forurensningen evolusjon profil.

Anvendelse av teknikken til svært vedvarende kjemiske systemer som krever et større dynamisk område for delvis plare målinger kan kreve en vurdering av instrumentfølsomhet med hensyn til forholdet mellom kammertrykk og målte ion strøm. Omvendt, kan anvendelse av teknikken til svært flyktige og reaktive kjemiske arter krever nøye vurdering av tiden mellom kammeret evakuering og innsamling av data (trinn 4.3 og 4.4) for å sikre levedyktige massestrømningsdata.

Endelig kan det være andre mekanismer 14-16 som styrer massetransport, for eksempel porøs transport og gjensidig diffusjon eller behovet for å redegjøre for flerlags natur maling belegg som grunning og toppstrøk lag. Alle disse mulige påvirkninger med hensyn til å karakterisere forurensningen transport er i dag en del av pågående studier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Dr. Wes Gordon (ECBC) for støtte i instrument design. Dette arbeidet representerer de akkumulerte resultater fra to forskningsprogrammer finansiert av Eric Lowenstein og Michael Roberts (Defense Threat Reduction Agency) under program CA08MSB317. De tekniske rapporter sitert heri kan fås 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