En Inverse Analys Närma till karakterisering av kemiska Transport i Färger

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 detta dokument är ett förfarande för kvantifiering av masstransportparametrar av kemikalier i olika material presenteras. Denna process innebär att anställa en invers-analys baserad diffusionsmodell till ånga utsläppsprofiler som registrerats av realtid, masspektrometri i högvakuum.

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

Möjligheten att direkt karakterisera kemiska transporter och interaktioner som inträffar inom ett material (dvs underjordiska dynamik) är en viktig del i att förstå föroreningsmasstransport och möjligheten att sanera material. Om ett material är förorenat med tiden kan transporten av mycket giftiga kemikalier (till exempel kemisk krigföring agent arter) av materialet leda ånga exponering eller överföra till huden, vilket kan leda till perkutan exponering för personal som interagerar med materialet. På grund av den höga toxiciteten för kemiska stridsmedel, är frisättningen av spår kemiska kvantiteter av betydande oro. Kartläggning under ytan distribution och transport koncentration egenskaper absorberade agenter gör exponeringsrisker som skall bedömas under oprövade förhållanden. Dessutom kan dessa verktyg användas för att karaktärisera ytan reaktionsdynamik att slutligen utforma förbättrade sanerings eller saneringsåtgärder. To nå detta mål var ett omvänt analys mass strategi transportmodellering utvecklats som utnyttjar tidsupplösta masspektroskopitaggade mätningar av ånga utsläpp från förorenade färg beläggningar som ingångsparameter för beräkning av ytan koncentrationsprofiler. Information finns på provberedning, inklusive föroreningar och materialhantering, tillämpningen av masspektrometri för mätning av avges föroreningsånga, och genomförandet av invers analys med ett fysikbaserat diffusion modell för att bestämma transportegenskaper levande kemiska stridsmedel inbegripet destillerat senap (HD) och nervgasen VX.

Introduction

De masstransportmekanismer som är förknippade med kontaminering av material genom kemiska stridsmedel är drivna av en variation av faltade processer inklusive fysiska tillståndsövergångar, kemiska interaktioner mellan mobila arter, och material gränssnitt. Att utveckla effektiva saneringsteknik, optimerade saneringsåtgärder och prediktiva modeller, är det viktigt att föroreningen processen är väl beskriven, inklusive transport av föroreningar i material via absorption och efterföljande kemiska utsläpp tillbaka till miljön. Därför är det viktigt att metoder utvecklas som kan utvärdera under ytan koncentrationsprofiler för förorenings-material paren som funktion av miljöförhållanden. Ett kontinuum-skalan, var fysikbaserad modell som utvecklats för att förutsäga koncentrationsfördelningen av absorberad medel i ett förorenat substrat. Experimentellt härledda parametrar masstransport möjliggör förutsägelse av tHan ånga utsläpp från förorenat material efter sanering. En förmåga att förutsäga koncentrationsfördelningen i ett material kan underlätta bedömningen av potentiella ånga faror och i sin tur möjliggör korrekta diagnoser av toxikologiska risker 1. Detta tillvägagångssätt möjliggör en uppskattning av föroreningsmaterial par specifika masstransportparametrar såsom diffusivitet och mättnadskoncentration som i sin tur tillåter modellering under andra scenarier och villkor. I denna studie har vi behandlat den flytande förorening av lösningsmedels spridda, polyuretan färg beläggningar fas med kemiska stridsmedel bis (2-kloroetyl) sulfid (destillerad senap, blister agent HD) och O-etyl S - [2 (diisopropylamino) etyl] methylphosphonothioate (VX), en organisk fosforförening nervgas.

Den utvecklade metoden kännetecknar gas desorption profiler från förorenade material, inklusive kemiska stridsmedel som HD och VX, utanmånga av de restriktioner som hindrar andra närmar sig 2,3. Tidsupplösta masspektrometri mätningar av förorenings evolution från förorenade substrat möjliggöra en diffusiv transport modell med invers analys för att beräkna parametrar masstransport för det främmande ämnet i materialet, inklusive den absorberade koncentrationsprofilen för föroreningen med start från den ursprungliga trängnings händelsen. Med etableringen av en prediktiv förmåga som avgränsar koncentrationsprofiler av föroreningar i material som funktion av miljöförhållanden kommer förmågan att bedöma toxikologiska faror och slutligen utveckla vägar för effektiv sanering.

I detta dokument är detaljerna i samband med provberedning presenterade, bland annat arbetet med kemisk krigföring agent föroreningar, samt insamling experimentella data från förorenat material och efterföljande modellering 4. Experimentella försök utfördes som described i den kemiska föroreningen och saneringskälldokument 5 och kommer att diskuteras i nästa avsnitt. Ett flödesschema för beredning och analysprov åtgärder som ingår i figur 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. skick Paint Substrat till önskad miljö

  1. Förinställda miljökammaren för substratkonditionering till angiven temperatur och relativ fuktighet (20 ° C, 50%). Se till att substratförhållanden konsekvent upprätthålls eftersom både temperatur och vatteninnehåll kan avsevärt påverka utnyttjandegrad i material.
  2. Coat 0.32 cm tjock, 5,08 cm radie skivor av rostfritt stål med en yta på 20,25 cm 2 med ett skikt av färg (MIL-DTL-53039, lösningsmedel-spridbar (SD) alifatiska polyuretanbeläggning 6 system) med en total beläggningstjocklek ( grundfärg och täckfärg) av cirka 100 um. Placera substrat (med önskat antal replikat) på brickor av rostfritt stål med provytan för att utsättas för ett kemiskt medel uppåt.
  3. Täck substraten med petriskålar. Placera skålarna innehållande testsubstrat i miljökammaren under minst 60 min men helst O / N, om möjligt.

2 Förorening av kondition substrat

  1. Don personlig skyddsutrustning som labbrock, skyddsglasögon och handskar.
  2. VARNING: Skaffa de kemiska föroreningar från kylförvaring och låt primära flaska behållare till jämvikt till RT. De kemikalier som används i detta protokoll är Kemikalie Standard Analytisk referensmaterial (CASARM, 98,0% renhet) betyg HD och CASARM (89,0% hög renhet) betyg VX (både flytande fas). Skaffa renhet information från antingen kärnmagnetisk resonans eller gaskromatografi / masspektroskopi analyser och underhålla på fil.
    OBS: VIKTIGT: Hanteringen av kemiska stridsmedel bör endast utföras av utbildad personal på en godkänd anläggning med hjälp av gällande säkerhet, säkerhet, och ställande av säkerhet försiktighetsåtgärder.
  3. VARNING: Montera agenten leverans verktyg med en pipett och konfigurera verktyget för att leverera en droppe av medel (t.ex., 1 pl). Ta bort skyddet frånförorenings flaskan, och placera locket på huven ytan, trådar uppåt. Plocka upp pipetten, och långsamt sänka spetsen i förorenings lösningen. Ladda agenten leveransverktyg med medel i enlighet med tillverkarens anvisningar. Placera försiktigt laddade pipetten på huven arbetsyta, och sammanfatta förorenings flaskan.
  4. VARNING: förorena testsubstrat.
    1. Ta bort brickorna som innehåller testsubstrat från miljökammaren.
    2. Ta bort petriskålar från testsubstrat, och ligger på huven ytan. Digitalt fotografera varje testsubstrat för att spela in utseendet på varje substrat före kontamination.
    3. Plocka upp den laddade pipett och leverera en enda droppe (t.ex. 1 l) av medlet på den första testsubstrat. Täck det förorenade materialet med en polystyren petriskål för att minimera avdunstning samtidigt förorena ytterligare substrat. Upprepa för varje substrat; reload pipettspetsen (STEP 2,3) vid behov.
      OBS: Samla pipett bekräftelse prover före och efter dosering av substrat för analys via kromatografi för att bekräfta föroreningsmassleverans.
    4. Ta bort petriskålar från testsubstrat och ligger på huven ytan. Digitalt fotografera varje testsubstrat för att spela in de initiala förorenings-material interaktioner.
    5. Täck testsubstrat med petriskålar.
    6. Placera brickan av substrat tillbaka in i klimatkammare.

3 miljögifts-material Interaktion Aging Period

  1. Före åldring proverna, ventilera rostfri högvakuum experimentell kammare för att förbereda den för användning i avsnitt 4.
  2. Låt de förorenade substrat till ålder i miljökammaren för den angivna varaktigheten, som kan varieras utifrån de kemiska-material-miljö interaktion dynamik (t.ex. 60 min).
  3. Ta bort substraten från miljöental kammaren och plats på arbetsytan i huven. Ta bort petriskålar från testsubstrat och digitalt fotografera varje substrat för att spela in de efter åldrande förorenings-material interaktioner.
  4. Dubbel innehåller proverna (t.ex. flera lufttäta behållare) och överför till arbets huva med hög vakuumkammare.

4 High Vacuum Vapor Chamber Emission Measurement

Den höga vakuumkammare är en liten volym kärlet pumpas av en turbomolekyl dra pump och ett membran förpump (Figur 2). En fyrpolig masspektrometer är monterad på en port, som vetter mot en temperaturkontrollerad substrathållaren och används för att mäta i realtid gasutveckling från förorenade substrat under högvakuum förhållanden. Fullständig information om vakuumkammar specifikationer och material som ingår i referens 4.

  1. Se till att kammaren är avluftat.
  2. FÖRSIKTIGHET: Packa upp proven med i avsnitt 3, och ta bort petriskål från testsubstrat. Placera ett testsubstrat till varje temperaturstyrd substrathållare med användning av rostfritt stål pincett.
  3. Täta vakuumkammaren och börjar pumpen ned sekvensen. Utför detta steg så att kammaren är vakuumförseglad vid den angivna åldern tid (t.ex. 60 min) i förhållande till när underlaget var förorenad.
  4. Börja spela in utvalda massfragment kanaler som funktion av tiden (direkt mått på massflöde) identifieras med specifika massa per enhet laddningsvärdena (m / z). Mät specifika bakgrund gastyp utöver de primära massfragment från molekyler av intresse (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) i realtid på <0,25 Hz tills det främmande ämnet partialtryck sjunker under detektionsgränsen av masspektrometern (10-8 Pa).
  5. Samla utsläppskurvorna förvaraktigheten av utsläpp av föroreningar från substratet.
  6. Stoppa inspelning utsläppskurvor med masspektrometer när föroreningen massflödet har minskat till kammartrycket baslinjen.
  7. Lufta högvakuumkammare till atmosfärstryck.

5. Efterbehandling värdering för totalt återstående Contaminant

  1. Öppna högvakuum ångutsläpp kammare (HVVEC) instrumentet och avlägsna substratet från kammaren med hjälp av en pincett av rostfritt stål.
  2. Placera underlaget i ett glas utvinning burk och tillsätt 20 ml extraktionsmedel i burken (t.ex. isopropylalkohol: VX kloroform: HD). Förslut burken och snurra burken tre gånger. Lämna substratet i extraktionslösningsmedlet till 60 min.
  3. Snurra burken tre gånger igen och sedan fixed burken. Med hjälp av en ren, disponibel, glas pipett cirka 1 till 2 ml extraktionsmedel i en analytisk flaska för analys via gas eller vätskakromatografi 7 för att mäta föroreningsmassan behålls av substraten.

6 Dataanalys och modellering

  1. Konvertera spektrometridata rå Vikt (partiell tryck härlett från uppmätt jonström) att massflödet från substratet. Använd en kombination av Hertz-Knudsen formel för att konvertera partialtryck av upptäckta gas arter incident ånga flöde vid detektorn och innehålla en skalfaktor som tar hänsyn till det kontaminerade området på underlaget från den ursprungliga föroreningen händelsen.
  2. Använd inversa metoder (t.ex. Levenberg-Marquardt algoritm) för att bestämma konstanta värden mättnadskoncentration och diffusion (nyckelparametrar masstransport) för föroreningsspridning genom färgskiktet. Jämför den experimentellt bestämda ångan flöde till en förutsedd ånga flöde (en analytisk lösning på Ficks andra lag med lämpliga randvillkor som tillämpas (se ekvation 4 från referens 4)). Använd parametrar masstransport att förutsäga koncentrationsprofiler för förorenings-materialsystem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den övre panelen i figur 3 visar exempel på den beräknade massflödet av VX och HD från SD målade underlag baserade på tidsupplöst masspektrometri för de viktigaste mass fragment av VX och HD (massa-till-laddningsförhållande, m / z = 114 och 109, respektive). En fyrpolig masspektrometer har tre huvudkomponenter: en jonisator, en massa analysator eller filter, och en avgift detektor. Gastyp joniseras via elektronstöt jonisering (varm fila stil elektronkällan), och de producerade joner injiceras i en quadrupolar massfilter vägen till att nå en Faraday-kopp eller elektronmultiplikator detektor för mätning av jonström (i proportion till partialtrycket för gaser som mäts ). För instrument som används i denna metod, var jonisator som ligger i nära (<3,5 cm), line-of-sight närhet till substratytan så att arter som släpps ut från ett förorenat substrat (emissionsvinkel toppade på substrat normal) detekterades företrädesvis ochpseudoögonblickligen. Jonerna som utgör jonström vid detektorn delas massfragment (m) med en specifik jonisering tillstånd (z) som är resultatet av elektron stötjonisering process med hjälp av oberoende masspektrometri standarder och databaser (t.ex. NIST masspektra databasen). Den relativa förekomsten av vissa joner som skapats i ett elektron stötjonisering händelse är molekyl specifik, och stor omsorg behövs vid tilldelning masspektrala signaturer särskilt för större molekyler, såsom VX och HD, som sällan genomgår enstaka jonisering eller fragmentering händelser. Innan tidsupplösta experiment utfördes, var hela masspektra för motsvarande substratberedningsförhållanden registreras för att kontrollera förekomst och relativa förekomsten av specifika m / z toppar för de arter som införts i analyskammaren. Denna kontroll ingår bekräftar att intensiteten hos det förväntade huvudmassfragment för tHan analyt av intresse inte faltas med bidrag från andra arter i systemet. De tidsupplösta mätningar i efterföljande experiment registreras sedan intensiteten av specifika m / z-toppar som en funktion av tid i samband med de analyter av intresse.

Raw spektrometridata mass är i form av partialtryck av gaser mätt vid jonisator i spektrometern. För denna studie är de partiella tryckvärdena för den primära HD och VX-fragment som används för flödesberäkningar baserade på en kväve jonisering tvärsnitt standard utan korrigering för eventuell molekyl specifik fragmentering effektivitet. Som anges i protokollet, steg 6,1, är dessa partiella tryckmätningar vid detektorn först omvandlas till en massflöde med hjälp av Hertz-Knudsen formel som avser:

Ekvation 1 Equation en

där N DET, jag, infaller molekylär flux, Pj, mäts partialtryck (Pa), m är molekylmassa av arten (g / molekyl), k är Boltzmanns konstant (J / K), och T är kammartemperaturen (K). Sedan, i syfte att fastställa flödet från den förorenade ytan, N c, massflöde mätt vid detektorn, N DET, i, multipliceras med förhållandet av detektorns masspektrometer område (tvärsnittsarean för detektorn är parallell med kontaminerade ytan) till området för föroreningar på ytan:

Ekvation 2 Ekvation 2

där A DET är området detektor och Ac är det kontaminerade området påsubstratet. De data som visas i den övre panelen i figur 3 fokus på tidsordning i samband med diffusiv masstransport för arter med ursprung från ytan av substratet. Mätningar före masspektrometri visade att både VX och HD droppar inte förblir fastsittande på SD-färg med restbulkvätska på substratet före införandet för vakuum; den genomsnittliga slutliga förorenat område för VX och HD var 2,6 ± 0,1 och 5,9 ± 0,6 cm 2, respektive. Tidig tidsordning (<1,000 sek) uppgifterna inte ingår i dessa tomter, som delvis påverkas av masspektrometer jämvikt för jonisator drift vid relativt höga partialtryck samt desorption av bulkvätske förorening som är instängda eller svagt bundna vid ytan av substratet. Data visar en spridning begränsad regim som börjar med en exponentiell minskning av massflödeshastighet och är källan till de uppgifter som används för parameteruppskattning av diffutande transport från under ytan av det förorenade substratet. Definitionen av övergången i regimer bekräftades genom mätning avdunstning av VX och HD vätska avsätts på borosilikatglas substrat (ogenomträngligt material), som visade en konstant avdunstningshastighet för både VX och HD tills deponerade vätskan var uttömda. Vid tillämpningen av illustrerande de olika växelverkningar som innefattar det komplexa systemet under studie, den nedre panelen i figur 3 visar de bakgrundssignaler som mäts från en frisk färg substrat. Notera den icke-monotona tidsutvecklingen samt tillfällighet funktioner över profiler arter. Eftersom mätningarna redovisas under vakuum, någon av de arter som fångas i färgen substratet är i stånd att diffundera ut ur beläggningen. Denna observation belyser möjligheten att hastigheten av massflödet ut ur substratet (i proportion till partialtrycket) kan påverkas av den relativa förekomsten av råttae för utarmning av andra arter i beläggningen, inklusive vatten och färglösningsmedel.

Parameter uppskattning utfördes genom användning av diffusion begränsade ångutsläpp flussmedel. Den beräknade passform, vilket är en analytisk lösning på Ficks andra lag diffusion, medger bestämning av mättnad och diffusivitet konstant för de specifika förorenings-material kombinationer 8. Vapor utsläppen, inbegripet massflöde magnitud samt tidsförändringshastigheten för det massflöde, från ett material drives av det främmande ämnet fördelning med avseende på materialet samt de transportparametrar förknippade med det främmande ämnet i materialet 9- 11. Om fördelningen av en kontaminant är känd, då den föroreningsflöde från materialet kan förutses 1. Däremot om flussmedlet ångutsläpp mäts (liknande det experimentella förfarande som beskrivs häri), koncentrationsfördelningen i substratet och transpOrt-parametrar kan bestämmas; en teknik som brukar kallas invers analys 12,13. I detta experiment kan ett uttryck för ånga flussmedel från substratet vara härledd via en en-dimensionell (1D) analytisk lösning på Ficks andra lag för föroreningskoncentrationsprofil i en ändlig tjocklek beläggning, under antagande diffusiv masstransport 4,13. Figur 4 illustrerar de olika randvillkor som är förknippade med att begränsa den analytiska lösningen för molekylär diffusion i en ändlig tjocklek dämpande beläggning. Fullständiga uppgifter om beräknings finns dokumenterat 4, och resultaten är sammanfattade i tabell 1.

Masstransportparametrar beräknas från flödesmätningar ånga fördes till föroreningskoncentrationsfördelning och utvecklingen inom SD färg beläggning förutse. Detta resultat ingick representerar fältkoncentrationen över thickness av färgen vid starten av diffusion av föroreningen ut ur färgbeläggningen (efter bulkvätskeavdunstning från ytan). Den övre panelen i figur 5 åskådliggör simuleringsresultat för den rumsliga beroende koncentrationsfördelningen av HD eller VX i SD-färgbeläggningen. Även om beläggningen absorberade en större massa av HD, vilket indikeras av en ökad mättnadskoncentration som anges i tabell 1, är det mer lokaliserad nära ytan av substratet jämfört med VX. Den nedre panelen i figur 5 illustrerar den resulterande ångan flussmedel av föroreningarna från de färger, som skulle kunna ge hälsorisker för personal i närheten av materialet. Skillnaderna i transportfenomen mellan HD och VX visar att intermolekylära interaktioner kan förändra transporten av absorberande molekyler genom färgsystem för att generera olika distributioner.

"Bild Figur 1 Förberedelser av underlag och mätning flödesschema som illustrerar stegen för konditioneringsfasen förorenar, åldrande, och mäta efterföljande utsläpp av medel från substrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2
Figur 2 Skiss över högvakuum ångutsläpp kammaren. Substrat lastas på en temperaturstyrd substrathållare, som vetter mot en kvadrupol masspektrometer. Kammaren har ett grundtryck (inget substrat laddad) av <10-7 Pa och pumpasav en turbomolekyldragpump som stöds av en membranpump uppbackning. Substrat införs med vakuumkammaren ventileras, och mätningar av massflöde vid masspektrometer påbörjas när systemet pumpas ner <10 - 2 Pa. Substrat diameter fungerar som en skala referens. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3 Top: VX (blå) och HD (röd) beräknade flödet från substrat som bygger på experimentella mätningar av ånga utsläpp från förorenade SD kemisk agent resistent beläggning av substrat. Den partialtryck (härlett från jonström) mätt vid masspektrometer av huvud fragment för en viss analyt (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) kan relateras direkt till den ursprungliga massflödet från substratet, under antagande line-of-sight detektion av arter som utsänds från materialet. Data som visas är för diffusion begränsade mass regimen transport endast när bulk, ytbundet föroreningar vätska har desorberad Botten:. Bakgrund partiell tryckmätningar för gas arter som släpps ut från en frisk färg substrat. I syfte att illustrera komplexiteten i systemet som studeras är de fullständiga tidsupplösta profilerna ingår från den första punkten att samla in uppgifter (när totalkammartryck sjönk under 10 - 2 Pa, den första tidpunkten då masspektrometer kan spela in ). Färgen nyckeln illustrerar specifika m / z-värden som motsvarar de identifierade detekterade ämnet.

belastning / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4 Definition av 1D molekylär diffusiv absorption styrs av Ficks lag, inklusive randvillkor Definition av variabler:. C sub, koncentration av föroreningar i substratet, C sub, satt, mättnadskoncentration, z, sträcka längs tjockleken på den absorberande beläggning ; D sub, diffusivitet av föroreningar i beläggningen, t sub, tjockleken på färgskiktet. För den modell som beskriver mätningen under vakuum för förorenings evolution från substratet, antar modellen att vid z = 0, kommer det att finnas en vakuumbeläggnings gränssnitt, den punkt vid vilken diffusion begränsad transport dominerar. Formen för den analytiska lösningen till Ficks lag med dessa randvillkor och dess följande användning med inversa analysberäkningar beskrivs i REFEREiou 4.

Figur 5
Figur 5 Top: Beräknat koncentrationsprofiler från experimentellt bestämda massflöde från färgsubstrat för varje agent som en funktion av färg beläggning djup med hjälp av invers analys. Profilerna spegla fördelningen vid den punkt där ångan flödet från det förorenade materialet kommer enbart från markytan och bestäms av diffusiv masstransport. Totalt sett i detta fall är mer HD massa absorberas och gör det på ett tunnare parti av färgfilmen jämfört med VX. Denna skillnad återspeglas i de beräknade mättnadskoncentration och diffusion koefficientvärden Botten:. Beräknat ånga flödesprofiler baserade på koncentrationsprofiler Utgångspunkten i den övre delen av figuren. Den beräknade tidsberoende ånga flux matchar experimental data som visas i figur 3 när det gäller att förutsäga den relativa skillnaden i utvecklingen av varje agent. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Agent Diffusivitet (m 2 / s) Mättnad (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

Tabell 1 Masstransportparameteruppskattningsresultat för VX och HD samverka med SD färg. Tabell anpassad från referens 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Masstransportparametrar för HD och VX i färgen bestämdes via den numeriska omvända analysen av ånga utsläppsdata. Med beräknade parametrar, var det möjligt att sedan producera tidsberoende koncentration toningskartor för förorenings distribution i färgbeläggningen. De inversa analysresultat visade att lösligheten av HD i SD färgen var högre än VX, men diffusivitet var ungefär 5x lägre. Resultaten tyder på att HD-kontamination var mycket koncentrerad vid ytan av beläggningen, medan den VX kontamination profil trängt igenom SD färgbeläggningen. Därför kommer saneringskrav för SD målar variera beroende på den kemiska föroreningen. Tillämpningar av detta förfarande ger en grundläggande förståelse av förorenings absorption in material och, slutligen, ett prediktivt verktyg för att karakterisera föroreningsbeständighet av material.

Trots det arbete som presenteras here har visat lovande, det finns många faktorer att tänka i system som dessa som i sig innehåller många intrasslade interaktioner. Att använda samma metod för att ännu fler förorenings-material system för olika miljöförhållanden kommer att kräva en kontinuerlig utvärdering av påverkan på mätningar av massflödes. Dessa effekter inkluderar desorption av flera arter från huvuddelen, andra än de analyter av intresse som åsyftas i figur 3, som kan eller inte kan ändra masstransport dynamik i förhållande till andra miljöförhållanden. Till exempel kan vakuum mätmiljö orsaka en förändring i den absorberade sammansättning och innehåll (t.ex. vatten och andra organiska lösningsmedel som är förknippade med färg) jämfört med omgivningstryckförhållanden, som kan i sin tur förändrar den kontaminant evolutionen profilen.

Tillämpning av tekniken till mycket svårnedbrytbara kemiska system som kräver ett större dynamiskt intervall för partiell pressure mätningar kan kräva en bedömning av instrumentets känslighet när det gäller förhållandet mellan kammartryck och uppmätt jonström. Omvänt kan tillämpning av tekniken till mycket volatila eller reaktiva kemiska ämnen kräver noggrant övervägande av tiden mellan kammar evakuering och datainsamling (steg 4.3 och 4.4) för att säkerställa livskraftiga massflödesdata.

Slutligen kan det finnas andra mekanismer 14-16 som styr masstransport, såsom poröst transport och ömsesidig diffusion eller behovet att ta hänsyn till den flerskiktade karaktären av målningsfärg som grundfärg och täckfärg skikt. Alla dessa tänkbara influenser med avseende på att karakterisera föroreningsspridning är idag en del av pågående studier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Författarna tackar Dr Wes Gordon (ECBC) om stöd i instrumentdesign. Detta arbete avser de ackumulerade resultat från två forskningsprogram som finansieras av Eric Lowenstein och Michael Roberts (Defense Threat Reduction Agency) under program CA08MSB317. De tekniska rapporter citerade häri kan erhållas 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