En omvendt analyse tilgang til karakterisering af kemiske 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 procedure til at kvantificere massetransport parametre for kemikalier i forskellige materialer præsenteres. Denne proces indebærer at ansætte en omvendt-analyse baseret diffusion model til damp emissionsprofiler indspillet af real-tid, massespektrometri i højt 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 direkte karakterisere kemisk transport og samspil, der opstår inden for et materiale (dvs. underjordiske dynamik) er en vital komponent i forståelsen af forurenende massetransport og evnen til at rense materialer. Hvis et materiale er forurenet med tiden, kan transport af meget giftige kemikalier (såsom kemisk krigsførelse agent arter) ud af materialet resulterer i eksponering damp eller overføres til huden, hvilket kan resultere i perkutan eksponering til personale, som interagerer med materiale. På grund af den høje toksicitet af kemiske kampmidler, frigivelse af spor kemiske størrelser er af væsentlig bekymring. Kortlægning undergrunden koncentration distribution og transport egenskaber absorberede midler gør det muligt for farer for eksponering skal vurderes i uprøvede forhold. Desuden kan disse værktøjer anvendes til at karakterisere undergrunden reaktionsdynamik til i sidste ende at designe forbedrede dekontaminanter eller rensningsprocesser. To nå dette mål, var en omvendt analyse stoftransport modellering tilgang, der udnytter tidsopløste massespektroskopi målinger af damp emission fra forurenet maling belægninger som input parameter for beregning af undergrunden koncentrationsprofiler. Oplysninger findes på prøveforberedelse, herunder forurenende og materialehåndtering, anvendelsen af ​​massespektrometri til måling af emitteret forurenende dampe, og implementeringen af ​​inverse analyse under anvendelse af en fysik-baseret diffusion modellen til at bestemme transport egenskaber af levende kemiske kampstoffer herunder destilleret sennep (HD) og nervegas VX.

Introduction

De massetransport mekanismer forbundet med forurening af materialer ved hjælp af kemiske kampstoffer er drevet af en række foldet processer, herunder fysiske tilstandsovergange, kemiske vekselvirkninger mellem mobile arter og materialer grænseflader. At udvikle effektive dekontaminering teknologier, optimerede procedurer for dekontaminering og prognosemodeller, er det afgørende, at processen forureningen er velkendt, herunder transport af forurenende stoffer i materialer via absorption og efterfølgende kemisk udslip tilbage i miljøet. Det er derfor bydende nødvendigt, at tilgange udviklet, der kan evaluere undergrunden koncentrationsprofiler for forurenende-materiale par som en funktion af miljømæssige forhold. Et kontinuum skala blev fysik-baserede model udviklet til at forudsige koncentrationen fordeling af absorberet agent i en forurenet substrat. Eksperimentelt afledte masse transport parametre gør det muligt forudsigelse af than damp emission fra forurenet materiale efter dekontaminering. En evne til at forudsige den koncentration, distribution i et materiale kan lette vurderingen af potentielle dampe farer og til gengæld give præcise diagnoser af toksikologiske farer 1. Denne fremgangsmåde giver mulighed for en vurdering af forurenende-materiale pair specifikke masse transport parametre såsom diffusiviteten og mætningskoncentration, som til gengæld tillader modellering for et andre scenarier og betingelser. I denne undersøgelse har vi behandlet fase forurening af opløsningsmiddel-spredt, polyurethan maling belægninger væske med kemiske kampstoffer bis (2-chlorethyl) sulfid (destilleret sennep, blister agent HD) og O-ethyl S - [2 (diisopropylamino) ethyl] methylphosphonothioate (VX), et organophosphat nervegas.

Den udviklede metode karakteriserer gas desorptionsdata profiler fra forurenede materialer, herunder kemiske kampmidler som HD og VX, udenmange af de begrænsninger i andre tilgange 2,3. Tidsopløste massespektrometri målinger af forurenende evolution fra forurenede substrater mulighed for en diffusionstransport model med invers analyse for at beregne masse transport parametrene for forurenende stof i materialet, herunder den absorberede koncentration profil for urenheden regnet fra den oprindelige gennemtrængning begivenhed. Med etableringen af ​​en prædiktiv evne for afgrænsningen koncentrationsprofilerne af forurenende stoffer i materialer som funktion af miljømæssige forhold kommer evnen til at vurdere toksikologiske farer og i sidste ende udvikle ruter til effektiv dekontaminering.

I dette papir, er de oplysninger, der er forbundet med prøveforberedelse præsenteret, herunder arbejde med kemisk krigsførelse agent forureninger samt eksperimentelle dataindsamling fra kontaminerede materialer og efterfølgende modellering 4. Eksperimentelle kørsler blev udført som described i den kemiske forurenende og dekontaminant kildedokumentet 5 og vil blive diskuteret i næste afsnit. Et flowdiagram til forberedelse og analyse prøve skridt medtaget i figur 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Betingelse Paint Substrater til den ønskede miljø

  1. Forudindstil miljøkammeret til substrat konditionering til den angivne temperatur og relativ fugtighed (20 ° C, 50%). Sørg for, at substratforhold konsekvent fastholdt, da både temperatur og vandindhold i betydelig grad kan påvirke absorption satser i materialer.
  2. Coat 0.32 cm tyk, 5,08 cm radius rustfrit stål diske med et overfladeareal på 20,25 cm2 med et lag af maling (MIL-DTL-53039, et opløsningsmiddel-spredbar (SD) alifatiske polyurethan belægning-system 6) med en samlet lagtykkelse ( primer og topcoat) på omkring 100 um. Placer substrater (med det ønskede antal gentagelser) på rustfrie bakker med testoverfladen at blive udsat for et kemisk middel opad.
  3. Dæk substrater med petriskåle. Placer bakkerne indeholdende test substrater til den miljømæssige kammer i mindst 60 kmn men ideelt O / N, hvis det er muligt.

2. Forurening af konditioneres Substrater

  1. Don personlige værnemidler såsom laboratoriekittel, sikkerhedsbriller og handsker.
  2. ADVARSEL: Anskaf de kemiske forureninger fra kølelager og tillade primær beholder hætteglas afbalancere til RT. De kemikalier, der anvendes i denne protokol er Kemikalie Standard Analytisk referencemateriale (CASARM, 98,0% renhed) grad HD og CASARM (89,0% høj renhed) grad VX (både flydende fase). Indhent oplysninger renhed fra enten kernemagnetisk resonans eller gaskromatografi / massespektroskopi analyser og vedligeholde på filen.
    BEMÆRK: ADVARSEL: Håndtering af stoffer til kemisk krigsførelse må kun udføres af uddannet personale på et godkendt anlæg efter gældende sikkerhed, og kautionsaftaler forholdsregler.
  3. ADVARSEL: Monter agent levering værktøj med en pipettespids og konfigurere værktøjet til at levere en dråbe middel (fx 1 ul). Tag hætten afforurenende hætteglas, og placer hætten på hætten overflade, tråde opad. Saml pipetten, og langsomt sænke spidsen ind kontaminanten opløsning. Læg midlet levering værktøj med middel i overensstemmelse med producentens anvisninger. Anbring forsigtigt den fyldte pipette på hætten arbejder overflade, og sæt hætten på forurenende hætteglasset.
  4. ADVARSEL: forurene testsubstrater.
    1. Fjern de bakker, der indeholder test-substrater fra miljøkammeret.
    2. Fjern petriskåle fra testsubstrater, og sæt på hætten overflade. Digitalt fotografere hver test substrat til at registrere forekomsten af ​​hvert substrat før forurening.
    3. Saml de indlæste pipette og levere en enkelt dråbe (fx 1 ul) af midlet på den første test substrat. Dæk det forurenede materiale med et polystyren petriskål for at minimere fordampning mens forurene yderligere substrater. Gentag proceduren for hver substrat; genindlæse pipettespidsen (STEP 2.3) som nødvendigt.
      BEMÆRK: Saml bekræftelse pipette prøverne før og efter dosering af substrater for analyse via kromatografi at bekræfte forurenende masse levering.
    4. Fjern petriskåle fra testsubstrater og sæt på hætten overflade. Digitalt fotografere hver test substrat til at registrere de oprindelige kontaminantbærende materielle interaktioner.
    5. Dæk testsubstrater med petriskåle.
    6. Placer bakken af ​​substrater tilbage i klimakammer.

3. Contaminant-materiale interaktion ældningsperiode

  1. Forud for ældning af prøverne, lufte rustfrit stål højt vakuum eksperimentelle kammer for at forberede det til brug i afsnit 4.
  2. Lad de forurenede substrater til alder i miljøkammeret for den angivne periode, som kan varieres på grundlag af de kemisk-materiale-miljø interaktion dynamik (f.eks 60 min).
  3. Fjern substrater fra miljøbeskytEntal kammeret og sted på arbejde overflade af emhætten. Fjern petriskåle fra testsubstrater og digitalt fotografere hvert substrat til at registrere de post-aging forurenende-materiale interaktioner.
  4. Dobbeltklik indeholder prøver (f.eks, flere lufttætte containere) og overføre til den arbejdsgruppe hætte med høj vakuumkammer.

4. Høj Vacuum Vapor klimakammermåling

Den høje vakuumkammer er et lille volumen fartøj pumpes af en turbo molekylære træk pumpe og en membran underlag pumpe (figur 2). En kvadrupolmassespektrometer er monteret på en port, som står direkte over et temperaturkontrolleret substratholderen og anvendes til at måle realtid gasudvikling fra forurenede substrater under højt vakuum. Fuldstændige oplysninger om vakuumkammer specifikationer og materialer er medtaget i referencebeløbet 4.

  1. Sørg for, at kammeret er korrekt udluftet.
  2. FORSIGTIG: Unpackage er udarbejdet i afsnit 3 prøver, og fjern petriskål fra testsubstrater. Placer en testsubstrat i hver temperaturstyret substratholderen ved hjælp af rustfrit stål pincet.
  3. Seal vakuumkammeret og begynder pumpen ned sekvens. Udføre dette trin, således at kammeret er vakuumforseglet ved den angivne alder tid (fx 60 min) i forhold til, når substratet var forurenet.
  4. Begynde at optage udvalgte masse fragment kanaler som en funktion af tiden (direkte mål for masseflux) identificeret med specifik masse pr charge-værdier (m / z). Måle specifikke baggrund gasart i tillæg til de primære massefragmenter fra molekyler af interesse (VX: m / z = 114, HD: m / z = 109) i realtid på <0,25 Hz, indtil det forurenende partialtrykket falder under detektionsgrænsen massespektrometrets (10-8 Pa).
  5. Saml emission kurverne forvarigheden af ​​emissionen af ​​forurenende stoffer fra substratet.
  6. Stop optagelse emission kurver med massespektrometer, når det forurenende masse flux er faldet til kammeret pres baseline.
  7. Vent højvakuum kammer til atmosfærisk tryk.

5. Efterbehandling Vurdering for samlede resterende Contaminant

  1. Åbn højvakuum emission damp kammer (HVVEC) instrument og fjerne underlaget fra kammeret ved hjælp af rustfrit stål pincet.
  2. Anbring underlaget i et glas udvinding krukken og tilsættes 20 ml ekstraktionsmiddel til krukken (fx isopropylalkohol: VX; chloroform: HD). Sæt låg på krukken og slyng krukken tre gange. Lad substratet i ekstraktionsopløsningsmidlet i 60 min.
  3. Beholderen bevæges tre gange igen og derefter Tag hætten af ​​glasset. Brug en ren, engangsbrug, glas pipette cirka 1 til 2 ml ekstraktionsopløsningsmiddel i en analytisk hætteglas til analyse via gas eller væskechromatografi 7 at måle kontaminanten tilbageholdte masse af substrater.

6. Dataanalyse og modellering

  1. Konverter rå massespektrometridata (partielt afledt af målte ion strøm) for at masseflux fra underlaget. Brug en kombination af Hertz-Knudsen til omregning partialtryk af påviste gasart til hændelse damp flux ved detektoren og omfatter en omregningsfaktor, der tegner sig for det forurenede område på underlaget fra den oprindelige forurening begivenhed.
  2. Brug inverse metoder (f.eks Levenberg-Marquardt algoritme) til at bestemme maetningskoncentration og diffusionskonstant værdier (centrale massetransportsystemer parametre) for forurenende transport gennem malingen. Sammenlign den eksperimentelt bestemte damp flux til en forudsagt flux damp (en analytisk løsning til Ficks anden lov med passende randbetingelser anvendes (se ligning 4 fra henvisning 4)). Brug massetransport parametre til at forudsige den koncentration profiler for det forurenende stof-materiale system.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den øverste panel af figur 3 viser eksempler på den beregnede masse flux af VX og HD fra SD-malede substrater baseret på tid-løst massespektrometri for de vigtigste masse fragmenter af VX og HD (masse-til-ladning, m / z = 114 og 109, henholdsvis). En kvadrupolmassespektrometer har tre hovedkomponenter: en ionisator, en masseanalysator eller filter, og et gebyr detektor. Gas arter ioniseres via electron impact ionisering (varm glødetråd stil elektronkilde), og de producerede ioner injiceres i en quadrupolar masse filter undervejs at nå et Faraday kop eller elektron multiplikator detektor til måling af ionstrømmen (proportional med partialtrykket af målte gasser ). Til instrument, der anvendes i denne fremgangsmåde, blev ionizer ligger i tæt (<3,5 cm), line-of-sight nærhed til substratoverfladen således, at arter, der udsendes fra en kontamineret substrat (strålevinkel toppede på substratet normalt) blev påvist fortrinsvis ogpseudo-går. De ioner, der omfatter ionstrømmen ved detektoren er tildelt massefragmenter (m) med en specifik ionisering tilstand (z), som resulterer fra elektron impact ionisering proces ved brug af uafhængige massespektrometri standarder og databaser (fx NIST massespektre database). Den relative forekomst af bestemte ioner skabt i en elektron impact ionisering begivenhed er molekyle-specifik, og stor omhu er nødvendig tildele massespektrale signaturer især for større molekyler, såsom VX og HD, der sjældent undergår enkelt ionisering eller fragmentering begivenheder. Før tidsopløste forsøg blev udført, var fulde massespektre for tilsvarende UNDERGRUNDSFORBEHANDLING betingelser registreres at kontrollere tilstedeværelsen og den relative rigelighed af specifikke m / z toppe for de arter, der er indført i analysen kammeret. Denne kontrol inkluderet bekræfter, at intensiteten af ​​den forventede hovedmassen fragment for than analyt af interesse blev ikke foldet med bidrag fra andre arter i systemet. De tidsopløste målinger i efterfølgende forsøg derefter indspillet intensiteten af specifikke m / z toppe som en funktion af tid i forbindelse med analysand.

Rå massespektrometri data i form af partialtryk af gasser målt ved ionisatoren af ​​spektrometer. Til denne undersøgelse er partialtrykket værdier for primære HD og VX-fragmenter anvendt til flux beregninger baseret på en nitrogen ionisering tværsnit standard uden korrektion for mulige molekyle-specifik fragmentering effektivitet. Som anført i protokollen, trin 6.1, er disse partialtrykket målinger på detektoren først konverteres til en masse flux ved hjælp af Hertz-Knudsen formel, der vedrører:

Ligning 1 Equation 1

hvor N it, jeg er indfaldende molekylær flux, P i, måles partialtryk (Pa), m er den molekylære masse af arter (g / molekyle), k er Boltzmanns konstant (J / K), og T er temperatur kammer (K). Derefter, med henblik på at bestemme fluxen fra den kontaminerede overflade, N c massefluksen målt ved detektoren, N that, I, multipliceres med forholdet mellem massespektrometri område (tværsnitsareal af detektoren parallelt med kontaminerede overflade) til området for forurening på overfladen:

Ligning 2 Ligning 2

hvor A it er arealet af detektor og A c er det forurenede område påsubstratet. Vist i det øverste panel af figur 3 fokus på den tid, ordningen er forbundet med diffusionstransport masse transport for arter med oprindelse i undergrunden af underlaget data. Målinger før massespektrometri viste, at både VX og HD dråber ikke forblive siddende på SD-maling med resterende bulk-væske på underlaget før indføring til vakuum; den gennemsnitlige endelige forurenede område for VX og HD var 2,6 ± 0,1 og 5,9 ± 0,6 cm 2, hhv. Tidlig tid regime (<1.000 sekunder) data er ikke medtaget i disse parceller, som delvis påvirket af massespektrometer ækvilibrering i ionizer drift ved relativt høje partialtryk samt desorption af bulk-flydende forurenende, der er fanget eller svagt bundne på overfladen af substratet. Dataene viser en udbredelse begrænset ordning, der begynder med en eksponentiel vægtfald fluxhastighed og er kilden til de data, der anvendes for parameter estimering af diffutende transport fra undergrunden det kontaminerede substrat. Definitionen af ​​overgangen i regimer blev bekræftet ved måling af fordampning af VX og HD væske deponeret på borosilikatglas substrater (uigennemtrængeligt materiale), som påviste en konstant fordampning sats for både VX og HD indtil den deponerede væske blev udtømt. Med det formål at illustrere de forskellige interaktioner, der omfatter det komplekse system under undersøgelse, det nederste panel i figur 3 viser baggrunden målte signaler fra et uforurenet maling substrat. Bemærk den ikke-monoton tid evolution samt sammenfald af funktioner på tværs af arter profiler. Da målinger registreres under vakuum, enhver af de arter, der er fanget i malingen substrat er i stand til at diffundere ud af belægningen. Denne observation illustrerer den mulighed, at hastigheden af ​​massestrøm af substratet (i forhold til partialtryk) kan påvirkes af den relative overflod af rottee af udtømning af andre arter i belægningen, herunder vand og maling opløsningsmidler.

Parameterestimering blev udført ved hjælp af diffusions-begrænset emission damp flux. Den beregnede pasform, hvilket er en analytisk løsning til Ficks anden lov om diffusion, giver mulighed for bestemmelse af mætning og diffusivitet konstant for de specifikke forurenende-materiale kombinationer 8. Vapor emissionen, herunder massefluksen størrelsesorden samt tidspunktet ændringshastigheden af massefluksen, af et materiale, der er drevet af forurenende fordeling med hensyn til materialet samt transport parametre forbundet med forurenende stof i materialet 9- 11. Hvis fordelingen af et forurenende stof er kendt, skal det forurenende flux fra materialet kan forudsiges 1. I modsætning hertil, hvis emissionen af ​​dampe flux måles (svarende til den eksperimentelle procedure beskrevet heri), koncentrationen fordeling i substratet og transporort parametre kan bestemmes; en teknik, der almindeligvis omtales som omvendt analyse 12,13. I dette eksperiment kan et udtryk for damp flux fra substratet afledes via en en-dimensional (1D) analytisk løsning på Ficks anden lov for forureningskoncentration profil i en finit tykkelse belægning, forudsat diffusive massetransport 4,13. Figur 4 illustrerer de forskellige randbetingelser, der er forbundet med at begrænse den analytiske løsning for molekylær diffusion i en begrænset tykkelse absorberende belægning. De fulde detaljer i beregningen er dokumenteret andetsteds 4, og resultaterne er opsummeret i tabel 1.

Massetransport parametre estimeret fra damp flux målinger blev gennemført for at forudsige forureningskoncentration distribution og udvikling inden for SD malingen. Dette resultat omfattede repræsenterer koncentrationen felt over thickness af malingen ved begyndelsen af ​​diffusion af det forurenende stof ud af malingen (efter løs væske fordampning fra overfladen). Det øverste panel i figur 5 illustrerer simulerede resultater for den rumlige afhængige koncentration fordeling af HD eller VX i SD malingen. Selvom belægningen absorberes en større masse af HD, som indikeret ved en større mætningskoncentration anført i tabel 1, er det mere lokaliseret nær overfladen af substratet sammenlignet med VX. Det nederste panel af figur 5 illustrerer den resulterende damp flux af forureningerne fra malinger, som kan afkaster sundhedsfare for personalet i nærheden af materialet. Forskellene i transport fænomener mellem HD og VX viser, at intermolekylære interaktioner kan ændre transporten af ​​absorberende molekyler gennem malingen systemer til at generere forskellige distributioner.

"Figur Figur 1. Forberedelse af underlag og flowmåling diagram, der illustrerer trin til forbehandling, forurener, ældning og måling efterfølgende emission af midlet fra substrater. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Skematisk af højt vakuum emission damp kammer. Underlag læsses på en temperatur-kontrolleret substratholderen der direkte står over for en kvadrupolmassespektrometer. Kammeret har en base tryk (ingen indlæst substrat) på <10-7 Pa og pumpesaf en turbo molekylære træk pumpe, der er understøttet af en membran opbakning pumpe. Substrater indføres med vakuumkammeret udluftes, og målinger af masseflux i massespektrometret påbegyndes, når systemet pumpes ned <10-2 Pa. Underlag diameter fungerer som en skala reference. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Øverst: VX (blå) og HD (rød) beregnet flux fra substrater baseret på eksperimentel måling af damp emission fra forurenet SD kemisk agens resistent belægningssubstrater. Partialtrykket (afledt af ionstrøm) målt ved massespektrometret af de vigtigste fragmenter til en given analyt (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) kan være direkte relateret til den oprindelige masse lys fra substratet, forudsat line-of-sight detektering af arter, der udsendes fra materialet. De viste data er for udbredelsen begrænset massetransport regime, når bulk, overflade-bundne forurenende væske er desorberet Nederst:. Baggrund delvis trykmålinger for gasart, der udsendes af en uforurenet maling substrat. Med det formål at illustrere kompleksiteten af systemet under studiet, er de fulde tidsopløste profiler medtaget fra det første punkt at indsamle data (når alt trykkammer faldet under 10-2 Pa, det tidligste tidspunkt, hvor det massespektrometer kunne optage ). Farven nøgle illustrerer specifikke m / z-værdier, der svarer til de identificerede påviste arter.

belastning / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4. Definition af 1D molekylær diffusive absorption underlagt Ficks lov, herunder randbetingelser Definition af variabler.: C sub, koncentration af forurenende stof i substrat, C sub, sad, mætning koncentration, z, afstand langs tykkelsen af den absorberende belægning ; D sub, diffusivitet af forurenende stof i belægningen t sub, tykkelsen af malingen. For den model, der beskriver måling under vakuum i forurenende udvikling fra underlaget Modellen forudsætter, at z = 0, vil der være et tomrum belægning interface, det tidspunkt, hvor diffusion begrænset transport dominerer. Formen af ​​den analytiske løsning til Ficks lov med disse randbetingelser og dens efterfølgende brug med beregninger inverse analyse er beskrevet i reference 4.

Figur 5
Figur 5. Top Beregnet koncentration profiler fra eksperimentelt bestemt masseflux fra maling substrater for hver agent som en funktion af maling belægning dybde ved hjælp af invers analyse. Profilerne afspejler fordelingen ved det punkt, hvor dampen fluxen fra det kontaminerede materiale kommer udelukkende fra undergrunden og bestemmes af diffusiv massetransport. Samlet, i dette tilfælde er mere HD masse absorberes og gør det i en tyndere del af malingsfilmen forhold til VX. Denne forskel er afspejlet i de beregnede mætningskoncentration og diffusionskoefficient værdier Bund:. Beregnet damp flux profiler baseret på udgangspunktet koncentrationsprofiler i den øverste del af figuren. Den beregnede, tidsafhængig damp flux matcher experimental data vist i figur 3 med hensyn til at forudsige den relative forskel i udviklingen af hvert middel. Klik her for at se en større version af dette tal.

Agent Diffusivitet (m2 / s) Mætning (g / m 3)
VX 9,91 ± 0,07 × 10 -14 5,32 ± 0,03 x 10 4
HD 2,11 ± 0,04 × 10 &# 8211; 14 1,17 ± 0,01 × 10 5

Tabel 1. massetransport parameterestimeringsmetoder resultater for VX og HD interagere med SD maling. Tabel tilpasset fra henvisning 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Massetransport parametre for HD og VX i malingen blev bestemt via numerisk inverse analyse af dampe emissionsdata. Med beregnede parametre, var det muligt at så producerer tidsafhængige koncentration gradient kort til kontaminant fordeling i malingen. Inverse analyseresultaterne viste, at opløseligheden af ​​HD i SD malingen var højere end VX, men diffusivitet ca. 5x lavere. Resultaterne tyder på, at forureningen HD var stærkt koncentreret på overfladen af ​​belægningen, mens VX kontaminering profil trængte gennem SD malingen. Derfor vil dekontaminering krav til SD-maling varierer baseret på den kemiske forurenende stof. Anvendelser af denne fremgangsmåde give en grundlæggende forståelse af forurenende optagelse i materialer og i sidste ende et intelligent værktøj til at karakterisere det forurenende modstand af materialer.

Selv om arbejdet præsenterede here har vist lovende, der er mange faktorer at overveje i systemer som disse, der uløseligt indeholder mange sammenfiltrede interaktioner. At udvide denne fremgangsmåde til endnu flere forurenende-materiale systemer til forskellige miljøforhold vil kræve en løbende vurdering af påvirkninger af masseflux målinger. Disse virkninger omfatter desorption af flere arter fra bulk, bortset analysandens som hentydede til i figur 3, som måske eller måske ikke ændrer massetransport dynamik i forhold til andre miljøforhold. For eksempel kan det vakuum måling miljøet forårsager en ændring i den absorberede sammensætning og indhold (fx vand og andre organiske opløsningsmidler, der er forbundet med maling) i forhold til de omgivende trykforhold, som igen kan ændre forurenende evolution profil.

Anvendelse af teknik til meget persistente kemiske systemer, der kræver et større dynamikområde til delvis trykkogerre målinger kan kræve en vurdering af instrumentets følsomhed med hensyn til forholdet mellem kammertryk og målte ion strøm. Omvendt kan anvendelsen af ​​teknik til meget volatile eller reaktive kemiske arter kræver omhyggelig overvejelse af tiden mellem evakuering kammer og dataindsamling (trin 4.3 og 4.4) for at sikre levedygtige masseflux data.

Endelig kan der være andre mekanismer 14-16, der styrer massetransport, såsom porøs transport og gensidig diffusion eller behovet for at tage højde for den flerlagede karakter af maling belægninger som primer og top coat lag. Alle disse mulige påvirkninger med hensyn til at karakterisere forurenende transport er i øjeblikket en del af igangværende undersøgelser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker Dr. Wes Gordon (ECBC) om støtte til instrumentets design. Dette arbejde omfatter de kumulerede resultater fra to forskningsprogrammer finansieret af Eric Lowenstein og Michael Roberts (Defense Threat Reduction Agency) under programmet CA08MSB317. De tekniske rapporter citeret heri kan fås ved henvendelse 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