Un approccio di analisi inversa per la caratterizzazione dei Trasporti Chemical nelle vernici

Chemistry

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Summary

In questo lavoro, una procedura per quantificare i parametri di trasporto di massa di sostanze chimiche in vari materiali è presentato. Questo processo prevede l'impiego di un modello di diffusione basato inversa analisi al vapore profili di emissione registrati dal tempo reale, spettrometria di massa in alto vuoto.

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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).

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Abstract

La possibilità di caratterizzare direttamente il trasporto chimica e le interazioni che si verificano all'interno di un materiale (ad esempio, la dinamica del sottosuolo) è una componente vitale nella comprensione trasporto di massa dei contaminanti e la capacità di decontaminare i materiali. Se un materiale è contaminato, nel corso del tempo, il trasporto di prodotti chimici altamente tossici (come ad esempio le specie di agenti di guerra chimica) fuori il materiale può provocare l'esposizione a vapori o trasferire alla pelle, che può provocare l'esposizione percutanea a personale che interagiscono con il materiale. A causa della elevata tossicità di agenti di guerra chimica, il rilascio di quantità chimici tracce è di notevole preoccupazione. Mappatura sottosuolo distribuzione di concentrazione e di trasporto caratteristiche degli agenti assorbite permette pericoli di esposizione da valutare nelle condizioni testate. Inoltre, questi strumenti possono essere utilizzati per caratterizzare le dinamiche di reazione del sottosuolo per la progettazione definitiva decontaminanti miglioramento o procedure di decontaminazione. To raggiungere questo obiettivo, una massa di analisi approccio di modellazione del trasporto inverso è stato sviluppato che utilizza risolta in tempo misure di spettroscopia di massa di emissioni di vapore da pitture contaminate come parametro di input per il calcolo dei profili di concentrazione sottosuolo. Ulteriori dettagli sono forniti in preparazione del campione, tra cui contaminanti e la movimentazione dei materiali, l'applicazione della spettrometria di massa per la misurazione del vapore emesso contaminante, e la realizzazione di analisi inversa utilizzando un modello di diffusione basato sulla fisica per determinare le proprietà di trasporto di agenti di guerra chimica vivi compresi distillata senape (HD) e l'agente nervino VX.

Introduction

I meccanismi di trasporto di massa connessi con la contaminazione dei materiali da agenti di guerra chimica sono guidati da una varietà di processi convoluta tra cui le transizioni di stato fisico, le interazioni chimiche tra le specie mobili, e interfacce materiali. Per sviluppare tecnologie efficaci di decontaminazione, le procedure di decontaminazione, ottimizzate e modelli predittivi, è essenziale che il processo di contaminazione è ben compreso, compreso il trasporto di contaminanti nei materiali tramite l'assorbimento e la successiva emissione di sostanze chimiche di nuovo nell'ambiente. Di conseguenza, è imperativo che gli approcci siano sviluppati in grado di valutare i profili di concentrazione del sottosuolo per le coppie di contaminanti-materiale in funzione delle condizioni ambientali. Un continuum di scala, il modello basato sulla fisica è stato sviluppato per prevedere la distribuzione di concentrazione di agente assorbita in un substrato contaminato. Parametri di trasporto di massa Sperimentalmente derivati ​​consentono la previsione di tegli emissione del vapore contaminato dal materiale post decontaminazione. La capacità di prevedere la distribuzione di concentrazione in un materiale in grado di facilitare la valutazione dei rischi potenziali di vapore e, a sua volta, consentire diagnosi accurate di pericoli tossicologici 1. Questo approccio consente una stima di coppia parametri di trasporto di massa specifici contaminanti-materiale, come la diffusività e la saturazione di concentrazione che a sua volta permesso di modellazione per altri scenari e condizioni. In questo studio, abbiamo trattato la contaminazione fase liquida, di rivestimenti di vernice poliuretanica disperso solvente con agenti di guerra chimica bis (2-cloroetile) solfuro (senape distillata, agente blister HD) e O etilico S - [2 (diisopropylamino) etil] methylphosphonothioate (VX), un agente nervino organofosfati.

La metodologia sviluppata caratterizza i profili di desorbimento di gas da materiali contaminati, tra cui agenti di guerra chimica come HD e VX, senza chemolte delle restrizioni che ostacolano altri approcci 2,3. Risolte nel tempo misure di spettrometria di massa di evoluzione contaminante a partire da substrati contaminati consentono un modello di trasporto diffusivo con analisi inversa per calcolare i parametri di trasporto di massa per il contaminante nel materiale, ivi compreso il profilo di concentrazione assorbita per il contaminante a partire dall'evento permeazione originale. Con la creazione di una capacità predittiva per delineare i profili di concentrazione dei contaminanti nei materiali in funzione delle condizioni ambientali viene la capacità di valutare i rischi tossicologici e, infine, sviluppare percorsi per la decontaminazione efficace.

In questo lavoro, i dettagli associati con la preparazione del campione sono presentati, compreso il lavoro con agenti contaminanti guerra chimica, nonché la raccolta di dati sperimentali da materiali contaminati e la successiva modellazione 4. Prove sperimentali sono state condotte come discribed nel contaminante chimico e la fonte decontaminante documento 5 e sarà discusso nella prossima sezione. Un diagramma di flusso per la procedura di preparazione del campione e analisi in incluso in Figura 1.

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Protocol

1. Substrati Condizione Paint per l'ambiente desiderato

  1. Preset la camera ambientale per il substrato di condizionamento alla temperatura specificata e umidità relativa (20 ° C, 50%). Accertarsi che le condizioni del substrato sono costantemente mantenuti in quanto sia la temperatura e contenuto di acqua può influenzare in modo significativo i tassi di assorbimento nei materiali.
  2. Cappotto spesso 0,32 centimetri, dischi in acciaio inox 5,08 centimetri raggio con una superficie di 20,25 centimetri 2 con uno strato di vernice (sistema poliuretanico alifatico MIL-DTL-53039, un solvente dispersibile (SD) rivestimento 6) con uno spessore totale ( primer e top coat) di circa 100 micron. Posizionare i supporti (con il numero desiderato di repliche) su vassoi in acciaio inox con la superficie di prova per essere esposti a un agente chimico rivolta verso l'alto.
  3. Coprire i substrati con piastre di Petri. Posizionare i vassoi contenenti i substrati di prova nella camera ambientale per almeno 60 kmn ma idealmente O / N, se possibile.

2 Contaminazione di precondizionato Substrati

  1. Don equipaggiamento protettivo personale, come camice da laboratorio, occhiali di sicurezza e guanti.
  2. ATTENZIONE: Ottenere i contaminanti chimici di conservazione a freddo e lasciare contenitore primario flaconcino raggiunga la temperatura ambiente. I prodotti chimici utilizzati in questo protocollo sono Agente chimico standard analitica di materiali di riferimento (CASARM, 98,0% di purezza) di grado HD e CASARM (89,0% elevata purezza) di grado VX (sia fase liquida). Ottenere informazioni purezza da entrambe le analisi cromatografia risonanza o gas / spettroscopia di massa magnetica nucleare e mantenere in archivio.
    NOTA: ATTENZIONE: La manipolazione di agenti di guerra chimica deve essere eseguita solo da personale addestrato ad un impianto autorizzato utilizzando applicabili precauzioni di sicurezza, di sicurezza, e di fideiussione.
  3. ATTENZIONE: Montare l'attrezzo di consegna agente con un puntale e configurare lo strumento per offrire una goccia di agente (ad esempio, 1 ml). Togliere ilfiala contaminante, e posizionare il tappo sulla superficie della cappa, fili rivolta verso l'alto. Sollevare la pipetta, e abbassare lentamente la punta nella soluzione contaminante. Caricare lo strumento consegna agente con l'agente in conformità con le istruzioni del produttore. Posizionare delicatamente la pipetta caricato sulla superficie di lavoro cappa, e richiudere il flacone contaminante.
  4. ATTENZIONE: contaminare i substrati di prova.
    1. Rimuovere i vassoi contenenti i substrati di prova dalla camera ambientale.
    2. Rimuovere le piastre di Petri da substrati di prova, e situato sulla superficie della cappa. Fotografare digitalmente ogni substrato di prova per registrare l'aspetto di ogni substrato prima contaminazione.
    3. Sollevare la pipetta caricato e fornire una singola goccia (ad esempio, 1 ml) di agente sul primo substrato di prova. Coprire il materiale contaminato con una capsula di Petri in polistirolo per ridurre al minimo l'evaporazione, mentre contaminare altri substrati. Ripetere l'operazione per ciascun substrato; ricaricare la punta della pipetta (STep 2.3), se necessario.
      NOTA: Raccogliere i campioni di conferma pipetta prima e dopo la somministrazione di substrati per l'analisi mediante cromatografia per confermare la consegna di massa contaminante.
    4. Rimuovere le piastre di Petri da substrati di prova e impostare sulla superficie del cofano. Fotografare digitalmente ogni substrato di prova per registrare le interazioni iniziali contaminante-materiali.
    5. Coprire i substrati di prova con le piastre di Petri.
    6. Posizionare il vassoio di substrati nella camera ambientale.

Interazione 3.-materiale contaminante Periodo di invecchiamento

  1. Prima di invecchiamento dei campioni, sfiato in acciaio inox alto vuoto camera sperimentale per prepararlo per l'uso nella sezione 4.
  2. Lasciare i substrati contaminati all'età nella camera ambientale per la durata specificata, che può essere variata in base alle dinamiche di interazione chimico-materiale-ambiente (per esempio, 60 min).
  3. Rimuovere substrati dal environmcamera ental e posto sulla superficie di lavoro della cappa. Rimuovere le piastre di Petri da substrati di prova e fotografare in digitale ogni substrato per registrare le interazioni contaminanti-materiale post-invecchiamento.
  4. Doppio contenere i campioni di prova (ad esempio, più contenitori ermetici) e trasferire alla cappa lavorare con camera ad alto vuoto.

4 Alto Vuoto Vapor Emission camera di misura

La camera di alto vuoto è una piccola imbarcazione volume pompato da una pompa a trascinamento molecolare turbo e una pompa a membrana di supporto (Figura 2). Uno spettrometro di massa a quadrupolo è montato su una porta che si affaccia direttamente un supporto substrato a temperatura controllata e viene utilizzato per misurare l'evoluzione di gas in tempo reale da substrati inquinati in condizioni di alto vuoto. Tutti i dettagli sulle specifiche camera a vuoto ed i materiali sono inclusi nel riferimento 4.

  1. Assicurarsi che la camera sia ben ventilata.
  2. ATTENZIONE: Decomprimere i campioni preparati nella Sezione 3, e rimuovere piastra di Petri dai substrati di prova. Mettere substrato di una prova in ciascun titolare del substrato a temperatura controllata con pinzette in acciaio inox.
  3. Sigillare la camera a vuoto e avviare la sequenza della pompa verso il basso. Eseguire questo passaggio in modo tale che la camera è sottovuoto al momento all'età specificato (ad esempio, 60 minuti) in relazione quando il vaso è stato contaminato.
  4. Iniziare la registrazione dei canali frammenti di massa selezionati in funzione del tempo (misura diretta del flusso di massa), identificato con massa specifica per i valori unitari di carica (m / z). Misurare specifiche specie di gas sfondo, oltre ai frammenti di massa primari da molecole di interesse (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) in tempo reale a <0,25 Hz fino a quando la pressione parziale contaminante scende al di sotto dei limiti di rilevazione dello spettrometro di massa (10-8 Pa).
  5. Raccogliere le curve di emissione dila durata dell'emissione di contaminante dal substrato.
  6. Interrompere la registrazione delle curve di emissione con lo spettrometro di massa una volta che il flusso di massa contaminante è diminuito alla linea di base pressione della camera.
  7. Vent l'alta camera a vuoto a pressione atmosferica.

5. post-trattamento valutazione per Total Contaminant rimanente

  1. Aprire lo strumento di alto vuoto camera di emissioni di vapore (HVVEC) e rimuovere il substrato dalla camera con una pinzetta in acciaio inox.
  2. Posizionare il substrato in un vaso di vetro di estrazione e aggiungere 20 ml di solvente di estrazione per il vaso (ad esempio, alcool isopropilico: VX; cloroformio: HD). Tappare il vaso e agitare il vaso per tre volte. Lasciare il substrato nel solvente di estrazione per 60 min.
  3. Agitare il barattolo per tre volte di nuovo e poi stappando il vaso. Utilizzo di un ambiente pulito, usa e getta, pipetta di vetro, trasferire circa 1 a 2 ml di solvente di estrazione in un flaconcino analitico per l'analisi mediante gas o liquido7 cromatografia per misurare la massa contaminante trattenuto dai substrati.

6 Analisi dei dati e modellazione

  1. Convertire i dati di spettrometria di massa prima (pressione parziale derivato dalla corrente ionica misurata) di flusso di massa dal substrato. Utilizzare una combinazione della formula Hertz-Knudsen per convertire la pressione parziale del gas specie rilevate al flusso di vapore incidente sul rivelatore e comprendono un fattore di scala che rappresenta la zona contaminata sul substrato dall'evento contaminazione originale.
  2. Utilizzare metodi inversi (ad esempio, Levenberg-Marquardt) per determinare i valori costanti di concentrazione di saturazione e di diffusione (parametri chiave di trasporto di massa) per il trasporto di contaminanti attraverso il rivestimento di vernice. Confrontare il flusso di vapore determinata sperimentalmente per un flusso di vapore previsto (una soluzione analitica per la seconda legge di Fick con condizioni al contorno appropriate applicate (vedi equazione 4 da riferimento 4)). Utilizzare i parametri di trasporto di massa per prevedere i profili di concentrazione per il sistema contaminante-materiale.

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Representative Results

Il pannello superiore della Figura 3 mostra esempi di flusso di massa calcolata di VX e HD da substrati SD-dipinta basati sulla spettrometria di massa risolta in tempo per le principali frammenti di massa di VX e HD (mass-a-carica rapporto, m / z = 114 e 109, rispettivamente). Uno spettrometro di massa a quadrupolo ha tre componenti principali: uno ionizzatore, un analizzatore di massa o di filtro, e un rivelatore di carica. Specie di gas sono ionizzati tramite ionizzazione ad impatto elettronico (caldo filamento stile sorgente di elettroni), e gli ioni prodotti vengono iniettate in un filtro di massa quadrupolare rotta per raggiungere un rivelatore tazza o moltiplicatore di elettroni Faraday per la misura corrente ionica (proporzionale alla pressione parziale di gas misurati ). Per strumento utilizzato in questo metodo, lo ionizzatore si trovava in stretta (<3,5 cm), la vicinanza line-of-sight alla superficie del substrato in modo che le specie emessi da un substrato contaminato (angolo di emissione ha raggiunto la posizione substrato normale) sono stati rilevati preferenzialmente epseudo-istantaneamente. Gli ioni che compongono la corrente ionica al rivelatore vengono assegnati a frammenti di massa (m) con uno stato di ionizzazione specifica (z) che risulta dal processo di ionizzazione ad impatto elettronico attraverso l'impiego di standard di spettrometria di massa indipendenti e basi di dati (ad esempio, spettri di massa NIST database). La relativa abbondanza di particolari ioni creati in un evento a impatto elettronico di ionizzazione è specifica molecola, e grande cura è necessaria l'assegnazione di firme spettrali di massa soprattutto per le molecole più grandi, come il VX e HD, che raramente subiscono singoli eventi di ionizzazione o frammentazione. Prima sono stati eseguiti esperimenti risolte nel tempo, pieno spettri di massa per le condizioni di preparazione del substrato equivalente sono stati registrati per verificare la presenza e l'abbondanza relativa di specifici picchi di m / z per le specie introdotte nella camera di analisi. Tale verifica inclusa la conferma che l'intensità del frammento principale massa prevista per tegli analita di interesse non è stata convoluta con il contributo di altre specie presenti nel sistema. Le misure risolte nel tempo in esperimenti successivi poi registrate l'intensità di specifici picchi m / z come funzione del tempo associato gli analiti di interesse.

I dati grezzi di spettrometria di massa sono in forma di pressioni parziali dei gas misurata alla ionizzatore dello spettrometro. Per questo studio, i valori parziali di pressione per l'HD primario e frammenti VX utilizzati per i calcoli di flusso sono basati su una sezione di ionizzazione azoto standard senza correzione per efficienza possibile frammentazione specifica molecola. Come specificato nel protocollo, punto 6.1, queste misure parziali pressione al rivelatore vengono prima convertiti in un flusso di massa utilizzando la formula di Hertz-Knudsen che si riferisce:

Equazione 1 Equation 1

dove N det, i, è flusso incidente molecolare, P i, si misura la pressione parziale (Pa), m è la massa molecolare della specie (g / molecola), k è la costante di Boltzmann (J / K), e T è la temperatura della camera (K). Quindi, per determinare il flusso dalla superficie contaminata, N c, il flusso di massa misurato al rivelatore, N det, i, viene moltiplicato per il rapporto tra l'area rivelatore spettrometro di massa (area della sezione trasversale del rivelatore parallelo al contaminato superficie) per l'area di contaminazione della superficie:

Equazione 2 Equazione 2

dove A è l'area det del rivelatore e A c è l'area contaminata sullail substrato. I dati riportati nel pannello superiore della Figura 3 focus sul regime di tempo associato al trasporto di massa diffusivo per le specie provenienti dal sottosuolo del substrato. Misurazioni precedenti alla spettrometria di massa ha dimostrato che sia VX e gocce HD non rimasero sessili sulla SD-vernice con liquido sfuso residuo sul substrato prima introduzione a vuoto; la superficie media finale contaminata per VX e HD era 2.6 ± 0.1 e 5.9 ± 0.6 cm 2 rispettivamente. Regime di tempo precoce (<1.000 sec) i dati non sono inclusi in queste trame, che sono in parte influenzati dalla massa spettrometro di equilibrio per il funzionamento dello ionizzatore a pressioni parziali relativamente elevati e desorbimento di massa contaminante liquido che è intrappolato o debolmente legati alla superficie di il substrato. I dati dimostrano un regime di diffusione limitata che inizia con una diminuzione esponenziale del tasso di flusso di massa ed è la fonte dei dati utilizzati per la stima dei parametri di diffutrasporto sive dal sottosuolo del substrato contaminato. La definizione della transizione a regimi stata confermata misurando evaporazione VX e HD liquido depositato su substrati di vetro borosilicato (materiale impermeabile), che hanno dimostrato un tasso di evaporazione costante sia per VX e HD finché fu esaurita liquido depositato. Ai fini di illustrare le varie interazioni che compongono il sistema complesso in esame, il pannello inferiore nella Figura 3 mostra i segnali di fondo misurati da un substrato vernice incontaminato. Nota l'evoluzione temporale non monotonica nonché la coincidenza delle caratteristiche attraverso profili specie. Poiché le misurazioni sono registrate in condizioni di vuoto, una delle specie intrappolati nel substrato vernice sono in grado di diffondere fuori del rivestimento. Questa osservazione dimostra la possibilità che il tasso di flusso di massa del substrato (proporzionale alla pressione parziale) può essere influenzata dalla relativa abbondanza di rattoe di esaurimento di altre specie di rivestimento, inclusi i solventi acqua e vernici.

La stima dei parametri è stata effettuata utilizzando il flusso di emissioni di vapore a diffusione limitata. La misura calcolata, che è una soluzione analitica alla seconda legge di Fick della diffusione, consente la determinazione di saturazione e diffusività costante per le combinazioni specifiche contaminanti materiale 8. Emissione di vapore, compreso il flusso grandezza massa nonché la variazione nel tempo del flusso di massa, da un materiale è guidato dalla distribuzione contaminante rispetto al materiale così come i parametri di trasporto associati al contaminante nel materiale 9- 11. Se la distribuzione di un contaminante è nota, allora il flusso contaminante dal materiale può essere previsto 1. Al contrario, se il flusso di emissione vapore viene misurata (simile alla procedura sperimentale qui descritto), la distribuzione di concentrazione nel substrato e traspparametri Ort possono essere determinate; una tecnica che viene comunemente indicato come analisi inversa 12,13. In questo esperimento, un'espressione per flusso di vapore dal substrato può essere ricavato tramite un monodimensionale (1D) soluzione analitica alla seconda legge di Fick per il profilo di concentrazione di contaminante in un rivestimento di spessore finito, assumendo trasporto diffusivo 4,13. Figura 4 illustra le diverse condizioni al contorno associati vincolando la soluzione analitica per diffusione molecolare in uno spessore di rivestimento assorbente finito. I dettagli completi del calcolo sono documentate altrove 4, ed i risultati sono riassunti nella Tabella 1.

I parametri di trasporto di massa stimati dalle misure di flusso di vapore sono stati attuati per prevedere la distribuzione della concentrazione di contaminanti e l'evoluzione all'interno della verniciatura SD. Questo risultato comprendeva che rappresenta il campo di concentrazione sopra il thickness della vernice all'inizio della diffusione del contaminante dalla verniciatura (dopo rinfusa evaporazione del liquido dalla superficie). Il pannello superiore di figura 5 illustra i risultati di simulazione per la distribuzione concentrazione spaziale-dipendente di HD o VX nella verniciatura SD. Sebbene il rivestimento assorbito una massa superiore di HD, come indicato da una maggiore concentrazione di saturazione elencati nella tabella 1, è localizzato più vicino alla superficie del substrato rispetto al VX. Il pannello inferiore della figura 5 illustra il flusso di vapore risultante dei contaminanti dalle vernici, che potrebbero apportare rischi per la salute al personale in prossimità del materiale. Le differenze nei fenomeni di trasporto tra HD e VX dimostrano che le interazioni intermolecolari possono alterare il trasporto di assorbire molecole attraverso i sistemi di verniciatura per generare diverse distribuzioni.

"Figura Figura 1 Preparazione del supporto e la misurazione diagramma di flusso che illustra passaggi per precondizionamento, contaminazione, l'invecchiamento, e misurando la successiva emissione di agente da substrati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2 Schema della camera alta emissione vapore sotto vuoto. Substrati vengono caricati su un supporto di substrato a temperatura controllata che si affaccia direttamente uno spettrometro di massa a quadrupolo. La camera ha una pressione di base (senza substrato caricato) di <10-7 Pa e viene pompatoda una pompa di trascinamento molecolare turbo che è supportato da una pompa a membrana di supporto. Substrati vengono introdotti con la camera a vuoto ventilato, e misure di flusso di massa presso lo spettrometro di massa cominciano volta che il sistema viene pompato verso il basso <10 - 2 Pa. Diametro substrato funge da riferimento scala. Cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3 Top: VX (blu) e HD (rosso) calcolata flusso di substrati a base di misurazione sperimentale di emissioni di vapore contaminato da agenti chimici SD rivestimento di substrati resistenti. La pressione parziale (derivato dalla corrente ionica) misurato al spettrometro di massa dei frammenti principali per un dato analita (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) può essere collegato direttamente al flusso di massa originale dal substrato, assumendo line-of-sight rilevamento di specie emessi dal materiale. I dati indicati sono per il regime di trasporto di massa a diffusione limitata solo quando massa, legato superficie contaminante liquido è desorbita inferiore:. Sfondo misure di pressione parziale per le specie di gas emessi da un substrato di vernice incontaminato. Allo scopo di illustrare la complessità del sistema in esame, i profili risolta nel tempo pieno sono incluse dal punto iniziale di raccolta dati (quando la pressione totale della camera scesa sotto 10 - 2 Pa, il primo punto dove lo spettrometro di massa potrebbe registrare ). La chiave di colore illustra specifici valori m / z che corrispondono alle specie rilevate identificate.

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Figura 4 Definizione dei 1D assorbimento molecolare diffusiva disciplinato dalla legge di Fick, comprese le condizioni al contorno Definizione delle variabili:. C sub, la concentrazione del contaminante nel substrato, sub C, TV, concentrazione di saturazione, z, distanza lungo lo spessore del rivestimento assorbente ; D sub, diffusività del contaminante nel rivestimento; t sub, spessore del rivestimento di vernice. Per il modello che descrive la misura sotto vuoto per evoluzione contaminante dal substrato, il modello assume che in z = 0, ci sarà un'interfaccia vuoto rivestimento, il punto in cui domina trasporto diffusione limitata. La forma della soluzione analitica di legge di Fick con queste condizioni al contorno e il suo successivo utilizzo con calcoli di analisi inversa sono dettagliate in reference 4.

Figura 5
Figura 5 Top: Calcolato profili di concentrazione di flusso di massa determinato sperimentalmente da substrati di vernice per ogni agente in funzione della profondità di vernice di rivestimento utilizzando l'analisi inversa. I profili riflettono la distribuzione nel punto in cui il flusso di vapore dal materiale contaminato proviene esclusivamente dal sottosuolo ed è determinato dal trasporto di massa diffusivo. Nel complesso, in questo caso, più massa HD è assorbito e lo fa in una porzione più sottile del film di vernice rispetto al VX. Questa differenza si riflette nei valori del coefficiente di concentrazione di saturazione e di diffusione calcolati inferiori:. Calcolato vapore profili di flusso in base ai profili di concentrazione punto di partenza nella parte superiore della figura. L', flusso di vapore in funzione del tempo calcolata corrisponde al expdati erimental mostrato in Figura 3 per quanto riguarda la previsione relativa differenza nell'evoluzione di ogni agente. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Agente Diffusività (m 2 / s) Saturazione (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

Tabella 1 trasporto di massa risultati di stima parametrica per VX e HD interagire con vernice SD. Tabella adattato da riferimento 4.

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Discussion

Parametri di trasporto di massa per HD e VX nella vernice sono stati determinati tramite l'analisi inversa numerica dei dati sulle emissioni di vapore. Con parametri calcolati, è stato possibile quindi produrre mappe concentrazione gradiente tempo-dipendenti per la distribuzione dei contaminanti nel rivestimento di vernice. I risultati delle analisi inversa hanno dimostrato che la solubilità di HD nella vernice SD era superiore VX, ma la diffusività è stato di circa 5 volte inferiore. I risultati suggeriscono che la contaminazione HD era altamente concentrato sulla superficie del rivestimento, mentre il profilo contaminazione VX penetrato attraverso il rivestimento di vernice SD. Pertanto, i requisiti di decontaminazione per vernice SD saranno diversi a seconda del contaminante chimico. Le applicazioni di questo metodo forniscono una comprensione fondamentale di assorbimento dei contaminanti nei materiali e, in definitiva, uno strumento predittivo per caratterizzare la resistenza contaminante dei materiali.

Anche se il lavoro presentato here ha mostrato risultati promettenti, ci sono numerosi fattori da considerare in sistemi come questi che contengono intrinsecamente molte interazioni entangled. Per estendere questo approccio ad ancora più contaminante-materiale Sistemi per le diverse condizioni ambientali richiede una valutazione continua delle influenze sulle misurazioni di flusso di massa. Questi effetti includono desorbimento di più specie dalla massa, diversi da quelli degli analiti di interesse Come accennato nella figura 3, che possono o non possono alterare la dinamica del trasporto di massa rispetto ad altre condizioni ambientali. Ad esempio, l'ambiente di vuoto può causare un cambiamento nella composizione assorbita e contenuto (per esempio, acqua e altri solventi organici associati con vernice) rispetto alle condizioni ambientali di pressione che a sua volta può alterare il profilo evoluzione contaminante.

Applicazione della tecnica di sistemi chimici altamente persistenti che richiedono una gamma dinamica più grande per Pressu parzialere misurazioni possono richiedere una valutazione della sensibilità dello strumento per quanto riguarda il rapporto tra pressione della camera e la corrente di ioni misurata. Per contro, l'applicazione della tecnica di specie chimiche altamente volatili o reattivi può richiedere un'attenta considerazione del tempo tra camera di evacuazione e la raccolta dei dati (punti 4.3 e 4.4) per garantire che i dati di flusso di massa vitali.

Infine, ci possono essere altri meccanismi 14-16 che regolano il trasporto di massa, come i trasporti poroso e reciproca diffusione o la necessità di spiegare la natura multistrato di rivestimenti di vernice come primer e strati di finitura. Tutte queste possibili influenze per quanto riguarda la caratterizzazione trasporto di contaminanti sono attualmente parte di studi in corso.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano il Dr. Wes Gordon (ECBC) per il supporto nella progettazione dello strumento. Questo lavoro rappresenta i risultati cumulativi dei due programmi di ricerca finanziati da Eric Lowenstein e Michael Roberts (Defense Threat Reduction Agency) nell'ambito del programma CA08MSB317. Le relazioni tecniche citate nel presente documento sono disponibili presso 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"

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References

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