Un enfoque de análisis inverso a la caracterización de Transporte de Productos Químicos en Pinturas

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

En este trabajo se presenta un procedimiento para cuantificar los parámetros de transporte masivo de productos químicos en diversos materiales. Este proceso implica el empleo de un modelo de difusión basado inversa-análisis a vapor perfiles de emisión registrados por tiempo real, espectrometría de masas en alto vacío.

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

La capacidad para caracterizar directamente el transporte química y las interacciones que se producen dentro de un material (es decir, la dinámica del subsuelo) es un componente vital en la comprensión de transporte de masa de contaminantes y la capacidad para descontaminar materiales. Si se contamina un material, con el tiempo, el transporte de productos químicos altamente tóxicos (tales como especies de agente de guerra química) fuera del material puede dar lugar a la exposición al vapor o transferir a la piel, lo que puede resultar en una exposición percutánea al personal que interactúan con el material. Debido a la alta toxicidad de los agentes de guerra química, la liberación de cantidades de trazas químicas es de gran preocupación. Características de distribución de la concentración del subsuelo Cartografía y transporte de agentes absorbidos permite a los riesgos de exposición que deben evaluarse en condiciones no probados. Además, estas herramientas se pueden utilizar para caracterizar la dinámica de reacción del subsuelo para diseñar en última instancia, la mejora de los procedimientos de descontaminación o descontaminantes. To lograr este objetivo, una masa análisis de enfoque de modelado transporte inverso fue desarrollado que utiliza medidas de espectroscopia de masas con resolución temporal de emisión de vapor de recubrimientos de pintura contaminadas como el parámetro de entrada para el cálculo de los perfiles de concentración del subsuelo. Los detalles figuran en la preparación de la muestra, incluyendo contaminantes y manejo de materiales, la aplicación de la espectrometría de masas para la medición de vapor contaminante emitida, y la aplicación de análisis inverso utilizando un modelo de difusión basado en la física para determinar las propiedades de transporte de agentes de guerra química en directo incluida el agua destilada mostaza (HD) y el agente nervioso VX.

Introduction

Los mecanismos de transporte de masa asociados con la contaminación de los materiales por los agentes de guerra química son impulsados ​​por una variedad de procesos incluyendo convolucionadas transiciones estado físico, interacciones químicas entre las especies móviles, y materiales de interfaces. Para desarrollar tecnologías eficaces de descontaminación, los procedimientos de descontaminación optimizados, y modelos de predicción, es vital que el proceso de contaminación se entiende bien, incluyendo el transporte de contaminantes en los materiales a través de la absorción y la emisión química subsecuente de nuevo en el medio ambiente. En consecuencia, es imperativo que se desarrollan enfoques que se pueden evaluar perfiles de concentración subsuperficial para pares de contaminantes de material como una función de las condiciones ambientales. A escala continua, el modelo basado en la física fue desarrollado para predecir la distribución de la concentración de agente de absorción en un sustrato contaminado. Parámetros de transporte de masas obtenidos experimentalmente permiten la predicción de tque el vapor de las emisiones de la contaminada mensaje material de descontaminación. La capacidad para predecir la distribución de la concentración de un material puede facilitar la evaluación de los riesgos potenciales de vapor y, a su vez, permitirá un diagnóstico preciso de los riesgos toxicológicos 1. Este enfoque permite una estimación de los parámetros específicos de par-contaminantes de material de transporte masivo como la concentración de la difusividad y la saturación que a su vez modelado permiso por otros escenarios y condiciones. En este estudio, hemos tratado a la contaminación en fase líquida de poliuretano, revestimientos de pintura con disolvente disperso con agentes de guerra química de bis (2-cloroetil) sulfuro (mostaza destilada, agente vesicante HD) y O etil S - [2 (diisopropilamino) etil] methylphosphonothioate (VX), un agente nervioso organofosforados.

La metodología desarrollada caracteriza a los perfiles de desorción de gas a partir de materiales contaminados, incluyendo agentes de guerra química, como HD y VX, sinmuchas de las restricciones que dificultan el otro se acerca 2,3. Mediciones de espectrometría de masas de tiempo resuelto de la evolución de contaminantes a partir de sustratos contaminados permiten un modelo de transporte difusivo con análisis inverso para calcular los parámetros de transporte de masa para el contaminante en el material, incluyendo el perfil de concentración para el contaminante absorbido a partir del evento original de permeación. Con el establecimiento de una capacidad de predicción para delinear perfiles de concentración de contaminantes en los materiales en función de las condiciones ambientales viene la capacidad de evaluar los riesgos toxicológicos y en última instancia, desarrollar rutas para la descontaminación eficaz.

En este trabajo, se presentan los detalles asociados con la preparación de muestras, incluyendo el trabajo con los contaminantes de agentes de guerra química, así como la recopilación de datos experimental de materiales contaminados y posterior modelado 4. Corridas experimentales se llevaron a cabo como descRibed en el documento de contaminantes químicos y fuente de descontaminante 5 y será discutido en la siguiente sección. Un diagrama de flujo para los pasos de preparación y análisis de la muestra en incluido en la Figura 1.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. pintura Condición Sustratos para el medio ambiente deseado

  1. Memorice la cámara ambiental para sustrato acondicionado a la temperatura especificada y humedad relativa (20 ° C, 50%). Asegúrese de que las condiciones del sustrato se mantiene constante desde la temperatura y el contenido de agua pueden influir de manera significativa las tasas de absorción en materiales.
  2. Escudo 0,32 cm de espesor, 5,08 cm de radio discos de acero inoxidable con una superficie de 20,25 cm 2 con una capa de pintura (sistema de poliuretano alifático MIL-DTL-53039, un disolvente dispersable (SD) de recubrimiento 6) con un espesor total del recubrimiento ( imprimación y capa superior) de aproximadamente 100 micras. Coloque los sustratos (con número deseado de repeticiones) en bandejas de acero inoxidable con la superficie de prueba para estar expuestos a un agente químico hacia arriba.
  3. Cubra los sustratos con placas de Petri. Colocar las bandejas que contienen los sustratos de ensayo en la cámara del medio ambiente por lo menos durante 60 min pero idealmente O / N, si es posible.

2. Contaminación de precondicionados Sustratos

  1. Equipo de protección personal tales como Don bata de laboratorio, gafas de seguridad y guantes.
  2. PRECAUCIÓN: Obtenga los contaminantes químicos de almacenamiento en frío y permite vial contenedor primario se equilibre a RT. Los productos químicos utilizados en este protocolo son Química Analítica Agente Estándar Material de Referencia (CASARM, 98,0% de pureza) grado HD y CASARM (89,0% de alta pureza) grado VX (tanto en fase líquida). Obtener información de la pureza, ya sea análisis de espectroscopia de resonancia magnética nuclear cromatografía o gas / masa y mantener en archivo.
    NOTA: ATENCIÓN: La manipulación de agentes químicos de guerra sólo debe ser realizada por personal entrenado en una instalación aprobada utilizando precauciones de seguridad, de seguridad y de garantía aplicables.
  3. PRECAUCIÓN: Coloque la herramienta de administración de agente con una punta de pipeta y configurar la herramienta para entregar una gota de agente (por ejemplo, 1 l). Destape lavial contaminante, y coloque la tapa en la superficie de la campana, los hilos hacia arriba. Recoge la pipeta, y baje lentamente la punta en la solución contaminante. Cargar la herramienta de administración del agente con el agente de conformidad con las instrucciones del fabricante. Coloque con cuidado la pipeta cargada sobre la superficie de trabajo capucha, y vuelva a tapar el vial contaminante.
  4. PRECAUCIÓN: contaminar los sustratos de ensayo.
    1. Retire las bandejas que contienen los sustratos de prueba de la cámara ambiental.
    2. Retire las placas de Petri de los substratos de ensayo, y situado en la superficie de la campana. Fotografiar digitalmente cada sustrato de prueba para registrar la apariencia de cada sustrato antes de la contaminación.
    3. Recoge la pipeta cargada y entregar una sola gota (por ejemplo, 1 l) del agente sobre el primer sustrato de ensayo. Cubrir el material contaminado con una placa de Petri de poliestireno para minimizar la evaporación, mientras que la contaminación de sustratos adicionales. Repita el procedimiento para cada sustrato; recargar la punta de la pipeta (Step 2.3) según sea necesario.
      NOTA: Recoger muestras de confirmación de la pipeta antes y después de la administración de sustratos para el análisis mediante cromatografía para confirmar la entrega masiva de contaminantes.
    4. Retire las placas de Petri de los sustratos de prueba y ajuste en la superficie de la campana. Fotografiar digitalmente cada sustrato de prueba para registrar las interacciones iniciales contaminante materiales.
    5. Cubrir los sustratos de ensayo con las placas de Petri.
    6. Coloque la bandeja de sustratos de nuevo en la cámara ambiental.

Interacción 3. Contaminante material Período Envejecimiento

  1. Antes de envejecimiento de las muestras, ventilar la cámara de alto vacío experimental de acero inoxidable para prepararlo para su uso en la Sección 4.
  2. Permitir los sustratos contaminados a la edad en la cámara ambiental durante el tiempo especificado, que se puede variar basado en la dinámica de interacción química-material favorable al medio (por ejemplo, 60 min).
  3. Retire los sustratos de la environmcámara ental y el lugar en la superficie de trabajo de la campana. Retire las placas de Petri de los substratos de ensayo y fotografiar digitalmente cada sustrato para registrar los post-envejecimiento interacciones de contaminantes material.
  4. Haga doble contener las muestras de ensayo (por ejemplo, múltiples recipientes herméticos) y transferir a la campana trabajar con cámara de alto vacío.

4. Alto Vacío Medición Vapor Cámara de emisión

La cámara de alto vacío es un pequeño recipiente de volumen bombeado por una bomba turbo molecular de arrastre y una bomba de diafragma de respaldo (Figura 2). Un espectrómetro de masas cuadrupolar está montado en un puerto que da directamente un soporte de sustrato de temperatura controlada y se utiliza para medir la evolución de gas en tiempo real a partir de sustratos contaminados bajo condiciones de alto vacío. Todos los detalles sobre las especificaciones y los materiales de la cámara de vacío se incluyen en la referencia 4.

  1. Asegúrese de que la cámara tiene una ventilación adecuada.
  2. PRECAUCIÓN: Desempaquetar las muestras preparadas en la Sección 3, y retirar placa de Petri de los sustratos de prueba. Coloque sustrato una prueba en cada soporte del sustrato de temperatura controlada con unas pinzas de acero inoxidable.
  3. Selle la cámara de vacío y comenzar la secuencia de bombeo. Realizar este paso de manera que la cámara está sellada en el momento edad especificada vacío (por ejemplo, 60 min) en relación a cuando estaba contaminado el sustrato.
  4. Comenzar a grabar canales de fragmentos de masa seleccionada como una función del tiempo (medida directa de flujo de masa) identificado con masa específica por los valores de unidad de carga (m / z). Mida las especies específicas de gases de fondo, además de las fracciones de la masa primaria de las moléculas de interés (VX: m / z = 114; HD: m / z = 109) en tiempo real a <0,25 Hz hasta que la presión parcial de contaminantes desciende por debajo de los límites de detección del espectrómetro de masas (10 - 8 Pa).
  5. Recoge las curvas de emisión parala duración de la emisión de contaminantes del sustrato.
  6. Detener la grabación curvas de emisión con el espectrómetro de masas una vez que el flujo de masa de contaminantes se ha reducido a la presión de la cámara de referencia.
  7. Purgar la cámara de alto vacío a la presión atmosférica.

5. Post-tratamiento de Evaluación de Contaminantes restante total

  1. Abra el instrumento de alto vacío de la cámara de emisión de vapor (HVVEC) y retirar el sustrato de la cámara con unas pinzas de acero inoxidable.
  2. Coloque el sustrato en un frasco de vidrio de extracción y añadir 20 ml de disolvente de extracción para el frasco (por ejemplo, alcohol isopropílico: VX; cloroformo: HD). Tapar el frasco y agitar el frasco tres veces. Dejar el sustrato en el disolvente de extracción durante 60 min.
  3. Agitar el frasco tres veces más y luego destape el frasco. El uso de un desechable, pipeta de vidrio limpio, transferir aproximadamente 1 a 2 ml de disolvente de extracción en un vial de análisis para el análisis de gas o líquido a travéscromatografía 7 para medir la masa de contaminante retenido por los sustratos.

6. Análisis y Modelado de Datos

  1. Convertir los datos de espectrometría de masas en bruto (presión parcial derivado de corriente de iones medido) para flujo de masa del sustrato. Use una combinación de la fórmula Hertz-Knudsen para convertir la presión parcial de especies de gas detectados a incidente flujo de vapor en el detector e incluir un factor de escala que representa la zona contaminada sobre el sustrato desde el evento original de la contaminación.
  2. Utilice métodos inversos (por ejemplo, el algoritmo de Levenberg-Marquardt) para determinar los valores constantes de concentración de saturación y de difusión (parámetros clave de transporte de masa) para el transporte de contaminantes a través de la capa de pintura. Compare el flujo de vapor de determinado experimentalmente a un flujo de vapor de predicho (una solución analítica a la segunda ley de Fick con condiciones de frontera apropiadas aplicadas (véase la ecuación 4 la referencia 4)). Utilice los parámetros de transporte masivo para predecir los perfiles de concentración para el sistema-contaminante material.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

El panel superior de la Figura 3 muestra ejemplos de el flujo de masa calculada de VX y HD a partir de sustratos pintados SD basadas en la espectrometría de masas de tiempo resuelto para los principales fragmentos de masa de VX y HD (-masa-carga relación, m / z = 114 y 109, respectivamente). Un espectrómetro de masas cuadrupolo tiene tres componentes principales: un ionizador, un analizador de masas o de filtro, y un detector de carga. Especies de gas se ionizan mediante ionización por impacto de electrones (fuente de electrones estilo filamento caliente), y los iones producidos se inyectan en un filtro de masa cuadrupolar en el camino de llegar a una taza o multiplicador de electrones detector de Faraday para medir la corriente de iones (proporcional a la presión parcial de los gases medidos ). Por instrumento utilizado en este método, el ionizador se encuentra en estrecha (<3,5 cm), la proximidad a la superficie del sustrato línea de visión de modo que las especies emitidos desde un sustrato contaminado (ángulo de emisión alcanzó un máximo de sustrato normal) y se detectaron preferentementepseudo-instantáneamente. Los iones que componen la corriente de iones en el detector se asignan a los fragmentos de masa (m) con un estado de ionización específica (z) que resulta del proceso de ionización por impacto de electrones a través de la utilización de las normas de espectrometría de masas independientes y bases de datos (por ejemplo, espectros de masas NIST base de datos). La abundancia relativa de iones particulares creados en un evento de impacto de electrones de ionización es-molécula específica, y se necesita gran cuidado al asignar las firmas espectrales de masa especialmente para moléculas más grandes, tales como VX y HD, que rara vez se someten a eventos de ionización o de fragmentación individuales. Antes de que se llevaron a cabo experimentos con resolución temporal, espectros de masa completos para las condiciones de preparación de sustrato equivalente se registraron para verificar la presencia y abundancia relativa de picos específicos de m / z para las especies introducidas en la cámara de análisis. Esta verificación incluyó confirmando que la intensidad de la principal fragmento de masa esperada para tél analito de interés no se convoluciona con contribuciones de otras especies en el sistema. Las mediciones resueltas en el tiempo en experimentos posteriores luego registraron la intensidad de picos específicos de m / z como una función de tiempo asociado con los analitos de interés.

Los datos de espectrometría de masas crudas son en forma de presiones parciales de los gases tal como se mide en el ionizador del espectrómetro. Para este estudio, los valores de presión parcial para el HD primaria y VX fragmentos utilizados para los cálculos de flujo se basan en una sección transversal estándar de ionización de nitrógeno con ninguna corrección para la posible eficiencia de la fragmentación molécula específica. Como se especifica en el protocolo, Etapa 6.1, estas mediciones de presión parcial en el detector se convierten primero a un flujo de masa usando la fórmula de Hertz-Knudsen que se relaciona:

Ecuación 1 Equation 1

donde N det, i, es incidente flujo molecular, P i, se mide la presión parcial (Pa), m es la masa molecular de las especies (g / molécula), k es la constante de Boltzmann (J / K), y T es la temperatura de la cámara (K). Entonces, con el fin de determinar el flujo de la superficie contaminada, N c, el flujo de masa medida en el detector, N det, i, se multiplica por el cociente entre el área detector de espectrómetro de masas (área de la sección transversal del detector paralelo a la superficie contaminada) para el área de contaminación en la superficie:

Ecuación 2 Ecuación 2

donde A es el área det del detector y A c es la zona contaminada enel sustrato. Los datos mostrados en el panel superior de la Figura 3 se centran en el régimen de tiempo asociado con el transporte difusivo de masa para las especies procedentes de la sub-superficie del sustrato. Las mediciones anteriores a espectrometría de masas demostraron que tanto las gotas HD VX y no permanecieron sésiles en el SD-pintura con líquido a granel residual sobre el sustrato antes de la introducción en vacío; la zona media final contaminada para VX y HD fue de 2,6 ± 0,1 y 5,9 ± 0,6 cm 2, respectivamente. Régimen de tiempo temprano (<1,000 seg) los datos no están incluidos en estas parcelas, que están en parte influidos por equilibrado espectrómetro de masas para el funcionamiento del ionizador a presiones parciales relativamente altos, así como la desorción del contaminante líquido a granel que se encuentran atrapados o débilmente unidas a la superficie de el sustrato. Los datos demuestran un régimen de difusión limitada que comienza con una disminución exponencial en la tasa de flujo de masa y es la fuente de los datos utilizados para la estimación de parámetros de diffutransporte sivo del subsuelo del sustrato contaminado. La definición de la transición en los regímenes se confirmó mediante la medición de la evaporación del líquido y VX HD depositado sobre sustratos de vidrio de borosilicato (material impermeable), que demostró una tasa de evaporación constante tanto para VX y HD hasta que el líquido depositado se agote. Para los fines de ilustrar las diversas interacciones que componen el complejo sistema en estudio, el panel inferior en la Figura 3 muestra las señales de fondo medidos a partir de un sustrato de pintura no contaminada. Tenga en cuenta la evolución en el tiempo no monotónica, así como la coincidencia de funciones a través de perfiles de las especies. Como las mediciones se registran en condiciones de vacío, cualquiera de las especies atrapadas en el sustrato de pintura son capaces de difundirse fuera del recubrimiento. Esta observación ilustra la posibilidad de que la tasa de flujo de masa del sustrato (proporcional a la presión parcial) puede estar influenciada por la abundancia relativa de ratae de agotamiento de otras especies en el recubrimiento, incluyendo agua y disolventes de pintura.

La estimación de parámetros se realizó a través del flujo de emisión de vapor de difusión limitada. El ajuste calculado, que es una solución analítica para la segunda ley de difusión de Fick, permite la determinación de la saturación y la difusividad constante para las combinaciones específicas-contaminantes de material 8. Emisión de vapor, incluyendo la magnitud del flujo de masa, así como la tasa de tiempo de cambio del flujo de masa, de un material es conducido por la distribución de contaminantes con respecto al material, así como los parámetros de transporte asociados con el contaminante en el material 9- 11. Si se conoce la distribución de un contaminante, entonces el flujo del material contaminante puede predecirse 1. En contraste, si el flujo de emisión de vapor se mide (similar al procedimiento experimental descrito en el presente documento), la distribución de concentración en el sustrato y transport parámetros se pueden determinar; una técnica que se conoce comúnmente como análisis inverso 12,13. En este experimento, una expresión para el flujo de vapor desde el sustrato puede ser derivada a través de una solución analítica unidimensional (1D) para la segunda ley de Fick para el perfil de concentración de contaminante en un revestimiento de espesor finito, asumiendo el transporte difusivo de masa 4,13. Figura 4 ilustra las diferentes condiciones de contorno asociadas con restringir la solución analítica para la difusión molecular en un revestimiento de espesor finito de absorción. Los detalles del cálculo se documentan en otros lugares 4, y los resultados se resumen en la Tabla 1.

Los parámetros de transporte de masas estimadas a partir de las mediciones de flujo de vapor se implementaron para predecir la distribución de la concentración de contaminantes y la evolución dentro de la capa de pintura SD. Este resultado incluyó que representa el campo de concentración durante la XXickness de la pintura en el inicio de la difusión del contaminante fuera de la capa de pintura (después de la evaporación de líquidos a granel de la superficie). El panel superior de la Figura 5 ilustra los resultados de simulación para la distribución de concentración-espacial dependiente de HD o VX en la capa de pintura SD. Aunque el recubrimiento absorbe una masa mayor de HD, como se indica por una mayor concentración de saturación enumerados en la Tabla 1, se localiza más cerca de la superficie del sustrato en comparación con VX. El panel inferior de la Figura 5 ilustra el flujo de vapor resultante de los contaminantes de las pinturas, lo que podría producir peligros para la salud para el personal en la proximidad del material. Las diferencias en los fenómenos de transporte entre HD y VX demuestran que las interacciones intermoleculares pueden alterar el transporte de la absorción de moléculas a través de los sistemas de pintura para generar diferentes distribuciones.

"Figura Figura 1 Preparación del soporte y diagrama de flujo que ilustra las etapas de medición de preacondicionamiento, contaminando, el envejecimiento, y la medición de la posterior emisión de agente a partir de sustratos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. esquemática de la cámara de emisión de vapor de alto vacío. Sustratos se cargó en un soporte de sustrato de temperatura controlada que da directamente un espectrómetro de masas de cuadrupolo. La cámara tiene una presión de base (no cargado sustrato) de <10 - 7 Pa y se bombeapor una bomba de arrastre molecular turbo que es apoyado por una bomba auxiliar diafragma. Los sustratos se introducen con la cámara de vacío ventilado, y las mediciones de flujo de masa en el espectrómetro de masas comienzan una vez que el sistema se bombea a <10-2 Pa. Diámetro sustrato sirve como referencia de escala. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3
Figura 3. Top: VX (azul) y HD (rojo), calculado a partir de sustratos de flujo basado en la medición experimental de emisión de vapor a partir de sustratos de recubrimiento resistente a los agentes químicos SD contaminada. La presión parcial (derivado de la corriente de iones) medida en el espectrómetro de masas de los fragmentos principales para un analito dado (VX : M / z = 114; HD: m / z = 109) se puede relacionar directamente con el flujo de masa original desde el sustrato, suponiendo detección de especies emitidos desde el material de la línea de visión. Los datos mostrados son para el régimen de transporte masivo de difusión limitada sólo cuando granel, líquido contaminante unido a la superficie ha desorbido inferior:. Fondo mediciones de la presión parcial de especies de gases emitidos por un sustrato de pintura contaminada. Para el propósito de ilustrar la complejidad del sistema en estudio, los perfiles de tiempo-resuelto completos se incluyen desde el punto inicial de la recogida de datos (cuando la presión total de la cámara cayó por debajo de 10 - 2 Pa, el punto más temprano en el que el espectrómetro de masas podría grabar ). La tecla de color ilustra valores específicos de m / z que corresponden a las especies detectadas identificados.

carga / 51825 / 51825fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figura 4. Definición de 1D absorción difusiva molecular regulado por la ley de Fick, incluyendo condiciones de contorno Definición de variables:. Sub C, la concentración de contaminante en el sustrato; sub C, SAT, concentración de saturación; z, distancia a lo largo del espesor del recubrimiento absorbente ; D-sub, difusividad del contaminante en el revestimiento; t sub, espesor de la capa de pintura. Para el modelo que describe la medición bajo vacío durante la evolución de contaminantes desde el sustrato, el modelo asume que en z = 0, habrá una interfaz de vacío-recubrimiento, el punto en el que domina de transporte de difusión limitada. La forma de la solución analítica de la ley de Fick con estas condiciones de contorno y su posterior uso con los cálculos de análisis inverso se detallan en Reference 4.

Figura 5
Figura 5. Top: Calculado a partir de perfiles de concentración determinado experimentalmente flujo de masa a partir de sustratos de pintura para cada agente como una función de la profundidad de revestimiento de pintura usando análisis inverso. Los perfiles reflejan la distribución en el punto donde el flujo de vapor desde el material contaminado viene exclusivamente del subsuelo y se determina por el transporte difusivo de masa. En general, en este caso, más masa HD se absorbe y lo hace en una porción más delgada de la película de pintura en comparación con VX. Esta diferencia se refleja en los valores de los coeficientes calculados de concentración de saturación y de difusión de fondo:. Calculado perfiles de flujo de vapor en función de los perfiles de concentración de punto de partida en la parte superior de la figura. El calculada, flujo de vapor en función del tiempo coincide con el expdatos erimental muestran en la Figura 3 con respecto a la predicción de la diferencia relativa en la evolución de cada agente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Agente Difusividad (m2 / s) Saturación (g / m 3)
VX 9,91 ± 0,07 × 10 -14 5,32 ± 0,03 × 10 4
HD 2.11 ± 0.04 × 10 y# 8211; 14 1,17 ± 0,01 × 10 5

Tabla 1. transporte masivo resultados de la estimación de parámetros para VX y HD interactuar con pintura SD. Tabla adaptada de la referencia 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Parámetros de transporte de masa para HD y VX en la pintura se determinaron mediante el análisis inverso numérica de los datos de emisión de vapor. Con los parámetros calculados, era posible entonces producir mapas gradiente de concentración en función del tiempo para la distribución de contaminantes en la capa de pintura. Los resultados del análisis inversos demostraron que la solubilidad de HD en la pintura SD fue mayor que el VX, pero la difusividad fue de aproximadamente 5x inferior. Los resultados sugieren que la contaminación HD era altamente concentrada en la superficie del recubrimiento, mientras que el perfil contaminación VX penetraba a través de la capa de pintura SD. Por lo tanto, los requisitos de descontaminación para pintura SD variarán según el contaminante químico. Las aplicaciones de este método proporcionan una comprensión básica de la absorción de contaminantes en los materiales y, en última instancia, una herramienta predictiva para caracterizar la resistencia de los materiales contaminantes.

Aunque el trabajo presentado here se ha mostrado prometedor, hay numerosos factores a tener en cuenta en los sistemas como estos que contienen intrínsecamente muchas interacciones entrelazados. Para extender este enfoque a incluso más contaminante-material de sistemas para diferentes condiciones ambientales requerirá una evaluación continua de las influencias sobre las mediciones de flujo de masa. Estos efectos incluyen la desorción de múltiples especies de la mayor, distintos de los analitos de interés como se alude en la Figura 3, que pueden o no alterar la dinámica de transporte de masa con respecto a otras condiciones ambientales. Por ejemplo, el entorno de medición de vacío puede causar un cambio en la composición y el contenido absorbida (por ejemplo, agua y otros disolventes orgánicos asociados con la pintura) en comparación con condiciones de presión ambiente que a su vez puede alterar el perfil de evolución contaminante.

Aplicación de la técnica de sistemas químicos altamente persistentes que requieren un rango dinámico más grande para pressu parcialre mediciones pueden requerir una evaluación de la sensibilidad del instrumento con respecto a la relación entre la presión de la cámara y la corriente de iones medido. Por el contrario, la aplicación de la técnica de las especies químicas altamente volátiles o reactivos puede requerir una cuidadosa consideración de las veces entre evacuación de la cámara y la recolección de datos (pasos 4.3 y 4.4) para asegurar que los datos viables de flujo de masa.

Por último, puede haber otros mecanismos de 14-16 que rigen el transporte de masas, como el transporte porosa y difusión mutua o la necesidad de dar cuenta de la naturaleza de múltiples capas de recubrimientos de pintura como imprimación y las capas superiores de la capa. Todas estas posibles influencias con respecto a la caracterización de transporte de contaminantes Actualmente parte de los estudios en curso.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen al Dr. Wes Gordon (ECBC) para el apoyo en el diseño del instrumento. Este trabajo representa el resultado acumulado por dos programas de investigación financiados por Eric Lowenstein y Michael Roberts (Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa) bajo CA08MSB317 programa. Los informes técnicos citados en la presente memoria pueden obtenerse en 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