En invers Analyse Tilnærming til Karakterisering av Chemical Transport i Maling

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

Protocol

1. Tilstand Maling Underlag til ønsket Miljø Forhåndsinnstilt miljøkammer for substrat kondisjone til den angitte temperatur og relativ fuktighet (20 ° C, 50%). Sørg for at underlaget forholdene er konsekvent opprettholdt siden både temperatur og vanninnhold i betydelig grad kan påvirke absorpsjon priser på materialer. Coat 0,32 cm tykke, 5,08 cm radius rustfrie plater med et areal på 20,25 cm 2 med et lag av maling (MIL-DTL-53039, et løsningsmiddel-dispergerbar (SD) alifatisk …

Representative Results

Den øvre delen av figur 3 viser eksempler på beregnede massefluks av VX og HD fra SD-malt substrater basert på tid-løst massespektrometri for hovedmassen fragmenter av VX og HD (masse-til-charge-forhold, m / z = 114 og 109, henholdsvis). En kvadrupol massespektrometer har tre hovedkomponenter: et ioniserte, en masse analysator eller filter, og en kostnad detektor. Gass arter er ionisert via elektron innvirkning ionisering (varm glødetråd stil elektron-kilde), og de produserte ion…

Discussion

Massetransport parametere for HD og VX i malingen ble bestemt via den numeriske inverse analyse av damputslippsdata. Med beregnede parametere, var det mulig å produsere og deretter tidsavhengige konsentrasjonsgradient kart for forurensningen fordeling i malingsbelegget. Den inverse analyseresultatene viste at løseligheten av HD i SD malingen var høyere enn VX, men diffusivitet var omtrent 5x lavere. Resultatene tyder på at HD kontaminering var svært konsentrert ved overflaten av belegget, mens VX kontaminering prof…

Materials

Name of Material/Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
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"