En Inverse Analys Närma till karakterisering av kemiska Transport i Färger
Summary
I detta dokument är ett förfarande för kvantifiering av masstransportparametrar av kemikalier i olika material presenteras. Denna process innebär att anställa en invers-analys baserad diffusionsmodell till ånga utsläppsprofiler som registrerats av realtid, masspektrometri i högvakuum.
Abstract
Möjligheten att direkt karakterisera kemiska transporter och interaktioner som inträffar inom ett material (dvs underjordiska dynamik) är en viktig del i att förstå föroreningsmasstransport och möjligheten att sanera material. Om ett material är förorenat med tiden kan transporten av mycket giftiga kemikalier (till exempel kemisk krigföring agent arter) av materialet leda ånga exponering eller överföra till huden, vilket kan leda till perkutan exponering för personal som interagerar med materialet. På grund av den höga toxiciteten för kemiska stridsmedel, är frisättningen av spår kemiska kvantiteter av betydande oro. Kartläggning under ytan distribution och transport koncentration egenskaper absorberade agenter gör exponeringsrisker som skall bedömas under oprövade förhållanden. Dessutom kan dessa verktyg användas för att karaktärisera ytan reaktionsdynamik att slutligen utforma förbättrade sanerings eller saneringsåtgärder. To nå detta mål var ett omvänt analys mass strategi transportmodellering utvecklats som utnyttjar tidsupplösta masspektroskopitaggade mätningar av ånga utsläpp från förorenade färg beläggningar som ingångsparameter för beräkning av ytan koncentrationsprofiler. Information finns på provberedning, inklusive föroreningar och materialhantering, tillämpningen av masspektrometri för mätning av avges föroreningsånga, och genomförandet av invers analys med ett fysikbaserat diffusion modell för att bestämma transportegenskaper levande kemiska stridsmedel inbegripet destillerat senap (HD) och nervgasen VX.
Introduction
De masstransportmekanismer som är förknippade med kontaminering av material genom kemiska stridsmedel är drivna av en variation av faltade processer inklusive fysiska tillståndsövergångar, kemiska interaktioner mellan mobila arter, och material gränssnitt. Att utveckla effektiva saneringsteknik, optimerade saneringsåtgärder och prediktiva modeller, är det viktigt att föroreningen processen är väl beskriven, inklusive transport av föroreningar i material via absorption och efterföljande kemiska utsläpp tillbaka till miljön. Därför är det viktigt att metoder utvecklas som kan utvärdera under ytan koncentrationsprofiler för förorenings-material paren som funktion av miljöförhållanden. Ett kontinuum-skalan, var fysikbaserad modell som utvecklats för att förutsäga koncentrationsfördelningen av absorberad medel i ett förorenat substrat. Experimentellt härledda parametrar masstransport möjliggör förutsägelse av tHan ånga utsläpp från förorenat material efter sanering. En förmåga att förutsäga koncentrationsfördelningen i ett material kan underlätta bedömningen av potentiella ånga faror och i sin tur möjliggör korrekta diagnoser av toxikologiska risker 1. Detta tillvägagångssätt möjliggör en uppskattning av föroreningsmaterial par specifika masstransportparametrar såsom diffusivitet och mättnadskoncentration som i sin tur tillåter modellering under andra scenarier och villkor. I denna studie har vi behandlat den flytande förorening av lösningsmedels spridda, polyuretan färg beläggningar fas med kemiska stridsmedel bis (2-kloroetyl) sulfid (destillerad senap, blister agent HD) och O-etyl S – [2 (diisopropylamino) etyl] methylphosphonothioate (VX), en organisk fosforförening nervgas.
Den utvecklade metoden kännetecknar gas desorption profiler från förorenade material, inklusive kemiska stridsmedel som HD och VX, utanmånga av de restriktioner som hindrar andra närmar sig 2,3. Tidsupplösta masspektrometri mätningar av förorenings evolution från förorenade substrat möjliggöra en diffusiv transport modell med invers analys för att beräkna parametrar masstransport för det främmande ämnet i materialet, inklusive den absorberade koncentrationsprofilen för föroreningen med start från den ursprungliga trängnings händelsen. Med etableringen av en prediktiv förmåga som avgränsar koncentrationsprofiler av föroreningar i material som funktion av miljöförhållanden kommer förmågan att bedöma toxikologiska faror och slutligen utveckla vägar för effektiv sanering.
I detta dokument är detaljerna i samband med provberedning presenterade, bland annat arbetet med kemisk krigföring agent föroreningar, samt insamling experimentella data från förorenat material och efterföljande modellering 4. Experimentella försök utfördes som described i den kemiska föroreningen och saneringskälldokument 5 och kommer att diskuteras i nästa avsnitt. Ett flödesschema för beredning och analysprov åtgärder som ingår i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Masstransportparametrar för HD och VX i färgen bestämdes via den numeriska omvända analysen av ånga utsläppsdata. Med beräknade parametrar, var det möjligt att sedan producera tidsberoende koncentration toningskartor för förorenings distribution i färgbeläggningen. De inversa analysresultat visade att lösligheten av HD i SD färgen var högre än VX, men diffusivitet var ungefär 5x lägre. Resultaten tyder på att HD-kontamination var mycket koncentrerad vid ytan av beläggningen, medan den VX kontaminatio…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Dr Wes Gordon (ECBC) om stöd i instrumentdesign. Detta arbete avser de ackumulerade resultat från två forskningsprogram som finansieras av Eric Lowenstein och Michael Roberts (Defense Threat Reduction Agency) under program CA08MSB317. De tekniska rapporter citerade häri kan erhållas http://www.dtic.mil .
Materials
| Name 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" |
References
- 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).
- Felder, R. M. Estimation of Gas Transport-Coefficients from Differential Permeation, Integral Permeation, and Sorption Rate Data. J. Membr. Sci. 3, 15-27 (1978).
- 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).
- 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).
- 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. , (2011).
- . . MIL-DTL-53039B: Coating Aliphatic Polyurethane, Single Component, Chemical Agent Resistant. , (2005).
- Shue, M., et al. . Low-Level Analytical Methodology Updates to Support Decontaminant Performance Evaluations. Report No. ECBC-TR-883. , (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Vesely, D. Diffusion of Liquids in Polymers. Int. Mater. Rev. 53, 299-315 (2008).
- 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).
- 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).
