منهج تحليل معكوس لتوصيف النقل الكيميائية في مواد الطلاء
Summary
في هذه الورقة، يتم تقديم إجراء لقياس المعلمات النقل الجماعي للمواد الكيميائية في مختلف المواد. تتضمن هذه العملية توظيف نموذج نشر معكوس تستند إلى تحليل بخار ملامح الانبعاثات التي سجلتها في الوقت الحقيقي، مطياف الكتلة في فراغ عالية.
Abstract
القدرة على تميز النقل مباشرة الكيميائية والتفاعلات التي تحدث ضمن المواد (أي ديناميات تحت السطحية) هي عنصر حيوي في فهم النقل الجماعي الملوثات والقدرة على تطهير المواد. إذا الملوثة مادة، مع مرور الوقت، ونقل المواد الكيميائية شديدة السمية (مثل الأنواع عوامل الحرب الكيميائية) من هذه المادة يمكن أن يؤدي إلى التعرض للبخار أو نقلها إلى الجلد، الذي يمكن أن يؤدي إلى التعرض عن طريق الجلد للموظفين الذين يتعاملون مع المواد. نظرا لسمية عالية من عوامل الحرب الكيميائية، والإفراج عن كميات المواد الكيميائية النزرة هو مصدر قلق كبير. خصائص توزيع تركيز الجوفية ورسم الخرائط والنقل وكلاء يمتص تمكن مخاطر التعرض ليتم تقييمها في ظروف غير مجربة. وعلاوة على ذلك، هذه الأدوات يمكن استخدامها لوصف ديناميات التفاعل تحت السطحية لتصميم في نهاية المطاف تحسين بالمطهرات أو إجراءات إزالة التلوث. Tس تحقيق هذا الهدف، تم تطوير تحليل كتلة نهج النمذجة النقل العكسي التي تستخدم قياسات مطيافية الكتلة وقت حل لانبعاث بخار من الطلاء الطلاء الملوثة كمعلمة المدخلات لحساب تركيز التشكيلات تحت السطحية. يتم توفير التفاصيل حول إعداد العينات، بما في ذلك الملوثات ومناولة المواد، وتطبيق مطياف الكتلة لقياس الملوثات المنبعثة بخار، وتنفيذ تحليل معكوس باستخدام نموذج نشر القائمة على الفيزياء لتحديد خصائص النقل من عوامل الحرب الكيميائية الحية بما في ذلك المقطر الخردل (HD) وغاز الأعصاب VX.
Introduction
هي التي تحرك آليات النقل الجماعي المرتبطة تلوث المواد من عوامل الحرب الكيميائية من قبل مجموعة متنوعة من العمليات convolved بما في ذلك التحولات الفيزيائية الدولة، التفاعلات الكيميائية بين أنواع المحمول، واجهات المواد. لتطوير تكنولوجيات فعالة لإزالة التلوث، وإجراءات إزالة التلوث الأمثل، والنماذج التنبؤية، فمن الأهمية بمكان أن عملية التلوث يفهم جيدا، بما في ذلك نقل الملوثات إلى مواد عبر امتصاص وانبعاث الكيميائية لاحق مرة أخرى إلى البيئة. وبالتالي، فمن الضروري أن يتم تطوير المناهج التي يمكن تقييم ملامح تركيز تحت السطحية للأزواج الملوثات المادية بوصفها وظيفة من الظروف البيئية. مقياس متصلة، تم تطوير نموذج قائم على الفيزياء للتنبؤ التوزيع تركيز وكيل استيعابها في ركيزة الملوثة. المشتقة تجريبيا المعلمات النقل الجماعي تمكن من التنبؤ رانه بخار الانبعاثات من المواد الملوثة آخر إزالة التلوث. القدرة على التنبؤ توزيع التركيز في مادة يمكن أن يسهل تقييم المخاطر المحتملة وبخار، بدوره، يمكن تشخيص دقيقة من المخاطر السمية 1. هذا النهج يسمح لتقدير المعلمات الملوثات المادي زوج محددة النقل الجماعي مثل انتشارية والتشبع تركيز هذا بدوره النمذجة تصريح لسيناريوهات وغيرها من الشروط. في هذه الدراسة، فقد تعاملنا تلوث السائل من المرحلة فرقت المذيبات، الطلاء الطلاء البولي يوريثين مع عوامل الحرب الكيميائية مكرر (2-كلوروإيثيل) كبريتيد (الخردل المقطر، وكيل نفطة HD) وسين -ethyl S – [2- (diisopropylamino) إيثيل] methylphosphonothioate (VX)، وهو غاز الأعصاب الفوسفات العضوي.
المنهجية المطورة يميز ملامح الامتزاز الغاز من المواد الملوثة، بما في ذلك عوامل الحرب الكيميائية مثل HD و VX، دونالعديد من القيود التي تعيق البعض نهج 2،3. قياس الطيف الكتلي وقت حل التطور الملوثات من ركائز الملوثة تسمح لنموذج النقل ناشر مع التحليل العكسي لحساب المعلمات النقل الجماعي للالملوثات في المواد، بما في ذلك بيان التركيز لامتصاص الملوثات بدءا من الحدث تخلل الأصلي. مع إنشاء القدرة التنبؤية لترسم ملامح تركيز الملوثات في المواد بوصفها وظيفة من الظروف البيئية تأتي القدرة على تقييم المخاطر السمية وبالتالي تطوير طرق لإزالة التلوث فعال.
في هذه الورقة، يتم عرض التفاصيل المرتبطة إعداد العينات، بما في ذلك العمل مع الملوثات عوامل الحرب الكيميائية، فضلا عن جمع البيانات التجريبية من المواد الملوثة والنمذجة اللاحقة 4. تم إجراء التشغيل التجريبي كما تنازلياribed في الملوثات الكيميائية ومصدر المطهر ثيقة 5 وسوف تناقش في القسم التالي. مخطط التدفق لخطوات إعداد العينات وتحليلها في تضمينها في الشكل 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تحديد المعلمات النقل الجماعي للHD وVX في الرسم عن طريق تحليل معكوس العددي للبيانات الانبعاثات بخار. مع المعلمات المحسوبة، كان من الممكن لثم إنتاج خرائط تركيز الانحدار تعتمد على الوقت لتوزيع الملوثات في طلاء الدهان. أظهرت نتائج التحليل معكوس أن ذوبان HD في الرسم SD كا?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أشكر الدكتور ويس غوردون (ECBC) للحصول على الدعم في تصميم الصك. هذا العمل يمثل النتائج التراكمية من اثنين من برامج البحوث التي تمولها (وكالة الدفاع لتقليص التهديد) اريك وفينشتاين ومايكل روبرتس تحت CA08MSB317 البرنامج. ويمكن الحصول على التقارير الفنية واستشهد هنا في 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).
