Een Inverse Analyse aanpak van de karakterisering van de Chemical Transport in Paints
Summary
In deze paper wordt een procedure voor het kwantificeren van de massa parameters van chemicaliën in verschillende materialen vervoer gepresenteerd. Dit proces omvat het gebruik van een inverse-analyse toplaag model emissieprofielen opgenomen door real-time, massaspectrometrie in hoog vacuüm damp.
Abstract
De mogelijkheid om rechtstreeks te karakteriseren chemisch transport en interacties die plaatsvinden binnen een materiaal (dat wil zeggen, ondergrondse dynamiek) is een essentieel onderdeel in verontreinigingen massatransport en de mogelijkheid om materialen te ontsmetten begrijpen. Als een materiaal wordt vervuild, tijd, het transport van zeer giftige stoffen (zoals chemische strijdmiddelen species) uit het materiaal kan leiden tot blootstelling damp of overdracht naar de huid, wat kan leiden tot percutane blootstelling aan personeel dat interactie met de materiaal. Door de hoge toxiciteit van chemische strijdmiddelen, het vrijkomen van chemische sporen hoeveelheden van groot belang. Mapping ondergrond concentratie distributie en transport eigenschappen van geabsorbeerd agenten stelt gevaren blootstelling worden beoordeeld in niet-geteste omstandigheden. Bovendien kunnen deze instrumenten worden gebruikt om ondergrondse reactie dynamiek karakteriseren om uiteindelijk te ontwerpen verbeterd ontsmettingsmiddelen of decontaminatie procedures. To dit doel te bereiken, werd een inverse analyse massatransport modelmatige benadering ontwikkeld die tijdopgeloste massa spectroscopie metingen van damp uitstoot van verontreinigde verflagen als parameter input voor de berekening van ondergrondse concentratie profielen gebruikt. Details worden verstrekt over de monstervoorbereiding, inbegrip van de verontreinigde en material handling, de toepassing van massaspectrometrie voor de meting van de uitgestoten verontreinigende damp, en de uitvoering van de inverse analyse met behulp van een physics-based diffusiemodel transport eigenschappen van levend chemische strijdmiddelen te bepalen waaronder gedestilleerd mosterd (HD) en het zenuwgas VX.
Introduction
Het massatransport mechanismen van verontreiniging van het door chemische strijdmiddelen worden aangedreven door een verscheidenheid van werkwijzen waaronder geconvolueerde fysische toestand overgangen, chemische interacties tussen mobiele soorten en materialen interfaces. Om effectief decontaminatie technologieën, geoptimaliseerd decontaminatie procedures, en voorspellende modellen te ontwikkelen, is het essentieel dat de verontreiniging proces goed wordt begrepen, waaronder het transport van verontreinigingen in materialen via absorptie en de daaropvolgende chemische emissie terug in het milieu. Bijgevolg is het noodzakelijk dat benaderingen ontwikkeld die ondergrond concentratieprofielen voor verontreiniging-materiaal paren als functie van omgevingscondities kunnen evalueren. Een continu-schaal natuurkundige model ontwikkeld om de concentratie verdeling van geabsorbeerde stof in een vervuilde substraat voorspellen. Experimenteel afgeleid massa parameters transport mogelijk te maken van de voorspelling van thij damp emissie uit de verontreinigde materiaal na ontsmetting. Het vermogen om de concentratieverdeling in een materiaal te voorspellen kan de beoordeling van mogelijke gevaren damp vergemakkelijken en, op zijn beurt mogelijk nauwkeurige diagnose van toxicologische risico 1. Deze aanpak maakt het mogelijk om een schatting van de verontreiniging-materiaal paar parameters massatransport zoals diffusie en verzadiging concentratie die op hun beurt vergunning modellering voor een andere scenario's en voorwaarden. In deze studie hebben we de vloeistoffase verontreiniging van oplosmiddel gedispergeerde polyurethaan verflagen chemische strijdmiddelen bis (2-chloorethyl) sulfide (gedestilleerd mosterd, blaartrekker HD) en O-ethyl S behandeld – [2 (diisopropylamino) ethyl] methylphosphonothioate (VX), een organofosfaat zenuwgas.
De ontwikkelde methodiek kenmerkt gas desorptie profielen van verontreinigde materialen, met inbegrip van chemische strijdmiddelen zoals HD en VX, zonderveel van de beperkingen die andere hinderen benadert 2,3. Tijdsopgeloste massaspectrometrie metingen verontreinigende evolutie van verontreinigde substraten zodat een diffusieve transport model inverse analyse massa transportparameters de berekening van de verontreiniging in het materiaal, met inbegrip van de geabsorbeerde concentratieprofiel voor de verontreiniging vanaf de oorspronkelijke permeatie event. Met de invoering van een voorspellend vermogen voor de afbakening concentratieprofielen van verontreinigingen in materialen als functie van de omgevingscondities is de mogelijkheid om toxicologische risico beoordelen en uiteindelijk routes voor effectieve ontsmetting ontwikkelen.
In deze paper worden de gegevens in verband met de monstervoorbereiding gepresenteerd, waaronder het werken met chemische oorlogsvoering middel contaminanten, maar ook experimentele dataverzameling van verontreinigd materiaal en de daaropvolgende modellen 4. Experimentele proeven werden uitgevoerd als described in de chemische verontreiniging en ontsmettingsmiddel brondocument 5 en zal in de volgende paragraaf worden besproken. Een stroomschema voor de monstervoorbereiding en analyse stappen in opgenomen in figuur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Massatransport parameters voor HD en VX in de verf werden bepaald via de numerieke inverse analyse van damp emissiegegevens. Met berekende parameters, kon men produceert dan tijdsafhankelijke concentratiegradiënt map contaminant verspreiding in de verflaag. De inverse analyseresultaten toonden aan dat de oplosbaarheid van HD in de SD verf hoger dan VX, maar de diffusie ongeveer 5x lager. De resultaten suggereren dat de HD verontreiniging was zeer geconcentreerd aan het oppervlak van de coating, terwijl de VX besmetting…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken dr Wes Gordon (ECBC) voor steun in het instrument ontwerp. Dit werk vertegenwoordigt de cumulatieve resultaten van twee gefinancierd door Eric Lowenstein en Michael Roberts (Defensie Threat Reduction Agency) onder programma CA08MSB317 onderzoeksprogramma's. De hierin genoemde technische rapporten zijn verkrijgbaar op 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).
