Decontaminating Sensitive Equipment of Toxic Industrial Materials

Abstract

Plusieurs tendances globales concomitantes, y compris une croissance agressive dans le secteur agricole, l’industrialisation et l’urbanisation, ainsi que la dégradation des contrôles d’hygiène et de la sécurité à travers les zones de conflit, créent un milieu d’opérations militaires complexe et dangereux. Malgré la reconnaissance de ce problème au sein de la doctrine militaire, l’omniprésence des matières toxiques industrielles pourrait constituer un défi significatif aux mesures de protection de santé des forces déployées ainsi qu’aux procédures actuelles de décontamination d’équipement en raison des risques inattendus. Par exemple, les composants de plusieurs équipements sensibles et ceux des solutions de décontamination sont incompatibles. Donc, l’équipement contaminé pourrait devenir plutôt un risque qu’un atout pour les forces déployées. Présentement, les Forces armées canadiennes ne possèdent aucun système de décontamination convenable aux tels équipements sensibles.

Le but de la présente recherche était une évaluation de l’aptitude d’une cétone fluorée liquide de disponibilité commerciale, soit la FK-5-1-12, à effectuer la décontamination des équipements sensibles opérés par les Forces armées canadiennes à travers l’enlèvement des matières toxiques industrielles communes. L’enlèvement de plusieurs contaminants d’une variété de surfaces sensibles a été évalué lors de ce travail afin de concevoir un ensemble de démonstration technologique pour les Forces armées canadiennes.

Un inventaire des matières toxiques industrielles a été fourni par le commanditaire. Des coupons de matériel pour les essais d’efficacité d’un processus modèle de décontamination ont été obtenus suite à l’analyse des dispositifs sensibles. Un processus modèle de décontamination superficielle à travers l’immersion des coupons dans 10 mL de la cétone fluorée a été quantifié par les analyses instrumentales de neutrons activés des atomes spécifiques.

Des mesures de la pertinence de l’emploi du liquide, y compris ses besoins opérationnels de stockage et de transport ainsi que ses possibles réactions chimiques avec des substances industrielles communes, ont été analysées à travers les méthodes numériques et par les expériences spectroscopiques. La FK-5-1-12 pourrait être employée aux climats chauds, mais ceci exigera une réfrigération constante. Elle semble plus réactive avec les amines qu’avec les alcools, dégageant de la chaleur et de la vapeur une fois en contact avec les amines en particulier, ce qui pourrait nuire à sa pertinence. Par exemple, la décontamination des espèces aminées sans endommager les surfaces sensibles pourrait constituer un défi.

Les quantifications initiales de la décontamination des bas fardeaux de contamination (14 µg·cm-2) organophosphoré ont confirmé l’hypothèse que la cétone fluorée pourrait effectuer la désorption physique superficielle des contaminants. Par exemple, 90 % de la masse initiale de contamination a été enlevé en dedans d’une heure lorsqu’un coupon de polyéthylène était assujetti au processus. Par contre, aux plus hauts fardeaux de cinq et dix fois de plus de densité de contamination, cette action de désorption n’était pas permanente. Donc, dans le but de confirmer l’hypothèse que la cétone fluorée pourrait au minimum déplacer les espèces de contamination, la procédure a été modifiée pour accommoder une étape de séparation en parallèle. La récupération de contamination arsénique dans les médias de séparation (le charbon activé et la cellulose) a confirmé cette dernière hypothèse et a motivé l’optimisation du processus. Par exemple, l’augmentation du débit de la cétone, même dans un régime d’écoulement laminaire, a transféré plus de masse de contamination (> 90 %) et celle-ci, plus rapidement que lorsque la cétone était en repos. Les coupons en Nylon-6,6 n’ont pas été décontaminés aussi rapidement que les coupons en polymères non-tissés, ce qui s’explique par l’affinité supérieure de Nylon aux contaminants.

La compatibilité du processus aux dispositifs représentatifs de l’équipement sensible, y compris les ordinateurs portatifs et les monocles à vision nocturne, a été essayée lors de 17 essais opérationnels. Les ordinateurs portatifs ont subi des essais de stress par logiciel, tandis que les monocles ont été essayés par la spéctrométrie. Une panne transitoire, soit l’incapacité de transmission des données par laser lors de l’immersion, a été observée. Exceptionnellement, il y avait une perte permanente de 3 % du volume d’un disque dur qui s’est produit après un deuxième essai d’immersion. Il n’y avait ni d’autres résultats inattendus, ni d’autres pannes transitoires ou permanentes au bilan des essais.

La FK-5-1-12 est capable de décontaminer rapidement les superficies des matériaux électroniques. Pourtant, elle ne répond pas à l’ensemble des besoins opérationnels probables d’un système de décontamination sensible en raison de son point d’ébullition bas et de sa réactivité avec les amines. Néanmoins, les résultats communiqués dans le présent travail pourraient contribuer à l’acquisition d’un système déployable qui convient à la décontamination de l’équipement sensible.

The trends of aggressive agricultural growth, industrialisation, and urbanisation, combined with degraded industrial hygiene and security in conflict zones, are changing the environment of military operations. This fact is readily acknowledged in military tactical doctrine. The widespread presence of toxic industrial materials in theatres of operation poses risks to deployed personnel. To mitigate risks to personnel, there are established decontamination processes that remove or transform toxic materials, but these processes tend to damage so-called ‘sensitive’ equipment. When sensitive equipment is contaminated, it therefore becomes a liability. The Canadian Armed Forces lack a decontamination process for sensitive equipment that is both effective at reducing exposure risk for personnel and maintains the equipment’s longevity.

The goal of this project was to evaluate the suitability of a commercially available liquid perfluorinated ketone—FK-5-1-12—originally marketed for fire suppression and designed to be minimally deleterious to human and environmental health, to decontaminate sensitive equipment of a range of toxic industrial materials likely to be encountered on deployed Canadian Armed Forces operations.

An inventory of toxic industrial materials was provided by the project sponsor and the toxic materials of greatest concern were identified. Likewise, the properties of sensitive materials and equipment were analysed and suitable challenge contaminants and material coupons for testing were procured. A bench-scale physical decontamination process was designed in which contaminated coupons were immersed in the liquid. The effectiveness of this treatment process was evaluated using neutron-activation analytical techniques for trace contamination.

Measures of suitability of the liquid as a decontaminant, including its operating requirements in hot climates, and the possibility of its reacting with common industrial chemicals, were analysed by numerical methods and by spectroscopic experiments. FK-5-1-12 may be used in hot climates, but would require persistent refrigeration to ensure its availability. It was found to react with both alcohols and amines, but more rapidly with the latter. This behaviour could prejudice its suitability in decontaminating substances with amine functions from sensitive surfaces since such surfaces could be damaged by the resulting evolution of heat and vapour.

Initial determinations of decontamination effectiveness at low contaminant loadings (14 µg·cm-2) confirmed that the perfluorinated ketone decontaminated surfaces by removing one order of magnitude of organophosphorus contaminant mass from a polyethylene coupon within one hour of treatment. However, at five- and ten-fold higher mass loadings, contaminant was not permanently removed. To test the hypothesis that contaminants tended to be displaced by the perfluorinated ketone, subsequent trials included a parallel separation process. Recovery of arsenical contaminant in cellulose and activated carbon sorptive media within the bounds of uncertainty supported this hypothesis and motivated further process optimisation. Consistent with theories of mass transfer, it was found that applying flow to the liquid, even in a laminar régime, resulted in even higher (> 90 %) rates of removal at time-scales of minutes, which are operationally relevant. Woven Nylon-6,6 substrate material was not as extensively decontaminated as non-woven polymer substrates, likely because of its relatively higher affinity for contaminants.

Devices representative of sensitive equipment used on operations—including laptop computers and night optics—were obtained for operational trials of the decontamination procedure to assess its suitability for treating full-scale equipment. Laptop computers were subjected to software-based stress tests and night optics to spectrometry. In one instance, a laptop hard-disk drive recorded a permanent 3 % loss of volume following its second immersion in the liquid. Some laptops reduced their performance when immersed, but reverted to normal operation afterwards. However, apart from these two failures, the equipment tested appeared to tolerate temporary immersion in the liquid, even when powered-on.

FK-5-1-12 is capable of rapid surface decontamination of typical electronics materials. However, it is not an ideal decontaminant with respect to all the likely requirements of a sensitive equipment decontamination system because of its low boiling point and chemical reactivity, particularly with amines. Nonetheless, it is hoped that the results of this thesis may inform the future procurement of a deployable sensitive equipment decontamination capability.