Vapor phase transport of explosive related compounds through unsaturated sandy soils

Abstract

Chemical detection of buried explosives devices through chemical sensing is influenced by factors affecting the transport of chemical components associated with the devices. Explosive-related chemicals (ERCs), such as 2,4-Dinitrotoluene (DNT) and 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT), are somewhat volatile and their overall transport is influenced by vapor-phase diffusion. Gaseous diffusion depends on environmental and soil conditions. The significance of this mechanism is greater for unsaturated soil, and increases as water content decreases. Other mechanisms, such as sorption, which affect the overall fate and transport, may be more significant under diffusion transport due to the higher residence time of ERCs in the soil system. Vapor transport in soil of DNT and TNT was analyzed using one-dimensional physical model (1-D column). Experiments were conducted at different soil water contents and temperatures. Variation of the vapor phase concentrations were analyzed spatially and temporally. Vapor samples were obtained from the columns using Solid Phase Microextraction (SPME) and analyzed using Gas Chromatography. In addition, soil samples were extracted and analyzed using High Performance Liquid Chromatography. Measured data was modeled using the HYDRUS 1-D code, in order to determine the most important transport parameters affecting the vapor transport. Results suggest that DNT and TNT overall vapor transport is influenced by diffusive and retention processes, water content, source characteristics, and temperature. Vapor concentrations of DNT and TNT at a given temperature tend to increase with increasing water contents at very dry conditions (θw < 8%), reach a maximum value, and decrease with further increase in water contents at the higher water content regime. Higher temperatures induced higher vapor concentrations, principally, due to increments of the explosive source volatilization. Vapor sorption was more dominant at low water contents (< 1%) and decreases several orders of magnitude (3) with increments in water contents. This sorption process was rate-limited. Vapor fluxes were higher near the explosive source than further away. Results suggest that the main parameter affecting the vapor transport is the soil water content and temperature.

La detección química con censores para encontrar dispositivos explosivos enterrados, es influenciada por factores que afectan el transporte de los componentes químicos asociados con los dispositivos. Los compuestos químicos relacionados con explosivos, como lo son el 2,4-Dinitrotolueno (DNT) y el 2,4,6-Trinitrotolueno (TNT), son un poco volátiles y el transporte general es influenciado por la difusión en la fase de vapor. La difusión gaseosa depende de factores tales como condiciones ambientales y propiedades de los suelos. La importancia de estos mecanismos es mayor en los suelos no saturados e incrementa a medida que el contenido de agua disminuye. Otros mecanismos, como la adsorción, los cuales afectan el destino y transporte general de los contaminantes, pueden ser más significativos bajo el transporte difusivo debido al mayor tiempo de residencia de los químicos explosivos en el suelo. El transporte de vapores de DNT y TNT en suelos fue analizado utilizando un modelo físico de una dimensión (columna de 1-D). Los experimentos fueron realizados a diferentes contenidos de humedad y temperaturas. Las variaciones de las concentraciones en la fase de vapor fueron analizadas espacialmente y temporalmente. Muestras de vapor fueron obtenidas de las columnas utilizando Microextracción en la Fase Sólida y analizada utilizando Cromatografía de Gases. En adición, muestras de suelo fueron extraídas y analizadas utilizando Cromatografía de Líquidos de Alto Desempeño. La data medida fue modelada utilizando el código HYDRUS 1-D, para así poder determinar los parámetros de transporte más importantes que afectan el transporte de vapores. Los resultados sugieren que el transporte general de DNT y TNT es influenciado por procesos difusivos y de retención, contenidos de humedad, características de la fuente, y por la temperatura. Las concentraciones de vapor de DNT y TNT a una temperatura dada y bajo condiciones del suelo extremadamente secas (θw < 8%), tuvieron la tendencia a incrementar con aumentos en el contenido de humedad del suelo. Una vez las concentraciones de vapor alcanzan un máximo estas comienzan a disminuir a medida que el contenido de humedad del suelo continua incrementado. Altas temperaturas indujeron mayores concentraciones de vapores, principalmente, debido a los incrementos en la volatilización de la fuente de explosivo. Mientras tanto, la adsorción de vapores fue dominante a contenidos de humedad bajos (< 1%) y decreció algunas ordenes de magnitud (3) con incrementos en el contenido de humedad. Estos procesos de adsorción ocurrieron a una razón limitada. Los flujos másicos fueron mayores cerca de la fuente de explosivo (la mina) en comparación con los flujos medidos distante de la fuente. Los resultados sugieren que el parámetro principal que más afecta el transporte de vapores es el contenido de humedad de los suelos y la temperatura.