طول عمر ژئوممبران ها

تاریخ انتشار: 09/06/1400
نویسنده مدیر سایت
دسته بندی: مقالات

پیشبینی طول عمر ژئوممبران ها:

محل های تجمیع زباله های شهری موظفند از نشت آلودگی و شیرآبه زباله ها به داخل زمین جلوگیری به عمل بیاورند و به همین دلیل از ورق های ژئوممبران استفاده می کنند که کاملا نفوذ ناپذیر هستند. بالا رفتن دما در مجاورت ژئوممبران ها می تواند باعث کاهش طول عمر آنها شود. پایش لندفیل ها یا همان مخازن ذخیره زباله و پسماند نشان می دهد در اثر واکنش های تجزیه شدن پسماند ها مقدار قابل توجهی گرما تولید می شود. مقدار افزایش دما در مراکز فرآیند پسماند به دو عامل بستگی دارد. اول مقدار پسماند هست.

هرچه مقدار پسماند بیشتر باشد طبیعتا گرمای بیشتری تولید می گردد. عامل دوم نوع پسماند و مکانیزم تجزیه آن هست. در برخی از موارد دما لند فیل ها می تواند تا 30-40 درجه سانتی گراد بالا رود. در برخی موارد خاص برای پسماند های شیمیایی خاص تا دما های نزدیک 80 درجه سانتی گراد نیز گزارش شده است.

با افزایش علاقه به تولید انرژی از زباله ها، مراکز دفن و تجمیع زباله ها نیز بیشتر شده اند. این مراکز عموما با استفاده از ژئوممبران ها آب بندی می شوند تا از ورود شیرآبه به داخل زمین جلوگیری شود. فرآیند زیست تخریب پذیری مهمترین عامل تولید گرما در این مراکز هست.

بدون هیچ اغراقی، یکی از بیشترین سوال هایی که همواره پرسیده میشود این است که طول عمر یک ژئومبران چقدر هست؟ برای جواب دادن به این سوال باید ابتدا بررسی شود که آیا ژئوممبران در مدت زمان مناسب و استاندارد پوشانده شود و یا اینکه در پوشانده نشود و در معرض نور و شرایط محیطی قرار بگیرد.

در هر صورت، قبل از پاسخ دادن به این پرسش باید توجه شود که پیش بینی طول عمر یک ژئو ممبران چه در حالت پوشیده یا غیر پوشیده کار آسانی نیست. یکی از عواملی که پیش بینی طول عمر آنها را حتی پیچیده تر میکند تفاوت در فورمولاسیون های تولید کننده های مختلف و استفاده از مواد اولیه از منابع متفاوت هست. هر ژئو ممبارن بطور کلی حداقل از 4 جز تشکیل شده است:

پلیمری که نام ژئوممبران از آن گرفته شده است (پلی اتیلن، پی وی سی و …)
کربن بلک و یا پیگمنت ها
استابلایزر یا پایدار کننده ای فرآیند
آنتی اکسیدان ها

تغییرات حتی کوچک در فورمولاسیون می تواند تاثیرات زیادی بر روی طول عمر داشته باشد. جدول زیر انواع متداول ژئوممبران ها و فورمولاسیون تقریبی آنها را نشان می دهد.

Additives	Carbon Black	Fillers	Plasticizers	Resin	Type
0.25-1	2-3	0	0	95-98	HDPE
0.25-3	2-3	0	0	94-96	LLDPE
0.25-2	2-4	0-13	0	85-98	fPP
2-5	2-5	0-10	25-35	50-70	PVC
5-15	5-10	40-50	0	40-60	CSPE
1-5	20-40	20-40	0	25-30	EPDM

HDPE: High Density Polyethylene

LLDPE: Linear Low Density Polyethylene

fPP: Flexible Polypropylene

PVC: Polyvinyl Chlordie (Plastisized)

CSPE: Chlorosulfonated Polyethylene

EPDM: Ethylene Propylene Diene Monomer

علاوه بر نکات فوق، مکانیزم تخریب پذیری ژئوممبران ها متفاوت هست که بطور کلی عبارتند از:

نور UV خورشید: این مکانیزم زمانی اتفاق میافتد که ژئوممبران ها به هر دلیلی به مدت در معرض نور خورشید قرار بگیرند.
اکسیداسیون: تقریبا در همه پلیمر ها اتفاق می افتد اما در پلی الفین ها مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن بیشتر اتفاق می افتد و بسیار متداول هست
اوزون: این تخریب نیز تقریبا در تمام انواع ژئوممبران ها مشترک هست و به مکان جغرافیایی که ژئوممبران در آن نصب میشود و میزان اوزون در آن ناحیه بستگی دارد.
هیدرولیز: این مکانیزم عمدتا برای پلی استر ها و پلی آمید های هست و بر روی پلی الفین ها تاثیر ندارد.
تخریب شیمیایی: در مورد همه انواع ژئوممبارن های می تواند اتفاق بیافتد و می تواند تاثیرات کم یا زیادی داشته باشد. بعنوان مثال آب تاثیر کمی بر کاهش طول عمر ژئو ممبران ها دارد اما حلال های آلی تاثیرات مخرب بسیار زیادی می توانند داشته باشند.
رادیواکتیویته: این نوع تخریب چندان متداول نیست و تنها در صورتی باید در نظر گرفته شود که از ژئوممبران ها در ساخت نیروگاه های اتمی، ساختمان های ذخیره مواد رادیواکتیو، آزمایشگاه های اتمی و … استفاده شود.
بیولوژیک: این فرآیند عمدتا بر روی پلیمر ها تاثیر چندانی ندارد مگر اینکه حجم بالایی از پلاستی سایزر ها یا نرم کننده های با وزن مولکولی پایین استفاده شده باشد.
دما: همانطور که واضح هست دما نقش موثری در تسریع و یا کاهش تخریب ژئو ممببران ها دارد. افزایش دما می تواند باعث تسریع هر یک از هفت فرآیند فوق شود.

تاثیر حرارت بر ژئوممبران پلی اتیلن (HDPE)

در این بخش به تاثیرات دمای بالا بر کارکرد ژئوممبران های پلی اتیلنی می پردازیم. ژئوممبران های پلی اتیلن علی الخصوص پلی اتیلن سنگین از محبوب ترین نوع ژئوممبران برای احداث و ساخت مراکز دفن زباله هستند. تولید کنندگان ژئوممبران های پلی اتیلن معمولا دمای مداوم بالاتر از 57 درجه سانتی گراد را برای ژئوممبران پلی اتیلن سنگین و بالا تر از 46 درجه سانتی گراد را برای پلی اتیلن خطی دانسیته پایین توصیه نمی کنند.

دما های بالا می توانند باعث از بین رفتن آنتی اکسیدان استفاده شده در پلیمر های ژئوممبران شود که در نتیجه باعث اکسید شده زنجیره های پلیمری می شود. با اکسید شدن این زنجیره ها، بافت ژئوممبران سست میشود و مقاومت آن در برابر پدیده استرس کرکینگ پایین می آید. به همین دلیل مجاورت ژئوممبران در دماهای بالا باعث افت و کاهش طول عمر آنها می گردد.

ژئوممبران های HDPE بر اساس درصد وزنی تقریبا از 96-97 درصد پلی اتیلن، 2-3 درصد کربن بلک و زیر 1درصد آنتی اکسیدان تشکیل شده اند. آنتی اکسیدان ها برای جلوگیری از اکسید و تخریب شدن زنجیره های پلیمری حین تولید و همچنین حین استفاده به ژئوممبارن ها اضافه می شوند. بعنوان مثال جدول زیر طول عمر پیش بینی شده ژئوممبران های پلی اتیلن را بر حسب کاهش 50% در مقدار مقاومت کششی آنها در دما های مختلف نشان می دهد:

دما (درجه سانتی گراد)	طول عمر (سال)
20	565-900
30	205-315
35	130-190
40	80-120
50	35-50
60	15-20

از بین رفتن ژئو ممبران ها شامل سه مرحله کلی می باشد. مرحله اول یا “الف” شامل از بین رفتن آنتی اکسیدان موجود در ژئوممبران هست. در مرحله “ب” بعد از نابود شدن آنتی اکسیدان دامنه تخریب به زنجیره های پلیمری ژئوممبران سرایت می کند. در مرحله سوم یا “پ” تخریب زنجیره ها به حدی زیاد میشود که ژئوممبران بطور کلی با افت خواص مواجه می گردد و طول عمرآن کاهش پیدا می کند.

پیش بینی طول عمر ژئوممبران ها در شرایط پوشانده:

تمرکز تا کنون بیشتر بر ژئوممبران های HDPE بوده که در لندفیل ها برای نگهداری از ضایعات و زباله ها ساتفاده میشود. بدین منظور قطعاتی با سایز های معلوم و مشخص در شرایط لند فیل ها داخل محفظه هایی قرار داده شد که در دماهای 85، 75، 65 و 55 درجه سانتی گراد قرار گرفتند. علاوه بر دما، قطعات مورد مطالعه در مجاورت شیرآبه مشابه لند فیل و همچنین فشار مشابه قرار گرفتند. سه مرحله متفاوت برای طول عمر ژئوممبران ها می توان در نظر گرفت:

مرحله الف: آغاز از بین رفتن آنتی اکسیدان
مرحله ب: ابتدای زمان تخریب ژئوممبران
مرحله پ: مدت زمان تا تخریب نصف ژئومممبران

مرحله الف: از بین رفتن آنتی اکسیدان

آنتی اکسیدان ها به دو دلیل در پلیمر ها استفاده میشوند: ا- جلوگیری از اکسید شدن پلیمر ها تحت حرارت حین تولید 2- جلوگیری از اکسیداسیون مزمن آنها در حین طول عمر محصول. همانطور که مشخص هست مقدار آنتی اکسیدان ها در ژئو ممبارن ها مشخص و محدود هست و بعد از از بین رفتن آنها، اکسیژن جذب شده در داخل بافت پلیمر به مرور شروع به اکسید کردن زنجیره های پلیمری می کنند. طول زمان از بین رفتن آنتی اکسیدان بسته مقدار استفاده شده و نوع آن دارد.

از بین رفتن آنتی اکسیدان ناشی از دو عامل هست. اول واکنش با اکشیژن و عوامل اکسید کننده محیطی (نقش اصلی آنها). دوم حذف آنها از ژئوممبران بصورت فیزیکی.

در نوع اول آنتی اکسیدان با عامل اکسید کننده وارد واکنش میشود و اکسید میشود. این عمل در حقیقت کارکرد طبیعی آنتی اکسیدان ها هست تا با اکسید شدن خود از اکسید شدن پلیمر ها جلوگیری کنند.

در مکانیزم دوم، بسته به نوع آنتی اکسیدان ها می توان بعنوان مثال به تبخیر سطحی آنها از داخل بافت پلیمر اشاره کرد.

بنابراین سرعت از بین رفتن آنتی اکسیدان ها به عواملی همچون نوع آنتی اکسیدان، مقدار آن، دمای و شرایط محیطی که ژئوممبران در آن قرار می گیرد بستگی دارد.

مرحله ب: ابتدای شروع زمان تخریب ژئوممبران

در پلی الفین های بدون کربن بلک و آنتی اکسیدان، فرآیند اکسیداسیون در ابتدا بسیار آهسته و حتی غیر قابل اندازه گیری هست. ولی نهایتا این فرآیند با گذر زمان سرعت گرفته و سریعتر انجام میشود. نهایتا با اکسید شدن بخش عمده پلیمر این از سرعت این فرآیند کاسته میشود. شکل زیر بطور شماتیک سرعت گرفتن و آهسته شدن فرآیند اکسیداسون را در طی زمان نشان می دهد که بصورت نمودار اس شکل می باشد.

استفاده از آنتی اکسیدان هاباعث به تاخیر افتادن فرآیند اکسیداسیون پلیمر ها میشود. نحوه عملکرد آنتی اکسیدان ها بدین صورت هست که این مولکول ها سریعتر از زنجیره های پلیمری باعامل اکسنده واکنش می دهند. همین امر باعث به تاخیر افتادن اکسیداسیون پلیمر میشود و بسته به نوع و مقدار مورد استفاده پلیمر ها در برابر اکسید شدن محافظت میشوند. شکل زیر این فرآیند را بخوبی نشان می دهد. جدول زیر طول عمر تقریبی ژئوممبران پلی اتیلن را در دما های مختلف نشان می دهد. همانطور که مشهود است دما تاثیر زیادی بر تسریع کاهش طول عمر آنها دارد.

Total Prediction (Years)	Stage “C” (Years)	Stage “B” (Years)	Stage “A” (Years)			In Service Temperature °C
Total Prediction (Years)	Stage “C” (Years)	Stage “B” (Years)	Average OIT	High Pressure OIT	Standard OIT	In Service Temperature °C
446	208	30	208	215	200	20
265	100	25	140	144	135	25
166	49	20	97	98	95	30
106	25	15	66	67	65	35
69	13	10	46	47	45	40

مرحله پ: مدت زمان تخریب 50% پلیمر

با گذشت زمان، مولکول های بیشتر و بیشتری از مواد اکسیدکننده در پلیمر ایجاد میشود تا جایی که غلظت این مواد در بافت پلیمر به یک حد ماکزیمم (بحرانی) میرسد. در این مرحله اکسیداسون زنجیره های پلیمر ها شدت پیدا می کند و واکنش ها تخریبی بصورت زنجیروار تا جایی که تقریبا 50% بافت پلیمر ازبین رفته باشد پیش می روند. با پیشرفت واکنش اکسیداسیون، خواص پلیمر های سازنده ژئوممبران تغییر می کند. از مهمترین آنها شاخص مذاب، مقاومت کششی و ازدیاد طول هست. البته باید توجه داشت که حتی در این مرحله هم ژئوممبران ها بطور کامل از بین نمی روند و همچنان در محل نصب خواهند بود. تنها خواص فیزیکی و مکانیکی آنها نسبت به قبل دچار افت میشود.

طول عمر دیگر ژئوممبران ها:

بطور کلی بیشتر مطالعات طول عمر بر روی ژئوممبران های HDPE یا پلی اتیلن سنگین بوده اند.

پلی اتیلن سبک خطی (LLDPE): این نوع پلی اتیلن از لحاظ فورمولاسیون بسیار شبیه پلی اتیلن سنگین هست با این تفاوت کریستالیته و دانسیته آن نسبت به پلی اتیلن سنگین پایین تر هست. به عبارت دیگر فضای خالی مابین زنجیره ها در پلی اتیلن سبک بیشتر از سنگین هست و همین امر موجب میشود تا نفوذ اکسیژن و نهایتا اکسیداسیون در آنها سریعتر اتفاق بیافتد. میزان دقیق و مشخصی از این کاهش طول عمر در دست نیست اما یقینا در شرایط مشابه طول عمر ژئوممبران LLDPE کمتر از HDPE خواهد بود.

در ژئوممبران های پی وی سی نیز پدیده ای بنام مهاجرت نرم کننده ها و یا همان Plasticizer ها را داریم. از آنجایی که پی وی سی ها ذاتا نرم و انعطاف پذیر نیستند باید از مقادیر قابل توجهی نرم کننده استفاده شود. این نرم کننده ها در داخل بافت پی وی سی به زنجیره های پلیمر متصل می گردند و نسبت به نوع و مقدار آن پیوند هایی را با پلیمر ایجاد می کنند. این پیوند ها می توانند ضعیف یا قوی باشند. بطور کلی هرچه جرم مولکولی نرم کننده ها بیشتر باشد، طول عمر آنها بیشتر خواهد بود. نرم کننده ها با جرم های مولکولی پایین تر به مرور زمان از داخل بافت پلیمر به سطح مهاجرت می کنند و باعث کاهش انعطاف پذیری ژئوممبران می گردند.

طول عمر ژئوممبران ها در شرایط نپوشیده:

طول عمر ژئوممبران ها در شرایط نپوشیده از دو جنبه قابل بررسی هست. جنبه اول استفاده از داده های و بازخورد های میدانی و جنبه دوم از داده های آزمایشگاهی

داده های میدانی مربوط به طول عمر ژئوممبران ها عمدتا از دو منبع مختلف می آیند. منبع اول سد های ساخته شد در اروپا و منبع دوم سقف های صاف در آمریکا.

در خصوص ژئوممبران های مورد استفاده در سد های اروپا، این ممبران ها از جنس پلی ایزوبوتیلن به ضخامت 2 میلی متر بودند و مستقیما به بدنه سد چسبانده شده بودند. همین امر مشکلات بسیار یادی را بوجود آورد. تجربه مشابهی نیز در خصوص استفاده از ژئوممبران های پی وی سی نیز وجود دارد.

در خصوص داده های شبیه سازی شده در آزمایشگاه ها، آزمایش های تسریع شده با شرایط نور UV، رطوبت بالا و دمای نسیبتا بالا طراحی میشود. در این آزمایشها بدترین شرایط را در نظر می گیرند و طول عمر ژئوممبران ها بر اساس آن سنجیده میشود. در این آزمایش ها همچنین ماکزیمم تابش نور خورشید مشابه آنچه در ظهر رخ میدهد را در نظر می گیرند. به منظور این آزمایش ها می توان از نور زنون و یافلورسنت UV استفاده نمود. در جدول زیر بعنوان مثال ژئوممبران هایی که تحت شرایط تخریبی در محفظه نگهداری شده بودند آمده است. همچنین تاثیر شرایط آزمایش بر آنها در بخش کامنت ها مشخص است:

Comment	Xenon Exposure	UV Fluorescent Exposure	Thickness (mm)	Geomembrane Type
Basis of GRI-GM 13 Spec.	6600 hrs	8000 hrs	1.5	HDPE (GM13)
Basis of GRI-GM 17 Spec.	6600	8000	1	LLDPE (GM17)
Low mol. weight plasticizer	6600	8000	0.75	PVC (No. Amer.)
High mol. weight plasticizer	6600	7500	2.5	PVC (Europe)
Field failure at 26 mos.	4416	2745	1	fPP (BuRec)
Field failure at 8 years	100	100	0.91	fPP-R (Texas)
Expected good performance	6600	7500	1.	fPP (No. Amer.)