دانلود رایگان ترجمه مقاله تخلیه آنتی اکسیدان از ژئوممبران پلی اتیلن با تراكم بالا (نشریه ASCE 2010)

تخلیه آنتی اکسیدان از ژئومبران پلی اتیلن با تراكم بالا تحت شرایط شبیه سازی شده محل دفن زباله

Antioxidant Depletion from a High Density Polyethylene Geomembrane under Simulated Landfill Conditions

چکیده
مقدمه
بررسي آزمايشي
GLLS
لاينر تركيبي شبيه سازي شده
شیرابه مصنوعی
روش هاي آزمون
نتایج و بحث
آزمايش STD-OIT در مقابل آزمايش HP-OIT در سنجش تخلیه آنتی اکسیدان
تغييرات فضايي OIT در آزمايش GLLS
تخليه آنتي اكسيدان در دماهاي بالا برده شده
مقايسه تخليه OIT بين GLLS، غوطه وري شيرابه و ديگر آزمايشات لاينر تركيبي در نوشته ها
مدل سازی Arrhenius از نرخ تخلیه آنتی اکسیدان و پیش بینی زمان تخلیه آنتی اکسیدان
نتایج در مورد خواص تبلور ، MI و کششی
نتايج
تشکر و قدردانی

چکیده
آزمون هاي پیری تسریع شده به منظور بررسی آنتی اکسیدان ها از ژئوممبران پلی اتیلن با تراكم بالا توصیف شده اند. اثرات دما، فشار بالا، و گردش مداوم شیرابه در پیری ژئوممبران ها در سیستم های لاینر کامپوزیت بررسی می شوند. نرخ تخلیه آنتی اکسیدان (به ترتیب ۰٫۰۵ ، ۰٫۱۹ و ۰٫۴۱ ۱ در ۵۵، ۷۰ ، و ۸۵ ° C) به دست آمده برای لاينر شبیه سازی شده محل دفن زباله در ۲۵۰ کیلو پاسکال فشار عمودی به طور مداوم کمتر از مقدار به دست آمده از آزمون غوطه وری شیرابه سنتی در همان ژئوممبران است ( ۰٫۱۲ ، ۰٫۳۹ ، و ۱٫۱ ماه ، ۱ در ۵۵، ۷۰ ، و ۸۵ ° C). این اختلاف منجر به افزایش قابل توجهی در زمان تخليه آنتی اکسیدان در دمای لاينر محل دفن زباله معمولی (۳۵ ° C) با ۴۰ سال پیش بینی شده بر اساس داده ها از آزمون های شبیه ساز لاينر محل دفن زباله، در مقایسه با ۱۵ سال پیش بینی شده برای ژئوممبرین مشابه بر اساس آزمون غوطه وری شیرابه مي شود. در این آزمایشات، تبلور و کشش نشاندهنده كرنش افزايش يافته ژئوممبران در مراحل اولیه از پیری بود و پس از آن در طول دوره آزمایش نسبتا ثابت باقی ماند. هیچ تغییر قابل توجهی در خواص ژئوممبران در دوره آزمایش وجود نداشت.
۱- مقدمه
يك سیستم پایه لاينر دفن زباله های مدرن جامد شهری (MSW) معمولي، از بالا به پایین، شامل: لایه شیرابه زهکشی / جمع آوری، لایه محافظ ژئوتکستایل بافته نشده سوزن-پانچ شده (GT) و لاينر کامپوزیت ژئوسنتتیک، به طور معمول شامل ژئوممبران با ضخامت ۱٫۵ یا ۲٫۰ میلی متر و یا لاينر رسی ژئوسنتتیک (GCL) و یا لاينر فشرده خاک رس و یا هر دو مي شود. به علت مقاومت عالی آنها در برابر جریان افقی و مهاجرت پخش كننده آلاینده های غیر آلی، geomembranes پلی اتیلن با تراكم بالا (HDPE) به طور گسترده به عنوان بخشی از لاينر کامپوزیت در محل های دفن زباله مدرن استفاده می شوند. (Rowe et al. 2004; Rowe et al. 2007; Bouazza et al. 2008; Brachman and Gudina 2008a,b; Saidi et al. 2008; Rowe et al. 2009). اگر چه، عملکرد طولانی مدت لاينر ژئوممبران تحت شرایط ميداني مشخص نیست، طول عمر بالقوه آلوده محل های دفن زباله به احتمال زیاد به اندازه قرن ها خواهد بود (Rowe et al. 2004). ژئوممبران بايد به طور دقيق به عنوان يك مانع انتشاري و هيدروليك موثر در سراسر طول عمر بالقوه آلوده كننده محل دفن زباله تشكيل شود. برخي بررسي هاي ميداني (Schmidt et al. 1984; Brady et al. 1994; Rollin et al. 1994; Maisonneuve et al. 1997; Rowe et al. 2003)، شواهدي را فراهم نموده اند كه ژئوممبران HDPE مي تواند پيري يا تنزل را گذشت زمان تجربه نمايد.
ژئو ممبران هاي HDPE مي توانند به علت اکسیداسیون، استخراج، تخریب اشعه ماوراء بنفش، و تخریب حرارتی، دستخوش تخريب قرار گيرند. در این میان، اکسیداسیون پلیمر به عنوان مهم ترین مکانیسم تخریب در نظر گرفته مي شود. (Hsuan and Koerner 1995). با پیشرفت اکسیداسیون، خواص فیزیکی و مکانیکی ژئوممبران کاهش مي يابد كه در نهایت منجر به خرابي ژئوممبران مي شود. به منظور محدود کردن اکسیداسیون پلی اتیلن، تثبیت کننده های مناسب (آنتی اکسیدان ها) به رزین های مورد استفاده برای تولید ژئوممبرین اضافه مي شوند. رایج ترین انواع آنتی اکسیدان هاي اضافه شده بهgeomembranes HDPE همراه با محدوده درجه حرارت موثر آنها توسط Fay‌ و King 1994وand Hsuan and Koerner 1998و توصيف شده اند. Viebke et al(1994) Hsuan and Koerner 1998، تنزل اكسيداتيو را به صورت فرآيندي سه مرحله اي توصيف نموده اند. مرحله I شامل تخلیه آنتی اکسیدان ها مي شود که توسط واکنش های شیمیایی از آنتی اکسیدان ها با اکسیژن، رادیکال های آزاد و یا از دست دادن هیدروپروکساید و / افت یا فیزیکی توسط نفوذ، تبخیر، استخراج، و یا شستشو ايجاد مي شود (Gedde et al. 1994; Hsuan and Koerner 1998; Haider and Karlsson 2002; Sangam and Rowe 2002; Dopico Garcia et al. 2004). در مدت مرحله ۱، خواص مهندسی ژئوممبران به میزان قابل توجهی تغییر نمی کند. مرحله II، زمان القاء تا شروع تخریب است و پس از اينكه آنتی اکسیدان ها تخلیه مي شوند شروع می شود. پایان مرحله II مربوط به زمانی است که اکسیداسیون باعث اولین تغییر قابل اندازه گیری در ژئوممبران می شود. در مرحله III، اکسیداسیون باعث تغییرات قابل ملاحظه ای در خواص فیزیکی و مکانیکی مي شود که در نهایت به خرابي ژئوممبران منجر خواهد شد. خرابي در این زمینه به کاهش در ويژگي هاي مهندسی (به عنوان مثال، مقاومت در برابر لاينرس، ترک، تنش شکست کششی، و کرنش شکست کششی) به یک مقدار مشخص اشاره مي كند. مقدار تعریف كننده پایان مرحله III تا حدودی ذهنی است و تعاریف مختلف انتخاب من را بسته به شرایط مهندسي مي كند. دو مقدار بیشتر مورد استفاده شده متناظر با ۵۰ درصد از مقدار اولیه و یا مقدار مشخص شده است (دومی برای محصولاتي منصفانه تر است که مقدار اولیه آنها، مانند مقاومت در برابر تنش-ترک به طور قابل توجهی بیش از حداقل مقدار مشخص شده است). عمر خدمات ژئوممبران HDPE به عنوان مجموع مدت زمان سه مرحله بالا در نظر گرفته مي شود.
به علت زمان طولانی مورد نیاز برای به دست آوردن نتایج از شرایط واقعی، آزمایشگاه، تست پیری برای ارزیابی اجزای عمر ژئوممبران را تسريع نمود. اغلب به طور معمول، آزمایشات غوطه وری برای ارزیابی تخليه آنتی اکسیدان (مرحله I) برای geomembranes HDPE استفاده مي شود. (به عنوان مثال Hsuan and Koerner 1998; Sangam and Rowe 2002; Muller and Jacob 2003; Gulec et al. 2004; Rimal et al. 2004; Jeon et al. 2008; Rowe and Rimal 2008b; Rowe et al. 2008; Rimal and Rowe 2009a,b را ببينيد). آزمايشات غوطه وری توسط پرورش ژئوممبرین در محیط های مورد علاقه، به عنوان مثال، هوا، آب، شیرابه، زهکشی معدن اسید، و یا سوخت جت انجام مي شود. انتظار می رود زمان پیش بینی شده تخليه آنتی اکسیدان از آزمون غوطه وری زمان تخليه واقعی نسبت به اکثر برنامه های کاربردی ميداني دست کم گرفته شود، زيرا هر دو طرف ژئوممبران در معرض شیرابه قرار مي گيرند. زمان تخليه آنتی اکسیدان واقعی به احتمال زیاد در محل های دفن زباله طويل تر خواهد بود، به این دلیل، در مناطقي که در آن هیچ چاله اي در ژئوممبران وجود دارد، تنها یک طرف از ژئوممبران در معرض شیرابه محل دفن زباله قرار خواهد گرفت. با این حال، تنها سه مطالعات پژوهشی در نوشته ها وجود دارد (Hsuan and Koerner 1998; Rowe and Rimal 2008a,b) که براي بررسی پیری ژئوممبران در شرایط شبیه سازی شده لاينر تلاش نموده اند، همانطور كه در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

Abstract

Accelerated aging tests to evaluate the depletion of antioxidants from a high density polyethylene geomembrane are described. The effects of temperature, high pressure, and continuous leachate circulation on the aging of geomembranes in composite liner systems are examined. The antioxidant depletion rates
۰٫۰۵, ۰٫۱۹, and 0.41 month−۱ at 55, 70, and 85°C, respectively obtained for the simulated landfill liner at 250 kPa vertical pressure are consistently lower than that obtained from traditional leachate immersion tests on the same geomembrane
۰٫۱۲, ۰٫۳۹, and 1.1 month−۱ at 55, 70, and 85°C. This difference leads to a substantial increase in antioxidant depletion times at a typical landfill liner temperature
۳۵°C with 40 years predicted based on the data from the landfill liner simulators tests, compared to 15 years predicted for the same geomembrane based on leachate immersion tests. In these tests, the crystallinity and tensile yield strain of the geomembrane increased in the early stages of aging and then remained relatively constant over the testing period. There was no significant change in other geomembrane properties within the testing period.

۱- Introduction

A modern municipal solid waste
MSW landfill basal liner system typically consists of, from top to bottom: a granular leachate drainage/collection layer, a needle-punched nonwoven geotextile
GT protection layer, and a geosynthetic composite liner, typically comprising a 1.5- or 2.0-mm-thick geomembrane and either a geosynthetic clay liner
GCL or compacted clay liner or both. Because of their excellent resistance to advective flow and diffusive migration of inorganic contaminants, high density polyethylene
HDPE geomembranes are extensively used as part of a composite liner in modern landfills
Rowe et al. 2004; Rowe et al. 2007; Bouazza et al. 2008; Brachman and Gudina 2008a,b; Saidi et al. 2008; Rowe et al. 2009. Although, the long-term performance of geomembrane liners under field conditions is unknown, the potentially contaminating lifespan of the landfills is likely to be centuries
Rowe et al. 2004. The geomembrane should perform adequately as an effective hydraulic and diffusive barrier throughout the potentially contaminating lifespan of the landfill. Some field investigations
Schmidt et al. 1984; Brady et al. 1994; Rollin et al. 1994; Maisonneuve et al. 1997; Rowe et al. 2003 provide evidence that the HDPE geomembrane may experience aging or degradation with time.

HDPE geomembranes may undergo degradation due to oxidation, extraction, ultraviolet degradation, and thermal degradation. Among these, oxidation of the polymer is considered to be the most significant degradation mechanism
Hsuan and Koerner 1995. With the progression of oxidation, the physical and mechanical properties of the geomembrane decrease leading eventually to the failure of the geomembrane. To limit the oxidation of polyethylene, suitable stabilizers
antioxidants are added to the resin used to manufacture the geomembrane. The most common types of antioxidants added to HDPE geomembranes along with their effective temperature ranges have been described by Fay and King
۱۹۹۴ and Hsuan and Koerner
۱۹۹۸٫ Viebke et al.
۱۹۹۴ and Hsuan and Koerner
۱۹۹۸ described the oxidative degradation as a three-stage process. Stage I involves the depletion of antioxidants which is caused by the chemical reactions of antioxidants with oxygen, free radicals or hydroperoxide and/or physical loss by diffusion, evaporation, extraction, or washing out
Gedde et al. 1994; Hsuan and Koerner 1998; Haider and Karlsson 2002; Sangam and Rowe 2002; Dopico Garcia et al. 2004. During Stage I, the engineering properties of the geomembrane do not change significantly. Stage II is an induction time to the onset of the degradation and begins after the antioxidants are depleted. The end of Stage II corresponds to the time when oxidation causes the first measurable changes in the geomembrane. In Stage III, oxidation causes significant changes to the physical and mechanical properties which will eventually lead to geomembrane failure. Failure in this context refers to a decrease in an engineering property
e.g., stress-crack resistance, tensile break stress, and tensile break strain to a specified value. The value defining the end of Stage III is somewhat subjective and engineers my select different definitions depending on circumstances. The two most commonly used values correspond to 50% of the initial property or the specified property value
the latter is fairer for products whose initial value of a property, such as stress-crack resistance, significantly exceeds the minimum specified value. The service life of the HDPE geomembrane is taken as the sum of the duration of the above three stages.

Because of the long time required to obtain results from actual field conditions, laboratory accelerated aging tests are conducted to evaluate the components of geomembrane service life. Most commonly, immersion tests have been used to evaluate the antioxidant depletion
Stage I for HDPE geomembranes
e.g., see Hsuan and Koerner 1998; Sangam and Rowe 2002; Muller and Jacob 2003; Gulec et al. 2004; Rimal et al. 2004; Jeon et al. 2008; Rowe and Rimal 2008b; Rowe et al. 2008; Rimal and Rowe 2009a,b. Immersion tests are conducted by incubating the geomembrane in the medium of interest, for example, air, water, leachate, acid mine drainage, or jet fuel. Antioxidant depletion times predicted from immersion tests are expected to underestimate the actual depletion times relative to most field applications since both sides of the geomembrane are exposed to leachate. The actual antioxidant depletion time will likely be longer in a landfill because, in areas where there are no holes in the geomembrane, only one side of the geomembrane will be exposed to the landfill leachate. However, there are only three research studies in the literature
Hsuan and Koerner 1998; Rowe and Rimal 2008a,b that have attempted to investigate the aging of the geomembrane under simulated liner conditions as discussed below.