Диффузия органических растворителей в полиэтилене и время защитного действия стенки полимерной трубы

Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Диффузия органических растворителей в полиэтилене и время защитного действия стенки полимерной трубы

Несмотря на все преимущества полимерных труб, их использование в питьевом водоснабжении всячески тормозится сторонниками «металлического лобби». Главным аргументом при этом является якобы имеющая место проницаемость полимерных труб по отношению к содержащимся в грунте  загрязняющим веществам, в первую очередь, к углеводородам. Несмотря на то, что диффузия – физический процесс, наличие которого при определенных условиях нельзя отрицать, говорить о ее значимости (как любого физического процесса) без количественной оценки невозможно и бессмысленно.

Таблица 1. Газопроницаемость материалов

 

Газопроницаемость материалов

 

Анализ процессов массопереноса различных материалов, выполненный отечественными и зарубежными авторами и впервые обобщенный в монографии С.А. Рейтлингера [1], показал, что все материалы проницаемы. Различия между ними проявляются, прежде всего, в количественных характеристиках, определяющих этот процесс. Ниже приведены ориентировочные значения газопроницаемости некоторых групп материалов при 20 °С  и толщине мембраны 1 см.

Мы не склонны обсуждать механизмы проницаемости, поскольку считаем, что при решении технических задач главной характеристикой материала является константа, характеризующая процесс массопереноса. Среди этих констант фундаментальное значение имеют

 – коэффициенты диффузии (D), характеризующие трансляционную подвижность пенетрантов (газов, растворителей, пластификаторов, масел, воды и т.д.) в материале мембраны;

 – коэффициенты проницаемости (P), определяющие поток пенетранта при наличии перепада концентраций, парциального давления, химического потенциала и т.д.;

 – коэффициенты растворимости (S), характеризующие пределы растворения пенетрантов в материале мембраны.

Напомним, что все эти характеристики связаны между собой простым соотношением

                                                    P = DS.

Очевидно, что защитные свойства стенок полимерных труб определяются условиями их эксплуатации, а также жидкостями и газами, которые по ним транспортируются. Например, при транспортировке природного газа принципиальное значение имеет поток газа через стенку трубы во внешнюю среду. Именно этот поток определяет потери газа при транспортировке. Если речь идет о транспортировке воды, то определяющим будет миграция загрязняющих ингредиентов почв через стенку внутрь трубы. И в том, и в другом случае, как и во всех прочих, защитные свойства стенок будут определяться коэффициентами массопереноса и граничными условиями (разностью концентраций по разные стороны стенки трубы).

Рассмотрим случай миграции углеводородной фазы из загрязненной почвы, контактирующей с трубой, через ее стенку внутрь. С формальной точки зрения, процесс массопереноса для пластиковой трубы, изготовленной из полиэтилена, не содержащего в начале загрязняющих компонентов, описывается двумя стадиями:

● нестационарной, на протяжении которой загрязняющий компонент растворяется во внешнем слое трубы и мигрирует к внутренней поверхности стенки трубы;

● стационарной, характеризующейся установившимся потоком загрязняющего компонента через стенку трубы и выходом во внутреннее пространство. На этой стадии происходит загрязнение, например транспортируемой воды диффундирующим ингредиентом.

Очевидно, что время защитного действия трубы связано с протяженностью нестационарной стадии переноса. Оценить время защитного действия, которое в практике диффузионных процессов обозначают как «время запаздывания» или «время задержки»  (t), можно по уравнению Дайнеса-Баррера [1]

                                                    

уравнение Дайнеса-Баррера

 

где L – толщина стенки, см;

 D – коэффициент диффузии,  см2/с.

Таким образом, для расчета времени защитного действия необходимо знание коэффициента диффузии загрязняющих веществ в полимерном материале и толщины стенки конкретной трубы.

В табл. 2 приведены заимствованные из литературы [2, 3] и полученные нами [4] коэффициенты диффузии органических растворителей в полиэтилен. Можно видеть, что диапазон изменения коэффициентов диффузии достаточно широк. Для предельных, ароматических, хлорсодержащих углеводородов, спиртов, аминов и т.д. коэффициенты диффузии изменяются на полтора десятичных порядка от 0,08·10-7 до 2,6·10-7 см2/с.

Таблица 2. Коэффициенты диффузии органических растворителей в ПЭВП (степень кристалличности 40%) при температуре 25 °С

 Коэффициенты диффузии органических растворителе

* –  определено по данным набухания в жидкости.

 

На основании этих значений и различных толщин стенок, используя соотношение Дайнеса-Баррера, мы рассчитали номограмму, устанавливающую взаимосвязь времени защитного действия, толщины стенки и коэффициентов диффузии. Результаты расчетов представлены на рис. 1.

На поле рисунка кроме расчетных кривых, полученных для различных коэффициентов диффузии, нанесены горизонтальные линии, соответствующие 1, 2, 5 и 10 годам наблюдения. Вертикальная линия соответствует стенке с толщиной 5 см для трубы диаметром 50 см.

Можно видеть, что для большинства углеводородов (область залита на рисунке) длительность защитного действия стенок трубы составляет более 3 лет. Увеличение толщины стенки трубы на 1 см приводит к увеличению времени защитного действия до 4 лет и т.д. Заметим, что эти расчеты проведены для максимально возможно жестких условий загрязнения внутреннего объема трубы, когда труба в течение всего расчетного времени находится не в земле с углеводородами, а в жидкой фазе углеводородов (т.е. обсуждается вариант, когда труба полностью погружена в тот или иной химический реагент). Мы считаем, что в реальных условиях эксплуатации углеводородные загрязняющие компоненты адсорбированы компонентами почвы и, соответственно, их концентрация на внешней стенке трубы значительно меньше, поэтому время защитного действия будет существенно выше. Такая диффузионная задача также решена, однако для получения численных значений времени защитного действия необходимо знать конкретные концентрации загрязняющих компонентов в почвах.

Номограмма определения времени защитного действия стенки полимерной трубы

 

Рис. 1. Номограмма определения времени защитного действия стенки полимерной трубы различной толщины в зависимости от коэффициентов диффузии углеводородов в ПЭВП. Температура 25 °С. Заливкой показана область типичных коэффициентов диффузии органических растворителей (см. табл. 1). Цифрами красного цвета в поле номограммы обозначены годы. Пояснения в тексте

В заключение отметим, что данная номограмма позволяет наметить путь совершенствования структуры стенок трубы, который может привести к увеличению времени защитного действия. С этой целью следует либо увеличить степень кристалличности полимера (результаты приведены для полимера со степенью кристалличности 40 %), либо ввести в состав полимера фракции полиолефина с более высокой степенью кристалличности. Оба эти приема приводят к снижению коэффициента диффузии в пределах одного десятичного порядка и увеличению времени защитного действия до 10-30 лет.

Автор:  Анатолий Чалых, Владимир Герасимов, Рамиль Хасбиуллин,
           Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН

 

Литература

1. Рейтлингер С.А. Проницаемость полимерных материалов. – М.: Химия, 1974.

2. R. Laine, J. Osburn // J. Appl. Polym. Sci. 1975. V. 15. № 1. P. 327.

3. F. Ranalli //Mater. Plast. 1955. V. 21. № 9. P. 736.

4. Чалых А.Е. Диффузия в полимерных системах. – М.: Химия, 1987, 311 с.

 

 


ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА