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HDPE土工膜的预期寿命分析摘要：本研究描述了一种加速老化试验，以评估厚度对于HDPE土工膜的抗氧化剂消耗的影响。分别选用1.5，2.0，2.5mm三种HDPE土工膜来进行测试。土工膜被浸泡在4种不同温度的合成渗漏液中：22，55，70和85摄氏度。抗氧化剂的消耗通过氧化诱导时间（OIT）来进行监测。据观察，1.5mm厚的HDPE土工膜，其抗氧化剂的消耗速度比2.0和2.5mm的HDPE土工膜更快。用阿累尼乌斯建模方法预测，较厚的土工膜的抗氧化剂消耗时间更长。这表明，在其它条件相同的情况下，较厚的土工膜的可预期寿命会更长。1.引言：在许多国家，土工膜在垃圾填埋场的衬垫和最终覆盖系统中的应用越来越广泛，并且被认为是最先进的技术。使用HDPE土工膜的主要目的是为了限制有毒污染物渗透至地下水中。当选择HDPE土工膜作为垃圾填埋场衬垫时有几个因素需要解决，包括：渗滤液的相互作用，土工膜厚度，覆盖在膜上的废弃物施加的应力，摩擦阻力，卷边接缝，管理规范等等。在这些因素中，土工膜的厚度在不同国家的不同规范中，通常都会得到更多的重视。在加拿大，安大略省的法规中，规定了1.5mm的土工膜和2.0mm的土工膜是垃圾填埋场衬垫的主要和次要选择。在美国，最小的厚度为0.75mm，而在比利时，规定最小的厚度为2.5mm。然而，很少有数据来证明土工膜厚度重要性整个观点。人们普遍假设土工膜在它的使用寿命中会经历一定程度的老化和讲解，所以它的耐久性能是相关的使用者所最关注的。氧化降解是影响土工膜长期耐久性最主要的因素。因此，在土工膜的生产时，高密度聚乙烯树脂中会添加抗氧化剂来控制生产过程以及土工膜的使用过程中氧化反应。抗氧化剂的作用是通过将氧化过程中生成的自由基和过氧化氢转化成稳定的分子。然而，随着老化时间的增加，抗氧化剂的量会逐渐减少。因此，通过抗氧化剂的消耗来评估土工膜的使用寿命是非常重要的。通常实验室会采用加速老化试验来测试抗氧化剂的消耗以及HDPE土工膜的长期表现。一些老化的研究都是模拟土工膜在垃圾渗滤液、矿山酸性堆浸液、水、空气中以及垃圾填埋场复合衬垫中的情况。样品被定期的测试，用来测试样品的不同的土工膜特性，例如OIT，熔体流动指数，结晶度，拉伸强度等。国际土工合成材料协会及加拿大索玛等土工膜行业的领导者，都曾经在60的温度下，将1.0mm至2.00mm的土工膜浸泡在真正的垃圾渗滤液，进行加速老化试验。结果表明，1mm的土工膜比2mm的土工膜，其抗拉强度及刚度减少的更多。然而，这并不能说明土工膜厚度对抗氧化剂的消耗有影响。这里缺乏土工膜在类似的试验环境下，其厚度对抗氧化剂消耗的影响的文献研究，因此本文的研究就是为了调查HDPE土工膜其厚度对于抗氧化剂消耗的影响。不同厚度的HDPE土工膜对抗氧化剂消耗的影响（二）2. 试验2.1 材料本研究采用三种市面上可以买到的不同厚度（1.5mm、2.0mm、2.5mm）的土工膜进行试验。土工膜是由位于加拿大魁北克的索玛国际土工合成材料集团(SOLMAX)生产。三种厚度的土工膜（1.5mm,2.0mm,2.5mm）的初始OIT分别是135，150和136分钟。2.2 曝光条件将土工膜切成190mm*100mm的样本，然后将其放入四升的玻璃容器中。用直径5mm的玻璃棒分开试件，并确保每一片土工膜全部浸泡在渗滤液中。玻璃容器中放满合成渗滤液，并将它放进不同温度（22，55，70和85）的烤箱中。合成渗滤液是在蒸馏水中混合了微量金属元素、表面活性剂，并且需要每2周进行更换（表1和表2）。这种渗滤液是最保守的，适用于寻找HDPE土工膜的潜在的降解。2.3 OIT氧化诱导时间OIT氧化诱导时间是一个很好的指标，用来测试土工膜中抗氧化剂存在量。标准氧化诱导时间根据ASTM D3895标准来进行测试。在这个测试中，试样在每分钟50ml的氮气下，从室温加热到200。然后气体在等温条件下从氮气变为氧气，压力变为35kPa。然后记录焓的变化结果。从开始灌输氧气到开始达到放热峰值之间的时间长短被称为OIT氧化诱导时间。表1. 合成渗滤液成分成分浓度ml/L(除非有特别说明)微量金属溶液1表面活性剂5Eh值（通过添加质量浓度3%的Na2S9H2O调整-120表2. 微量金属溶液成分浓度mg/L(除非有特别说明)硫酸亚铁FeSO47H2O2000硼酸H3BO350硫酸锌ZnSO47H2O50硫酸铜CuSO45H2O40硫酸锰MnSO4H2O500钼酸铵 (NH4)6Mo7O244H2050硫酸铝 Al2(SO4)316H2O30七水硫酸钴CoSO47H2O150六水合硫酸亚镍NiSO46H2O500硫酸 H2SO4 (mL/L)13. 结果与讨论3.1 抗氧化剂消耗抗氧化剂随时间消耗第一阶段变化：或者在两边取自然对数：其中，OITt 和OIT0分别代表在t时间的OIT和未老化的OIT。S为抗氧化剂消耗率，t为浸泡时间。图1为样品浸泡在85合成渗滤液中， LN(OIT)和抗氧化剂消耗的关系。每个数据点最少需要5个样品测试，竖线表示标准偏差。可以看出该LN（ OIT）和时间之间的关系是线性的，回归线的斜率代表了抗氧化剂的消耗率。损耗率值S和决定系数R都显示在图表中。1.5mm的土工膜的消耗率分别比2.0mm和2.5mm的土工膜快1.2和1.5倍。（图1a）。类似的消耗率的变化通过检测其它温度来观察。例如，在22时，1.5mm的土工膜的消耗率比2.0mm和2.5mm的土工膜快1.4和1.6倍（图2）。图1 1.5、2.0、2.5mm土工膜在85时ln(OIT)随时间的变化。a) 2.0mm土工膜到5.5个月时绘制的OIT数据回归线。b) 2.0mm土工膜到6.5个月时建立的OIT数据回归线。图2 1.5、2.0、2.5mm土工膜在22时ln(OIT)随时间的变化。必须注意的是，当抗氧化剂接近枯竭时，抗氧化剂的消耗将不再遵循公式2，即使所有的抗氧化剂都已经消失，依然会有残余的OIT值。因此，抗氧化剂的消耗速度可以被低的OIT值所影响。例如：对于2.0mm的土工膜，在85的情况下，其保留的OIT值分别是1.920.41，1.410.31和0.980.37分钟（在4.55.56.5个月之后）。图1a中，通过5.5个月的OIT数据计算出抗氧化剂消耗速率为0.902month-1，而在6.5个月后的消耗速率为0.844month-1（图1b），即7%的一个下降。因此，当计算回归线时，应注意使用低的OIT数值。3.2 预测抗氧化剂消耗时间抗氧化剂在某个温度的的消耗速率可以通过阿伦尼乌斯方程来进行预测。或者在两边取自然对数：其中，S是抗氧化剂的消耗率（month-1）,Ea为耗尽过程（J/mol），R是通用气体常数(8.314 J/(mol K)，T是绝对温度（K）, 而A是碰撞系数，这个系数取决于材料及暴露条件。图3是使用公式4得到的阿伦尼乌斯图，表3是阿伦尼乌斯方程线性分析得到的参数。所有三种土工膜的活化能在60.3到61 kJ/mol之间，这表明三种土工膜的抗氧化剂耗尽过程是相似的。表3 1.5、2.0、2.5mm土工膜的活性能及阿伦尼乌斯方程厚度(mm)活性能Ea(KJ/mol)阿伦尼乌斯方程(S表示month-1;T表示0k)R21.52.0a2.0b2.560.961.060.360.5ln(s) = 20.443 7329/Tln(s) = 20.197 7337/Tln(s) = 19.933 7256/Tln(s) = 19.855 7276/T0.9930.9910.9940.993a : 85时，到5.5个月时，OIT消耗速度回归线上的OIT数据b : 85时，到6.5个月时，OIT消耗速度回归线上的OIT数据表4 1.5、2.0、2.5mm土工膜在三种不同温度下抗氧化剂消耗时间的预测温度()抗氧化剂消耗时间(年)1.5mm2.0amm2.5mm204060479.52.362(61)13(13)3.1(3.1)71153.6a ：对于2.0mm土工膜，括号外面的值代表在85温度下，达到5.5个月的回归线上的OIT消耗时间。括号内的值代表在85温度下，达到6.5个月的回归线上的OIT消耗时间。表4是代表了在三个假设的不同温度的垃圾填埋场中，土工膜的抗氧化剂消耗时间（例如：20，40，60）。可以看出抗氧化剂的消耗时间和厚度有关。例如，在20度时，1.5、2.0、2.5mm土工膜的预计抗氧化剂消耗时间分别是47，62和71年。图3 三种厚度的土工膜抗氧化剂消耗的阿伦尼乌斯方程图a) 2.0mm土工膜85下，5.5个月时的OIT消耗速率线。b) 2.0mm土工膜85下， 5个月时的OIT消耗速率线。所有的土工膜都来自于加拿大索玛公司，使用的是三种不同的树脂原料。可能不同的树脂会造成土工膜的一些差异，但是造成抗氧化剂消耗时间不同的首要因素是土工膜的厚度。土工膜越厚，其抗氧化剂的消耗则越慢。前面指出了，有一些不确定因素会影响抗氧化剂的消耗速率，然而，当2.0mm土工膜出现2个不同的数值时，对于预测抗氧化剂的消耗