آشنایی با ژئوممبران‌ها
ژئوممبران به فیلم‌های پلیمری گفته می‌شود که عمدتاً در معادن، تصفیه آب، پوشش‌ها، آستر مخازن و به‌عنوان موانع جریان در محفظه‌های نگهداری مایعات و مهار زباله‌های جامد قابل استفاده هستند. تعداد زیاد ژئوممبران‌های تجاری در دسترس، باعث شده است که انتخاب مناسب‌ترین آنها برای کاربرد مورد نظر دشوار شود. هر ژئوممبران ویژگی‌های متفاوتی دارد که روی نحوه نصب آن، دوام، طول عمر و عمل‌کرد کلی آن اثر می‌گذارد. ژئوممبران‌ها عموماً برای عمل‌کردشان از نظر مقاومت شیمیایی، خواص مکانیکی (مدول الاستیک، استحکام تسلیم، مقاومت در برابر سوراخ شدن و یا پارگی)، مقاومت در شرایط آب و هوایی مختلف، طول عمر و مقرون به صرفه بودن انتخاب می‌شوند. خواص ژئوممبران‌های پلیمری عمدتاً با ساختار پلیمرشان، وزن مولکولی و بلورینگی تعیین می‌شوند. بلورینگی یکی از ویژگی‌های مهم همه پلیمرهاست. پلیمرها هم به‌صورت کریستالی (بلورینه) و هم به‌صورت آمورف (زنجیره‌های نامنظم) وجود دارند.
ژئوممبران‌های رایج به دو دسته وسیع تقسیم‌بندی می‌شوند:
1- ترموپلاستیک 2- ترموست
از آنجایی که ژئوممبران‌های ترموست دارای اتصالات عرضی (Cross link) هستند، می‌توانند دوام بالایی در طولانی مدت از خود نشان دهند.
جدول 1. طبقه‌بندی ژئوممبران‌های رایج
| ژئوممبران‌های ترموپلاست | ژئوممبران‌های ترموست | ترکیب ترموپلاست و ترموست |
| HDPE, LLDPE | CSPE (پلیاتیلن کلروسولفونه) | PE-EPDM |
| fPP (پلی‌پروپیلن انعطاف‌پذیر) | EPDM R (لاستیک اتیلن پروپیلن دی ان مونومر) | PVC-Nitrile rubber |
| PVC | لاستیک نیتریل | EPDM/TPE |
| TPU, PVDF (پلی‌یورتان ترموپلاست و پلی‌وینیلیدن فلورید) | پلی‌کلروپرن (نئوپرن) |
روش‌های تولید ژئوممبران‌ها
دو روش اصلی تولید ژئوممبران‌ها شامل اکستروژن و ورقه‌سازی با غلتک است. اکستروژن به سه روش تقسیم می‌شود که خود شامل اکستروژن دمشی، اکستروژن ریخته‌گری و پوشش اکستروژن است. ژئوممبران‌های پلی‌اولفین (LLDPE, HDPE, fPP) همگی توسط یک روش اکستروژن تولید می‌شوند؛ به‌طوری که پلیمر پایه به‌شکل گرانول با گرانول دیگری به‌نام مستربچ مخلوط می‌شود.
مستربچ شامل افزودنی‌هایی مانند کربن بلک (یا تیتانیوم دی اکسید برای ممبران‌های سفید)، آنتی اکسیدان‌ها و پایدارکننده‌هاست. مواد مخلوط‌شده وارد اکسترودر می‌شوند تا مواد ذوب‌شده به‌خوبی مخلوط شوند و با یک پیچ مخروطی خاص (ماردون) تحت تنش قرار گیرند. مذاب هم به‌صورت توزیعی و هم به‌صورت پراکنده مخلوط می‌شود تا از توزیع و پراکندگی همگن مواد افزودنی اطمینان حاصل شود. سپس مذاب از طریق یک قالب مسطح (روش اکستروژن ریخته‌گری) یا قالب حلقوی (روش فیلم دمشی) وارد می‌شود.
تولید ژئوممبران با قالب مسطح نسبت به قالب حلقوی، کنترل بیش‌تری روی ضخامت و اندازه‌گیری ارائه می‌دهد. از طرف دیگر فیلم دمشی مزایای خاصی از جهت‌گیری زنجیره‌های پلیمر را ارائه می‌دهد که در مواد تولیدشده با قالب مسطح وجود ندارد. جهت‌گیری پلیمر می‌تواند خواص مکانیکی آستر را بهبود بخشد.
جدول 2. روش‌های تولید ژئوممبران‌ها
| ورقه‌سازی با غلتک (غلتک‌های چرخان ناهمسان‌گرد) | اکستروژن (با فیلم دمشی یا قالب مسطح) |
| FPP, fPP-R | HDPE |
| PVC | LLDPE |
| CSPE-R (پلیاتیلن کلروسولفونه) | fPP |
| EPDM, EPDM-R (اتیلن پروپیلن دی ان مونومر) | VLDPE |
انواع ژئوممبران‌ها
1- ژئوممبران HDPE
رایج‌ترین پلیمر مورد استفاده برای تولید ژئوممبران، پلیاتیلن با چگالی بالا (HDPE) یا در برخی موارد پلیاتیلن با چگالی متوسط (MLDPE) است. HDPE استحکام بالا و مقاومت شیمیایی عالی در برابر طیف وسیعی از مواد شیمیایی نشان می‌دهد که عمدتاً به‌دلیل ساختار کریستالی آن است (بلورینگی آن 40 تا 60 درصد است). اگرچه نسبت به LLDPE انعطاف‌پذیری کمتری دارد، اما هم‌چنان خواص کششی خوبی را ارائه می‌دهد که اجازه می‌دهد تا 12% تغییر شکل در نقطه تسلیم خود داشته باشد.
2- ژئوممبران LLDPE
پلیمرهای LLDPE شکل‌های با بلورینگی کم‌تر هستند و به‌همین دلیل انعطاف‌پذیرترند و کم‌تر در معرض ترک خوردگی تنشی هستند. در عوض مقاومت شیمیایی و مقاومت در برابر اشعه فرابنفش آنها کم‌تر از HDPE است. اگرچه LLDPE از HDPE انعطاف‌پذیرتر است، اما به‌اندازه PVC انعطاف‌پذیر نیست.
3- ژئوممبران fPP
رزین‌های ژئوممبران پلی‌پروپیلن انعطاف‌پذیر (fPP) با ادغام سطح بالایی از لاستیک اتیلن پروپیلن (EPR) در ماتریس پلی‌پروپیلن (PP) نیمه‌بلوری، به‌طور مستقیم در راکتور پلیمریزاسیون تولید می‌شوند. گنجاندن اتیلن در زنجیره اصلی پلیمری (backbone)، بلورینگی PP معمولی را می‌شکند و به آن خواص الاستومری می‌دهد. fPP حتی انعطاف‌پذیرتر از VLDPE است؛ هرچند انعطاف‌پذیری آن به‌اندازه‌ی PVC نیست. رزین‌های fPP را می‌توان اکسترود کرد، بر روی آن کشش اعمال کرد یا به‌صورت دمشی به ورقه ژئوممبران تبدیل کرد که انعطاف‌پذیری بالا (برای جابجایی راحت)، چقرمگی زیاد و مقاومت در برابر سوراخ شدن از خود نشان می‌دهد.
4- ژئوممبران PVC
قبل از اینکه ژئوممبران PVC ساخته شود، باید رزین PVC را با نرم‌کننده‌ها مخلوط کرد تا انعطاف‌پذیری در آن ایجاد شود. آسترهای ژئوممبران PVC عمدتاً به‌دلیل سهولت نصب در مقایسه با سایر مواد (به‌ویژه HDPE که بسیار سفت است)، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. PVC یکی از پرکاربردترین پلاستیک‌های موجود با فرمولاسیون‌هایی است که می‌توانند مقاومت در برابر روغن، پایداری UV، مقاومت در دمای پائین و سایر خواص را ارائه دهند.
5-ژئوممبران‌های چند لایه HDPE
قابلیت اکستروژن سه لایه، خواص و مزایای قابل توجهی در ژئوممبران فراهم می‌کند؛ مانند توانایی تنظیم درصد هر لایه برای دستیابی به خواص عمل‌کردی مورد نظر، مانند انعطاف‌پذیری بهبودیافته (با استفاده از LLDPE) در عین داشتن مقاومت شیمیایی خوب (استفاده از HDPE).
به عنوان مثال، ترکیب لایه‌ها می‌تواند به‌صورت زیر باشد:
- 10% HDPE (لایه بالایی)
- 80% LLDPE (لایه وسطی)
- 10% HDPE (لایه پایینی)
لایه بالایی می‌تواند سطح سفید داشته باشد تا حرارت تجمعی را کاهش دهد و بنابراین طول عمر افزایش یابد. همچنین می‌توانند برای کاربردهای در معرض UV، با استفاده از مستربچ آنتی یووی پایدار شوند.
شکل 1. کاربرد ژئوممبران در معادن
مشکلات ژئوممبران‌ها
مشکلات عمل‌کردی ژئوممبران می‌تواند ناشی از طراحی فرمولاسیون و مواد نامناسب و نصب ضعیف باشد.
- تشعشعات فرابنفش یک عامل اصلی تخریب در ژئوممبران‌ها است، اما در صورت استفاده از افزودنی‌های آنتی یووی، از تخریب جلوگیری می‌شود.
- اکسیداسیون نیز نوع دیگری از تخریب برای ژئوممبران‌های در معرض هوای آزاد است. در صورت استفاده از آنتی اکسیدان، تخریب به حداقل مقدار ممکن می‌رسد.
- تخریب بیولوژیکی اغلب به‌عنوان یک نگرانی ذکر شده است، اما به‌طور کلی در میان میکروبیولوژیست‌ها اتفاق نظر وجود دارد که رزین‌های ژئوممبران به باکتری‌ها و قارچ‌ها حساس نیستند.
- دمای بالا باعث می‌شود که تمام مکانیسم‌های تخریب پلیمری که در بالا ذکر شد، سریع‌تر رخ دهند. در نتیجه به‌منظور ایجاد رنگ و برای کنترل دمای سطح ژئوممبران، مستربچ‌های مشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین این افزودنی به‌عنوان پایدارکننده نور UV در ژئوممبران عمل می‌کند. مستربچ مشکی بیشتر اشعه UV که به ژئوممبران برخورد می‌کند را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل می‌کند. استفاده از این مستربچ‌ها همراه با افزودنی‌های پایدارکننده خاص، باعث می‌شود ژئوممبران بتواند سال‌ها با حداقل تخریب UV در معرض آن قرار بگیرد.
شکل 2. نمونه‌ای دیگر از کاربرد ژئوممبران
گردآورنده: آریا مرادی/ امیر حسین عرب‌زاده
منابع
- Scheirs, John. A guide to polymeric geomembranes: a practical approach. John Wiley & Sons, 2009.
- Rowe, R. Kerry, and Henri P. Sangam. “Durability of HDPE geomembranes.” Geotextiles and Geomembranes 20, no. 2 (2002): 77-95.
- Van Santvoort, Gerard PTM. Geosynthetics in civil engineering. Routledge, 2017.
- Whittle, A. J., and H-I. Ling. “Geosynthetics in construction.” (2002): 1-13.
- https://geosolutionspk.com/index.php/hdpe-geo-membrane/
