Aging Mechanism and Material Ranking of PE Pipe Grades in Aqueous Chlorine Dioxide and Hypochlorite Solutions

Titel in Übersetzung: Alterungsmechanismen und Material Ranking von PE Rohrwerkstoffen im Chlor Dioxide und Hypochlorit Lösungen

Marton Bredacs

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Mit dem immer stärkeren Einsatz von Polyethylen (PE) als Rohrmaterial und der weit verbreiteten Anwendung der Sekundärdesinfektion im Trinkwassersystem ist der Einfluss von Chlordioxid (ClO2) und Hypochlorit (HOCl) auf den Abbau von PE-Rohren eine essentielle Kernfrage geworden. Angesichts des schnellen Konzentrationsabfalls durch Zersetzung und Oxidationsreaktionen von ClO2 und HOCl erwiesen sich kontrollierte Alterungsversuche als unerlässlich, um die Wirkung von Desinfektionsmitteln zu untersuchen. Zur Beurteilung der Wirkung von Desinfektionsmitteln werden standardisierte Versuche an druckbehafteten Rohren mit desinfizierten wässrigen Lösungen eingesetzt. Aufgrund hoher Kosten und langer Testzeiten besteht jedoch ein klarer Bedarf an beschleunigten Laboralterungsversuchen, die innerhalb kurzer Zeit zuverlässige und reproduzierbare Daten liefern. Deshalb wurde ein neu entwickeltes Alterungsgerät eingesetzt. Bei der Untersuchung des Verbrauchs von Antioxydanzien (AO) wurden die Oxidationsinduktionszeiten (OIT) und die Oxidationseintrittstemperaturen (OOT) von gealterten Proben verglichen. Letztere erwies sich als empfindlicher und schneller als die OIT. Das Eintauchen in HOCl-Lösung führte zu einem stark oberflächenbegrenzten Alterungsprozess; daher erwies sich die Verwendung von dünneren Proben mit einer Dicke von 0,3 mm als vorteilhaft. REM-Analysen weisen darauf hin, dass ClO2 Oberflächenrisse und eine gealterte Materialschicht erzeugt, während das Eintauchen in HOCl zu einer Oberflächenerosion führte. Die verschiedenen Alterungsmechanismen wurden durch den Vergleich der Bruchdehnung, des OOT und des Carbonyl Index (CI), welche über die Alterungszeit ausgewertet wurden, weiter bestätigt. Die ClO2-gealterten Proben deuten darauf hin, dass die Polymerketten vor dem vollständigen Verlust der aktiven AO angegriffen werden. Im Falle der HOCl-Immersion wurde ein beschleunigter auto-oxidativer Alterungsmechanismus festgestellt. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen PE-Alterungsprodukte, die im FTIR-ATR-Spektrum für jedes Medium identifiziert wurden, und der Kettenspaltungsreaktionen, die durch GPC-Analysen gezeigt wurden, wurde der Polymerabbau vermutlich durch die folgenden Reaktionen dominiert: Die Zersetzung von α Ketohydroperoxiden in ClO2 und die Zersetzung von Allylhydroperoxiden in HOCl. Die Entwicklung des Molekulargewichts über die Alterungszeit impliziert, dass das reaktive Chlor des HOCl selektiv oxidierte tertiäre Kohlenstoffatome angreift. Das Vorhandensein von ClO2 führte dabei zu einer kompetitiven Reaktion zwischen Kettendefekten, oxidierten Kettenteilen und tertiären C Atomen von PE-Molekülen. Die während des Immersionstests in ClO2 aufgezeichneten Änderungen der OOT Werte, des Kristallinitätsgrades und der CI-Eindringtiefenprofilen von den drei PE-Typen deuten darauf hin, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die ClO2-Diffusion ist. Die erhöhte Kristallinität einer 200 µm Oberflächenschicht weist auf die allmähliche Abnahme der ClO2-Diffusionsrate hin, sodass mit fortschreitender chemischer Zersetzung der AO-Verbrauch langsamer wurde. Folglich stellen die Materialeigenschaftsprofile ein hohes Potential dar, um verschiedene Materialformulierungen hinsichtlich ihrer relativen ClO2-Beständigkeit zu bewerten. Der Kristallinitätsgrad und die CI-Profile der Proben, welche im HOCl ausgelagert wurden, blieben unverändert, was den stark oberflächenbegrenzten Polymerabbau bestätigt. Die Ergebnisse weisen auch darauf hin, dass Carbonylprodukte überwiegend aus dem Polymerabbau stammen. Eintauchversuche mit sechs PE-Typen in 1 ppm und 0,5 ppm ClO2 bei 50°C und 60°C wurden durchgeführt. Die Aufzeichnung der Abnahme der Bruchdehnung und der OOT in 1 ppm ClO2 bei 50°C erwies sich als optimale Methode zur Leistungsüberprüfung verschiedener PE-Rohre – von den sechs PE-Typen wurden drei verschiedene Gruppen mit unterschiedlicher ClO2-Beständigkeit
Titel in ÜbersetzungAlterungsmechanismen und Material Ranking von PE Rohrwerkstoffen im Chlor Dioxide und Hypochlorit Lösungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Aust, Nicolai, Beurteiler B (intern)
  • Pinter, Gerald, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2020

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Polyethylene
  • Alterungsmechanismen
  • Desinfektionsmitteln
  • Chlordioxide
  • Material Ranking

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