עמוד השדרה הבלתי נראה של הציוויליזציה העירונית המודרנית הוא ככל הנראה תשתיות הביוב – רשת גדולה, תת-קרקעית של צינורות אשר מעבירה בבטחה מים פסולת הרחק מבתים ותעשיות.במשך עשרות שנים, החומרים המשמשים לבניית רשתות אלה היו בעיקר חימר, בטון, ודוכסות ברזל, בעוד שסבירים את זמןם, חומרים מסורתיים אלה מוכיחים יותר ויותר לא מספקים נגד חומרים כימיים, פיזיים, ביולוגיים של מערכות פסולת עכשוויות, הם רק התקדמות חומרית, רק מתקדמת, חומרים אלה, הם לא מתקדמים, אלא גם כן, הם, הם, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, הם, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, רק התקדמותם של התפתחות סביבתית, חומרים, ולא מתקדמים, הם, הם, הם, חומרים מתקדמים, רק התקדמותם, חומרים מתקדמים, רק שיפור עמוק יותר ויותר, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, אשר אינם מתקדמים, אשר אינם מתקדמים, אשר הם, חומרים מתקדמים, אלא שיפור עמוק יותר ויותר, חומרים אלה, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, חומרים מתקדמים, אשר הם, אשר הם, חומרים אלה, אשר הם, אשר הם, חומרים מתקדמים יותר ויותר, חומרים אלה, חומרים מתקדמים

דרישות ההסלמה בתשתית המודרנית

צינורות Sewer פועלים בסביבה הרבה יותר אגרסיבית מאשר רוב תשתיות מעל הקרקע.הם חייבים לעמוד בפני הסתערות בלתי פוסקת של כימיקלים קורוזיים - כולל גז סולפיד מימן (H2S) אשר הופך לחומצה sulfuric בנוכחות לחות - חלקיקים מוצקים, טמפרטורות מחוספסות, לחץ פנימי גבוה, ואת הלחץ הפיזי של עומסי תנועה ועומסים נפרדים: חומרים נפרדים:

  • (FLT:0)Concrrosion:FreaLT:1) גז סולפטן הידרוגן, שנוצר על ידי חיידקים אנירוביים ביוב, הוא מחמצן על פני השטח הבטון מעל קו המים, ויצר חומצה sulfuric.חומצה זו מתמוססת באופן אגרסיבי את תחמוצת הסידן בטון, המוביל לרכך, מחוספס, ובסופו של דבר התמוטטות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ צינורית: ⁇ 1 (בהנחה כימית, צינורות חימר מסורתיים מחוננים הם מתפתלים ורגישים לחדירה שורש, כשלון משותף, וסדקים מתנועה קרקעית או ממיטתם לא נכונה.
  • (FLT:0) קורוזיה מיטללית: ראטאל 1 (Derphtile ברזל צינורות פלדה, אפילו עם ציפוי מגן, פגיעים לקורוזיון ומיקרוביולוגי מושפע קורוזיה (MIC), המוביל לבור, דליפות, ולהפחית את עובי לאורך זמן.

מנגנוני ההשפלה הבלתי פוסקים הללו הניעו עלויות תחזוקה, גורמים לשיבושים יקרים בשירות, ומהווים סיכון סביבתי וציבורי רציני.סוכנות הגנת הסביבה של ארה"ב (EPA) העריכה כי תשתיות המים של המדינה עומדות בפני פער מימון של מאות מיליארדי דולרים בשני העשורים הבאים, הרבה ממנו אינו צפוי להחליף צינורות מהזדקנות, מידרדר המציאות הזו, יש את החיפוש עבור חומרים שיכולים להציע שירות מינימלי או יותר מ-100 שנים.

יסודות של לונגבנס: משפחות חומריות מתקדמות

המעבר לחומרים מתקדמים אינו פריצת דרך אחת אלא התכנסות של כימיה פולימרית, הנדסה מורכבת וננוטכנולוגיה.כל משפחה חומרית מציעה קבוצה נפרדת של תכונות המותאמות לסביבות תפירה ספציפיות.

פוליאתילן (HDPE): סוס העבודה הגמישות

HDPE הפך במהירות לחומר הבחירה עבור מתקנים חדשים רבים, במיוחד בכובד ראש וכוח לחץ נמוך ראשי. הפופולריות שלו נובעת משילוב ייחודי של תכונות אשר מטפלות ישירות מנגנוני הכישלון של צינורות מסורתיים.

התנגדות:0Chemical Resistance:FLT:1 HDPE הוא כמעט חסין לקורוזיון ממימן סולפיד, חומצה sulfuric, ורוב הכימיקלים התעשייתיים הנפוצים שנמצאו במי פסולת עירונית.

(FLT:0) lexibility ומפרקים ללא דליפות:ראהFLT:1 צינורות HDPE מצטרפים בדרך כלל על ידי היתוך חום, יצירת מערכת מונוליטית, נטולת דליפה.זהו יתרון קריטי על פני דפדפנים מסורתיים פעמון ו-spigot משותף, אשר הם מסלול ראשוני עבור מים קרקעיים (I & I - זרימה וחדירה) ופלט של סגסוגת HD2, ללא סגסוגת מתאימה, מאפשר ל-APTic של חומרים כגון סגסוגת HD2, 000, 000, ללא סגסוגת של חומרים גמישה, או סגסוגת HD, 000, ללא סגסוגת HD, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, ללא סגסוגת של חומרים גמישה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מתאים של חומצה סגסוגת של סגסוגת של חומרים ל-A.

(FLT:0) אורך חיי שירות: FLT:1 מבוסס על בדיקות מואצות וביצועי שדה, צינורות HDPE יש חיי שירות מתוכנן של 50-100 שנים או יותר.הארוכות הזו מתורגמת ישירות להורדת עלויות מחזור חיים, גם אם העלות החומרית על העליונה גבוהה מעט יותר מאשר חלופות מסוימות.

Reinforced Thermosetting Resin (RTRP) ו-Fibeglass-Reinforced Polymer (FRP)

עבור יישומים הדורשים יחס גבוה במשקל עד משקל והתנגדות קורוזיון קיצונית, RTRP ו צינורות FRP מציעים פתרון משכנע. אלה מורכבים מורכבים מורכבים ממטריקס רימקטור (כגון פוליסטר, ויניל אסטר, או epoxy) התחזק עם סיבי זכוכית.

ממטריקס שרף מספק התנגדות כימית המותאמים לזרם הפסולת הספציפי.ויניל ester resinsins, למשל, להציע התנגדות גבוהה הן כימיקליות והן אלקלליין, מה שהופך אותם אידיאליים עבור מי פסולת תעשייתית. סיבי הזכוכית המשובחים מספקים עשרותנים יוצאי דופן וכוח hoop, המאפשרת צינורות RTRP להתמודד עם לחצים פנימיים גבוהים - 250 psimaking - מתאימים כוח הראשי ותהליך תעשייתי.

יתרונות מרכזיים כוללים:

  • התנגדות:0Corrosion Resistance:FLT:1 בניגוד צינורות מתכתיים, FRP אינו חלודה או corrode.It is inert to מימן sulfide, חומצה sulfuric, ומגוון רחב של סוכנים קורוזיים אחרים.
  • (FLT:0) משקל אור: צינורות FRP 1 הם הרבה יותר קל מאשר בטון או פלדה, צמצום עלויות ההובלה וההתקנה, ומאפשרים לסעיפים ארוכים יותר (לעתים קרובות 20-40 רגל) הדורשים פחות מפרקים.
  • (FLT:0)Smooth הפנים פני השטח: 1FLT (המשטח החלקי של FRP) מקטין אובדן ראש חיכוך, שמירה על יכולת זרימה והתנגדות לצטברות של דקה וסקאלה, אשר יכול להפחית את הקוטר לאורך זמן.

עם זאת, RTRP דורש מומחיות עיצובית ומתקנים מיוחדים.שילוב נעשה בדרך כלל באמצעות פעמון מודבק ו-spigot מפרקים או חיבורים מעופפים, הדורשים היערכות שטח מדויקת ותנאי ריפוי.

Polymer Concrete and Advanced Cementitious Composites

עבור יישומים שבהם בטון נשאר החומר המבני של בחירה, ניסוחים מתקדמים משפרים באופן משמעותי את עמידותו. פולימר קונקרטי מחליף את קו המלט המסורתי בפורטלנד עם רזין פולימר, כגון פוליסטר או epoxy.זה מניב חומר עם הרבה יותר כוח, נחיתות נמוכה יותר, והתנגדות כימית מעולה.

(ב) ,0) מבנים קונקרטיים של פואלים משמשים באופן נרחב עבור: ⁇ FLT:1

  • (ב) ,0) מבולות ובארות רטובות (ב) אשר נחשפו ישירות גזי תפירה קורוזיים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התקדמות בולטת נוספת היא השימוש בחומרים מלטיים משלימים (SCMs) כמו silica fume, זבוב אפר, ו- slag בתערובת בטון המסורתית. אלה SCMs להפחית את יכולת ההיתר, לחדד את המבנה הנקבובי, ולהגביר את ההתנגדות להתקפה כימית.לדוגמה, אחהמה ביצועים קונקרטיים עם יחס מים נמוך לcement (w/c <40) יכול להשיג שירות כזה ב krive 281) יותר מאשר CTS C.

פיתוח: bio-based and Nano-Enhanced Materials

על גבול המחקר, שתי קטגוריות מרגשות מבטיחות לדחוף את תוחלת החיים של הצינור עוד יותר.

(FLT:0) פולימרים המבוססים על ביו-בוליים: קידמ"ד:1 דרבירד ממשאבים מתחדשים כמו עמיר תירס, סוכרקני או שמן צמחי, פולימרים המבוססים על ביולוגית מפורשים ליישומים תפירה.בעוד עדיין מוקדם בפיתוח, חומרים אלה מציעים טביעת רגל פחמן נמוכה יותר והתנגדות פוטנציאלית לפירוק ביולוגי.

(FLT:0)Nanomaterial-enhanced פלסטיקs וציפויים: FLT:1 שילוב של חלקיקים - כגון צינורות פחמן, תחמוצת גרפן, ננוקסיה, או ננוקלי - במרכזי פולימר או מעכב חומרים מגנטיים באופן פעיל יכול לשפר באופן דרמטי את תכונות המחסום, כוח מכני והתנגדות אנטיביאלית.

ביצועים השוואתיים: עלויות מחזור חיים וארוכות

ההחלטה לאמץ חומרים מתקדמים לעתים קרובות נשענת על ניתוח עלות מחזור חיים הוליסטית (LCCA) ולא עלות חומרית במעלה. צינור שעולה 20% יותר בהתחלה, אך נמשך פעמיים כל עוד דורש כמעט שום תחזוקה לא מספקת ערך גבוה בהרבה מעל אופק 50 שנה.

LCCA מקיפה עבור צינורות תפירה חייב לקחת בחשבון:

  • (FLT:0) חומר ועלויות ההתקנה: FIRLT:1 , HDPE ו- FRP יכולים להיות בעלי עלויות חומריות גבוהות יותר, אך עלויות ההתקנה הנמוכות עקב משקלם הקל יותר ושיטות ההצטרפות מהר יותר.
  • (FLT:0) גידול ותיקון עלויות: FLT:1 צינורות מסורתיים דורשים לעתים קרובות ניקוי תקופתי, הסרת שורש, טיפול כימי לשליטה ריח, ותיקון חומרים מתקדמים להפחית באופן דרמטי או לחסל את הצרכים האלה.
  • (FLT:0) תדירות החלפת: 1FLT 1 צינור בטון עשוי לדרוש תחליף לאחר 30-50 שנים בסביבה בינונית-קורוזית, בעוד צינור HDPE או FRP יכול לעלות על 75 שנים בקלות.
  • עלויות LT:0 חברתיות: כשלים של מילואים 1 יגרמו לשיבוש תנועה, נזק לרכוש, עלויות תיווך סביבתיות, סיכונים בריאותיים מתקדמים, אשר כמעט מבטלים כשל קטסטרופלי הם בלתי חוקיים.

רשויות עירוניות רבות תיעדו חיסכון משמעותי על ידי ציון HDPE או פולימר בטון עבור מתקנים חדשים.לדוגמה, העיר של דנוור, קולורדו, השתמש בהצלחה בטון פולימר עבור שיקום חור אדם, דיווח על הרחבה של חיי שירות של 30+ שנים בהשוואה לציפויים מסורתיים.

אתגרים ומימוש ה Hurdles

למרות היתרונות ברורים שלהם, אימוץ נרחב של חומרי תפירה מתקדמים עומד בפני כמה מכשולים.

עלויות ותקציב ריכוז

סוכנויות ציבוריות פועלות לעתים קרובות תחת תקציבי הון קפדניים כי עדיפות ההצעה הראשונית הנמוכה ביותר.בעוד חומרים מתקדמים מציעים חיסכון מחזור חיים משכנע, העלות העליונה יכולה להיות מכשול פסיכולוגי וביורוקרטי.חינוך מהנדסים, קציני רכש, ופקידים נבחרים על LCCA הוא חיוני. מחזור חיים עלות מחזור חיים, כמו codified בחוקי רכש המדינה רבים, יכול לעזור ברמה של משחק ארגוני תעשיית כמו צנרת פלסטיק (PPI) לספק מחקרים נרחבים כדי לספק את זה ניסיון.

מתקן מיוחד והערכה

חומרים מתקדמים דורשים טכניקות התקנה ספציפיות. HDPE היתוך מפרקים לדרוש מפעילי הכשרה ואבטחת איכות קפדנית (למשל, בדיקה חזותית, בדיקת קולית של היתוך beads) FRP מפרקים דבקים דורשים הכנה משטח זהירה, שילוב נכון, ותנאי ריפוי מבוקר. התקנת Improper יכול לשלול את היתרונות הטבועים של החומר.

תאימות עם קיימות תשתיות

רשתות תפירה רבות הן עבודת חיקוי של חומרים מתקופות שונות.חיבור צינור HDPE חדש או FRP ל בטון קיים, חימר, או מערכת ברזל דורש תשומת לב זהירה לתכנון משותף, תאימות חומרית (כדי להימנע קורוזיה גליונית), והחלפת דירוג לחץ.מעברים לא אימפולסרופר יכולים להפוך נקודות חלשות שמובילות לכישלון מוקדם.

נתונים לטווח ארוך

בעוד בדיקות מואצות וביצועי שדה מוקדם הם מבטיחים, תוחלת החיים המוחלטת של חומרים מתקדמים - במיוחד גרסאות מבוססות ביולוגית וננו-הנסד - עדיין לא הוכחו על פני 100 שנים של כימיה שפכים יכול להשתנות באופן דרמטי על בסיס הפרשות תעשייתיות, שינויים טמפרטורה עונתית, ומבצע מערכת. סוכנויות רגלטוריות ובעלי יכולות לדרוש צווים ארוכים יותר או תקופות מעקב מורחבות עבור חומרים חדשים.

שיקולים סביבתיים וסוף החיים

בעוד חומרים מתקדמים מציעים יתרונות קיימות ברורים באמצעות תוחלת ארוכה ודלפות מופחתות, ניהול סוף החיים שלהם נשאר מורכב. HDPE ו- FRP אינם ממוחזרים כיום בכמויות גדולות עבור יישומים צינורות. Landfilling הוא המסלול הנפוץ ביותר בתעשייה מנסה לפתח תהליכי מחזור עבור חומרים מורכבים thermoset (FRP) ועיצובים שניתן יהיה בקלות רבה יותר להרכיב מחדש ו remanu-repered כדי למנוע חומרים אלה המבוססים על ידי צינורות, אך יש צורך למנוע הדבקה מוקדמת של צינורות, אך ניתן למנוע חומרים מקוטבים.

כיוונים עתידיים וחדשנות

מסלול החדשנות החומרית של הביוב הוא בלתי אפשרי: כלפי חומרים חכמים יותר, יותר גמישים, ועמידים יותר.

החוקרים מטביעים צינורות עם microcapsules המכילים סוכני ריפוי (למשל, פוליאורטן או epoxy) אשר משוחררים כאשר סדקים טפסים.כאשר קפסולת, הסוכן ממלא את הסדקים והקשה, לשחזר שלמות מבנית ומונע corrosion נוסף זה נחקר על ידי סדקים וביטול מערכות פוליפרקטיות שונות, הסוכן ממלא את השבר והקשה, לשחזר את השלמות המבנית למנוע הדבקה נוספת.

(ב) אינטגרציה חיישן חכם:0) אינטגרציה: אינטגרציה של חיישן חכם: אינטגרציה: אינטגרציה של צינורות תפירה (FLT:1) הדור הבא של צינורות תפירה עשוי להיות "מעורר" עם חיישנים מוטבעים כי מתח, pH, טמפרטורה וריכוז כימי בזמן אמת.

(FLT:0) מרכיבים צינורות מודפסים:Figal 1: ייצור אדרטיבי מציע את האפשרות ליצור אביזרים מכוסים, צינורות אדם ואפילו חלקי צינורות קצרים עם גיאוגרפיות פנימיות מורכבות אשר אופטימיזציה ולהפחית את הבלבול. בעוד עדיין לא עלות יעילה עבור ריצות ארוכות של צינורות, הדפסה 3D יכול לחולל מהפכה בייצור של רכיבים לא סטנדרטיים והתאמה סטנדרטית של מערכות קירור קיימות (כולל רכיבי Concrete) עבור מבנים קונקרטיים של 3D.

(FLT:0)Nano-reinforced ציפויים עבור מערכות קיימות: FLT:1 במקום להחליף צינורות שלמים, ציפויים מתקדמים ניתן ליישם על הפנים של צינורות קיימים באמצעות טכנולוגיה ללא תעלות. ציפויים אלה, משופר עם ננו-חומרים כמו גרפן או ננוקלי, יכולים לספק מחסום קורוזי, נמוך-פרי, אשר מרחיב את החיים של 20-Fureern, כמו ⁇ , כמו ⁇ , 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000.

מסקנה

תוחלת התשתיות של צינורות הביוב אינה עניין של תאונה או מסורת; היא פונקציה ישירה של החומרים שנבחרו.חומרים מתקדמים - מהאמינות המוכחת של HDPE ו-FRP ועד להבטחה המתעוררת של פולימרים המבוססים על הביולוגית והמהנדסים העוקבים-עצמית כבר יכולים לפתח חומרים עמידים יותר, עמידות קורוזית, וביצועי חיים.