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 环氧树脂涂覆过的管道和储水系统够安全吗?

 发布时间:2021/9/14 14:08:30   信息来源:荣格塑料工业
如果没有电,一个城镇会是什么样子?夜晚一片漆黑,但仍有人烟。但是,如果没有水,城镇将变成一个荒凉、渺无人烟的地方。第一批以狩猎采集为生的人首先要确保他们的居住地附近有河。他们很快就学会了如何长距离输送水——最初是在地上,然后是在地下,然后是在建筑物里。这里的问题是:修补漏水的地方意味着要大规模暴露隐藏的管道才可以找到并修复损坏的部分。CIPP(现场固化管道)修复技术是一种实用的方案。它指的是从内部开始用塑料,或更确切地说,用环氧树脂对管道的所有部分进行涂覆。这个工艺很有效,但并非没有批评的声音存在。他们的理由充分吗?下面让我们了解一下详细情况。


图片来源:istock / Mumemories

一个地方生活的人越多,城市化水平越高,合理的供水系统就越重要。这里所指的不只是一般可用性,即提供足量不存在健康风险的高质量水。它还意味着要安装一个完整的存储和管道系统,以便能够将淡水输送到需要的地方而不会产生不良污染物和气味,并能带走废水而不会造成任何泄漏损失。

在古罗马帝国,渡槽系统(图1)在乡村和城镇都很常见。这些令人印象深刻的结构至今仍存在部分,证明了其建造年代的建筑技能。如今,大多数水管都安装在地下,而房屋中的水管则隐藏在水泥下面。当水管由于磨损而被腐蚀或泄漏时(运输液体的系统在使用一段时间后经常会发生这种情况)必须进行维修,只有这样才能控制液体损失和附带损害的程度。地面管道系统的维护工作相对简单,但如果涉及埋在街道下或室内墙壁里的水管,则必须开始艰难的挖掘工作。

但是,如果对整个管道进行维修而不是挖几个洞,那么借助不需要复杂施工工作的衬里技术即可减少所需的工作量和费用。在该过程中,将浸渍了环氧树脂(由毛毡等制成)的衬里拉进腐蚀的管道。专家认为,考虑到环氧树脂完全固化之后的不渗透性和承重能力,该CIPP技术就和全新的水管一样可靠。管道也可以直接涂覆环氧树脂,但仅建议用于房屋内部,因为它缺少衬里带来的额外稳定性。

一、不只是实用的维修材料


让我们用不太化学的眼光看一下环氧树脂:环氧树脂是一种合成树脂,主要用作涂料。合成树脂通常由两种自由流动或粘稠的组分组成,它们以不同的方式相互作用,在一段时间后,或在一定条件下变得越来越粘稠,最后固化成热固性聚合物。从化学角度来说,大多数商用环氧树脂是通过含醇羟基(R-OH)(醇和酚的官能团)的化合物和环氧氯丙烷(闻起来像氯仿的无色液体)产生反应制造的。环氧树脂由德国化学家和发明家保罗·史拉克(PaulSchlack)发明并于1939年获得德国专利。环氧树脂的特点是:一旦固化,热固性聚合物便具有良好的机械性能以及耐高温和耐化学性。因此,它们被认作是高质量的塑料。它们可用于反应清漆、抗热搪瓷、粘合剂、层压板、冶金学中的封固剂以及电气和电子工程部件的模塑料等。



二、聚焦热固性聚合物

回到热固性聚合物,它们是通过固化而硬化的塑料,这一过程不能通过加热或任何其他方式逆转。顺便说一下,由合成树脂制成的热固性聚合物是最早实现工业化生产的塑料之一。最早于1909年发现的酚醛树脂是最古老的合成树脂。最初,它们只能用原材料(例如:由酚醛树脂制成的酚醛塑料)模制而成,因此,相对于被称为注塑成型化合物的热塑性塑料,它们也被称为模塑料(图2)。直到二十世纪六十年代中期有工艺被开发出来之后,通过注塑成型工艺制造热固性聚合物才成为了可能。如今,热固性聚合物可以通过多种不同的方式进行加工。与金属相比,它们的优势主要在于高热机械强度和低重量。


图2 不同塑料的大分子结构:A、热固性塑料由网孔紧密的聚合物组成。网络在图中以红点表 示;B、弹性体由宽网孔聚合物组成,宽网孔使材料能够在拉伸载荷下被拉伸;C、热塑性塑料 由未交联的聚合物组成,通常含有部分结晶的结构(以红色表示)。它们具有玻璃化转变温度 并且是可熔融的(来源:维基百科)



三、环氧树脂涂料

不用说具体的数字我们也知道,环氧树脂涂料的价格相对较低,而且维修项目的人力和费用可以控制在合理的范围内。2015年7月做出的估算表明,自1990年以来,欧洲地区约80,000吨环氧树脂被用于水管内衬,60,000吨用于地下管道,20,000吨用于室内。

这些数据表明这是一个成功的材料。但是,用于水管的环氧树脂也提出了一个关键的问题,它与材料本身或其原料有关。据国内和国际环氧树脂制造商联盟——环氧树脂委员会(ERC)解释,这是因为实际上所有用于水管的环氧树脂都是双酚A(BPA)和环氧氯丙烷(ECH)两阶段反应的产物(图3)。加成缩合反应的产物是热固性聚合物,即不受热影响的不可逆硬化的塑料,其具有良好的机械性能以及优异的耐高温和耐化学性。环氧树脂不仅可用于涂覆水管,还可用于食品和饮料罐的内衬。


图3 大部分商用环氧单体是通过含酸性羟基官能团的化合物与环氧氯丙烷反应制得的:首先,羟 基官能团与环氧氯丙烷发生偶联反应,然后产生脱卤化氢反应(来源:维基百科)

现在让我们再看一下反应物及相关警告:BPA被认为是具有激素样生殖毒性(CMR)的“高度关注物质”(SVHC)。ECH具有类似的特性,并且动物试验也证明了其具有致癌性。

四、容许范围

考虑到对健康和环境的潜在危害,环保协会要求立即停止用环氧树脂对水管进行涂覆。而环氧树脂制造商则声称他们的产品对此应用非常有效并且不会危害健康。他们认为由于不正确的安装或维护导致环氧树脂涂料在使用寿命期间释放DBP的可能性较低。据称,该材料不是人类可能接触的主要来源,因此它不会对健康构成威胁。相应地,涂覆过程中和使用寿命期间释放的反应物的浓度也不严重。据估算,地面管道和地下管道中明显存在约200千克和600千克潜在游离的BDA,这一含量相对于所用环氧树脂总量而言微不足道。因此,毫无疑问超出了健康风险的极限。

但是,如果水通过涂有环氧树脂的管道系统进行输送,并且该管道系统已提前用二氧化氯(ClO2)——一种可用于饮用水消毒的化学品处理,情况又会如何呢?Noyon等人对该工艺进行了分析。促使他们这样做的是一些报告的言论,它们表示用这种方法消毒过的水经过用环氧树脂修理过的管道运输之后从水龙头中出来时呈粉红色并散发着霉味。科学家解释说,变色表明涂料里的环氧树脂已被大幅度降解和解聚。在这种情况下,Noyon等人指出,ClO2也可导致聚乙烯(PE)水管加速降解。最初的GC/MS分析最终确定了变色水中存在BPA,而参考文献也进一步证实了降解已经发生的假设。

五、更进一步的研究

在深入研究此事的过程中,Noyon等人对测试的配置进行了深思,以便能够可靠地检测或排除BPA从环氧树脂涂料向储水系统和水管迁移的可能(图4)。顺便说一下,德国联邦环境署(UBA)在2018年将与饮用水接触的材料中的BPA向饮用水迁移的最大迁移量降低到了2.5μg/l。到目前为止,尚无相关法律法规对双酚F、双酚S和其他双酚做出了规定。Noyon等人最终开发了一种迁移测试,他们将中性水以及添加了氯和二氧化氯(0.25mg/l和0.5mg/l)的水与多种允许在水中使用的环氧树脂接触,并持续数月,然后通过无溶剂的“绿色”分析程序确定富集的分析物。


六、深入了解实验细节

Noyon等人对一系列环氧树脂进行了不同的测试,它们分别用于经过氯和二氧化氯处理过的水中以及未经消毒或处理的水中。每周更换数次。与环氧树脂接触了24小时的样品分别经过了测试。科学家报告称,在整六个月的监测过程中,未经处理的水样品的BPA浓度相对较低,接近10ng/l的检测极限。但是,在六个月的监测期开始和结束之时,其中一种环氧树脂释放了高达20ng/l的BPA。在监测期即将结束之时,另一种环氧树脂达到了最大迁移量180ng/l,然后降到了40ng/l。

在环氧树脂与氯和/或二氧化氯持续接触四个月的测试配置里,他们对水样的分析产生了不同的结果(图5)。Noyon等人写道,BPA和BPF均未检测到,反倒是2,4,6-三氯苯酚(TCP)被检测出来,其浓度在氯化停止后逐渐下降。该物质与饮用水中产生的药味有关。从微生物学角度来看,2,4,6-TCP可以转化为2,4,6-三氯茴香醚(TCA),与之相关的霉味和臭味反过来会引起感官问题。


图5 BPA迁移量五个月之后仍在继续增加,因此Noyon等人得出结论:应大大延长用于水中的 环氧树脂的评估时间(来源:Noyon等人)



七、结语

Noyon等人报告指出,他们的测试表明,目前对用于水中的环氧树脂的数天或数周的评估期太短,因此无法为BPA的迁移以及感官相关化合物的开发等提供有意义的数据。科研人员强调,只有延长期限才能取得客观结果。关于他们的方法在实际样品中的应用,Noyon等人得出的结论是,2,4,6-TCP有时会检测到,但BPA和BPF未检出。



除此之外,在储水系统中检测到的BPA比维修管道中的少。它与多种因素有关,包括储水系统的表面体积比、水与环氧树脂的接触时间(部分供水管网的接触时间可能较长)以及所用环氧树脂的质量。为了增加确定性,解决方案之一是增加实验性评估这些材料的时间。科学家表示,现有的分析技术非常适合检测BPA和氯酚,因此也适用于评估材料在水应用中的适用性。