Evaluación de geomembranas HDPE

Evaluación de geomembranas HDPE utilizadas como revestimiento en estanques de cultivo de camarones en Brasil

El uso de las geomembranas de polietileno de alta densidad como revestimiento de estanques de cultivo de camarones está limitado en algunas partes del mundo, como en la región noreste de Brasil, por lo que seguir estudiando su rendimiento y propiedades permite obtener nuevos datos acerca de su aplicabilidad.

Las geomembranas de polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en inglés) son láminas poliméricas flexibles fabricadas con caras lisas o texturizadas con alta resistencia, buena compatibilidad química, bajo costo y pueden utilizarse en aplicaciones ambientales, como vertederos de residuos sólidos, residuos industriales, estanques de agua, estanques de líquidos residuales, estanques de granjas, tanques de agua elevados o enterrados, canales de aducción o riego, piscinas o playas artificiales.

Estas geomembranas tienen diferentes mecanismos de degradación. La degradación oxidativa puede considerarse la más perjudicial para las aplicaciones de revestimiento base. Por lo general, las geomembranas se sueldan en el lugar de aplicación.

La costura producto de este procedimiento se considera un punto crítico para posibles daños y futuras fugas en el sistema de barrera. Por lo tanto, algunos autores han realizado diferentes evaluaciones, incluyendo análisis térmicos, físicos y mecánicos, que mostraron un comportamiento de descomposición para muestras de lixiviados del relleno sanitario, probablemente causado por la interacción con los lixiviados.

En consecuencia, el uso de geomembranas de HDPE como revestimiento en los estanques de cultivo de camarón está limitado en algunos lugares del mundo, como la región noreste de Brasil. De allí la importancia de profundizar en los resultados de estudios que ofrecen nuevos datos acerca del rendimiento de estas geomembranas en aplicaciones de estanques de cultivo de camarones.

Materiales y métodos

Materiales

El estudio evaluó tres muestras de geomembranas de HDPE con 0.8 mm de espesor nominal, extraídas de dos estanques de dos granjas de cultivo de camarones en el noreste de Brasil. Las muestras identificadas como CAM y CAM1 representan la misma geomembrana instalada en un estanque de cultivo de camarones y se recolectaron después de 8.25 años de exposición en campo.

La muestra CAM se obtuvo del revestimiento inferior donde estuvo en contacto con agua salinizada. La muestra CAM1 se tomó del mismo estanque que la muestra CAM (Figura 1), pero del revestimiento de la pendiente donde estuvo expuesta a las condiciones ambientales durante 8.25 años.

Evaluación de geomembranas HDPE

La tercera muestra denominada CAM2 se seleccionó de otro estanque de cultivo de camarones (Figura 2), después de 3 años de uso. Este estanque tiene la particularidad de estar cubierto con una película plástica empleada en agricultura.

Evaluación de geomembranas HDPE

Propiedades físicas

Los análisis físicos realizados para evaluar las condiciones finales de las muestras de geomembranas HDPE fueron espesor, densidad, contenido de negro de humo, índice de fluidez y masa. El tiempo de inducción oxidativa (OIT, por sus siglas en inglés) se determinó con un equipo DSC, las propiedades de tracción con una máquina universal fabricada por EMIC y la prueba de resistencia al agrietamiento por tensión empleando un equipo fabricado por la empresa WT de São Carlos, Brasil.

Metodología termoanalítica

El análisis termogravimétrico (TG) se realizó con una velocidad de calentamiento de 10 ± 1ºC min−1
bajo purga de gas nitrógeno con una velocidad de flujo de 90 ± 5 mL min−1. El análisis DSC se efectuó aplicando una velocidad de calentamiento de 10 ± 1ºC min−1, en un rango de temperatura de 25–200 ± 2ºC, en un ambiente de gas nitrógeno con un flujo de 50 ± 5 mL min−1 en un crisol de aluminio.

El análisis DMA se llevó a cabo en el modo cantiléver doble con velocidad de calentamiento de 10 ± 1ºC min−1, calentando desde -100 ± 2ºC hasta 130 ± 2ºC. Se aplicó una amplitud de oscilación de 20 µm con una frecuencia de 1 Hz. Las dimensiones de las muestras fueron de 13 ± 1 × 35 ± 1 mm.

Los modelos de equipos utilizados fueron Q50, Q20 y Q800 respectivamente, para cada análisis, fabricado por TA Instruments, de New Castle, EE.UU.

Resultados y discusión

Resultados físicos

Las Tablas 1 y 2 muestran los resultados de las pruebas físicas obtenidos de las muestras tomadas en comparación con el GRI-GM13, que es una especificación estándar de los valores mínimos requeridos para las propiedades de estas geomembranas.

Evaluación de geomembranas HDPE

El resultado de los espesores medios de las muestras CAM1 y CAM2 fue inferior al valor nominal, lo cual puede contribuir a la degradación prematura de estas geomembranas, ya que el espesor influye en las propiedades mecánicas y la durabilidad del producto (Islam y Rowe, 2007).

Evaluación de geomembranas HDPE

Después de 8.25 años, las muestras tomadas de los estanques de cultivo de camarón arrojaron valores de densidad cercanos a 0.940 g cm−3. Sin embargo, la muestra CAM2 (de otro estanque de cultivo de camarón) presentó un valor de densidad de 0.952 g cm−3, superior al valor mínimo del GRI-GM13 y considerado alto para una geomembrana de HDPE moderna.

La alta densidad de la muestra CAM2 se puede atribuir al envejecimiento físico que afectó su cristalinidad. La curva DSC para esta muestra mostró un comportamiento diferente en el punto de fusión en comparación con las otras.

El contenido de negro de humo medido de las tres muestras fue satisfactorio, aunque la CAM1 presentó un valor superior a 3.0%. La prueba del índice de flujo de fusión evidenció un comportamiento atípico para la muestra CAM1.

No fue posible realizar el ensayo a la temperatura estándar (190ºC), porque el material se fundió muy rápidamente. La prueba se efectuó a 160ºC y el resultado del índice de flujo de fusión obtenido fue alto (3.9939 g 10 min−1).

Se considera que se produjeron diferentes cambios moleculares del polímero entre las muestras del estanque de cultivo de camarón después de 8.25 años de exposición, tomando en cuenta que CAM y CAM1 representan la misma geomembrana; sin embargo, la primera fue extraída del revestimiento inferior y la segunda del revestimiento del talud.

La muestra CAM2 presentó un resultado de prueba de índice de fluidez típico. Las muestras CAM y CAM1 mostraron una tendencia a la disminución de la tensión dúctil. El valor medio de la tensión de resistencia a la rotura y el valor medio de la tensión de elongación a la rotura fueron inferiores a los valores mínimos exigidos por el GRI-GM13.

La muestra CAM2 presentó un comportamiento frágil, su valor promedio de la tensión de alargamiento fue inferior a 350%, menos del 50% mínimo requerido en GRI-GM13 para la tensión de elongación.

La diferencia entre los resultados de la resistencia al agrietamiento por tensión de las muestras CAM y CAM1 fue evidente. La muestra CAM tuvo una alta resistencia al agrietamiento por tensión, superior al valor mínimo exigido en GRI-GM13; mientras que, la CAM1 presentó una resistencia al agrietamiento baja, cercana a cero.

Una geomembrana HDPE con un índice bajo de flujo de fusión puede significar un polímero con un alto peso molecular que resulta en un alto SCR. Esto se pudo observar en la muestra CAM1, con un valor alto en la prueba MFI y un valor bajo en la prueba SCR. La muestra CAM2 presentó un valor inferior al mínimo requerido por GRI-GM13.

Los resultados de la muestra CAM1 revelaron un agotamiento total de antioxidantes en la prueba HP OIT, y casi una depleción total de antioxidantes para la prueba estándar. La prueba OIT indicó la desprotección de los aditivos al polímero frente a la degradación termoxidativa.

La muestra CAM resultó con cierta cantidad de antioxidante en la prueba HP OIT, pero tuvo un valor bajo en la prueba estándar de OIT. La muestra CAM2 evidenció valores OIT inferiores al mínimo requerido en el GRI-GM13.

Evaluación termoanalítica

La Figura 3 muestra las curvas de TG/DTG para las muestras CAM, CAM1 y CAM2. Se observó un comportamiento térmico similar en las muestras CAM y CAM1, mientras que fue notablemente diferente en la CAM2, muestra extraída de un área protegida de la luz directa del sol.

Es interesante observar la existencia de estabilidad térmica para todas estas muestras hasta una temperatura de 248°C. Las muestras CAM y CAM1 (Figuras 3A y 3B) presentaron un comportamiento térmico similar hasta la temperatura de 347°C.

Evaluación de geomembranas HDPE

Sin embargo, se hace diferente después de esta temperatura, como se observa en las curvas TG/DTG. La muestra CAM, que estuvo bajo el agua durante todo su servicio, presentó una descomposición térmica mayor a las otras dos, mientras que en la muestra CAM1 expuesta a la radiación UV en la pendiente del estanque se observó una menor descomposición.

Este efecto se atribuye a las diferentes condiciones en las cuales se encontraban ambos materiales. En la Figura 4 se aprecian las curvas DSC. Se observan tres condiciones de análisis: (A) primer calentamiento, (B) segundo calentamiento y (C) enfriamiento (después del primer calentamiento).

Evaluación de geomembranas HDPE

El primer calentamiento (Figura 4A) refleja el punto de fusión de las muestras en las condiciones en las cuales se tomaron en los respectivos estanques y lugares. En la Figura 4B se observa el segundo calentamiento de estos materiales.

En la Figura 4C se aprecia los picos de cristalización, obtenidos después del primer calentamiento. Se puede notar que los picos de cristalización coinciden (115°C) debido al efecto causado por la fusión (homogenización del material).

Conclusiones

Se evaluaron tres muestras de geomembranas HDPE tomadas de dos estanques de cultivo de camarones utilizando análisis físico y térmico. La alta densidad de la muestra CAM2 se puede atribuir al envejecimiento físico, que afectó la cristalinidad de la geomembrana.

La curva DSC para esta muestra tuvo un comportamiento diferente en el punto de fusión en comparación con las otras. La muestra CAM1 presentó un MFI atípico porque el resultado fue alto y el material se fundió rápidamente, evidenciando los cambios moleculares del polímero ocurridos en esta.

La muestra CAM2 presentó un comportamiento de fragilidad a la tracción, demostrado con el valor promedio de tensión de elongación en la rotura, inferior a 50% del mínimo exigido en GRI-GM13. Las muestras CAM y CAM1 evidenciaron una tendencia de disminución en el comportamiento dúctil.

La muestra CAM presentó un alto valor de resistencia al agrietamiento por tensión, mientras la CAM1 una baja resistencia al agrietamiento por tensión, cercana a cero, lo que demuestra el efecto de la exposición a la intemperie en esta muestra.

Por lo tanto, se observó que la exposición ambiental durante 8.25 años cambió el comportamiento de la muestra CAM1 en comparación con la muestra CAM, específicamente en cuanto a viscosidad, resistencia al agrietamiento por tensión y protección de los antioxidantes al polímero, demostrando cómo afectaron las condiciones iniciales de la muestra CAM1.

Además, la muestra CAM2 presentó alto valor de densidad, comportamiento frágil a la tensión y comportamiento térmico diferente al de las otras muestras. La muestra CAM2 reveló un evento en el análisis DMA que tuvo una disminución significativa de la rigidez.

La muestra CAM1 evidenció viscosidad atípica, resultado bajo de SCR y desprotección de los aditivos contra la degradación oxidativa, debido al alcance de su tiempo de vida. La muestra CAM2 presentó comportamiento frágil a la tracción, valor de SCR bajo y valor estándar de OIT bajo, que puede derivar en una falla en el sistema.

La muestra CAM cambió su comportamiento físico y térmico, pudiendo causar una rotura del revestimiento a corto plazo. En definitiva, el uso de las muestras CAM1 y CAM2 como revestimiento, puede causar una falla del sistema.

REEF

La versión informativa del artículo original está patrocinada por: REEF INDUSTRIES INC

REEF

Esta es una versión resumida desarrollada por el equipo editorial de Panorama Acuícola del artículo titulado “EVALUATION OF EXHUMED HDPE GEOMEMBRANES USED AS A LINER IN BRAZILIAN SHRIMP FARMING PONDS” escrito por FERNANDO LUIZ LAVOIE- Mauá Institute of Technology and University of São PauloUSP; MARCELO KOBELNIK – University of São Paulo-USP; CLEVER APARECIDO VALENTIN – University of São Paulo-USP; ÉRICA FERNANDA DA SILVA TIRELLI – Mauá Institute of Technology; MARIA DE LURDES LOPES – University of Porto; JEFFERSON LINS DA SILVA – University of São Paulo-USP.
La versión original fue publicada en NOVIEMBRE 2021 en CASE STUDIES IN CONSTRUCTION MATERIALS.
Se puede acceder a la versión completa a través de
https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00809

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