Preliminarna ispitivanja plinopropusnosti tla i glinenih geosintetičkih barijera

Poslijediplomski studij

Autor: dr.sc. Helena Vučenović, mag.ing. rud.

Sposobnosti nekog poroznog medija, pa tako i tla, da omogući protjecanje fluida kroz njega nazivamo propusnost. Fluidi koji prolaze kroz poroznu sredinu mogu biti različite vrste plinova ili tekućina. Hidraulička propusnost tla danas je dobro poznata veličina, a opisana je advektivnim režimom toka. Međutim, obzirom da se u prirodi fluid u poroznim medijima vrlo često javlja u obliku plina pojavljuje se potreba za poznavanjem plinopropusnosti određenih materijala. Ovaj podatak postaje sve interesantniji u posljednje vrijeme, uglavnom vezano uz probleme zaštite okoliša, posebno u geotehničkom inženjerstvu okoliša. Ovdje se posebna pozornost usmjerava na velike količine bioplina koje se stvaraju u tijelu odlagališta što je najizraženije na početku životnog vijeka odlagališta.

Emisija odlagališnih plinova u atmosferu pridonosi pored drugih čimbenika stvaranju efekta staklenika što dugoročno  uzrokuje klimatske promjene i globalno zatopljenje te posljednjih godina postaje sve veći problem u cijelom svijetu. Najveći utjecaj na klimatske promjene imaju, od svih komponenti odlagališnih plinova složenog sastava, emisija metana (CH4) i ugljičnog dioksida (CO2) koji su proizvod anaerobnog raspadanja organskog otpada (Lou & Nair, 2009).

Obzirom da se radi o izrazitim stakleničkim plinovima, potrebno je spriječiti njihovo slobodno otpuštanje u atmosferu. U posljednje se vrijeme jako često u završni pokrov odlagališta kao brtvena komponenta ugrađuje upravo Geosynnthetic Clay Liner – GCL (slika 1). GCLs su umjetno proizvedene barijere koje se sastoje od tankog sloja bentonitne gline između dva sloja geotekstila. Pri tome je bentonitna glina nepropusna komponenta dok su slojevi geotekstila nosiva komponenta. Već su ranija istraživanja pokazala da je GCL vrlo efikasna hidraulička barijera, međutim sve više raste interes za određivanjem efikasnosti GCL-a kao plinske barijere.

slika1-odlagalište_hr.jpg

Slika 1 Presjek odlagališta s detaljem temeljnog i pokrovnog zaštitnog sustava .

Ispitivanja plinopropusnosti GCLs provode se od početka devedesetih godina prošlog stoljeća, a danas se tradicionalno najčešće koristi mjerenje protoka plina kroz GCL pri stacionarnim uvjetima metodom stalne razlike potencijala (Bouazza et al. 2002, Bouazza and Vangpaisal 2003, 2004, Didier et al. 2000, Vangpaisal and Bouazza 2004).

Pregledom dosadašnjih ispitivanja i dobivenih rezultata može se zaključiti kako najveći utjecaj na propusnost plina ima vlažnost i stupanj saturacije uzorka. Međutim i dalje postoji potreba za detaljnijim analizama određenih parametara kao su primjerice vrijednosti vlažnosti i saturacije uzorka prije i poslije ispitivanja. Velik broj čimbenika mogu utjecati na rezultate ispitivanja plinopropusnosti.

S ciljem određivanja parametara propusnosti plina kroz medije kao što su brtvene barijere u Geomehaničkom laboratoriju na RGN fakultetu razvila se metoda za određivanje plinopropusnosti na različitim uzorcima tla. Laboratorijska ispitivanja plinopropusnosti provode se u troosnom uređaju koji je spojen na osobno računalo. Kako bi se uz standardna ispitivanja na troosnom uređaju mjerio protok zraka kroz uzorak, na donju bazu uzorka priključen je dovod zraka pod povišenim tlakom, a na gornju stranu uzorka mjerač protoka zajedno s mjernim pretvornikom protoka. Izvor konstantnog tlaka je kompresor za zrak. Istjecanje zraka s druge strane mjeri se vrlo preciznim mjeračem protoka pri atmosferskom tlaku koji je spojen na pretvornik protoka priključen na osobno računalo kojim se prikupljaju podaci protoka. Uređaj za mjerenje plinopropusnosti konstruiran je tako da tijekom provedbe pokusa mogu približno simulirati između ostalog uvjeti u pokrovnom sustavu na odlagalištu otpada gdje je GCL izložen djelovanju nadsloja i utjecaju okolnih slojeva. Shema uređaja za ispitivanje plinopropusnosti prikazana je na slici 2. (Vučenović 2016).

20200515 1

Slika 2 Shema uređaja za mjerenje plinopropusnosti.

Uzorci različitih vrsta tla i uzorak GCL-a na kojima su provedena laboratorijska ispitivanja plinopropusnosti prikazani su na slici 3.

20210618 4

Slika 3 Različiti uzorci tla na kojima se provodila analiza plinopropusnosti

Modificiranjem standardnog troosnog uređaja te povođenjem većeg broja ispitivanja na različitim vrstama uzoraka rezultiralo je razvojem laboratorijske metode za određivanje plinopropusnosti. Rezultati ispitivanja ukazuju na uspješnost razvijene metode obzirom da se vrijednosti propusnosti porozne sredine pojedinih uzoraka tla nalaze u rasponu ranijih ispitivanja plinopropusnosti. Propusnost porozne sredine svih uzoraka bila  je u rasponu od 1,45 × 10-13 do  4,71 × 10-13 m2.

Analizom rezultata također se ustanovilo kako uzorci bentonitne gline i GCL-a pri suhom stanju ne predstavljaju efikasnu plinsku barijeru čija je propusnost manja od propusnosti nekih drugih materijala. Smatra se da je za određivanje optimalne vlažnosti uzorka GCL-a za ugradnju u pokrovni sustav odlagališta potrebno pripremiti uzorke velikog raspona početne vlažnosti za ispitivanje plinopropusnosti, kako bi se odredila optimalna plinopropusnost koja bi obavljala funkciju brtvljenja. Također se može napomenuti kako je ispitivanje plinopropusnosti u troosnoj ćeliji vrlo pristupačno obzirom da je potrebno samo modificirati postojeću troosnu ćeliju dodavanjem mjeraća protoka i izvor plina.

Reference:

Bouazza A, Vangpaisal T and Rahman F (2002) Gas Migration Through Needle Punched Geosynthetic Clay Liners, In Proceed. International symposium on clay geosynthetic barriers., Nuremberg, Germany, 16-17 April 2002, Zanzinger, Koerner& Gartung (eds), Swets & Zeitlinger, Lisse, 165-176.

Bouazza A and Vangpaisal T (2003) An apparatus to measure gas permeability of geosynthetic clay liners, Geotextiles and Geomembranes 21, 85–101.

Didier G, Bouazza A and Cazaux D (2000) Gas permeability of geosynthetic clay liners, Geotextiles and Geomembranes 18, April 2000, 235-250.

Lou, X.F., Nair J. (2009): The impact of landfilling and composting on greenhouse gas emissions – A review, Bioresource Technology, Volume 100, Issue 16, August 2009, Pages 3792–3798.

Vangpaisal T and Bouazza A (2004) Gas permeability of partially hydrated geosynthetic clay liners. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 130(1): 93–102.

Vucenovic H (2016) The development of laboratory test method of geosynthetic clay liners gas permeability, doctoral thesis, University of Zagreb, Faculty of mining, geology and petroleum Engineering, Zagreb, 2016.


Dr. sc. Helena Vučenović, mag.ing. rud.  je poslijedoktorand na Zavodu za rudarstvo i geotehniku na Rudarsko-geološko-naftnom fakultetu Sveučilišta u Zagrebu. U rujnu 2016. obranila je doktorski rad pod nazivom Razvoj metode laboratorijskog ispitivanja plinopropusnosti glinenih geosintetičkih barijera.

ResearchGate https://www.researchgate.net/profile/Helena-Vucenovic

Google Scholar https://scholar.google.hr/citations?user=kYsmjmEAAAAJ&hl=hr

CROSBI https://www.bib.irb.hr/pretraga?operators=and|Vu%C4%8Denovi%C4%87,%20Helena%20%2827389%29|text|profile