Release of organic compounds from polymer pipes used in drinking water distribution

Plastrør til anvendelse i drikkevandsforsyning og VVS installationer i husstande frigiver organiske stoffer til forbrugernes drikkevand. For eksempel er det fundet at nye polyethylenrør kan frigive mellem <0,1 og 5 mg organiskkarbon per liter i løbet af tre dage med vand eksponering. En lille procentdel af denne masse vil være fenoler, ketoner og quinoner, hvoraf de to mest almen fundne stoffer er 2,6-di-tert-butyl-p-benzoquinon og 7,8-di-tert-butyl-1-oxaspiro(4,5)deca-6,9-dien-2,8-dion. Disse er i litteraturen blevet målt i koncentrationer op til hhv. 16 g/L og 44 g/L. Denne migration af organiske stoffer øger væksten af biofilm i vandrør. Dette skyldes at en lille procentdel af de frigivne stoffer vil bliver assimileret af mikroorganismerne. For a opnå en dybere forståelse for de fysiske og kemiske parametre som har betydning for de i litteraturen målte koncentrationer, er film-lags teorien og en massebalance for et rør anvendt til at udlede en ligning til beregning af en migrants udløbskoncentration fra et rør. Denne ligning viser at de to kemiske parametre af betydning er migrantens diffusionskoefficient i vand og dens fordelingskoefficient på vand polymer grænsefladen. De fysiske parametre af betydning er rørdiameter, strømningshastighed og rørlængde. Ligningen indikerer yderligere at vand med en turbulent strømning, vil have markant højere udløbskoncentrationer af organiske stoffer end vand med en laminar strømning. Ved at anvende viden i litteraturen om nedbrydningsreaktioner af polyethylenkæder i polymermassen, er det udledt at antioxidanterne bliver nedbrudt ifølge en første ordens reaktion med hensyn til iltkoncentrationen. Ved tilstedeværelse af hypochlorsyrling (HOCl) vil en anden ordens nedbrydning af antioxidanterne Irganox® 1010 og 1076 blive observeret. Dette er implementeret i en model til beregning af nedbrydningen af antioxidanter i rørvæggen. Dertil anvendes ligningen for migranternes flux og migranternes teoretiske fordelingskoefficient på vand polyethylene grænsefladen. Modellen er fundet gyldig til beregning af nedbrydningen af Irganox® 1076 i et krydsbundet polyethylen rør (PEX) af typen A, som er eksponeret med vand indeholdende oxygen og hypochlorsyrling. Derudover er det vist, at modellen kan anvendes ved beregning af Irganox® 1010 og Irgafos® 168 nedbrydning i et højdensitet polyethylen rør (HDPE). viii Den maksimale udløbskoncentration af et givent organisk stof i forbrugernes drikkevand er produktet af fordelingskoefficienten på vand polyethylen grænsefladen og migrantens koncentration i polymeren ved grænsefladen. Hvis man anvender vand noctanol fordelingskoefficienten som den teoretiske vand polyethylen fordelingskoefficient, vil den maksimale koncentration af Irganox® 1010 i drikkevand eksponeret af danske polyethylenrør blive mellem 1,5 og 2,0 ag/L (1 ag = 10-18 g). En ny solventekstraheringsteknik er udviklet, således at Irgafos® 168 og Irganox® 1076 og fem af antioxidanternes nedbrydningsprodukter kan kvantificeres. Teknikken anvender en drejelig Microtome således, at der kan laves snit med tykkelsen 5 m af plastrørvæggen. Ved anvendelse af Hildebrand’s opløselighedsteori og Fick’s anden diffusionslov er det fundet, at en ekstrahering i kloroform i 24 timer sikrer, at 99% af antioxidanterne og deres nedbrydningsprodukter er ekstraheret fra plasten til solventen. Resultaterne er anvendt til at definere om antioxidantsammensætningen er homogen. En tovejs ANOVA analyse af Irganox® 1076 i et kryds-bundet polyethylen (PEX) rør af typen A, viser at sammensætningen er homogen i den radiale retning men heterogen i længde retningen. Denne heterogene sammensætning vil betyde varierende migrationer af organiske stoffer langs røret. Dette betyder at certificeringsproceduren for nye rør, ISO 8795:2001, burde eksponere et langt polyethylenrør (e.g. 10 m) for at opnå en repræsentativ migrantkoncentration i det eksponerede vand. Migranterne kan blive delt ind til to grupper. Den første gruppe består af de migranter, som vil blive frigivet i den første periode af et rørs levetid. Disse vil være små polyethylen kæder med en polær oxygengruppe og antioxidanternes’ nedbrydningsprodukter dvs. fenoler, ketoner og quinoner, som er dannet under produktionen af røret. Den anden gruppe består af organiske stoffer som fenol, keton og quinon der er dannet under nedbrydningen af antioxidanterne inde i polymermassen. Disse migranter kan forventes at blive frigivet i hele rørets levetid. Længden af den første tidsperiode er fundet til at være inden for rørets første tre års anvendelse for PEX rør, hvorimod HDPE rør ikke når at afslutte første tidsperiode i vandrørs praktiske levealder (omkring 100 år).