Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
VAK Russia 2.1.5
UDC 628.144
CSCSTI 70.19
Russian Classification of Professions by Education 08.03.01
The need for investments to ensure major repairs, renovation and modernization of the existing infrastructure of housing and communal services is one of the key problems of the housing and communal services industry. According to various estimates, the wear of water supply networks ranges from 40 to 60%, and the replacement rate is comparable to the increase in pipeline wear. In recent years, there has been a significant increase in the production and use of polymer pipes, including for the needs of housing and communal services in general and water supply in particular. This is due to a number of advantages over traditional materials, especially the widespread steel pipes. The article presents a technical and economic analysis of the production of polyethylene pipes (PE100, SDR17) with antibacterial additives for indoor and outdoor drinking water supply systems. The most popular types of additives are considered: silver, copper and zinc compounds, as well as two introduction technologies — masterbatch and compounding. A comparative calculation of the cost of pipes with diameters of 32, 40 and 110 mm with and without antibacterial properties has been carried out, taking into account the consumption of raw materials, the cost of additives and technological surcharges. The results show that additives provide a significant increase in cost — zinc additives are the most economical, and compounding reduces costs and migration of antibacterial components compared to masterbatches.
Housing and communal services, water supply, polyethylene pipes, antibacterial additives, masterbatch, compounding
Введение
Потребность в инвестициях для обеспечения капитального ремонта, обновления и модернизации существующей инфраструктуры систем ЖКХ является одной из ключевых проблем отрасли жилищно-коммунального хозяйства. Если обратить внимание на сети централизованного водоснабжения, то их износ по разным оценкам составляет от 40 до 60% [1]. При этом существующие объемы замены сетей на уровне примерно 1% сопоставимы с приростом износа и не позволяют коренным образом улучшить ситуацию. А переход к уровню замены 3-5% потребуют значительных вложений. По некоторым оценкам, на обновление сетевой инфраструктуры систем централизованного водоснабжения в период с 2025 по 2035 гг. может потребоваться до 9 трлн руб. [1].
При этом износ сетей неизбежно связан с аварийностью на сетях, приводящим к различным последствиям, в том числе потерям ресурсов (вода, энергия и т. п.), что влечет за собой значительный ущерб в масштабах страны.
В последние годы наблюдается значительный рост в производстве и объеме применения полимерных труб, в том числе для нужд ЖКХ в целом и водоснабжения в частности. Это обусловлено рядом преимуществ перед традиционными материалами, особенно широко распространёнными трубами из стали. Производители гарантируют надежность полимерных труб на срок до 50 лет. При этом на уровне экспертного сообщества утверждается срок службы полимерных труб до 70-100 лет. Таким образом полимерные трубопроводные системы могут служить одним из решений в части снижения износа сетей водоснабжения, учитывая протяженность трубопроводных систем водоснабжения.
Поскольку бактерицидные трубопроводные системы имеют потенциально наиболее широкое применение для систем водоснабжения, в дальнейшем будет рассматриваться только особенности их применения только для этого сегмента систем ЖКХ [2-4].
В целом объем производства полиэтиленовых труб составляет около 630 тыс.т в год по состоянию на 2025 г., однако в различные годы динамика может различаться, что связано с различными факторами.
Если рассмотреть антибактериальные (бактерицидные и пр.) трубы, то в настоящий момент они относятся к категории высокотехнологичных труб со специальными свойствами, доля которых на рынке может быть оценена как незначительная [5-7]. Такие трубы производятся преимущественно методом соэкструзии и требуют использования специализированного сырья. Ограниченность производства таких труб может быть обусловлена следующими факторами:
- высокая стоимость специализированного сырья;
- необходимость соблюдения строгих технологических параметров;
- потребность в квалифицированном персонале.
Тем не менее на настоящий момент можно выделить и некоторые тенденции развития этого сегмента:
- рост спроса на трубы с антибактериальными свойствами;
- расширение возможностей реализации данной технологии;
- интерес к применению в системах питьевого водоснабжения, в том числе в рамках государственных программ модернизации ЖКХ;
- повышение требований к качеству воды;
- развитие медицинских учреждений, для которых применение такой трубной продукции могло бы быть особенно актуально.
Материалы и методы
Самым распространенным типом полиэтилена в РФ является полиэтилен марки ПЭ100, который используется для производства большинства труб для систем водоснабжения. Изготовление таких труб как правило производится по ГОСТ 18599-2001 «Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия». Для внутреннего слоя предпочтительны те же или совместимые марки полиэтилена для обеспечения адгезии и термостойкости. Если используются разные полимеры — применяют связующий слой, например, полиэтилен, функционализированный малеиновым ангидридом (PE‑g‑MA).
К наиболее популярным компонентам относятся ионы/наночастицы серебра (Ag), медь (Cu, CuO), оксид цинка (ZnO), медьсодержащие цеолиты; органические биоциды используются реже для трубопроводных систем водоснабжения. Некоторые свойства добавок представлены в таблице 1. Добавки как правило могут быть представлены в следующих формах: дисперсные наночастицы (инкапсулированные или с матрицей), концентрированные смеси на полимерном носителе, стекловидные дисперсии, керамические носители [8-11]. К добавкам предъявляются требования по термостабильности при температуре экструзии (190–260 °C), устойчивости к агрегации, минимальному разрушению полимера, низкая миграции и соответствию санитарно-гигиеническим требованиям в случае использования для питьевого водоснабжения [12-15].
Таблица 1
Сравнительные характеристики различных бактерицидных добавок
|
Параметр |
Ag (нанопорошки) |
Cu/CuO |
ZnO |
|
Стоимость |
Очень высокая (до 300 тыс.руб/кг) |
Средняя (5-10 тыс.руб./кг) |
Низкая (1-3 тыс.руб./кг) |
|
Антимикробная активность |
Очень высокая (низкие дозы) |
Высокая |
Умеренная — требует больших доз |
|
Примерное содержание в массе полимера |
0.01–0.5% (в зависимости от формы) |
0.1–2% |
0.5–5% |
|
Термостабильность при экструзии ПЭ |
Обычно хорошая; |
Возможно окисление меди; |
Хорошая; |
|
Склонность к агломерации / требуется диспергирование |
Высокая — предпочтительны функциональные покрытия/стабилизаторы |
Высокая — нужна стабилизация |
Зависит от размера; легче диспергируется чем Ag |
|
Риск вымывания и образования ионов |
Выделение Ag+ — существенный фактор; риск превышения ПДК при плохой фиксации |
Выделение Cu2+ — высокая токсичность водной биоты |
Выделение Zn2+ — менее токсично, но в больших дозах проблемно |
|
Воздействие на людей при низком уровне экспозиции |
Низкая при малых концентрациях; при высоких — возможна цитотоксичность, системная аккумуляция |
Cu токсичен в больших концентрациях |
Zn — элемент необходим; высокие дозы вызывают желудочно‑кишечные расстройства |
|
Влияние на полимер (ПЭ) |
Возможна термо‑/фотостабильность; риск катализа окислительной деградации |
Может способствовать окислению или деградации полимера |
ZnO может катализировать УФ‑деградацию (вне тёмной среды); |
|
Основные преимущества |
Очень сильное антимикробное действие при низких загрузках |
Хорошее соотношение цена/эффективность |
Низкая цена; доступность; более «мягкое» экологическое воздействие при тех же дозах |
|
Основные |
Цена; |
Окисление, токсичность водной биоты; |
Требует больших концентраций; |
Анализ способов производства труб
Существует два основных способа производства полипропиленовых труб с антибактериальными свойствами: использование мастербатчей (предварительно подготовленных концентратов) и компаундирование (прямое смешивание антибактериальных компонентов с базовым полимером).
Мастербатчи представляют собой концентраты, в которых антибактериальные добавки уже равномерно распределены в полимерной матрице и упакованы для последующего смешивания с основной партией полипропилена на этапе переработки. При использовании мастербатчей достигается хорошее качество распределения активных компонентов, удобство дозирования и снижение технологических рисков. Однако, при высокой температуре переработки возможна частичная миграция активных веществ к поверхности, что может увеличить их вымываемость в транспортируемую воду.
Компаундирование — это процесс непосредственного смешивания антибактериальных компонентов с гранулами полипропилена на стадии экструзии с последующим формированием трубы. Такой метод позволяет интегрировать антибактериальные агенты более глубоко и равномерно в структуру полимера, снижая вероятность их миграции. Компаундирование обеспечивает более устойчивое закрепление активных веществ в материале трубы.
По показателям миграции антибактериальных компонентов в водную среду компаундирование считается более эффективным методом, так как антимикробные агенты находятся внутри полимерной матрицы, а не на поверхности. Это снижает риск их вымывания и обеспечивает долговременную защиту. Мастербатчи чаще создают эффект более интенсивной, но менее длительной активности за счет большей концентрации активных веществ на поверхности.
При использовании мастербатчей, затратным является производство специализированных концентратов с высокой концентрацией антибактериальных добавок, которые затем дозируются и смешиваются с базовым полипропиленом на этапе изготовления труб. Этот метод требует дополнительных расходов на приобретение и хранение готовых концентратов, а также возможных затрат на оборудование для точного дозирования. Хотя мастербатчи обеспечивают гибкость в регулировании концентрации добавок и способность быстро менять рецептуру, себестоимость продукции обычно выше за счет стоимости концентрата и дополнительных технологических процессов.
Компаундирование позволяет более эффективно интегрировать добавки в структуру материала, снижая потери компонентов, оптимизируя расход и уменьшая необходимость в дополнительной логистике. Вследствие этого технологические затраты на этапах компаундирования и экструзии меньше, при этом обеспечивается более равномерное распределение антибактериальных средств и меньшая миграция. Однако первоначальные капитальные вложения в оборудование и технологии компаундирования могут быть выше.
В итоге, метод мастербатчей обычно удорожает производство примерно на 10-20% по сравнению с базовой трубой из-за стоимости и логистики концентратов, а затраты на компаундирование складываются из инвестиций в технологии, но в производственном цикле дают более низкие переменные расходы, что в среднем снижает себестоимость труб с антибактериальными свойствами на 5-15% по сравнению с мастербатчами.
Таким образом, на долгосрочной перспективе компаундирование обеспечивает более экономичное производство с равномерным качеством продукта, в то время как мастербатчи подходят для меньших объемов и быстрой смены рецептуры, но с большими удорожаниями производства. Выбор зависит от объема производства, технической оснащенности и требований к экспертной оценке миграции антибактериальных веществ.
Антибактериальные добавки на основе цинка, серебра и меди, используемые в производстве полиэтиленовых труб, отличаются по стоимости и эффективности, что значительно влияет на конечную себестоимость трубопроводов (таблица 2). Добавки на основе серебра считаются наиболее эффективными с мощным и долговременным бактерицидным действием, и способны обеспечить максимальную антибактериальную защиту, но существенно увеличивают стоимость труб (до 2-2,5 раза), что может быть оправдано для особо ответственных объектов, например, медицинских учреждений или предприятий пищевой промышленности. Однако их стоимость самая высокая. Цена на коллоидное серебро или ионы серебра может доходить до 100-300 тыс. рублей за кг (включая нанотехнологии), но расход на производство труб обычно составляет 0,001–0,005 кг на кг полимера, что увеличивает стоимость материала примерно на 10-30% в зависимости от концентрации. Добавки на основе меди дешевле серебра и обладают хорошими антибактериальными свойствами. Стоимость порошка меди или медных соединений — порядка 5-10 тыс. рублей за кг, с расходом около 0,01–0,03 кг на кг полимера.. Цинковый порошок стоит примерно 1-3 тыс. рублей за кг, с расходом около 0,02–0,05 кг на кг полимера.
Таблица 2
Влияние добавок на стоимость трубного полиэтилена (ПЭ 100)
|
Добавка |
Стоимость 1 кг добавки (руб.) |
Расход на 1 кг ПЭ (кг) |
Стоимость добавки на 1 кг ПЭ (руб.) |
Процент от стоимости сырья ПЭ (270 руб/кг) |
|
Серебро |
150 000 |
0,002 |
300 |
110% |
|
Медь |
8 000 |
0,02 |
160 |
60% |
|
Цинк |
2 000 |
0,04 |
80 |
30% |
Далее проведем расчет затрат на производство полиэтиленовых труб (ПЭ 100, SDR 17) с антибактериальными свойствами и без таковых для диаметров 32, 40 и 110 мм, исходя из рыночной цены базовой трубы (без добавок) диаметром 32, 40 и 110 мм на уровне 80, 120 и 900 рублей за погонный метр, соответственно. Для расчета примем, что доля сырья в рыночной цене трубы составляет около 60%. С учетом массы 1 п.м. трубы для указанных труб, равной 0,18, 0,27 и 2,04 кг., соответственно, удельной дозы стоимости добавки (таблица 2), а также ориентировочного увеличения стоимости производства на 18% и 5% для мастербатчей и компаундирования, оценим затраты на производство полиэтиленовых труб с различными антибактериальными добавками (таблица 3).
Таблица 3
Влияние добавок на стоимость труб
|
Диаметр (мм) |
Метод |
БС (руб/м) |
Ag (руб/м) |
Ag (+%) |
Cu (руб/м) |
Cu (+%) |
Zn (руб/м) |
Zn (+%) |
|
32 |
БС |
48.0 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
МБ |
- |
116.4 |
142.5 |
88.5 |
84.4 |
73.8 |
53.8 |
|
|
КП |
- |
103.6 |
115.8 |
78.8 |
64.2 |
65.6 |
36.7 |
|
|
40 |
БС |
72.0 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
МБ |
- |
179.4 |
148.8 |
132.4 |
83.6 |
109.8 |
52.3 |
|
|
КП |
- |
159.6 |
121.4 |
117.8 |
63.4 |
97.8 |
35.6 |
|
|
110 |
БС |
540 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
МБ |
- |
1342.5 |
148.8 |
1014.2 |
87.9 |
824.9 |
52.9 |
|
|
КП |
- |
1196.4 |
121.7 |
902.5 |
67.2 |
734.6 |
36.1 |
Примечание: БС – базовая себестоимость; МБ – мастербатч; КП – компаундирование
При производстве полиэтиленовых труб с использованием мастербатчей затраты возрастают на величину до 20% за счет необходимости приобретения и доставки концентратов, при этом указанная величина прироста практически не меняется в зависимости от объемов производства. Компаундирование обеспечивает лучшую равномерность смешения с минимальной миграцией добавок в окружающую среду, однако требуются капитальные вложения на приобретение экструдер-компаундера, но удельный вес этих затрат будет снижаться по мере увеличения объемов производства. Таким образом, если при малых партиях удельный вес дополнительных затрат для двух методов может быть сопоставимым, то при увеличении количества производимых труб разница между стоимостью использования двух методов будет только увеличиваться. Также следует отметить и потенциальную экономию затрат на водоподготовку в среднем на уровне 0,5 руб/м³ воды.
Заключение
Проведенный анализ свойств антибактериальных добавок, а также результаты технико-экономического расчет позволяют сделать следующие выводы:
- Применение антибактериальных добавок увеличивает себестоимость производства труб, как за счет стоимости самих добавок, так и в результате усложнения технологического процесса производства;
- Из рассмотренных добавок на основе серебра, меди и цинка, первые обладают наибольшей биоцидной способностью, но являются более дорогими, поэтому их применение существенно увеличивает стоимость производства труб. В результате этого применение таких добавок может быть целесообразно для объектов повышенного уровня ответственности;
- Добавки на основе цинка и меди значительно дешевле, однако при их применении бактерицидный эффект может быть ниже, кроме того следует принять меры по предотвращению миграции активного вещества в транспортируемую воду.
1. Sfera vodosnabzheniya i vodootvedeniya v Rossii: tekushhee sostoyanie i puti razvitiya [Sector of water supply and sewage in Russia: current state and ways of development]. Centr strategicheskix razrabotok. Moskva, 2024, 101 p.
2. Lyusova L.R., Ilʹin A.A., Shibryaeva L.S. Sposoby borʹby s bioplenkami na poverkhnosti polimernykh materialov [Methods for mitigation of biofilms on the surface of polymer materials] // Tonkie khimicheskie tekhnologii. 2018. Vol. 13. No.6. pp. 5-27. DOI: https://doi.org/10.32362/2410-6593-2018-13-6-5-27; EDN: https://elibrary.ru/PPSANN
3. Sautkina T.N., Kalyakin A.M., Chesnokova E.V., Khurchakova A.A. Kachestvennyj analiz protsessov obrastaniya truboprovodov kholodnogo vodosnabzheniya [Quality analysis of fouling processes in cold water pipelines] // Nauchnye trudy SWorld. 2013. T. 35. № 4. S.49–51. EDN: https://elibrary.ru/RTYUXB
4. Trufakina L.M. Puti povysheniya ekologicheskoj i tekhnogennoj bezopasnosti sistem vodosnabzheniya s pomoshchʹyu polimernykh kompozitov [Improvement of the environmental and man-made safety of water supply systems using polymer composites] // Voda: khimiya i ekologiya. 2011. № 9. S. 92–97 EDN: https://elibrary.ru/OAMEGX
5. Y. Bai, S. Xue, Y. Wu, H. Wang, R. Wang, L. Chang, Z. Chen, H. Hu. Pipe material significantly affected microbial regrowth and potential risks in reclaimed water distribution systems // Journal of Hazardous Materials. 2025. Vol. 499. no. 140116. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.140116
6. R.O. Okpuwhara, B.O. Oboirien. Piezoelectric polymer nanocomposite: Fabricating methods for materials and devices // Nano Trends. - 2025. - Vol. 12. - No.100166. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nwnano.2025.100166 EDN: https://elibrary.ru/CWWPFC
7. R. Dhairiyasamy, D. Gabiriel, G. Varudharajan, J.M. Manivannan, B. S. Arputharaj, M. Al Awadh, Q.M. Al-Mdallal. Impact of coated silver nanoplates on the thermal efficiency of heat pipes under varying operating conditions // Case Studies in Thermal Engineering. - 2025. - Vol. 67. -No.105662. DOI:https://doi.org/10.1016/j.csite.2024.105662 EDN: https://elibrary.ru/NYHOGS
8. H. Jemii, A. Boubakri, A. Bahri, D. Hammiche, K. Elleuch, N. Guermazi. Tribological behavior of virgin and aged polymeric pipes under dry sliding conditions against steel // Tribology International. -2021. - Vol. 154. - No.106727. DOI:https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106727 EDN: https://elibrary.ru/JJBOIB
9. Z.H. Ali, A.H. Al-Fatlawi. Efficiency of silver nano particles in removing Escherichia coli ATCC 25922 from drinking water distribution pipes // Results in Engineering. - 2023. - Vol. 17. - No. 100988. DOI:https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.100988 EDN: https://elibrary.ru/OPYFZQ
10. G. Yu, W. Hong, L. Ran, Q. Du, H. Wang, Z. Wang, S. Guo, C. Li. Achieving superior low-temperature mechanical performances by nacre-like alternating microlayered structures in PP/POE-based pipes // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2025. - Vol. 189. - No. 108598. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108598 EDN: https://elibrary.ru/HYKFMI
11. A.U. Razzaq, M.R. Esfahani. Upcycled PVC support layer from waste PVC pipe for thin film composite nanofiltration membranes // Separation and Purification Technology/ - 2024. - Vol. 340. - No. 126747. DOI:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126747 EDN: https://elibrary.ru/WVNBAM
12. I.O. Oladele, V.O. Oki, T.F. Omotosho, M.B. Adebanjo, O.T. Ayanleye, S.A. Adekola. Sustainable polymer and polymer-based composite materials for extreme conditions and demanding applications – A review on pushing boundaries in materials science // Next Materials. - 2025. Vol. 8. - No. 100775. DOI:https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.100775 EDN: https://elibrary.ru/WOKCFT
13. M. Guidoum, N. Verdú, J.L. Todolí, L.P. Maiorano, J.M. Molina. Development of open-pore polymer and ceramic foams/Guefoams with tunable fluid-dynamic properties: Application in highly efficient water bacteria removal // Materials & Design. - 2023. - Vol. 235. - No. 112418. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112418
14. L. Shan, S. Xu, Y. Pei, Z. Zhu, L. Xu, X. Liu, Y. Yuan. Effect of domestic pipe materials on microbiological safety of drinking water: Different biofilm formation and chlorination resistance for diverse pipe materials // Process Biochemistry. - 2023. - Vol. 129. - P. 11-21. DOI:https://doi.org/10.1016/j.procbio.2023.03.012 EDN: https://elibrary.ru/VZJDKH
15. A. Trusz, J. Gorlach, D. Gazda, K. Piekarska. Biofilm formation in the drinking water distribution system, on selected pipe materials in flow reactors – preliminary investigations // Ecohydrology & Hydrobiology. - 2024. - Vol. 24. - Iss. 3. - P. 535-542. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2024.06.001
