POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY. Katedra Technologii Chemicznej

Transkrypt

1 POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY Katedra Technologii Chemicznej INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Chemia Węglowodorów BADANIA ODDZIAŁYWANIA NA ŚRODOWISKO ODPADÓW Z HAŁDY FOSFOGIPSÓW ORAZ SZLAMÓW W OKOLIC RAFINERII Opracowanie: Mgr inż. Anna Mykowska

2 Wprowadzenie teoretyczne 1. Pochodzenie osadów dennych Osady zalegające na dnie można klasyfikować wg różnych właściwości, np. pochodzenia osadów, wieku i środowiska akumulacji i sedymentacji oraz składu granulometrycznego. Ze względu na pochodzenie osady dzielą się na: Litogeniczne (terygeniczne) są produktem erozji skał występujących na lądzie (np. abrazji, czyli niszczenia strefy przybrzeżnej przez fale). Osady te są najczęściej spotykane blisko lądu tym bliżej, im ziarna są większe. Biogeniczne zawartość materiału organogenicznego (pochodzącego od zwierząt i roślin) przekracza 30%; osady można podzielić na węglanowe (rafy koralowe, muły otwornicowe) i krzemionkowe (np. muły okrzemkowe). Hydrogeniczne (chemigeniczne)- powstają poprzez strącanie osadów lub przemian obecnego materiału. Należą tu: osady węglanowe, fosforyty, glaukonity, konkrecje żelazowo-manganowe. Piroklastyczne (wulkanogeniczne) najczęściej, piaski, czasem muły; jest to wynik aktywności wulkanów Kosmogeniczne są produktem spalania meteorów w atmosferze 2. Charakterystyka odpadów zaolejonych - załącznik 3. Promieniotwórczość naturalna 3.1. Przemiany promieniotwórcze Promieniotwórczość naturalna jest spowodowana emisją promieniowania przez radionuklidy występujące w środowisku naturalnym. Pierwiastki promieniotwórcze można podzielić na dwie grupy: pierwiastki, które powstały w okresie formowania się Ziemi lub w wyniku rozpadu w naturalnych szeregach promieniotwórczych (np. U-238, Th-232, K-40, Ra-226, Rn- 222, itp.) pierwiastki powstające poprzez reakcje jądrowe cząstek promieniowania kosmicznego i atomów powietrza (np. H-3, Be-7, C-14, Na-22). W kontekście promieniotwórczości naturalnej rozpatrywane jest : promieniowanie korpuskularne α i β oraz promieniowania γ o charakterze falowym. Promieniowanie α Podczas rozpadu α emitowana jest jądro helu ", czyli cząstka o dodatnim ładunku, złożona z dwóch protonów i dwóch neutronów. Prowadzi to do przekształcenia jądra atomowego pierwiastka o liczbie masowej A i atomowej Z w jądro pierwiastka o liczbach A-4 i Z-2, czyli przesuniętego w układzie okresowym o dwa miejsca w lewo względem pierwotnego. Jest to tzw. prawo przesunięć Fajansa i Soddy ego. Promieniowanie β

3 Podczas rozpadu emitowany jest elektron i antyneutrino elektronowe (przemiana β - ) lub pozyton i neutrino elektronowe (przemiana β + ). Pierwsza z przemian polega na emisji strumienia elektronów, a druga pozytonów, czyli cząstek tej samej masie, co elektron, ale dodatnim ładunku elementarnym. Przemianom tym ulegają pierwiastki, w których zachwiana jest równowaga między ilością neutronów i protonów w jądrze. Gdy liczba neutronów jest większa niż protonów, czyli n>p, zachodzi przemiana β -. W odwrotnym przypadku, tj. p>n, dochodzi do rozpadu β +. Prawo Fajansa i Soddy ego obowiązuje również w tym przypadku powstały pierwiastek jest przesunięty o jedno miejsce w prawo w układzie okresowym w stosunku do pierwotnego (lub w lewo, gdy emitowany jest pozyton zamiast elektronu). Promieniowanie β dotyczy pierwiastków lekkich. Promieniowanie γ Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, które może towarzyszyć rozpadom α i β. Wynika to z faktu, że po emisji nukleony często są w stanie wysokoenergetycznym, a przechodząc w stan niższy emitują fotony. Dlatego też promieniowanie γ może być traktowane jako strumień fotonów o dużej energii. Jego częstotliwość przekracza Hz, a długość fali jest mniejsza niż 1 pm. Tabela 1. Porównanie promieniowania alfa, beta i gamma. Rodzaj promieniow ania Emitowana cząstka Równanie α jądro helu X Y + He np "# " U "# " Th + He β elektron X Y + e + ν np. "# " Ra "# " Ra + e + ν β + pozyton X Y + e + ν np. B + e + ν C Zdolność przenikania nieprzenikliwe średnio przenikliwe średnio przenikliwe γ foton " np. Ra " Rn + He + γ bardzo przenikliwe 2.2 Wpływ promieniowania jonizującego Promieniowanie jonizujące może wywołać bardzo różne efekty, zależnie od jego ilości, czasu ekspozycji, rozkładu dawki w czasie, rodzaju promieniowania, rodzaju narządu lub tkanki, wieku, płci i stanu zdrowia osoby narażonej, itd. Tabela 2. Efekty pochłonięcia określonych dawek promieniowania Dawka [Sv] Efekty 0,05 0,2 Efekty opóźnione, np. nowotwory 0,25 1 Zmiany we krwi 0,5-1 Niepłodność u mężczyzn, ustępująca po czasie 1-2 Dolegliwości układu trawiennego, obniżona odporność, zahamowanie rozrostu kości u dzieci

4 2-3 Silna choroba popromienna, mdłości; Prawdopodobieństwo śmierci: 25% 3-4 Zniszczenia w szpiku i miąższu kostnym, całkowita niepłodność u kobiet; Prawdopodobieństwo śmierci: 50% 4-10 Ostra choroba popromienna; Prawdopodobieństwo śmierci: 80% (w ciągu kilku dni) 4. Aparatura badawcza 4.1 Próbnik van Veen a Próbnik van Veen a umożliwia pobieranie prób osadów dennych o miąższości do kilkunastu centymetrów z dna rzek, jezior i mórz. Używany jest głównie w oceanografii pobrane próbki poddawane są zazwyczaj analizie fizykochemicznej. Ilość pobranego osadu zależy od zwięzłości dna i jest większa, im większy jest ciężar próbnika, dlatego jest on dodatkowo obciążany bloczkami, co dodatkowo stabilizuje urządzenie, jeśli występuje prąd wody. Jest to chwytak szczękowy z automatycznym zamknięciem. Rys. 1 Próbnik van Veen a z zamkniętymi szczękami 4.2 Aparat Ruttnera To przyrząd o cylindrycznym kształcie, służący do pobierania wody. Górna i dolna część zakończone są dwiema pokrywami, rozwartymi podczas opuszczania aparatu oraz zamykane po uwolnieniu ciężarka. Pobrana woda zachowuje większość parametrów i może być wykorzystywana do analiz fizykochemicznych. Rys. 2. Pobieranie wody za pomocą aparatu Ruttnera

5 4.3 Budowa i zasada działania licznika Geigera-Mullera. Licznik składa się zazwyczaj z cylindrycznej katody i odizolowanej od niej anody, w postaci cienkiego, metalowego pręta, umieszczonego wewnątrz. Taka budowa powoduje, że pole elektryczne jest niejednorodne większe natężenie występuje przy katodzie. Komora wypełniona jest gazem pod ciśnieniem hpa. Jest to najczęściej mieszanka, w której przeważa argon. Promieniowanie jądrowe powoduje jonizację gazu wewnątrz, jony przyspieszane są przez pole elektryczne między elektrodami i uzyskując odpowiednią energię, jonizują kolejne atomy. Nie jest możliwe rozróżnienie rodzaju promieniowania, ponieważ zawsze wykorzystywana jest maksymalna jonizacja gazu. Czas martwy detektora, czyli taki, w którym nie jest w stanie zliczać impulsów, ponieważ nie zostało jeszcze przerwane poprzednie wyładowanie, wynosi od 100 do 500 µs. Aby detektor był w stanie zliczać kolejne kwanty promieniowania, konieczne jest gaszenie wyładowania. Istnieje kilka parametrów podstawowych, charakteryzujących liczniki Geigera-Mullera: charakterystyka napięciowa jest to zależność szybkości zliczania impulsów od napięcia; można w niej wyróżnić napięcie progowe U 1, w którym wzmocnienie M>1 (układ zaczyna pracę), różnicę napięć U 1 i U 2, określającą długość plateau (100 do kilkuset woltów) oraz nachylenie plateau (2-5% / 100V) Rys. 3 Charakterystyka napięciowa licznika Geigera-Mullera czas martwy czas, w którym detektor nie zlicza kolejnych cząstek (kilkadziesiąt do 400 µs); zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia, zależy także od oporności detektora czas regeneracji (resustytucji) czas, po którym amplituda rejestrowanego impulsu osiąga wartość 90% amplitudy impulsu pierwotnego bieg własny impulsy pojawiające się mimo braku badanej próbki. Ich przyczyną jest promieniowanie otoczenia (tło) oraz promieniowanie kosmiczne wydajność - jest stosunkiem liczby zliczonych impulsów do liczby cząstek padającego promieniowania; dla promieniowania α i β zależy przede wszystkim od pochłaniania w okienku Poniżej znajduje się uproszczony schemat budowy licznika Geigera-Mullera. Jego części to:

6 1- anoda (drut) 2- katoda (metalowy cylinder) 3- rura szklana 4- licznik impulsów 5- opornik 6- okienko wejściowe Rys. 4 Schemat budowy licznika G-M Rys. 5 Licznik Geigera-Müllera GAMMA-SCOUT 5. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest ocena oddziaływania na środowisko odpadów z hałdy fosfogipsów oraz szlamów z okolic rafinerii.na podstawie badań należy stwierdzić czy osady i woda nie stanowią odpadu niebezpiecznego, czy muszą być unieszkodliwiane i czy mogą być dalej przetwarzane. 6. Przebieg ćwiczenia a) Pobranie próbek osadu dennego - Próbnik van Veen a należy opuszczać równomiernie i powoli w pozycji pionowej. Ma on samoistne zamknięcie zapadkowe, zamykające go podczas kontaktu z podłożem. b) Pobranie próbek wody - Aparat Ruttnera należy opuszczać równomiernie i powoli w pozycji pionowej. Po opuszczeniu na wybraną głębokość, należy zwolnić ciężarek zamykający pokrywy. c) Pomiar temperatury, ph, przewodnictwa - Pomiar wykonywany jest za pomocą wielofunkcyjnego urządzenia elmetron pokazanego na rys. 6. zgodnie z instrukcją przekazaną przez prowadzącego. d) Pomiar promieniotwórczości - Przy użyciu licznika możliwy jest pomiar promieniowania γ, β+γ albo α+β+γ wyboru dokonuje się poprzez odpowiednie ustawienie przełącznika przesłony. Licznika można używać także jako dozymetru w tym trybie informuje on o dawce równoważnej promieniowania [µsv/h]. Zliczone impulsy są przeliczane na dawkę równoważną, przy czym wzorcem są kwanty γ kobaltu-60 o energii 1,2 MeV. Zastosowany przelicznik to:

7 114,67 1 min = 1 μsv h Każdy pomiar należy przeprowadzić w trzech seriach z przesłoną w postaci płytki aluminiowej, gdy mierzone jest promieniowanie γ, z otwartą przesłoną, gdy zliczane są impulsy α, β i γ łącznie oraz z przesłoną w postaci folii aluminiowej, blokującej promieniowanie α, umożliwiającej zliczanie łączne β i γ. 1 2 Rys. 3 Schemat licznika Geigera-Müllera GAMMA-SCOUT wraz z położeniem przesłon (gamma-scout.com) Aby rozpocząć pomiar w trybie zliczenia impulsów należy przycisnąć 1. Na ekranie pojawi się symbol impulsu. Wtedy należy przycisnąć 2 jednokrotnie, aby po pomiar czasu był w sekundach, dwukrotnie, aby był w minutach, trzykrotnie dla godzin. Następnie strzałkami ustawić pożądaną długość pomiaru. Ponowne naciśnięcie 1 rozpocznie pomiar. Po zakończeniu pomiaru, symbol impulsu przestanie mrugać. Badanie należy wykonywać w stałej, możliwie bliskiej odległości od próby. Zadania do wykonanie i opisania w sprawozdaniu 1. Pobranie prób osadu i wody w 6 miejscach wraz z oznaczeniem lokalizacji poboru. Charakterystyka osadu. 2. Badanie ph i temperatury wody. Czy wyniki są porównywalne z danymi literaturowymi? Uzasadnij. 3. Wyznaczenie tła promieniotwórczego 20-krotny pomiar promieniowania gamma. Czy wynik mieści się w średniej wartości dla Polski/Pomorza/itp.? Pomiar promieniotwórczości naturalnej - należy powtórzyć 5-krotnie dla każdej próbki w trzech seriach (z różnymi ustawieniami przesłon). 4. Obliczenie średniej liczby zliczeń na minutę [cpm], przeliczenie na dawkę równoważną w oparciu o kobalt-60. Zestawienie wyników wraz z odchyleniem

8 standardowym na jednym wykresie (w odniesieniu do wartości tła promieniotwórczego). 5. Rozważenie, czy urobek pochodzący z bagrowania może być wykorzystany, tj. czy nie jest to odpad niebezpieczny. Ocena jakości wody i osadów dennych. Zagadnienia do testu: 1. Podział osadów dennych ze względu na pochodzenie 2. Charakterystyka odpadów zaolejonych oznaczenia wykonywane bezpośrednio z odpadów 3. Promieniotwórczość naturalna: Rodzaje przemian i ich charakterystyka Właściwości promieniowania alfa, beta, gamma Skutki pochłonięcia promieniowania jonizującego przez organizm 4. Aparatura badawcza: Rodzaje próbników do pobierania wody i osadów Zasada działania licznika Geigera-Mullera Literatura: 1. Dobrzyński L., Droste E., Wołkiewicz R., Adamowski Ł., Trojanowski W., Trojanowski, Spotkanie z promieniotwórczością, Insytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Świerk Dziunikowski B., Kalita S., Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych, Wyd. AGH, Kraków Hupka J., Charakterystyka zaolejonych odpadów dla celów technologicznych, Materiały z Konferencji,,Metodyki badań odpadów przemysłowych, Wojskowy Instytut Chemii i Radiometrii, Warszawa, 1995, s Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje., Wyd. Naukowe PWN, Warszawa Skorko M., Fizyka, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa [online ]