Radiačné procesy

   Princíp

Technológia radiačných procesov je založená na princípe radiačnej deštrukcie kontaminantov. Ide o metódu in situ alebo ex situ určenú na dekontamináciu podzemných vôd, odpadových vôd, zemín, odpadového materiálu aj vzduchu. Pri radiačných procesoch sa využívajú reaktívne zložky s krátkou životnosťou formované počas rádiolýzy s cieľom efektívnejšie rozložiť kontaminanty (IAEA, 2007).

   Použiteľnosť

Rádiolytický rozklad sa v praxi aplikoval pri odstraňovaní znečistenia spôsobeného prchavými organickými zlúčeninami, karboxylovými kyselinami, kyanidmi, chlórovanými uhľovodíkmi, alkoholmi, PCB, pesticídmi, explozívnymi materiálmi, chemickými zbraňami aj mikroorganizmami (napr. Getoff, 2002; Matthews et al., 2006; Yak et al., 1999; Mincher et al., 2000). IAEA (2007) uvádza možnosť použitia radiácie pri odstraňovaní ťažkých kovov zo znečistených vôd, napr. Pb, Hg, Cd, Ni, Ag, Zn a Cr.

   Základná charakteristika

Transformácia (degradácia) znečisťujúcich látok v rámci radiačných procesov má najčastejšie takýto priebeh: reťazová oxidácia, formovanie nerozpustných alebo veľmi slabo rozpustných vysokomolekulárnych zložiek/produktov, stabilizácia a koagulácia koloidných roztokov a zlepšenie biodegradovateľnosti znečisťujúcich látok (IAEA, 2007).

Reťazová oxidácia predstavuje jeden z najúčinnejších procesov prebiehajúcich v rámci radiačnej dekontaminácie znečistených vôd. Na úspešný priebeh reťazovej oxidácie je nevyhnutné dobré prevzdušnenie prostredia (nasýtenie znečistenej vody kyslíkom). Rádiolytická oxidácia pri stredných dávkach vedie k formovaniu karbonylových, karboxylových, hydroxylových a/alebo peroxidových skupín v organických molekulách. Podmienky ožarovania sa môžu prispôsobovať v závislosti od druhu znečisťujúcej látky. Výsledkom vystavenia vody vysokej radiácii môže byť stabilizácia a koagulácia koloidných roztokov. Koagulačný efekt sa dá realizovať v koloidných roztokoch kovov, hydroxidov, sulfidov, polymérov a pod.

Mnohé látky (napr. lignín, PCB) sú prakticky nedajú degradovať konvenčnými biochemickými metódami. Biodegradácia závisí od oxidačného stavu a štruktúry znečisťujúcej látky a predchádzajúca oxidácia a fragmentácia biologicky odolných molekúl môže zlepšiť ich biodegradovateľnosť. Mechanizmus rádiolytickej oxidácie umožňuje transformáciu pôvodne ťažko biodegradovateľných znečisťujúcich látok na biodegradovateľné (kompletná transformácia znečisťujúcich látok z biologicky odolných na biodegradovateľné môže prebehnúť už pri dávkach okolo 1 – 2 kGy) (IAEA, 2007).

Dávka D je základnou veličinou, ktorou kvantitatívne charakterizujeme stupeň ožiarenia potrebný na dosiahnutie požadovaného efektu (je to množstvo absorbovaného žiarenia v danom systéme). Dávky používané vo väčšine radiačno-chemických technologických procesov sa pohybujú v oblasti jednotiek až stoviek kGy (Gy = gray). Hodnotu potrebnej absorbovanej dávky je možné vypočítať podľa vzťahu (Varga a Tölgyessy, 1976; Varga a Tölgyessy, 1982):

 [eV . kg^–1], alebo  [Gy], kde

M       je molárna hmotnosť ožiarenej alebo vznikajúcej látky,

G        je radiačno-chemický výťažok rozpadu ožiarenej látky alebo radiačno-chemický výťažok vzniku produkovanej látky,

N_A       je Avogadrova konštanta (6,023 kmol^–1).

Na kvantitatívny popis účinku ionizujúceho žiarenia (dávku) sa môže použiť aj stredná radiačná energia (∆E_D) odovzdaná objemovému elementu prostredia s hmotnosťou ∆m. Platí:

, kde

∆E_D     je zmena strednej radiačnej energie [J],

∆m     je zmena hmotnosti [kg].

Hlavnou jednotkou dávky je J . kg^–1 (nazýva sa gray – Gy), alebo sa vyjadruje v eV . g^–1.

Radiačno-chemický výťažok (tzv. faktor G) vyjadruje účinnosť radiačno-chemického pôsobenia. Ide o počet radiačne premenených molekúl, atómov alebo iónov pri absorpcii 100 eV radiačnej energie. Hodnota faktora G umožňuje porovnávať radiačnú stálosť a radiačno-chemickú reaktivitu rôznych látok. Všeobecne platí, že čím je hodnota faktora G vyššia, tým je vyššia výťažnosť radiačno-chemickej reakcie. Hodnoty faktora G sa uvádzajú v celom rade publikácií (napr. Varga a Tölgyessy, 1976; Varga a Tölgyessy, 1982).

Radiačná dekontaminácia sa často kombinuje s inými sanačnými technológiami a postupmi. Pri radiačných procesoch sa menia rôzne vlastnosti znečisťujúcej látky, akými sú rozpustnosť, prchavosť, absorptivita a reaktivita. Produkty formované v priebehu ožarovania môžu byť ľahšie oxidovateľné, redukovateľné alebo biodegradovateľné v porovnaní s použitím konvenčných metód. Preto v prípadoch, ak sa radiačné procesy kombinujú s ďalšími, konvenčne používanými postupmi, napr. biosanáciou, je možné očakávať synergický efekt. Jednou z možností zvýšenia účinnosti radiácie je ohriatie znečistenej vody pred samotným ožarovaním (Woods a Pikaev, 1994; Pikaev, 1998).

V prípade usporiadania systému in situ podzemná voda vo zvodnenom prostredí v okolí čerpacieho vrtu prúdi cez umelo vytvorené (žiarením gama) radiačné pole. Umelé žiariče gama sú umiestnené v kolektore v okolí čerpaného vrtu, kadiaľ musí prechádzať znečistená podzemná voda pritekajúca k vrtu (Pastuszek, 2006). Hlavnými procesmi prebiehajúcimi v systéme sú rádiolytický rozklad, oxidácia a redukcia. Ako zdroje žiarenia gama sa najčastejšie využívajú vyradené a prepracované žiariče ⁶⁰Co zo zdravotníctva, menej ¹³⁷Cs a elektrónové lúče (napr. Matthews et al., 2006).

   Výhody a limitácie

K hlavným výhodám radiačných procesov pri odstraňovaní znečistenia patrí (IAEA, 2007):

•      silné redukčné a oxidačné prostredie,

•      univerzálnosť a možnosť striedania oxidačno-redukčných prostriedkov,

•      variabilita možností odstraňovania znečisťujúcich látok,

•      kontrolovateľnosť procesu,

•      rozmanitosť výberu technologických zariadení,

•      kompatibilita a možnosť kombinácie s konvenčnými sanačnými postupmi a technológiami.

Hlavné limitácie a nevýhody využitia radiačných procesov sú takéto (Pastuszek, 2006):

•      nedostatočná hrúbka zvodneného prostredia potrebná na zaistenie radiačnej bezpečnosti (nad vytvoreným radiačným poľom by sa mal nachádzať vodný stĺpec hrubý aspoň 4 m; hrúbka potrebného vodného stĺpca závisí od intenzity radiačného poľa);

•      druh kontaminantu môže pri rádiolýze ovplyvňovať tvorbu nežiaducich produktov (napr. ožarovaním sústavy benzén – voda vznikajú okrem iného fenoly; výťažok fenolu sa zvyšuje za prítomnosti kyslíka);

•      ak všeobecne nie je možné zaistiť dostatočnú radiačnú ochranu, metóda sa nemôže aplikovať;

•      v radiačnom poli je nevyhnutné zaistiť dostatočný čas zdržania podzemnej vody prúdiacej k čerpanému objektu;

•      radiačná dekontaminácia znečistených vôd obsahujúcich niektoré špecifické kontaminanty (napr. z priemyselných odpadových vôd) môže vyžadovať vytvorenie špeciálnych podmienok pri jej aplikovaní.

   Trvanie čistenia a účinnosť

Cieľom radiačných procesov je rýchlejšia degradácia znečisťujúcich látok zo znečisteného prostredia v porovnaní s konvenčnými sanačnými postupmi. Radiačná dekontaminácia znečistených vôd je vo všeobecnosti veľmi efektívna pri koncentrácii znečisťujúcich látok pohybujúcej sa do 10^–3 mol . l^–1 (približne 100 mg . l^–1). Čistenie takýchto vôd je pomerne jednoduché, vyžaduje len nízke dávky (asi 1 kGy a menej), pričom sa prakticky zabezpečuje kompletná eliminácia zápachu, farby, chuti a zákalu (IAEA, 2007).

Účinnosť radiácie závisí od mnohých faktorov, napr. od typu a energie radiácie, absorbovanej dávky, rýchlosti dávky, koncentrácie znečisťujúcej látky, synergických efektov radiácie a ozónu alebo/a katalyzátorov a molekulovej štruktúru znečisťujúcej látky (Devipriya a Yesodharan, 2005; Trojanowicz a Drzewicz, 2002).

Mnohé štúdie potvrdili výbornú účinnosť použitia radiácie pri odstraňovaní znečistenia spôsobeného trihalometánmi THM (Amro et al., 2007; Cooper et al., 1998; Duarte et al., 2002; Mezyk et al., 2000; Sampa et al., 2004). Napríklad v laboratórnych podmienkach s iniciálnou koncentráciou 100 μg . l^–1 a dávkou 1 kGy sa úspešne odstránilo 98 % THM. Experimenty realizované s vysokým obsahom chloroformu (145 – 780 μg . l⁻¹) poukázali na účinnosť ich odstránenia približujúcu sa k 95 % pri dávkach 6 kGy (Sampa et al., 1995). V prípade pesticídov sa zistila účinnosť až do 99 % (v niektorých prípadoch však len okolo 70 %) (Ramírez et al., 2007). V prípade mikroorganizmov Escherichia coli na zníženie ich počtu o tri rády je potrebná dávka na úrovni 1 kGy (Sampa et al., 2007).

Využitie radiácie in situ sa úspešne realizovalo pri odstraňovaní kyanidov. Proces odsúhlasil bývalý Úradom pre jadrovú a radiačnú bezpečnosť Československa s poukázaním na možnosti ďalšieho využitia. Zaznamenalo sa zníženie kyanidov viac ako o jeden rád (Pastuszek et al., 1993).

 

© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží

Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,

Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová

Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,

ISBN    978-80-89343-39-3