hızlandırılmış elektron demeti ile atık suların ışınlanması tekniğinin

hızlandırılmış elektron demeti ile atık suların ışınlanması tekniğinin

I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi
25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA
HIZLANDIRILMIŞ ELEKTRON DEMETİ İLE ATIK SULARIN
IŞINLANMASI TEKNİĞİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ
Sema Bilge OCAK, Tülin ZENGİN, Şeref TURHAN
Ankara Nükleer Araştõrma ve Eğitim Merkezi (ANAEM), 06100 Beşevler- Ankara
ÖZET
Endüstride yaşanan yoğun gelişmelere paralel olarak kentsel nüfusun hõzla artmasõ, beraberinde atõk su sorununu
getirmiş ve atõk sularõn arõtõlmasõ gündeme gelmiştir. Büyük bir kõsmõ su ile kaplõ olan Dünyada, canlõ
organizmalarõn kullanabileceği nitelikteki su oranõnõn sadece %1,5 düzeyinde olmasõ, sularõn içilebilir ve
kullanõlabilir hale getirilmesinin ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.
Bu çalõşmada, elektron hõzlandõrõcõlarõ ile ilgili parametreler verilmiş, hõzlandõrõlmõş elektron demeti ile atõk sularõn
õşõnlama (elektron demeti ile ASI) teknolojisi incelenmiş, diğer alõşõlagelmiş teknolojiler ile (ozonlama, klorlama)
karşõlaştõrõlmõş ve ANAEM’de kurulmasõ planlanan, elektron demet enerjisi 0,5 MeV, demet akõmõ 20 mA ve
demet gücü 10 kW olan ICT tipi, elektron hõzlandõrõcõsõ ile atõk su õşõnlama tekniği tartõşõlmõştõr.
Anahtar Kelimeler: Elektron hõzlandõrõcõsõ, dezenfeksiyon, atõk su
1.GİRİŞ
Endüstriyel atõk sular, biyolojik yõkõma dirençli
maddeler içerebilmektedir. Bu nedenle her
endüstriyel işletme için ayrõ bir arõtma işlemi
gerekmektedir. Yüzey sularõnõn içme veya kullanma
suyu olarak tüketimi söz konusu olduğunda ise
biyolojik arõtma ile parçalanamayan veya çok zor
parçalanan dirençli maddelerin bulunduğu dikkate
alõnmalõdõr. Bu konulara ek olarak kirleticilerin ne
olduğu değil hangi düzeye düşürüleceği önemlidir.
Bütün bunlar göz önünde bulundurulduğunda kent
atõk sularõn dezenfeksiyonunda ve endüstriyel atõk
sularõn çevreye zararsõz hale getirilmesinde elektron
hõzlandõrõcõlarõnõn kullanõlmasõ önem kazanmaktadõr.
Elektron hõzlandõrõcõlarõ, 1) içme sularõn, atõk sularõn
(kanalizasyon sularõ) ve kanalizasyon pisliğindeki
bakteri, parazit gibi patojenik organizmalarõn yok
edilerek, dezenfeksiyonu, 2)
içme sularõnõn
dezenfeksiyon amacõ ile klorlama işleminin
sonucunda oluşabilen kansorejen madde içeren
trihalometanlarõn, yer altõ sularõnda bulunabilen
trikloroetilen ve perkloroetilen gibi kimyasal
maddelerin parçalanmasõ veya degradasyonu, 3)
endüstriyel atõk sularda bulunanan fenoller, fenolik
bileşenler, gresler, yağlar ve boya maddeleri gibi
organik maddelerin parçalanmasõ veya degradasyonu
ile çevreye zararsõz hale getirilmeleri için
kullanõlmaktadõr [1,2]. Bu amaç için kullanõlan
alõşõlmõş teknolojiler ile (ozonlama, klorlama, vs)
elektron hõzlandõrõcõlarõnõn beraber kullanõlmasõnõn,
hem maliyeti düşürmesi açõsõndan
hem de
parçalanmasõ zor olan organikler maddeler için
verimli olduğu görülmüştür [3].
Bu çalõşmada, elektron demeti ile ASI teknolojisi;
içme sularõn, şehir atõk sularõn dezenfeksiyonu ve
endüstriyel atõk sularõn çevreye zararsõz hale
getirilmesi için incelenmiş ve yaygõn olarak
kullanõlan diğer alõşõlagelmiş teknolojiler ile
karşõlaştõrõlmõştõr.
2. ELEKTRON HIZLANDIRICILARI
İLE İLGİLİ PARAMETRELER
2. 1. IŞINLAMA DOZU
Ortalama doz; malzemenin soğurduğu enerji
miktarõnõn kütlesine bölümüdür. Doz birimi olarak
Gy (J/kg) veya rad (100 erg/gr) kullanõlmaktadõr. Her
bir radyasyon işlemeciliği için uygun doz seçimi
oldukça önemlidir.
2.2. ELEKTRON DEMET ENERJİSİ
(HIZLANDIRMA VOLTAJI)
Elektronlarõn malzeme içindeki nüfuz etme derinliği,
elektron enerjisi ile doğru, õşõnlanacak malzemenin
yoğunluğu ile ters orantõlõdõr. Verilen bir elektron
enerjisi için nüfuz etme derinliği; birim alan başõna
õşõnlanacak
malzemenin
ağõrlõğõ
cinsinden
tanõmlanabilir ve gr/cm2 cinsinden verilir. Tek taraflõ
ve çift taraflõ õşõnlamalar için toplam ve faydalõ nüfuz
etme derinliği Şekil 1’de verilmiştir. Örneğin 10
MeV’lik elektron hõzlandõrõcõlarõ ile tek taraflõ
õşõnlamada en fazla 3.3 cm, çift taraflõ õşõnlamada ise
en fazla 8,3 cm kalõnlõğõndaki malzemeler
(yoğunluğu 1 gr/cm3) õşõnlanabilir. Hõzlandõrma
voltajõ 0,5 MV olan ANAEM’de kurulmasõ
düşünülen elektron hõzlandõrõcõsõ ile tek taraflõ
õşõnlamada en fazla 0,08 cm (0,8 mm), çift taraflõ
õşõnlamada ise en fazla 0,2 cm (2 mm) kalõnlõğõndaki
malzemeler (yoğunluğu 1 gr/cm3) õşõnlanabilir.
2.3. ELEKTRON DEMET AKIMI
Işõnlanacak malzemedeki giriş dozu, birim alan
başõna gelen elektron sayõsõ ile orantõlõdõr. Elektron
sayõsõ ise elektron akõmõn bağlõdõr ve 1 mA’lik akõm,
yaklaşõk 1015 tane elektrona karşõlõk gelir. Doz hõzõ;
elektron demet akõmõ ile doğru orantõlõdõr. 1 mA/cm2,
yaklaşõk olarak 106 Gy/sn’lik doz hõzõna karşõlõk gelir
[5].
Elektron
hõzlandõrõcõlarõnõn
radyoizotop
kaynaklara göre en büyük üstünlüğü doz hõzlarõnõn
çok yüksek olmasõdõr. Elektron hõzlandõrõcõlarõ ile
işlemler çok kõsa sürede (saniyeler mertebesinde)
olmaktadõr.
Doz
hõzlarõ,
elektrostatik
d.c
hõzlandõrõcõlarõ için 103-106 Gy/sn (105-108 rad/sn)
arasõnda değişmektedir.
2.4. ELEKTRON DEMET GÜCÜ
Elektron demet gücü, kütle işlem hõzõ ile doğru
orantõlõdõr. Kütle işlem hõzõ aşağõdaki bağõntõ ile
verilir:
P
M
= 3600 × × fP
T
D
1
Burada, M; õşõnlanacak malzemenin kütlesi (kg), P;
elektron demet gücü (kW), D; õşõnlama dozu (kGy),
T; õşõnlama zamanõ (saat) ve fP; malzemenin, gücü
soğurma verimidir. Örneğin, elektron demet gücü 10
kW olan ANAEM’de kurulmasõ düşünülen elektron
hõzlandõrõcõsõ ile bir saatte; 0,8 mm kalõnlõğõndaki 90
kg polietilen levha çapraz bağlamak için ve 25 ton
atõk su ise dezenfeksiyon için õşõnlanabilir.
3. ELEKTRON DEMETİ İLE ASI
TEKNİĞİ
İçme sularõn dezenfeksiyonu ve atõk sularda bulunan
organik maddelerin degradasyonu, õşõnlama dozuna
bağlõdõr. Işõnlama dozu; malzemenin soğurduğu
enerji miktarõnõn kütlesine bölümüdür. Işõnlama dozu
içme ve atõk sularõn dezenfeksiyonu için 1 kGy,
endüstriyel atõk sularõn degradasyonu için 10 kGy-30
kGy’e kadar değişmektedir. Gelen yüksek enerjili
elektronlar ile suyun etkileşmesi
H2O+e-demeti → e-su. H•,OH•,H2O2 ,H2,OH-,H+
2
sonucunda serbest radikaller, iyonlar ve uyarõlmõş
moleküller oluşur [1,6-8]. Oluşan ürünlerden en aktif
olanlar hidroksil radikali (OH•), hidrojen radikali
(H•) ve sulu ortamdaki (e-su) elektronlardõr. Havanõn
varlõğõnda hidrojen radikali oksijen ile tepkimeye
girerek hidrojen peroksil radikalini (HO2•-), (e-su) ise
perhidroksit radikal iyonunu O2•- oluşur. Oldukça
aktif radikaller atõk suda bulunan organik maddeler
(fenol, fenolik bileşikler, alifatik ve aromatik
hidrokarbonlar, trikloretan, boyar maddeler, vs.) ile
tepkimeye
girerek
onlarõn
oksitlenmesini,
parçalanmasõnõ ve degradasyonunu sağlarlar.
Elektron demeti ile ASI işleminin dizaynõnda en
önemli sorun; õşõnlanacak sularõn,
elektron
demetinin çõktõğõ tarayõcõnõn altõndan uygun õşõnlama
tekniği ile geçirebilmesidir. Çünkü elektronlarõn su
(d=1 gr/cm3) içindeki nüfuz etme derinliği, gama ve
X-õşõnlarõna göre oldukça düşüktür. Örneğin, enerjisi
10 MeV olan elektronlarõn faydalõ nüfuz etme
derinliği 3.3 cm iken enerjisi 0,5 MeV olan
(ANAEM’de
kurulmasõ
düşünülen
elektron
hõzlandõrõcõsõ) elektronlar için 0,08 cm (0,8 mm) dir.
Dolayõsõyla õşõnlanacak sularõn; ince, geniş ve hõzlõ
akan tabaka halinde, elektron demetinin altõndan
geçirilmesi gereklidir (Şekil 2). Sulu kanalizasyon
pisliğinin õşõnlanmasõ için de farklõ õşõnlama
teknikleri geliştirilmiştir (Şekil 3).
3. ELEKTRON DEMETİ İLE ASI
TEKNİĞİNİN KULLANILDIĞI
PİLOT TESİSLER
Elektron hõzlandõrõcõlarõnõn bu amaç için kullanõmõ
bugüne kadar laboratuvar çalõşmalarõ ile Boston,
Florida (Amerika), Chalk River (Kanada), Polonya,
vb. de kurulan pilot tesislerde devam etmiştir.
Yapõlan bu çalõşmalar ile işlemin bilimsel olarak
kinetiği iyi anlaşõlmõş ve teknolojisi olgun bir
seviyeye ulaşmõştõr. Diğer alõşõlmõş teknolojilere
göre daha pahalõ olmasõndan ve bazõ özelliklerinin
sõnõrlõ olmasõndan (nüfuz etme derinliği) dolayõ ticari
boyutta bir tesis yapõlmamõştõr. Bunun yanõnda
dünyanõn ilk ve tek ticari tesisi Almanya- Münih’de
kurulan, 3 kGy õşõnlama dozu ile kütle işlem hõzõ 122
m3/gün, aktivitesi 450 kCi olan Co-60 radyoizotop
kaynağõnõn kullanõldõğõ kanalizasyon pisliği arõtma
tesisidir [3].
Kanalizasyon pisliğindeki bakteri, parazit ve
yumurtalarõnõn öldürülmesi için Polonya’da Kolo
Atõk Işõnlama Pilot Tesisi kurulmuştur. Bu tesiste
kullanõlan elektron hõzlandõrõcõsõnõn enerjisi 10 MeV
ve elektron demet gücü 300 kW tõr. 5 kGy-7 kGy
õşõnlama dozu ile ile kütle işlem hõzõ 70 m3/gün ve
maliyeti 4 Milyon USA dolarõdõr [9].
Boston, Deer Island Işõnlama Pilot Tesisi de
kanalizasyon pisliği ve atõk sularõn dezenfeksiyonu
için kurulmuştur. Bu tesisde kullanõlan ilk elektron
hõzlandõrõcõsõnõn enerjisi 0.8 MeV ve elektron demet
gücü 50 kW iken daha sonra 1980 yõlõnda enerjisi 1.5
MeV ve gücü 75 kW olan ICT tipi bir hõzlandõrõcõ ile
takviye yapõlmõştõr. 4 kGy õşõnlama dozu ile kütle
işlem hõzõ 650 m3/gün ve maliyeti 1.75 Milyon USA
dolarõdõr [2,6].
Atõk sularõ için dünyanõn en büyük pilot tesisi
Miami, Florida Virginia Key Atõk Su Işõnlama
Tesisidir.
Bu
tesisde
kullanõlan
elektron
hõzlandõrõcõsõnõn enerjisi 1.5 MeV ve elektron demet
gücü 75 kW tõr. 4 kGy õşõnlama dozu ile ile kütle
işlem hõzõ 645 m3/gün hacimsel akõş hõzõ 7.57
litre/sn ve maliyeti 2.35 Milyon USA dolarõdõr [6].
Kanada-Chalk River Elektron Test Atõk su Pilot
Tesisin’de kullanõlan elektron hõzlandõrõcõsõnõn
enerjisi 4 MeV ve elektron demet gücü 80 kW tõr
[10].
.
4. ELEKTRON DEMETİ İLE ASI
TEKNİĞİNİN DİĞER ALIŞILMIŞ
TEKNOLOJİLER İLE
KARŞILAŞTIRILMASI
Sularõn içilebilir ve kullanõlabilir hale getirilmesinde
ve atõk sularõn arõtõlmasõnda yaygõn olarak kullanõlan
klorlama ve ozonlama teknolojilerinin yatõrõm ve
işletme maliyetlerinin elektron demeti ile ASI
teknolojisine göre daha ucuz olmalarõna rağmen,
aşağõda belirtilen dezavantajlara sahiptirler. Bu
dezavantajlar elektron demeti ile ASI teknolojisini
alternatif teknoloji duruma getirmektedir.
4.1. Ozonlama ve Klorlamanõn Dezavantajlarõ:
• Ozonlama, virüs ve bakterilerin yok edilmesinde
düşük dozlarda yeterince etkin değildir.
• Ozon çok reaktif ve aşõndõrõcõ olduğundan
paslanmaz çelik gibi aşõnmaya dayanõklõ
malzemelerin kullanõmõ gerektirir [11].
• Klorlama, atõk suyun dezenfeksiyonu için
belediyelerin en yaygõn olarak kullandõklarõ
yöntemdir. Fakat son yõllarda klorun sudaki bazõ
organik maddeler ile birleşerek kanserojen
nitelikteki trihalometanlar veya klorlu organik
bileşikler oluşturmaktadõr.
• Klor artõğõ, düşük yoğunlukta bile sudaki yaşam
için tehdit edici olduğundan klorlama işleminden
sonra klor giderme işleminin uygulanmasõ
gerekir.
• Klor; aşõndõrõcõ
ve zehirli olduğundan,
depolanmasõ .ve nakliyatõ sõrasõnda, büyük risk
doğurmaktadõr. Bu nedenle güvenlik önlemlerin
artõrõlmasõ gerekir.
• Bazõ parazit türleri, düşük dozdaki klora karşõ
dirençlidir.
• Klorun toplam maliyeti, klor giderme maliyeti ile
birlikte %30 dan %50 ye kadar artmaktadõr. Bu
nedenle belediyeler, klor giderme yöntemlerini de
içeren maliyeti dikkate almak zorundadõr [12].
5. ANAEM HIZLANDIRICISI İLE
ATIK SULARIN IŞINLANMASI
ANAEM’de kurulmasõ planlanan, elektron demet
enerjisi 0,5 MeV, demet akõmõ 20 mA ve demet gücü
10 kW olan ICT tipi elektron hõzlandõrõcõsõ ile atõk su
çalõşmalar iki aşamalõ olarak gerçekleştirilebilir:
1) Laboratuvar deneyleri: Başlangõç olarak,
hõzlandõrõlmõş elektron demeti ile ASI yönteminin
õşõnlama
mekanizmasõnõn
ve
kinetiğinin
anlaşõlabilmesi için değişik kökenli sular, 0,8 mm
kalõnlõğõnda, değişik hacimli Petri veya pyrex kaplar
içinde, taşõyõcõ kullanõlarak õşõnlanabilir. Doz hõzõ,
taşõyõcõnõn hõzõ ile veya katot akõmõnõn değiştirilmesi
ile ayarlanabilir. Eğer taşõyõcõ sistem mevcut değil
ise elektron demet akõmõ 20 mA olan hõzlandõrõcõ ile
bu tür çalõşma yapmak oldukça zordur. Çünkü
işlemler çok kõsa sürelerde gerçekleştirilmektedir.
2) Pilot tesis: İlk çalõşmalardan sonra basit bir pilot
tesis yapõlabilir. Saate 2m3/h õşõnlayacak şekilde 1m3
hacminde õşõnlama tankõ tarayõcõnõn altõna monte
edilebilir. Atõk su, tanka doldurulur, bir pompa
yardõmõ ile õşõnlama tankõna getirilir ve diğer bir
pompa ile de tankõn içindeki suyun tamamõnõn
õşõnlanabilmesi suyun sirkülasyonunu sağlanõr (Şekil
4).
6. SONUÇ VE YORUMLAR
Atõk sularõn arõtõlmasõnda, elektron hõzlandõrõcõlarõnõn
kullanõlmasõ ile atõk sularõn biyolojik yõkõma dirençli
maddelerden ve aynõ zamanda ağõr metal
iyonlarõndan
arõndõrõlabilmesi
mümkün
olabilmektedir. Alõşõlagelmiş teknolojiler ile birlikte
kullanõldõğõnda ise maliyet düşmekte ve verim
artmaktadõr. Işõnlama sonrasõnda zararlõ ikinci atõk
oluşmaz. Diğer teknolojilerden çok daha hõzlõdõr
İşletilmesi kolaydõr ve çalõştõğõ zaman radyasyon
tehlikesi doğurmamaktadõr.
Yukarõda sözü edilen nedenlerden dolayõ elektron
hõzlandõrõcõlarõnõn, atõk sularõn içilebilir ve
kullanõlabilir hale getirilmesinde kullanõlmalarõ
uygundur. Şu anda, uygulamalar, pilot tesislerde
devam etse de gelecekte yaygõn ve ticari boyutlarda
kullanõlmasõ mümkün olacaktõr.
KAYNAKLAR
[1] N. Gettoff, Radiat. Phys. Chem. (1996), 47,4, 581.
[2] N.Getoff and et al., Radiat.Phys.Chem., (1985), 21-26 .
[3] S. Machi, Radiat. Phys. Chem. (1983), 22,1/2, 91.
[4] W. Scharf, "Particle Accelerators and Their Uses",Harwood Academic Publishers, 1986.
[5] T.S. Dunn and J. L. Williams IEEE Trans. Nucl. Sci. (1979), NS-26,1,1776-1783.
[6] S. Farooq and et al.,Wat. Sci. Tech.(1992), 26,5, 1265.
[7] H. Nichipor and at al., Radiat. Phys. Chem. (2000), 57, 519.
[8] P.R. Rela and et al., Radiat .Phys. Chem, (2000), 657.
[9] A. G. Chmielewski and et al., Radiat. Phys. Chem. (1995), 46, 4-6,1071.
[10] M. R. Cleland and et al., Radiat. Phys. Chem. (1984), 24, 179.
[11] United States Environmental Protection Agency
EPA 832-F-99-063 (1999)
[12] U. S EPA, EPA 832- F-99-062 (1999).
Şekil 1. Nüfuz etme derinliğinin enerjiye göre değişimi: (1) toplam nüfuz etme derinliği; (2) tek
taraflõ õşõnlamada nüfuz etme derinliği; (3) çift taraflõ õşõnlamada nüfuz etme derinliği [4].
Şekil 2. Sõvõlarõn õşõnlanmasõ [4].
Şekil 3. Sulu kanalizasyon için õşõnlama teknikleri [6].
atõk su tankõ
õşõnlama tankõ
pompa
ICT tankõ
Toplama tankõ
voltaj
regülatü
kapasitör
bankasõ
kontrol konsolu
Yardõmcõ konsol
Şekil 4. Atõk sularõn õşõnlanmasõ için pilot tesis.