POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY Katedra

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
Katedra Technologii Chemicznej
INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH
BEZPIECZEŃSTWO ŚRODOWISKOWE
BADANIA ODDZIAŁYWANIA NA ŚRODOWISKO ODPADÓW Z
HAŁDY FOSFOGIPSÓW ORAZ SZLAMÓW W OKOLIC RAFINERII
Opracowanie:
Mgr inż. Anna Mykowska
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, Rn222, 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
korpuskularne α i β oraz promieniowania γ o charakterze falowym .
:
promieniowanie
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
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 1020 Hz, a
długość fali jest mniejsza niż 1 pm.
Tabela 1. Porównanie promieniowania alfa, beta i gamma.
Równanie
Zdolność
Rodzaj
Emitowana
promieniow
cząstka
przenikania
α
jądro helu
nieprzenikliwe
β
elektron
średnio przenikliwe
β+
pozyton
średnio przenikliwe
γ
foton
bardzo przenikliwe
ania
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]
0,05 – 0,2
0,25 – 1
0,5 - 1
1-2
Efekty
Efekty opóźnione, np. nowotwory
Zmiany we krwi
Niepłodność u mężczyzn, ustępująca po czasie
Dolegliwości układu trawiennego, obniżona
zahamowanie rozrostu kości u dzieci
odporność,
Silna choroba popromienna, mdłości;
Prawdopodobieństwo śmierci: 25%
Zniszczenia w szpiku i miąższu kostnym, całkowita niepłodność u
kobiet;
Prawdopodobieństwo śmierci: 50%
Ostra choroba popromienna;
Prawdopodobieństwo śmierci: 80% (w ciągu kilku dni)
2-3
3-4
4-10
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
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 130-270 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 U1, w którym wzmocnienie M>1
(układ zaczyna pracę), różnicę napięć U1 i U2, 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:
123456-
anoda (drut)
katoda (metalowy cylinder)
rura szklana
licznik impulsów
opornik
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:
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
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 2010
2. Dziunikowski B., Kalita S., Ćwiczenia laboratoryjne z jądrowych metod pomiarowych,
Wyd. AGH, Kraków 1995
3. Hupka J., Charakterystyka zaolejonych odpadów dla celów technologicznych,
Materiały z Konferencji ,,Metodyki badań odpadów przemysłowych”, Wojskowy
Instytut Chemii i Radiometrii, Warszawa, 1995, s. 39-48.
4. Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje., Wyd. Naukowe
PWN, Warszawa 2006
5. Skorko M., Fizyka, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1971
6. [online 10.03.2014 ] http://ocean.am.gdynia.pl/student/oceano1/geolog.html