HIZLANDIRILMIŞ ELEKTRON DEMETİ İLE ATIK SULARIN IŞINLANMASI TEKNİĞİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ ÖZET Sema Bilge OCAK, Tülin ZENGİN, Şeref TURHAN Ankara Nükleer Araştõrma ve Eğitim Merkezi (ANAEM), 06100 Beşevler- Ankara 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/cm 2 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/cm 3 ) 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/cm 3 ) 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 10 15 tane elektrona karşõlõk gelir. Doz hõzõ; elektron demet akõmõ ile doğru orantõlõdõr. 1 ma/cm 2, yaklaşõk olarak 10 6 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 10 3-10 6 Gy/sn (10 5-10 8 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: M P = 3600 T D f P Burada, M; õşõnlanacak malzemenin kütlesi (kg), P; elektron demet gücü (kw), D; õşõnlama dozu (kgy), T; õşõnlama zamanõ (saat) ve f P ; 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 H 2 O+e-demeti e - su. H,OH,H 2 O 2,H 2,OH -,H + 2 1 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 (HO - 2 ), (e - su) ise - perhidroksit radikal iyonunu O 2 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/cm 3 ) 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 m 3 /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 m 3 /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 m 3 /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 m 3 /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 2m 3 /h õşõnlayacak şekilde 1m 3 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.