Yatağan termik santrali kül dağındaki toryumun kül ve topraktaki davranışının ve yeraltı sularına geçişinin incelenmesi, katı faz ekstraksiyonu ile deriştirilmesi
Investigation of thorium behaviour in ash and soil, and mobilization to underground water in Yatağan coal power plant ash basin, thorium concentration via solid phase extraction
Yazar: BÜLENT KIRKAN
Danışman: PROF. DR. GÜL ASİYE AYÇIK
Muğla Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Silika jel = Silica gel ; Toryum = Thorium ; Yatağan Termik Santrali = Yatağan Thermal Power Plant

Özet:
Bu çalışmada Yatağan Termik Santrali kül dağında bulunan toryumun kül ve topraktaki hareketliliği ve yeraltı sularına geçişinin incelenmesi, yeraltı sularında bulunan toryumun deriştirilmesi için yöntem geliştirilmesi, toprak ve yeraltı su örneklerindeki toryum miktarının ölçülerek radyolojik değerlendirilmesi yapılmıştır.Kül örneklerinin gama spektrometrik analizleri sonucunda kül havzasında bulunan ortalama Th-232 aktivitesi derişimi 87 (108-72) Bq/kg olarak bulunmuştur. En yüksek toryum aktivite derişimine sahip 5 kül örnekleme noktası için toryum hareketliliği kolon çalışmaları yapılarak incelenmiş ve külün yapısında mevcut toryumun suda çözünmeyen kimyasal formda olduğu ve yağmur suyu ile hareketlilik kazanmadığı sonucuna varılmıştır. Külde bulunan toryumun kimyasal formunun belirlenmesinde literatür bilgilerinin yanı sıra XRF ve XRD yöntemleri de kullanılmıştır. Kül dağında Th-232'nin derinliğe göre aktivite derişimi dağılımı da incelenmiş ve kül örnekleme noktalarına göre Th-232 derinlik profili sonuçlarının farklılık gösterdiği belirlenmiştir. Santralden alınan uçucu külde ortalama toryum-232 aktivite derişimi 101 (113 - 88) Bq/kg olarak bulunmuştur.Toprak örneklerinde ortalama toryum aktivite derişimi 36 (60 - 19) Bq/kg olarak bulunmuştur. Kül dağı çevresinde en yüksek aktivite derişimine sahip 5 toprak örneğinde toryum hareketliliği incelenmiş ve toprağın yapısında mevcut toryumun suda çözünmeyen kimyasal formda olduğu ve yağmur suyu ile hareketlilik kazanmadığı sonucuna varılmıştır.Bölgeden alınan yeraltı suyu örneklerinde ortalama Th-232 aktivite derişimi 0,14 Bq/L olarak bulunmuştur. Bölge yeraltı sularında toryumun +4 yükseltgenme basamağında, hidroksit ve karbonat anyonları ile kompleks iyonlar halinde bulunabileceği sonucuna varılmıştır.Toryumun deriştirilmesi veya ortamdan uzaklaştırılması amacıyla katı faz sorbenti geliştirme çalışmaları için katı destek olarak silikajel kullanılmış, SiCPMS-L1, SiCPMS-L2 ve SiCPMS-L3 katı sorbentleri hazırlanmıştır. Silikajelin modifikasyonu için toryumun kimyasal özelliklerine göre literatürden belirlenen HL1, HL2 ve HL3ligandlarının yapıları FT-IR, 1H-NMR,13C-NMR; SiCPMS-L1, SiCPMS-L2 ve SiCPMS-L3 katı sorbentlerinin yapıları ise FT-IR, elementel analiz ve BET yüzey analiz yöntemleri ile karakterize edilmiş, SEM görüntüleri yardımıyla da yüzey incelemesi yapılmıştır.Çalışmada, ham silikajel, aktive silikajel ve hazırlanan katı sorbentler kullanılarak sulu çözeltiden toryum adsorpsiyonunu etkileyen çözelti pH'ı, başlangıç toryum derişimi, çalkalama süresi, katı sorbent miktarı, sıcaklık ve çalkalama hızı parametreleri incelenmiş ve optimum alım koşulları saptanmıştır. Elde edilen sonuçlar adsorplanan toryum miktarları (mg/g), dağılma katsayıları (Kd, mL/g) ve adsorpsiyon verimleri (%) hesaplanarak değerlendirilmiştir. Sulu çözeltiden toryum iyonlarının alımında SiCPMS-L3 katı sorbenti, en yüksek adsorplanan toryum miktarını verdiği için çalışmanın daha sonraki aşamalarında kullanılmıştır. SiCPMS-L3 katı sorbenti için adsorplanan toryum miktarı, adsorpsiyon verimi ve Kd değerleri sırasıyla 24.85±0.2 mg/g, % 97,1±0,7 ve 109914±23315 mL/g olarak bulunmuştur.Toryumun SiCPMS-L3 katı sorbenti üzerine adsorpsiyonu için ?H, ?G ve ?S termodinamik parametreleri hesaplanmış, adsorpsiyon prosesinin endotermik karakterli olduğu, adsorpsiyon işleminin istemli gerçekleştiği bulunmuştur. SiCPMS-L3 katı sorbenti ile sulu çözeltilerden toryum adsorpsiyonunun Langmuir, Freundlich ve Dubinin-Radushkevich (D-R) adsorpsiyon izotermlerine uygunluğu araştırılmış, katı sorbente adsorpsiyonun Langmuir izotermine uyduğu belirlenmiştir.Yüklü SiCPMS-L3 katı sorbentinden geri alım denemeleri yapılmış, 0.1 M H2SO4 ile belirlenen optimum geri alım koşullarında toryum için %98,6±0,6 geri alım verimi elde edilmiştir. Toryum iyonlarının SiCPMS-L3 katı sorbenti tarafından adsorpsiyonunda, farklı metal iyonlarının etkileri de incelenmiştir. Yapılan denemeler sonucunda, katı sorbentin toryum iyonlarına seçici olduğu gözlenmiş ve SiCPMS-L3 katı sorbenti, yeraltı ve çeşme suyu ortamından toryumun deriştirilmesi için kullanılmıştır. SiCPMS-L3 sorbenti seyreltik sulu çözeltilerden toryum iyonlarının seçici olarak deriştirilmesi ve ayrılmasında alternatif bir seçenek olarak önerilmiştir.Çalışma bölgesinden alınan yeraltı suyu ve toprakta bulunan toryumun radyolojik değerlendirmesi de yapılmıştır. Yeraltı sularında bulunan toryum aktivite derişimlerinin WHO tarafından içme sularında Th-232 radyonüklitinin bulunma sınırının altında olduğu belirlenmiştir. Çalışma bölgesinden alınan toprak örneklerinde yapılan Th-232 aktivite derişim analizleri sonucunda topraklardaki radyolojik kirlenmenin izin verilen sınırların altında olduğu belirlenmiştir.Bu çalışmanın en önemli sonucu, radyoizotopik olarak zenginleşmiş külün besleme kömürüne göre daha fazla toryum radyonüklitleri içerdiği ancak Yatağan Termik Santrali etrafında çalışılan bölgede yeraltı suyu ve toprak için radyolojik kirlenmenin söz konusu olmadığıdır.Anahtar Kelimeler: Toryum, Silika jel, Yatağan Termik Santrali, Toryum Haraketliliği, Katı Faz Ektraksiyonu

Abstract:
In this study, thorium in Yatağan Coal Power Plant (YaCPP) ash mountain is studied. The aim of the study is investigating thorium mobility in ash and soil and thorium migration to the underground water, developing an enrichment method for thorium present in underground water, measuring of thorium amount in underground water and making radiological evaluation.The average thorium activity concentration is found to be 87 (108-72) Bq/kg in ash from ash basin by gamma spectrometric analysis. Thorium mobility is investigated via column studies for 5 ash sample points having the highest thorium activity concentration. By the experiments it is concluded that the thorium present in ash is in water-insoluble chemical form and has no mobility by rain water. The chemical form of thorium in ash is determined by XRF and XRD methods beside literature data. The thorium-232 activity concentration distribution by the depth is also investigated and Th-232 depth profile is determined and different profile behaviours are observed according to the sampling points. Thorium activity concentration is found to be 101 (113 - 87) Bq/kg in fly ash samples from YaCPP.The average thorium activity concentration of soil samples are found to be 35 (60 - 18) Bq/kg. Thorium mobility for 5 soil samples having the highest thorium activity concentration is investigated. It is found that the thorium content of soil is in water-insoluble chemical form and has no mobility by rain water.The average Th-232 activity concentration is found as 0,14Bq/L (0,04 ppm) in regional underground water samples. It is concluded that in underground water samples, thorium can be found as complex ions of hydroxide and carbonate anions by being at +4 oxidation number.Development of new solid sorbents for concentration and/or removal of thorium from the aqua media is also studied. SiCPMS-L1, SiCPMS-L2and SiCPMS-L3 are prepared for thorium adsorption by using silicagel as solid phase sorbents. The structures of HL1, HL2 and HL3 ligands that are predicted as selective for thorium by the literature and used for silicagel modification are characterized by FT-IR,1H-NMR and 13C-NMR; and the structures of prepared solid sorbents are characterized by FT-IR, elemental analysis and BET surface analysis methods. Surface analysis is done by SEM methods.In the study, the optimum adsorption conditions were investigated using raw silicagel, activated silicagel and prepared solid sorbents. The significant parameters are pH of the solution, initial thorium concentration, agitating time, amount of solid sorbent, temperature and agitating speed. The amount of adsorbed thorium per solid sorbent (mg/g), distribution coefficient (Kd, mL/g) and adsorption efficiency (%) are determined by using experimental data getting under working conditions. SiCPMS-L3 is selected as solid sorbent for concentration and/or removal of thorium ions from aqueous solutions for the rest of experiments because of its highest adsorption efficiency per unit amount of sorbent. For SiCPMS-L3 solid sorbent the adsorbed thorium amount, the adsorption efficiency and the Kd value are determined as 24.85±0.2 mg/g, % 97,1±0,7 and 109914±23315 mL/g, respectively.The thermodynamical parameters of ?H, ?G and ?S were determined for thorium adsorption of SiCPMS-L3 solid sorbent. The results show that adsorption process is endothermic and spontaneous for adsorption. The experimental data is investigated about coherence with Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich (D-R) isotherms and the thorium adsorption onto solid sorbent is in compatible with Langmuir isotherm.The recovery efficiency of thorium ions from SiCPMS-L3 solid sorbent is found as %98,6±0,6 for 0.1 M H2SO4 at optimum conditions. Effects of different metal ions on thorium adsorption onto SiCPMS-L3 solid sorbent are investigated and it is indicated that SiCPMS-L3 is selective for thorium ions. According to the results, the synthesized silicagel solid sorbent SiCPMS-L3 can be used as an alternative because of the high thorium selectivity and suitable for concentration and purification of aqueous solutions of low level thorium amounts. Thus, SiCPMS-L3 solid sorbent is used for concentration of thorium from underground and tap water.Radiological assessment of thorium present in underground water and soil are also done. The thorium activity concentration in underground water is determined below Th-232 limit in drinking water given by WHO. It is also determined that the amount of thorium content of soil samples from region of interest is between the permitted limits.The important conclusion of this study is that around the YaCPP site, the enriched ash by radioisotpically contains more thorium radionuclides than feed coals but there is no radiological contamination effect on regional ground water and soil.Keywords: Thorium, Silica gel, Yatagan Coal Power Plant, Thorium mobility, Solid phase extraction