Роберт Зиелински; Роберт Финкелман

Введение

Уголь состоит в основном из органических веществ, но в угле есть и неорганические вещества — минералы и незначительные элементы, которые, как было выявлено, являются причинами здоровья, окружающей среды, технологических проблем, связанных с использованием угля. Некоторые незначительные элементы являются природно радиоактивными. Эти радиоактивные элементы включают уран, торий и другие многочисленные продукты распада, включая радий и радон. Хотя эти элементы менее токсичных химически, чем другие составные части угля, такие как мышьяк, селен или меркурий, всё же возникают вопросы относительно их возможного риска от радиации. И чтобы взяться за решение этих вопросов и предсказать изменение радиоактивных элементов во время процесса сгорания, важно определить концентрацию, размещение и форму радиоактивных элементов в угле и золе.

Содержание радиоактивных элементов в угле и золе

Оценка радиационной опасности при сгорании угля зависит от концентрации радиоактивных элементов в угле и золе, которые остаются после сжигания. Сведения о содержании урана и тория в угле имеются в данных геолого-разведочного управления в США, в котором имеется база наибольшая данных химического состава углей США. Угли с содержанием урана более чем 20 ppm являются редкими в США. Концентрация тория в угле падает соответственно 1-4 ppm в сравнении со средним содержанием примерно 10 ppm. Угли с содержанием тория 20 ppm крайне редки.

Во время сжигания угля большая часть урана, тория и продуктов их распада освобождаются из общей горной массы и распределяются между газами и твёрдыми продуктами сгорания.

Распределение между газами и твёрдыми продуктами контролируется испарением и химическим составом индивидуальных частиц. Фактически 100% радонового газа, содержащегося в добываемом угле трансформируется в газ и теряется в выделенном дыме. Наоборот, менее непостоянные элементы, такие как торий, уран и большинство продуктов распада, почти полностью сохраняются в твёрдых отходах сгорания. Современные установки могут восстановить более чем 99,5 % твёрдых отходов сгорания. Количество получаемой золы после сгорания угля в США составляет приблизительно 10 % от общего веса. Таким образом, концентрации наиболее радиоактивных элементов в твёрдых отходах будет приблизительно в 10 раз больше, чем концентрация их в добываемом угле.

Формы содержания радиоактивных элементов в угле и золе

Геолого-разведка США имеет действующий проект по исследованию распространения и способов местонахождения (химический состав) незначительных элементов в угле и продуктов его сгорания. Исследования предполагают: 1) тщательный сверхчувствительный анализ частиц с учётом их размера, плотности, минеральных и магнетических свойств; 2) анализ химических экстрактов, которые воздействуют на определённые составляющие угля и золы; 3) прямое наблюдение и анализ микрочастиц; 4) радиографическое исследование, которое рассматривает расположение и содержание радиоактивных элементов.

Больше всего тория содержится в фосфатных минералах, таких как моназит и апатит. Напротив, уран найден как в минеральных так и в органических фракциях угля. Содержание урана может быть увеличено из-за того, что он может привносится грунтовыми водами. В золе уран концентрируется больше в конечных частицах. Если во время сгорания угля уран концентрируется, то затем он оседает на поверхности и становится более восприимчив к обогащению. Однако никаких очевидных признаков внешнего обогащения урана не обнаружено геолого-разведкой США в сотнях частиц золы.

Воздействие радиоактивных элементов, связанных с утилизацией угля на здоровье и экологию

Радиоактивные элементы из угля и золы могут вступать в контакт с обществом, когда попадают в воздух или в воду, или их включают в вещества, которые содержат золу.

Радиационный риск от воздушных соединений из углеперерабатывающих предприятий изучался в период 1975–1985 гг. Согласно этому изучению был сделан вывод, что максимальная доза радиации на человека, живущего в 1 км от современного предприятия минимальная и возможно от 1-5 % больше радиации от природной окружающей среды. В среднем для человека доза радиации из угля значительно меньше. Радиоактивные элементы окружающей среды, которые влияют на население США показаны на рисунке 4. Естественные источники составляют большую часть (82 %) радиации. Среди искусственных источников излучения доминируют рентгеновские лучи (11 %). В этом плане средняя доза для населения, получаемая при сгорании угля, намного меньше 1 % от общей дозы.

Золу обычно добавляют в бетонные стройматериалы, а радиоактивность типичной золы не отличается сильно от других строй материалов, таких как гранит и красный кирпич.

Другое предположение — это то, что бетонные продукты с содержанием золы могут быть источником радон. Прямые измерения количества внутреннего радона намного усложняется большим содержанием внутренних грунтов и пород. Излучение радона из золы меньше, чем из естественной почвы с подобным содержанием урана. Современные вычисления указывают, что бетонные стройматериалы всех видов содержат менее чем 10 % общего количества внутреннего радона.

Приблизительно 3/4 ежегодного производства золы предназначено для планировки поверхностей для запруживания воды или в заброшенных шахтах и карьерах. Первоочередная экологическая задача, связанная с использованием золы для планировки поверхностей, является то, что это сильный источник загрязнения подземных вод. Стандартизированные тесты выщелачивания токсичных элементов, таких как мышьяк, селен, свинец и меркурий из золы показывают, что количество веществ, полученное в растворе, крайне низкое, чтобы свидетельствовать о постоянной классификации золы, как безопасности твёрдых отходов. Максимально допустимые концентрации согласно с этим испытанием составляют 100 раз стандарт питьевой воды, но эти ограничения концентрации очень редко приближаются к выщелачиванию золы.

Выщелачивание радиоактивных элементов из золы является необходимым с точки зрения агентства по защите окружающей среды США.

Предыдущее изучение радиоактивной мобильности в окружающей среде и в частности в окрестностях урановых шахт и заводов составляют базу для предугадывания необходимых химических условий, чтобы повлиять на выщелачивание урана, бария (химический аналог урана) и тория из золы. Например, выщелачивание радиоактивных элементов под влиянием рН, что является результатом реакции воды с золой, такие свойства как кислотность (рН < 4) или щёлочность (рН > 8) могут увеличить растворимость радиоактивных веществ. Кислотные растворы воздействуют на многие минеральные вещества, которые найдены в золе. Однако, нейтрализация кислотных растворов путём постоянной реакции с природными породами или почвой повышает осаждение или сорбцию многих растворённых элементов, включая уран, торий и многие другие продукты распада. Насыщенные щелочные растворы повышают растворимость стекловидных компонентов золы, которые идентифицированы в уране: это может в частности увеличить растворимость урана, как разновидность урано-карбоната. К счастью, большинство щелочей золы богаты на растворимость сульфатов и это минимизирует растворимость бария (и радия), которые образуют нерастворимые сульфаты.

Прямые измерения растворения в воде урана и радия в золе указывает на их незначительное количество, как путём лабораторных исследований, так и исследованиями геолого-разведки США, а также из-за редких случаев наличия природной воды возле местонахождения золы. Эти предварительные результаты свидетельствуют о том, что обычно концентрации ниже чем в питьевой воде для радия (5 picocuries на литр), а допустимая норма урана в воде составляет 20 ppb (частица на миллиард).

Заключение

Радиоактивные элементы в угле и золе не должны вызывать особую тревогу. Большинство углей и основная часть золы не очень насыщенны радиоактивными элементами, по сравнению с другими твёрдыми породами и почвами. Это наблюдение обеспечивает полезную геологическую перспективу для снижения общественного беспокойства по поводу возможной радиации и радоновой опасности.

Расположение и форма радиоактивных элементов в золе определяет пригодность элементов для выщелачивания во время утилизации и обезвреживания. Существующие измерения о наличии урана в золе указывают на распространение урана через стекловидные частицы. Видимое отсутствие обильного связанного с поверхностью урана предполагает, что норма извлечённого урана контролируется путём медленного растворения его основной части и отдельных частиц.

Предыдущее изучение растворённых радиоэлементов в окружающей среде и имеющиеся знания химических составов урана и радия могут быть использованы, чтобы прогнозировать дальнейший химический контроль такой как рН на растворимость урана и радия, когда зола соединяется с водой. Допустимые измерения растворённого урана и радия в воде после выщелачивания золы и в природной воде из некоторых отходов свидетельствуют, что концентрация в растворе этих радиоактивных элементов ниже уровня допустимого для здоровья человека.

Библиотека