INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS CONTAMINADOS POR PEQUENAS QUANTIDADES DE MATERIAIS RADIOATIVOS

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1 INCINERAÇÃO DE RESÍDUOS ORGÂNICOS CONTAMINADOS POR PEQUENAS QUANTIDADES DE MATERIAIS RADIOATIVOS Ana Maria Xavier 1 e Paulo Fernando Heilbron 2 RESUMO Materiais radioativos de meia-vida relativamente longa, como o trício (t 1/2 = 12,3 anos) e meia vida longa, como o carbono-14 (t 1/2 = 5730 anos) são muito utilizados em pesquisa biológica que empregam detectores de cintilação líquida. A utilização de tolueno como solvente em soluções cintiladoras impede que essas soluções, mesmo que contaminadas por pequenas quantidades de H-3 e C-14, sejam eliminadas no esgoto sanitário, dada a toxicidade química do tolueno. A possibilidade de incineração de soluções cintiladoras é avaliada, sob o ponto de vista de proteção radiológica, por meio de estimativa de dose anual decorrente da inalação de efluentes radioativos liberados na atmosfera, em decorrência do processo de incineração de tolueno contendo H-3 e C-14 em quantidades normalmente empregadas em laboratórios de pesquisa. 1. INTRODUÇÃO Um dos princípios fundamentais aplicáveis à gestão de resíduos tóxicos, incluindo aí os radioativos, é a minimização do volume de rejeitos gerados. Ademais, a redução de volume de resíduos é uma meta atraente, do ponto de vista econômico, uma vez que os custos de coleta, transporte e deposição final desses materiais estão diretamente associados ao seu volume. Dentre as tecnologias de redução de volume, a incineração permite (i) a destruição do componente tóxico; (ii) a redução de volume expressiva (ordens de grandeza) e a curtíssimo prazo; (iii) a liberação controlada de efluentes gasosos, podendo ser evitado, assim, qualquer impacto ambiental; e (iv) a geração de cinzas não tóxicas, que podem ser dispostas de maneira convencional. O objetivo deste trabalho é o de avaliar a possibilidade de incineração de solventes orgânicos contaminados por material radioativo, técnica essa considerada adequada internacionalmente [1]. 2. GERAÇÃO DE REJEITOS RADIOATIVOS ORGÂNICOS LÍQUIDOS Soluções cintiladoras dissolvidas em solventes orgânicos são empregadas em detectores de cintilação líquida em trabalhos de pesquisa envolvendo pequenas quantidades de radionuclídeos como C-14 e H Engenheira Química, Mestre em Engenharia Química, Ph.D - CNEN 2. Engenheiro Mecânico, Mestre em Engenharia Nuclear, Doutor em Engenharia Mecânica - CNEN

2 Os resíduos líquidos decorrentes do emprego dessa técnica de detecção de partículas subatômicas carregadas, apesar de conterem quantidades muito pequenas de radioisótopos de meia-vida longa, não podem ser eliminados na rede de esgoto sanitário, pelo fato do solvente não ser solúvel em água e, ainda, apresentar propriedades tóxicas que, no caso do tolueno, afetam o sistema nervoso central. Por outro, lado, a presença de material radioativo nesses líquidos orgânicos, mesmo que ínfima, impede que sejam aceitos para eliminação em incineradores convencionais, exigindo o pagamento de elevadas quantias de dinheiro para queima em incineradores específicos para produtos tóxicos. Materiais radioativos de meia-vida relativamente longa, como o trício (t 1/2 = 12,3 anos) e aqueles de meia vida longa, como o carbono-14 (t 1/2 = 5730 anos), são muito utilizados em pesquisa biológica, que empregam detectores de cintilação líquida. Esses equipamentos de detecção consistem, basicamente, de um vidro contendo uma amostra radioativa misturada a um líquido de cintilação, este dissolvido em solvente orgânico, e um tubo fotomultiplicador associado a um sistema eletrônico que tem por objetivo computar os fótons de luz emitidos pelo cintilador ao interagir com as partículas β emitidas pelos citados radionuclídeos. Após a determinação do conteúdo radioativo das amostras, os líquidos de cintilação dissolvidos em solvente, normalmente tolueno, são armazenados em frascos mantidos nos laboratórios de pesquisa, para posterior descarte. Figura 1 Frascos de soluções contendo tolueno, armazenados em Laboratório de Pesquisa da UFRGS, para posterior eliminação. Literatura internacional [2] estima que países como o Brasil geram cerca de 10 a 20 litros de soluções cintiladoras por ano, contendo cerca de MBq/m 3 (8,1-13, Ci/ml) de H-3 e C-14.

3 Informações obtidas junto ao Laboratório de Endocrinologia e Metabolismo de Invertebrados da UFRGS [3] indicam que cada frasco de 2,5 ml contendo líquido de cintilação/tolueno apresenta concentração da ordem de Ci de C-14 por ml de solução orgânica. 3. REQUISITOS NORMATIVOS De acordo com Norma da Comissão Nacional de Energia Nuclear [4], a eliminação de rejeitos gasosos na atmosfera deve ser feita em concentrações inferiores às especificadas em sua Tabela 6, Coluna 2, devendo ser previamente autorizada pela CNEN. Os valores mais restritivos dos limites de concentração no ar estabelecidos em [3] para o carbono-14 e o trício são: C-14 3,7 x 10 3 Bq/m 3 ( 1x10-7 µci/ml) H-3 7,4 x 10 3 Bq/m 3 ( 2x10-7 µci/ml) Cabe observar que os valores de concentração acima são iguais ou inferiores àqueles adotados pela legislação americana para a eliminação, na atmosfera, de efluentes gasosos contendo carbono-14 e trício [5], quais sejam: CO 2 3x10-7 µci/ml H-3 2x10-7 µci/ml 4. INCINERAÇÃO DE TOLUENO A reação estequiométrica de combustão de tolueno é: C 7 H O 2 = 7 CO H 2 O Assim, 1 mol de tolueno (92 g) gera 7 moles de CO 2 (7x 32 g) bem como 4 moles de H 2 O (4x 18g). Uma vez que nas condições normais de temperatura e pressão, CNTP (273,15 K e 1 atm), o mol de qualquer gás ideal ocupa um volume de, aproximadamente, 22,4 litros, o volume mínimo de ar necessário para a combustão completa de 1 mol de tolueno pode ser determinado conforme se segue, nas CNTP. Ar O 2 N y 9x22,4 z

4 Ou seja: y = 960 litros de ar z = 758,4 litros do gás inerte nitrogênio Para determinar o volume total esperado na exaustão do combustor, para cada mol de tolueno queimado, temos, ainda baseados na reação de combustão completa: CO 2 7 x 22,4 = 156,8 litros H 2 O 4 x 22,4 = 89,6 litros N 2 = 758,4 litros TOTAL = 1004,8 litros Esse volume deve, ainda, ser corrigido em função da temperatura de exaustão. Assim, a pressão constante: sendo T ex expresso em graus Kelvin. V ex = 1004,8 x T ex /273 Considerando, para o incinerador RGL 600 SE, da LUFTECH, existente no Campus do Vale da UFRGS (ver Anexo 2) que os efluentes apresentam, na exaustão, uma temperatura que varia entre 900 a 1300 o C e seu volume correspondente, V ex, será acrescido de um fator de, no mínimo ( )/273 4,3. Para o caso de rejeito contendo cerca de 2x10-9 Ci de C-14 por mililitro de tolueno, concentração típica encontrada nos rejeitos da UFRGS, teríamos, considerando a densidade do tolueno de 0,87 g/cm 3 : Ci 0,87 g w 92 g (1 mol) Ou seja, w = 2,11x10-7 Ci de C-14 / mol de tolueno Como o volume da mistura de gases e vapores esperado na saída do combustor, para a queima de 1 mol de tolueno é 1004,8 x 4,3 = 4320 litros, a correspondente concentração desse radionuclídeo na exaustão será dada por: 2, Ci/ 4320 l = 0, Ci/l = 0, µci/ml Pode ser observado que esse valor máximo de concentração esperado na exaustão do incinerador, em função da combustão completa de 1 mol de tolueno, sem diluição alguma, já é cerca de metade do limite adotado pela CNEN para eliminação de efluentes contendo C-14 na atmosfera, qual seja, 1,0 x 10-7 µci/ml.

5 Da mesma forma, pode-se mostrar que empregando os valores citados na literatura [2] para concentrações de H-3 em soluções cintiladoras (8,1 13, Ci/ml) são obtidos valores máximos de concentração na exaustão, sem diluição alguma, de cerca de 3, µci/ml, ou seja, 6 vezes inferiores ao limite adotado pela CNEN para eliminação de trício na atmosfera, qual seja, µci/ml. Ademais, como o incinerador da UFRGS tem a capacidade de queima de kg/h, dependendo do material orgânico a ser utilizado, o tolueno levemente contaminado poderia ser queimado em conjunto com outros solventes não contaminados com material radioativo, o que proporcionaria um fator de diluição adicional na saída do exaustor de algumas ordens de grandeza, tornando as concentrações de C-14 e H-3 na exaustão ainda mais inferiores aos limites estabelecidos pela CNEN. 5. ESTIMATIVA DE IMPACTO RADIOLÓGICO A dose anual devido à inalação de material radioativo, decorrente da emissão de efluente radioativo gasoso (D in ), pode ser calculada, de forma conservativa, ou seja, admitindo que não haja diluição entre o ponto de emissão e o ponto de inalação, por meio da seguinte equação: onde: D in = C a.r in. DF in C a - Concentração do radionuclídeo no ar, em Bq/m 3 ; R in - Taxa de inalação, em m 3 /ano; DF in - Fator de conversão de dose por inalação, em Sv/Bq. A taxa de inalação é função da idade do individuo e, de acordo com a referência [ 6], assume os valores de 1400 m 3 /ano para crianças e 8400 m 3 /ano para adultos. Os fatores de conversão de dose são função do radionuclídeo e da idade do indivíduo. De acordo com a referência [7], os valores adotados no caso de inalação de H-3 são Sv/Bq para crianças e Sv/Bq para adultos. No caso de inalação de C-14, são adotados os valores de Sv/Bq para crianças e Sv/Bq para adultos. A Tabela 1 apresenta os valores de dose interna anuais esperadas devido à inalação dos radionuclídeos H-3 e C-14 em concentrações máximas previstas na saída do incinerador (0, µci/ml de C-14 = 1807 Bq/m 3 e 0, µci /ml de H-3 = 1221 Bq/ m 3 ), para uma queima continua durante um ano (24 h/dia). Tabela 1 Estimativa de Dose Anual devido à Inalação Contínua de C-14 e H-3 Indivíduo Dose devido à inalação de H-3 Dose devido à inalação de C-14 Adulto 0,2 msv/ano 8,8 msv/ano Criança 0,5 msv/ano 16,7 msv/ano

6 Considerando que seria necessária, apenas, a operação do incinerador durante uma hora por mês, para a total queima de todos os conteúdos dos frascos, é preciso corrigir os resultados da Tabela 1 pelo fator 12 h/a = 12 h/(24x365) h, resultando nos valores apresentados na Tabela 2, valores esses muito inferiores ao limite de dose de 1mSv/a estabelecido em Norma da CNEN para o público. Tabela 2 Estimativa de Dose Anual Devido à Inalação de C-14 e H-3 Durante Uma Hora por Mês Indivíduo Dose devida ao H-3 Dose devida ao C-14 Adulto 0,0003 msv/ano 0,012 msv/ano Criança 0,0007 msv/ano 0,023 msv/ano 6. CONCLUSÃO A incineração de soluções orgânicas levemente contaminadas por C-14 e H-3, empregando o incinerador existente no Campus do Vale da UFRGS, foi avaliada e considerada segura, tanto sob o aspecto de liberação de efluentes radioativos na atmosfera e as respectivas doses de radiação associadas, como o de destruição de toxicidade química do tolueno. 7. REFERÊNCIAS BIBBLIOGRÁFICAS [1] International Atomic Energy Agency, Treatment and Conditioning of Radioactive Organic Liquids, IAEA-TECDOC-656, July [2] International Atomic Energy Agency, Management of Small Quantities of Radioactive Waste, IAEA-TECDOC-1041, September [3] Martins da Silva, R.S., Instituto de Ciências Básicas da Saúde, UFRGS, Comunicação Pessoal, dezembro de [4] CNEN-NE-6.05 Gerência de Rejeitos Radioativos em Instalações Radiativas, Comissão Nacional de Energia Nuclear, [5] Code of Federal Regulations, 10 CFR 20, Appendix B, Office of the Federal Register, National Archives and Records Administration, USA, [6], International Atomic Energy Agency, Generic Models and Parameters for Assessing the Environmental Transfer of Radionuclides from Routine Releases, Safety Series n 57, IAEA, Vienna, [7] International Atomic Energy Agency, International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources, Safety Series No. 115, Vienna, IAEA,1996; 8. AGRADECIMENTO Um dos autores (AMX) agradece o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Rio Grande do Sul, FAPERGS, que possibilitou a realização deste trabalho.

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