Sorption behavior of radioiodine on organic rich, soil, alumina and clay minerals

Abstract

ÖZET RADYOAKTİF İYOD'UN ORGANİK TOPRAK, ALUMINA VE KİL MİNERALLERİNDE TUTULMASI SHOELEH ASSEMI Kimya Bölümü Yüksek Lisans Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Hasan N. Erten Haziran 1992 Bu çalışmada radyoaktif iyodun organik kısmı yüksek(%70) olan toprakta, alumina, kloritillit kil karışımı, bentonit ve kaolinit de tutulması araştırılmıştır. Örneklerin yapısal karekterizasyonu, FTIR, X-ışın kırınımı spektrometresi ve Andreason pipet metodu ile tanecik büyüklüğü dağılımı deneyleri ile yapılmıştır. Baç yöntemi ile yapılan deneylerde, örnekler tanecik büyüklüğüne göre ayrıldıktan sonra tanecik büyüklüğü, 0-38/^m arası olanlardan belirli ağırlıklar alınmış ve polipropilen tüplerde değişik zaman aralıklarında, bilinen hacim ve I- iyonu derişiminde, izleyici 131I içeren çözeltilerle çalkalanmış, sıvı ve katı fazlar santrifüj yolu ile ayrılmış ve sıvı fazdaki 131I aktivite değişikliği izlenmiştir. Deneyler boyunca sulu faz olarak örneklerin elde edildiği bölgelerdeki yer altı sularına uygun olarak hazırlanmış sentetik yeraltı suyu kullanılmıştır. 1317 içeren çözeltilerde, aktif olmayan I~ iyonu, 10~8- I0~6mmol/ml arası derişimlerle kullanılmıştır. Topraktaki tutulmanın zaman, hacim/kütle oranı, solüsyonun pH değeri, topraktaki mikroorganizmalar ve solüsyondaki I~ iyonu derişimi ile bağımlılığı, ivincelenmiştir. Alumina ve killerde ise I~ iyonu derişimi ve kompleks yapan maddelerin tutulma üzerindeki etkisi saptanmıştır. Toprakla yapılan kinetik deneyde, tutulmanın çok yavaş ilerlediği ve doygunluk değerine en az 14 gün sürede ulaşıldığı görülmüştür. Hacım/kütle oranı(V/m), arttıkça, dağılım katsayısının yükseldiği ve V/m=50 den sonra sabit kaldığı görülmüştür. Dağılım katsayısı,/£«*, sentetik yeraltı suyunun pH değişimi ile fazla değişiklik göstermemiştir. Bu solüsyonlardaki Eh değerleri, iyot-su sistemi Eh-pH diyagramı ile karşılaştırınca, turn pH aralıklarında, iyo dun çoğunlukla I~ iyon şeklinde olduğu belirlemiştir. Topraktaki biokütlenin tutulma üzerindeki etkisini görmek için, toprak numuneleri ısı ve 60CO kaynağı ile sterilize edmiş ve dağılım katsayılarının sterilize olmayan topraktan çok daha düşük olduğu gözlenmiştir. Sıvıdaki aktif olmayan iyodun derişimindeki artış, dağılım katsayısmdaki düşüşe neden olmuş ve salıverilme (desorpsiyon), sadece düşük iyot derişimlerinde ([J_]° < 1 x 10~6mmol/ml ) görülmüştür. Bu davranış, iyodun toprakta en az iki mekanizma veya tutulma bölgelerince meydana geldiğini göstermektedir. Tutulma izotermleri Freundlich ve Dubinin-Radushkevich izoterm modellerine uygulanmıştır. Bu uygulamadan ise, tutulma enerjisi yaklaşık 11 kJ/mol bulunmuştur. Ayrıca Cl~ iyonunu, /`` iyonuna rakip iyon olarak kabul ederek, tutulma bölgelerinin çözeltideki J~ ve Cl~ iyonlarının tercih etmelerine göre, tutulma bölgelerin dağılımı bulunmuştur. Tutulma bölgelerin CI~'u I~'da üç kat daha fazla tercih ettikleri hesaplanmıştır. Killerde, en fazla tutulma katsayısı, Klorit-IUit kil karışımı için bulundu. Alumina ve diğer kil örneklerdeki tutulma katsayıları organik toprağa göre çok daha düşük bulunmuştur, izotermler Freundlich ve Dubinin-Radushkevich izoterm modellerine uygulanmış ve tutulma enerjisi alumina ve killer için 8- 12 kJ/mol arasında hesaplanmıştır. Freundlich izotermlerin eğrileri killer için l'den az bulunmştur. Alumina için ise,Freundlich sabiti 0.98 olarak bulunmuştur. Bu değer aluminanm saf (%99) AI2O3 olduğundan kaynaklanıyor. Tutulma enerjileri alumina ve killer için 8.5-1 1 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Bu örnekler için tutulma bölgelerin dağılım eğrileri elde edilmiştir. Bu örneklerdeVI de tutulma bölgelerinin Cl~ iyonunu I~ iyonuna en az üç defa daha fazla tercih ettikleri belirlenmiştir. Alumina ve kil örnekleri, EDTA (Etilen Diamin Tetra Asetik asit) ve TPAI (Trimetil Fenil Amonyum iyodür) ile denge haline getirilmiştir. Bu örnekler için çok düşük veya sıfır Re değerleri elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Tutulma, Salıverilme, Radyoaktif iyot, Organiktoprak, Alumina, Kil, Baç yöntemi, İzotermler, Tutulma enerjisi, Bölge dağılımı, Rakip iyon, Topraktaki canlı kütle, Kompleks yapan madde.

ABSTRACT SORPTION BEHAVIOR OF RADIOIODINE ON ORGANIC RICH SOIL, ALUMINA AND CLAY MINERALS SHOELEH ASSEMI M.S. in Chemistry Supervisor: Prof. Dr. Hasan N. Erten June 1992 Sorption behavior of radioiodine on organic rich soil, alumina, chlorite- illite clay mixture, kaolinite and bentonite have been studied using the batch method. 1317 was used as tracer. Characterization of samples were done by FTIR, X-ray diffraction spec trometry and particle size distribution by Andreason pipette method. The grain size of the samples used were all below 38/zra and the exper iments were performed at room temperature. The aqueos phase used in all experiments were synthetic ground water with a composition similar to the underground waters of the regions where the samples were obtained. Stock solutions containing 13lI tracer, were prepared using synthetic ground water. Initial concentration of inactive iodide ion in the solutions ranged from 10~8to 10~3 mmole/ml. The influence of contact time, solution/solid ratio, pH of synthetic ground water, biomass of soil and I~ ion concentration on the sorption of radioiodine on the organic rich soil were investigated. The effect of l~ ion concentration iiiIV and complexing agents on the sorption behavior of radioiodine on alumina and clay minerals were also studied. A rather slow kinetics was observed for the adsorption of radioiodine on the organic rich soil, tending saturation within 14 days. It was observed that distribution ratio increased with increasing ratio of the volume of solution to the mass of soil(V/m ratio) and reached a plateau after V/m=50. Distribution ratio did not change very much by changing the pH of the solution. Com parison of Eh-pH behavior of the solutions with the standard Eh-pH graph of iodine-water system indicated that in the whole pH range, iodine is mostly present in I~ form. To observe the effect of soil biomass soil samples were sterilized by heat and 60Co gamma-ray source and the results were found to be much lower than the control sample. Increasing the concentration of iodide ion in the solution, caused a decrease in Rj, values. Desorption was observed only for low initial iodine concentrations ([.f-]? 5: 1 x 10_6mmol/ml), for organic rich soil which suggests that at least two sites and/or mechanisms are involved in the sorption. The sorption data were fitted to Freundlich and Dubinin-Radushkevich isotherms. The slope of Freundlich isotherm was found to be less than 1 which indicates the non-linearity of the isotherm. The mean free energy of adsorption was calculated from the slope of Dubinin-Radushkevich isotherm and was found as about 1 1 kJ/mol. The distribution of sites on organic rich soil was calculated using the Freundlich and Dubinin-Radushkevich constants, considering Cl~ as the competing ion with I~ in the solution. The affinities of sites were found to be about three times higher for Cl~ than I~. Among the clay minerals, the highest Rd value was found for chlorite-illite clay mixture but the Rj values found for alumina and the other samples were well below those found for the organic rich soil. The sorption data were fitted to Freundlich and Dubinin-Radushkevich isotherms. All the Freundlich isotherms were non-linear (slope<l), except for alumina (slope=0.98), since the alumina sample used was 99% AI2O3. The mean energies of adsorption calculated for these samples, weTe in therange of 9-11 kJ/mol. The site distribution curves were also obtained for these samples and the affinities of sites were found to be at least three times higher for Cl~ than /`. Clay samples were pretreated with complexing agents EDTA (Ethelene Di amine Tetra Acetic acid) and TPAI (Trimethyl Phenyl Ammonium Iodide). Very low or zero Rj, values were found for treated samples. Keywords: Sorption, Desorption, Radioiodine, Organic rich soil, Alumina, Clay minerals, Batch method, Isotherms, Sorption energy, Site distribution, Competing ion, Soil biomass, Complexing agents.