Většina zpracovatelských technologií zaměřených na snižování objemu nebezpečných odpadů, jako jsou třeba spalování, pyrolýza či chemická oxidace, vede ke "koncentraci" kontaminantů v odpadu. Tyto kontaminanty se mohou po uložení na skládku uvolnit a migrovat do životního prostředí.
Jejich imobilizace vhodnou inertní matricí (solidifikace/stabilizace) může významně omezit rychlost uvolňování kontaminantů do vody. Projekt, řešený v ÚJV Řež, a. s., v programu Ministerstva průmyslu a obchodu Impuls, se zabývá vývojem nových materiálů a technologií pro úpravu radioaktivních a nebezpečných odpadů, a jejich vlivem na zvýšení bezpečnosti úložišť radioaktivních odpadů a skládek nebezpečných odpadů. Touto problematikou se ÚJV Řež, a. s., zabývá již desítky let. Stále probíhá výzkum bitumenace odpadů. Pro vysoce aktivní odpady se vyvíjí tzv. syntetické horniny, jež umožňují téměř zcela zamezit úniku kontaminantů z odpadu. V minulosti probíhal též rozsáhlý výzkum vitrifikace, tj. solidifikace odpadů do skla.
Využití těchto technologií pro solidifikaci nebezpečných odpadů brání jejich větší náročnost na energii a v případě vitrifikace či zabudovávání kontaminantů do syntetických hornin i nutnost zajištění systému proti úniku plynných zplodin. Pro solidifikaci nebezpečných odpadů jsou vhodnější nízkoteplotní technologie využívající pokročilé cementové směsi, geopolymery či syntetické polymery.
POKROČILÉ CEMENTOVÉ SMĚSI
Cement je již dlouhou dobu využíván pro solidifikaci odpadů. Jeho výhodou je běžná dostupnost a nízká cena, nevýhodou je podstatné zvýšení objemu ukládaného odpadu. Vyluhovatelnost kontaminantů z cementových směsí je značně závislá na obsahu naplnění, poměru vody k cementu a na mnoha dalších faktorech. Voda může lehce pronikat do cementu a kontaminanty, jež jsou v cementu pouze obklopeny, jsou po kontaktu s vodou difúzí uvolněny do prostředí.
V současné době se však začínají aplikovat různé typy přísad, jež mohou významně zlepšit vlastnosti cementů a umožňují využít tuto technologii i pro odpady, pro něž nemohly být dříve použity. Standardně začínají být při procesu cementace odpadů používány plastifikátory nejrůznějšího typu zlepšující zpracovatelnost cementového produktu (viskozitu) a dále různá plniva, jež mohou výrazně zlepšit vlastnosti výsledných produktů. Pro solidifikaci nebezpečných odpadů se začíná využívat i tzv. sírový cement poskytující produkty s mnohem vyšší integritou než běžné hydraulické cementy.
GEOPOLYMERY
Alkalickou aktivací kaolinitických prekurzorů či vhodných popílků vznikají téměř amorfní trojrozměrné anorganické polymerní struktury, které jsou tvořeny alkalickými hydratovanými aluminosilikáty. Vzniklá struktura závisí na typu polymerace a na poměru Si/Al v konečném produktu. Geopolymery jsou svým chemickým složením (SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, H2O, stopové prvky) podobné zeolitům. Vyznačují se vysokými hodnotami pevnosti v tlaku. Mezi jejich výtečné vlastnosti patří nehořlavost, odolnost vůči vysokým teplotám a vůči agresivnímu prostředí, nízká porosita, hutná mikrostruktura a odolnost proti rozmrazovacím cyklům.
Tyto materiály jsou v řešeném projektu zkoumány v Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR. Dosažené výsledky ukazují, že geopolymery dokážou pevně vázat kontaminanty ve vytvořené polymerní síti. Určitým nedostatkem je to, že geopolymerní prekurzory potřebné pro přípravu geopolymerních směsí zatím nejsou vyráběny průmyslově, což tuto technologii proti běžné cementaci velmi znevýhodňuje.
SYNTETICKÉ POLYMERY
Kromě anorganických matric se pro solidifikaci odpadů mohou využít i různé typy syntetických polymerů, jako jsou například polyetylén, epoxidové pryskyřice, vinyl-styrenové pryskyřice či polymery na bázi organokřemičitých sloučenin. Zejména polyetylén, představující komoditní levný polymer odolávající většině chemických látek, je možno zařadit mezi velmi vhodné matrice. Polyetylén se využívá jak pro tzv. makroenkapsulaci, spočívající v pokrytí větších částí odpadu polyetylénem, tak mikroenkapsulaci, jež zahrnuje zabudování částeček odpadů do polyetylénové matrice.
Chemicky velmi odolnými syntetickými polymery jsou polysiloxany, známé pod obecně používaným názvem silikony. Tento typ látek představuje přechod mezi organickými a anorganickými polymery. Předností jejich využití pro solidifikaci odpadů je zejména to, že jde o velmi jednoduchou technologii spočívající v tom, že se kapalná silikonová polymerní směs s přísadami pro síťování smíchá spolu s odpadem při laboratorní teplotě. Rychlost síťování lze měnit v širokých časových mezích.
Síťováním vznikají vazby Si-O-Si, jež fyzikálně fixují kontaminanty v polymeru. Výběrem vhodných směsí siloxanové polymerní matrice je možno obsáhnout širokou škálu vlastností konečného produktu od flexibilního materiálu podobného pryži až po pevný, tvrdý materiál. Polymery na bázi silikonu jsou při běžné teplotě kapalné (jejich viskozitu však lze měnit v rozsahu mnoha řádů), což umožňuje jejich snadné smíchání s odpadem. V rámci již zmíněného projektu byla v ÚJV Řež, a. s., ve spolupráci s VŠCHT v Praze patentována metoda, umožňující solidifikovat nejenom suché odpady, ale i odpady obsahující až 50 % vody, tj. například kontaminované iontoměniče a kaly. Flexibilní silikonová matrice umožňuje přijmout 70 až 90 % odpadu a výrazně tak snížit objem ukládaného odpadu ve srovnání s cementací či geopolymerací.
VLIV NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
Vliv solidifikace nebezpečných odpadů na životní prostředí není zcela zřejmý. Výpočet dopadu úniku kontaminantů ze skládek nebezpečných odpadů na životní prostředí vyžaduje určení cesty kontaminantů k člověku a výpočet doby migrace. Ke kontaminaci člověka může dojít jeho přímým kontaktem s odpady po jeho úmyslném či neúmyslném vniknutí na skládku. Kromě toho může být počátkem cesty kontaminantů k člověku jejich uvolnění z odpadu po jeho kontaktu s povrchovou či podzemní vodou a koncem cesty ingesce kontaminované vody, ať již přímým pitím či přes konzumací kontaminovaných potravin.
K výpočtu doby migrace je třeba znát nejenom rychlost vyluhování kontaminantů z matrice, ale i velkou řadu dalších parametrů týkajících se jak vlastní skládky, tak i lokality, v níž je skládka umístěna. Skládky určené pro nebezpečné odpady se vyznačují velmi malou propustností podloží (< 10-8 m/s) a jsou opatřeny systémem účinných podkladových i překryvných těsnění (hutněné jíly, geotextilie, polyetylén) a drenážních vrstev. Je tedy prakticky zabráněno masivnímu průsaku srážkové vody do podloží a rychlému úniku kontaminantů do podzemní vody pod skládkou.
Z tohoto důvodu se nepočítá s tím, že rozpuštěné kontaminanty se mohou dostat ze skládky do životního prostředí tzv. advekčním a disperzním tokem. Dříve či později však dojde k průniku vody do skládky a kontaminanty, jež se nemohou rozložit (například těžké kovy), se po kontaktu s vodou uvolní a difúzí přes nepropustné podloží se dostanou do aquiferu a začnou se šířit do životního prostředí. Případně po zaplnění jímky vodou mohou přes překryv difundovat do okolí skládky (anglicky se tomuto scénáři říká "bathtubing").
Ve světě existuje řada výpočetních kódů umožňujících výpočet rychlosti migrace kontaminantů přes vícebariérový systém úložišť radioaktivních odpadů či skládek nebezpečných odpadů. Modelování difúze, jež představuje ve srovnání s advekčním tokem kontaminantů velmi pomalý proces, se uplatňuje více při hodnocení úložišť radioaktivních odpadů. Ve zmíněném projektu ÚJV Řež, a. s., byl jeden z těchto výpočetních kódů modelově použit pro výpočet vlivu solidifikace na rychlost migrace olova z hypotetické skládky nebezpečných odpadů (konkrétně výpočetní kód PAGODA, vyvinutý ve Velké Británii).
V modelovém příkladu bylo uvažováno uložení 1000 sudů s rovnoměrně rozptýleným olovem (20 kg/sud) do betonové jímky opatřené nepropustným jílovým těsněním o tloušťce 1 m. Jímka je situována do nenasycené zóny o průměrných srážkách 0,5 m/rok. V důsledku nepropustného překryvu a odpařování srážkové vody se do jímky může dostat pouze 8,5 m3/rok. Pod nepropustným jílovým podložím je aquifer, kde teče voda rychlostí 1 m/rok. Dále se předpokládá, že na skládku se během několika stovek let zapomene a na jejím místě bude vybudována usedlost se studnou zásobující vodou skupinu obyvatel bydlících na místě bývalé skládky. Studna je ve vzdálenosti 20 m od jímky a má vydatnost 10 l/min. Parametry použité při výpočtu jsou uvedeny v tab. 1. Účinnost solidifikace je vyjádřena množstvím olova, které se uvolní za rok do vody v kontaktu s odpadem z jednoho sudu (0,002-2 g Pb/rok). Výsledky výpočtu jsou uvedeny na obr. 1.
Z obrázku plyne, že imobilizace olova vhodnou matricí má významný vliv na jeho konečnou koncentraci v životním prostředí. Při použití matrice, jež umožní uvolnění více než 0,2 g olova z jednoho sudu za rok, se za několik stovek až tisíc let dostane olovo do životního prostředí v koncentraci, jež převyšuje maximální koncentraci olova v pitné vodě 10 mg/l doporučenou Směrnicí Rady EU 98/83/E z listopadu 1998.
Z důvodů mnohem přísnějších požadavků na zneškodnění radioaktivních odpadů, a zejména s ohledem na větší cenu za jejich uložení, se uvedené nové metody uplatňují především pro odpady radioaktivní. Ve světě, zejména v USA, se však začínají uplatňovat i pro odpady nebezpečné, tj. zejména odpady obsahující těžké kovy jako je rtuť, kadmium či olovo. Jejich využití pro solidifikaci odpadů obsahujících "pouze" nebezpečné složky zřejmě nebude masové. Domníváme se však, že znalost těchto metod je užitečná i pro solidifikaci nebezpečných odpadů.
Ing. Antonín Vokál, CSc.
Ústav jaderného výzkumu Řež, a. s.
