Kangal Termik Santralinde Uçucu Kül
Atımının Çevresel Etkileri
Ümit Ş E N G Ü L
Cumhuriyet Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, SİVAS
ÖZET
Kangal Termik Santrali uçucu küllerinin çevresel etkilerini incelemek amacıyla uçucu kül içeren kolon hazırlanmıştır. Lice geçen element derişimleri atomik absorpsiyon spektrofbtometresi ile, kolondaki mineralojik değişimler ise X-ışmlan difraktometresi ile belirlenmiştir. Li, Na, K, Rb, Ca, Mg ve Sr elementleri üçe yüksek miktarlarda geçerken, eser elementler aletin seçme sınırının altındadır. Sonuçlardan, Santral uçucu küllerinin kısa ve orta vadede çevre için önemli bir kirletici olmadığı belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Uçucu kül, termik santral, çevre kirliliği, katı atık.
The Environmental Impacts of Fly Ash Disposal from Kangal Power Plant ABSTRACT
To investigate the environmental impacts of fly ashes from Kangal Power Plant, a column containing fly ash was prepared. Elemental contents of leaching eluents were analyzed by Atomic Absorption Spectrophotometer and minerological changes in the column content were characterized X-Ray Difraction. Trace elements were found under the dedection limits while signifıcant amount of Li, Na, K, Rb, Ca, Mg and Sr were leached. Results indicated that fly ashes of power plant are not important pollution for the environment in the short and middle term.
Keyvvords: Fly ash, power plant, environmental pollution, solid waste.
GIRIŞ
Her yıl termik santrallerde elektrik üretim amacıyla kömür yakılması sonucu, milyonlarca ton uçucu kül ortaya çıkmaktadır. Bu külün ancak %20'si değerlendirilebilmekte, arta kalanlar ise havuzlama veya karasal dolgu şeklinde biriktirilmektedir.
Kömür yanma artıklarının atıldığı alanlardaki endişelerin en büyüğü, oluşan liç nedeniyle yeraltı suyundaki önemli kirlenmelerdir. Bu endişeler kömür yanma artıklarmdaki As, Ba, Cd, Cr, Pb, Hg ve Se gibi potansiyel toksik eser elementlerin ve çözünebilir tuzların derişimlerindeki yükselmeden kaynaklanmaktadır (USEPA, 1988). Ne yazık ki kül birikim alanlarının ve tarımsal toprakların tam olarak izlenmesi oldukça masraflı ve zor olduğundan bu bölgelerdeki durumu ortaya çıkaracak veriler oldukça azdır. Kül atımının yeraltı sularına etkisi daha çok laboratuvarlarda yapılan liç çalışmalarıyla belirlenmektedir, fakat alanda bulunan kompleksleştiricilerden dolayı bu çalışmaları, alan şartlarına uydurmaya çalışmak gerçeğe pek uygun olmayabilir (Theis ve ark., 1978; Hjelmar, 1990; Murarka ve ark, 1993).
Alan çalışmalarıyla ilgili mevcut bilgiler, kül atımının yeraltı suyu niteliği üzerindeki gerçek etkilerinin küllerin fiziksel ve kimyasal özelliklerine, hidrojeolojik özelliklerine ve birikinti alanlarının iklimine büyük oranda bağlı olduğunu göstermiştir (Theis ve ark, 1978; Page ve ark., 1979; Kopsick ve Angino, 1981). Örneğin yeni kül yığınları, yüksek derecede çözünebilir tuzların olması nedeniyle çok daha fazla yeraltı suyu kirliliği yaratır. Henüz yeni olan kül yığınlarında başlangıçta liçe geçen çözünebilir tuz
miktarı çok yüksektir ve aşamalı olarak liçteki çözünebilir tuz içeriği azalır. Bu nedenle dolan bir havuzdan alınan kül başka bir alana doldurulduğunda burada liçe geçen çözünebilir tuz derişimi çok daha düşüktür. Çünkü havuzlanmış kül su ile doymuştur ve içerisindeki çözünebilir tuzların çoğu önceden liçe geçmiştir (Cherkauer, 1980; Lemly 1985; Petruzzelli ve ark, 1987).
Alanda ve laboratuvarda gerçekleştirilen çalışma lardan elde edilen sonuçlar, kül üçlerinin çoğunda birçok ortak özellik olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu üçlerin genel özelliği baskın olarak Ca+ 2 katyonu ve
SOy2 anyonunu içermesi ve yüksek oranda
çözünebilir tuz derişimleridir. Yüksek kükürtlü kömür külleri genellikle asıdik liç verir, düşük kükürtlü ve yüksek kalsiyumlu kömürlerin külü bazik liç verir. pH değerlerinin en düşük 3 en yüksek 12 değerleri arasında olduğu belirlenmiştir (Mattigod ve ark., 1990).
Kül atık alanlarında az sayıda çalışma ve bilgi olmakla birlikte, bu alanlardan kaynaklanan yeraltı suyu kirlenmesinin sınırlı olduğu saptanmış ve ancak atık alanlarının yakın çevresinde yeraltı suyu kirlenmesi gözlenmiştir (Theis ve ark., 1977; Sakata, 1987; Spencer ve ark 1987). Küllerin atık alanının yakın çevresindeki toprak ve yeraltı sularıyla etkileşime girmeleri nedeniyle atık alanında oluşan toksik metal liçi, laboratuvar ortamındakinden çok daha az olmaktadır (Di Gioia ve ark., 1974).
Kangal Termik Santralı on yıldır faaliyette olup şimdiye kadar tahminen üç milyon ton kül birikmiştir. Külün yaklaşık %95'i baca külü olarak çıkmakta ve bunlar elektrofiltrelerde tutulduktan sonra santralın
1200 m güneybatısındaki bir vadide biriktirilmektedir.
Kül tepesinden sızan yağmur ve kar suları kül
tepesinin altındaki küçük bir gölde birikmektedir. Bu
çalışmanın amacı, külden liç yoluyla toprağa ve yeraltı
sularına karışabilecek toksik elementleri, uçucu
küldeki ana ve yarı eser elementlerin liç davranışlarını
ve liç sonunda külde oluşan mineralojik değişimleri
belirlemektir. Bu amaçla, atık alanındaki ortama
benzeyecek şekilde kolon deneyleri tasarlanmıştır.
Kangal Termik Santralı Uçucu Külü %33-35 silika,
%11-15 alumina ve %26-30 CaO içermektedir.
Dolayısıyla bu kül C sınıfına girmekte ve şiddetli
olmasada pozzolanik özellik göstermektedir.
MATERYAL VE YÖNTEM
Bu çalışmada Kangal Termik Santrali elektrofiltre
(vakum hattı) çıkışından alman uçucu kül örneği
kullanılmıştır. 600 gr uçucu kül örneği İm boyunda ve
4,5 cm iç çapında polietilen bir kolona
doldurulmuştur. Kolonun altına cam pamuğu
yerleştirilmiş ve bir mantar tıpa yardımıyla alta takılan
serum damlalığı akış hızını ayarlamada yardımcı
olmuştur. Bir hortum yardımıyla üstten ayırma
hunisine 21 çift damıtık su konularak kolondan
geçirilmeye başlanmıştır. Kolondan çözelti geçişi
tamamen bitince altta toplanan çözelti tekrar üstteki
ayırma hunisine aktarılarak aynı işlemler sürekli
tekrarlanmıştır. 8 kez çözelti geçişinden sonra 50 mi
çözelti alınıp analiz için saklanmış ve tekrar 50 mi çift
distile su eklenmiştir. Kolondan çözelti geçişi
başlangıçta hızlı iken, uçucu külün pozzolanik özelliği
nedeniyle çimentolaşma olduğundan gittikçe
yavaşlamıştır. Başlangıçta çözelti geçişi 2 günde
tamamlanırken, bu süre deneyin sonuna doğru 6 güne
ulaşmıştır. Kolon deneyi altı ay devam etmiş ve toplam
5 liç çözeltisi elde edilmiştir. Toplanan liç
çözeltilerinde Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, Cr, Ni, Co,
Cu, Pb, Zn, Rb, Li ve Sr elementleri Perkin Elmer
2380 Model Alev Atomik Absorpsiyon
Spektrofotometresi (FAAS) kullanılarak analiz
edilmiştir. Veriler dört analizin ortalaması olarak
verilmiştir. Hesaplamalarda ayar eğrisi yöntemi
kullanılmış ve herhangi bir girişimin olup olmadığını
saptamak amacıyla her bir element için tek bir örnekte
standart ekleme yöntemi uygulanmıştır. Her iki
yöntemle elde edilen eğrilerin eğimleri birbirine yakın
çıkmıştır. Bu bize herhangi bir girişimin olmadığını
göstermektedir. Liç sonucu külde oluşan ikincil
mineralleri belirlemek amacıyla kolonun yüzey, orta ve
tabanından alınan liç edilmiş uçucu kül örnekleri bir
Cu K ışınlı (35 kV ve 15 mA) Rigaku D-Max IIIC tipi
X-Işınları Difraktometresi (XRD) ile mineralojik
olarak analiz edilmiştir. XRD taraması 5 -65 2
aralığında, 0,05 lik adımda 5 dev/dak 'da yapılmıştır.
BULGULAR VE TARTIŞMA
Bu çalışmada kullanılan Kangal Termik Santrali
Uçucu Küllerinin nem kaybı %0,24, kızdırma kaybı
%4,46 ve yoğunluğu 2,33 g/cm
3tür. Uçucu külün
%90'ı 110 m'nin altında tane boyutuna sahiptir. Uçucu
kül başlıca kuvars (Si0
2), kireç (CaO), anhidrit
(CaS0
4) ve albit (NaAlSi
30
8) kristallerini
içermektedir. Kullanılan uçucu kül örneğinin kimyasal
analiz sonuçları Tablo l'de ve X Işınları Difraktogramı
Şekil l'de verilmiştir. Külün fiziksel, kimyasal ve
mineralojik özellikleri daha önceki bir çalışmada
yayınlanmıştır (Şengül ve ark., 2001). Kolon
Deneyinden elde edilen liç çözeltilerindeki FAAS ile
belirlenen element derişimleri Tablo 2'de verilmiştir.
Değerleri incelediğimizde liç sonucunda Al ve Fe'in
aletin seçme sınırlarının altında kaldığı görülmektedir.
Bu Al ve Fe'in külde refrakter yapıda ya da camsı
yapıda bulunmasının bir sonucudur. Külün oldukça
bazik olması nedeniyle, su külle temas ettiğinde
başlangıçta liç çözeltisinin pH'ı 12,5'dir. Deney
sonunda, liç sonucu bazik bileşenlerin uzaklaşmaları
nedeniyle pH 8,85 değerine düşmüştür. Al ve Fe'in
Tablo 1. Kangal Termik Santrali uçucu külünün kimyasal
analiz sonuçlan.
Ana elementler Sİ02 A1,03 TİO,*
F e203 CaO MgO MnO N a20 K20%
42,34 14,82 0,97 5,94 0,03 2,18 19,18 0,33 1,01 Eser Elementler Cr Ni Co Cu Pb Zn Rb Li Sr PPm 213 223 55 50 54 310 97 58 1594Tablo 2. Kolon deneyi liç sonuçları (ppm).
Element Al Fe Mn Mg Ca Na K Cr Ni Co Cu Pb Zn Rb Li Sr liçl 0,001 0,115 0,148 1,128 2102 31,33 112,3 0,137 0,260 0,181 0,034 0,357 0,048 2,97 1,321 74,66 liç2 0,001 0,115 0,148 0,699 2138 23,84 132,1 0,137 0,310 0,227 0,034 0,259 0,070 2,71 1,456 70,16 liç3 0,001 0,115 0,008 1,630 1945 27,87 117,9 0,137 0,260 0.227 0,034 0,218 0,070 2,40 1,626 62,29 liç4 0.001 0,115 0,008 1,556 1961 31,05 118,3 0,097 0,260 0,181 0,034 0,218 0,105 2,29 1,408 58,92 liç5 0,001 0,115 0,067 3,496 1968 27,42 131,1 0,102 0,523 0,221 0,034 0,218 0,105 1,46 1,245 54,41 Gözlenebilme Sının (ppm) 0,001 0,115 0,008 0,003 0,048 0,006 0,020 0,097 0,105 0,092 0,034 0,082 0,008 0,10 0,017 0,074 22
Temmuz-Ağustos-Eylül 2002, Sayı:44
Ekoloji Ü. ŞENGÜL
<,evre Derrfsı *Şekil 1. Kangal Termik Santrali uçucu külünün X-ışınları
diftagrogramı
Şekilde, Q:Kuvars (Si02); Ab:Albit (NaAlSı308); An:Anhidrit (CaS04); Ka:Kalsit (CaC03);J: Jips (CaS04.2H20); Hm: Hematit (Fe203); Lm: Kireç lime (CaO)'tir.
Şekil 2. Kolondan alınan örneklerin X-Işınları difraktogramı.
ancak p H = l'de çözünebildiği literatürde verilmiştir (Andrade ve ark., 1990). Yine bu çizelgeden Mn'ın başlangıçta çözündüğü, sonra geri t u t u n d u ğ u anlaşılmaktadır.
Mg'un çözünürlüğü gittikçe artmaktadır. Bunu pH'ın azalmasına bağlıyabiliriz. Başka bir çalışmada b u n u n nedeni yüksek bazik ortamda brusitin
[Mg(OH)2] çökmesine bağlanmıştır. Ca en fazla çözünen elementtir. Ca ve Sr'un büyük bir kısmı başlangıçta çözülmekte, daha sonra liçe geçen element derişimi azalmaktadır. Na, K, Rb ve Li'un ise 5 ay
boyunca sürekli olarak salındığı anlaşılmaktadır. Bunlar aynı grupta olduğundan bu davranışları normaldir. Na, K, Ca ve Mg için benzer sonuçlar başka bir çalışmada elde edilmiştir (Andrade ve ark., 1990; Tebceira ve ark., 1992)
Cr, Ni, Co, Cu, Pb ve Zn çok az çözünmüştür ve zamanla özüt derişiminde önemli bir değişme gözlenmemiştir. Bu elementler asidik ortamda çözünebilmektedir. Liç çözeltisinin pH'ı çözünebilmeleri için yeterli değildir.
Bu sonuçlar literatürdeki çalışmalarla da uygunluk göstermektedir. Örneğin, Natusch ve ark. (1975) elementlerin uçucu kül tanelerinin yüzeyinde zenginleşmesi ile çözünürlüğü arasındaki ilişkide tane yüzeyindeki öncelikli elementlerden Co, Zn ve Mn'ın sulu ortamda daha yüksek bir çözünürlüğe sahip olduğunu bulmuşlardır. Theis sulu bir ortamda uçucu küldeki eser elementlerin serbestliğinin olağanüstü bir desorpsiyon sonucu olduğunu ve devingenliğin suyun doğasına bağlı olduğunu göstermiştir. Su ile temas ettiğinde asidik küller asidik pH değerleri verirken, bazik küller bazik pH değerleri verirler. Çözünebilir element sayısı ve onların derişimi pH değeri küçüldükçe artar. Uçucu küldeki eser elementlerin çözünürlüğü, kül taneciklerindeki her bir elementin yüzey derişimine ve pH değerine bağlıdır ve elde edilen sonuçlar çalışılan eser elementlerin devingenliğinin asidik ekstratlarda olduğunu göstermiştir (Natusch ve ark., 1975; Theis ve ark., 1989).
Laboratuvarda gerçekleştirilen kolon deneyleri gerçek kül atık alanından farklıdır. Ç ü n k ü yüzey kaçışları yoktur ve sıkıştırma derecesi genelde küçüktür. Bağıl olarak yüksek bir geçirgenlik ve daha az bir kapiler e m m e etkisi vardır. U ç u c u kül alanlarında süzülme kolonlardan çok daha yavaş olabilir.
Özetle altı aylık deney süresi içinde elde edilen liç çözeltileri arasında anlamlı bir fark görülmemiştir. Külün bazik bir kül olması nedeniyle elde edilen liç çözeltileri de oldukça baziktir (pH 12). Bu nedenle eser elementlerin çözeltiye geçmesi oldukça zordur. Al, Fe ve Mg uçucu külde boldur, fakat bunların çözeltiye geçmesi için ortamın asidik olması gerekir. Bundan dolayı sonuçlar düşük çıkmıştır. Kangal Termik Santralinde biriktirilen külün oldukça bazik olması toksik elementlerin yağan yağmur suları ile çözülmesini engellemekte ve şu anda sulu ve karasal ortamlar için bir tehlike yaratmamaktadır. Bu külün yüksek derişimlerde Ca içermesi ve pozzolanik özelliğe sahip olması nedeniyle yağan yağmur suları ile tepkimeye girerek betonlaşmaktadır. Oluşan beton dağından suların süzülerek liç yoluyla karasal ve sulu ekosistemleri etkilemesi u z u n bir süre olanaksız
Tcmmuz-Ağustos-Eylül 2002, Sayı:44 23
görülmektedir. kalsit azalıp albit artmıştır. Orta, taban üstü ve tabanda Liç ve yaşlanma sonunda külde oluşan ikincil önemli bir farklılık gözlenmemektedir.
mineralleri belirlemek amacıyla kolonun yüzey, orta,
taban üstü ve tabanından deney sona erdikten sonra S O N U Ç uçucu kül örnekleri alınmış ve bunların X R D ile Elde edilen sonuçlardan, bu küllerin ilk mineralojik analizi yapılmıştır. Difraktogramlar Şekil atıldıklarında yeterince ıslatıldıkları taktirde kısa ve 2'de görülmektedir. Başlangıçtaki kül örneğinin (Şekil orta vadede çevre için önemli bir kirletici olmadıkları
1) ve deney sonucu elde edilen örneklerin (Şekil 2) söylenebilir. B u n u n başlıca nedeni yukarıda da difraktogramları karşılaştırıldığında orijinal örnekteki belirtildiği gibi küllerin camsı yapısı ve pozzolanik anhidrit ve kireç kolondan alınan örneklerde özellik göstermesi nedeniyle zamanla betonlaşmasıdır. bulunmamaktadır. Burada anhidrit jipse, C a O (kireç) Külün oldukça bazik olması çoğu toksik birçok ise kolayca atmosferik nemle hidratize olarak elementin liçe geçişini engellemektedir. Fakat üçlerde C a ( O H )2' e ve atmosferik C 02 ile doğrudan tepkimeye yüksek oranda çözünebilir tuz derişimleri girerek kalsite dönüşmüştür. Kolonun yüzeyinde bulunmaktadır. Yağan yağmur veya kar sularının kuvars, kalsit ve albit bulunmuştur. Burada kalsit toprağa, yüzey sularına ve yeraltı sularına karışması minerali baskındır. Ortada jips oluşmaya başlamış ve karasal ve sulu ekosistemleri etkileyecektir.
KAYNAKLAR
Andrade A, Coenegracht YMA, Hollman GG, Jurkovicova MJ, Pietersen, HS, Vriend SR Schuiling RD (1990) Leaching Characteristics of Fly Ash After Four Years of Natural Weathering. Mat. Res. Soc. Sytnp. Proc. Vol:178, 105-113.
Cherkauer DS (1980) The effect of fly ash disposal on a shallow ground-water system. Ground Water, 18, 554-550. Di Gioia AM, JE Niece, RP Hayden (1974) Environmentally acceptable coal-ash disposal sites. Civ. Eng. 44:64-67. Hjelmar O (1990) Leachate from land disposal of coal fly ash. Waste Manage, Res. 8, 429-449.
Kopsick DA Angino EE (1981) Effect of leachate solitions from fly and bottom ash on ground water qualitiy. J. Hydroi, 54, 341-356.
Lemly AD (1985) Toxicology of selenium in a fresh water reservoir: Implications for environmental hazard evalution and safety Ecotoxkol. Environ. Safety, 10, 314-338.
Mattigod SV, Rai D, Eary LE, Ainsworth CC (1990) Geochemical factors controlling the mobilization of inorganic constituents from fossil fuel combustion residues: I. Review of the majör elements._/. Environ QuaL, 19, 188-201.
Murarka İP, Mattigod SV, Keefer RF (1993) An Overview of Electric Power Research Institute (EPRİ) research relatedto effective management of coal combustion residues. in R.F. Keefer and K. Sajman (ed.) Trace elements in coal and coal combustion
residues. Advances in Trace Substances Research book series. Lewis Publishers, Chelsea, MI.
Natusch DFS, Bauer CF, Matusievvicz H, Evans CA, Baker J ,Lou A, Linton RW, Hopke PK (1975) Characterization of trace elements in fly ash. Hutchinson T.C.(Ed.), Symposium Proceedings, Vol 2, Part 2. in: Proc. Int. Conf. Heaı>y Metals in the
Environment, Toronto, Ontario. Canada. Institute of Environmental Studies, University of Toronto, 553-575.
Page A, Elseewi AA, Straughan İR (1979) Physical and chemical properties of fly ash from coal/fired power plants with reference to environmental impacts. Residue Rev., 71,83-120.
Petruzzelli G, Lubrano L and Cervelli S (1987) Heavy metal uptake by wheat seedlings grown in fly ash-amended soils.
VVaterAir Soil Pollut. 32,389-395.
Sakata M (1987) Movement and neutralization of alkaline leachate at coal ash disposal sites. Environ. Sci. Technol. 21, 771-777.
Spencer LLS , Drake LD (1987) Hydrogeology of an alkaline fly ash landfıll in eastern Io\va. Ground IVater, 25, 519-526. Şengül Ü, Güler R (2001) Kangal Termik Santrali Uçucu Küllerinin Fiziksel, Kimyasal ve Mineralojik Özelliklerinin Tane Boyuyla Değişimi. Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 22, 2, 10-22.
Teıxeıra EC, Şamama J, Brun A (1992) Study of Different Leaching Methods of Metalik Elements from Coal Fly Ash,
Environmental Technology,13, 1187-1192.
Theis TL , Wirth L (1977), Sortive behavior of trace metals on fly ash in aqueaus systems. Environ. Sci. Technol, 11, 12, 1096-1100.
Theis TL, WestrickJD, Hsu CL, Marley JJ (1978) Field investigation of trace metals in groundwater from fly ash disposalj. Water Pollut. Control Fed., 50, 2457-2469.
Theis TL, Ripp JA,Villaume JF (1989) Physical and chemical characteristics of unsaturated pore water and leachate at a fly ash disposal site. in: 43rd Purdue Industrial VVaste Conf. Proc. Lewis Publishers, Chelsea, MI, p. 161-172.
U.S.E.RA. (1988) Wastes from the combustion of coal by electric utility power plants. USEPA Rep. 530-SW-88-002. Usepa, Washington, DC.
24 Temmuz-Ağustos-Eylül 2002, Sayı:44
Ekoloji Ü. ŞENGÜL
