ipen AUTARQUA ASSOCIADA A UNIVERSIOADE DE SAO PAULO

ESTUDO DA IMOBILIZACAO DE REJEITOS RADIOATIVOS EM MATRIZES ASFLTICAS E RESDUOS ELASTOMRICOS

UTILIZANDO A TCNICA DE MICROONDAS

REINALDO LEONEL CARAT1N

Disserta$o apresontada como parte dos requisitos para obtengo do Grau de Mestre em Ciencias na rea de Tecnologa Nuclear Mater ia is .

Orientadora: Dr.* Sumair Gouveia de Arajo.

S a o Paulo 2007

9.73

ipen INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGTICAS E NUCLEARES

Autarqua Associada Universidad de Sao Paulo

ESTUDO DA IMOBILIZAQO DE REJEITOS RADIOATIVOS EM MATRlZES

ASFLTICAS E RESIDUOS ELASTOMRICOS

UTILIZANDO A TCNICA DE MICROONDAS

/ ; \

REINALDO LEONEL CARATIN - !

Dissertaco apresentada como parte

dos requisitos para obtenco do

Grau de Mestre em Ciencias na rea

de Tecnologa Nuclear - Materlais.

Orientadora: Dr." Sumair Gouvea de Arajo

Sao Paulo

2007

C0 f/SSAO WCKSftL V- C*i;& P;CLG.\K/SP-IPEN

Dedico este trabalho minha esposa, Rosirs, pelo amor, incentivo, paciencia e dedicaco, minha filha, Priscila, pelo companheirismo, minha me, Wanda, pela educago e minha sogra, Joanna, pelo carinho.

AGRADECIMIENTOS

Ao Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares (IPEN-CNEN/SP), pela possibilidade de desenvolver este trabalho.

Dr.a Sumair Gouveia de Arajo, por sua orentaco na escolha do tema, as precisas intervences e pela autonoma permitida na elaboraco deste trabalho.

Aos colegas do Centro de Qumica e Meio Ambiente (CQMA-IPEN): Dr.a Casu Nakanishi, por sua ajuda na obtenco das resinas; Dr.a Chrstina A.L.G. de O. Forbicini, por sua paciencia, discussdes e colaborado na fase da separacSo do zinco; Dr.a Duclerc F. Parra e Srta. Heloisa A. Zen, pelos ensaios TGA; Dr.a Liliane Landini, pela sua dedicaco; Eng.a Sabrina Cabrera, pela parcera nos procedimentos laboratorais; Dr.a Sizue O. Rogero e Dr.a Mitiko Yamaura, pela disponibilizaco e preparo das amostras de magnetita; Dr. Ademar Benvolo Lugo, pelas sugestes e material disponibilizado; Dr. Alcdio Abro, pelas discussdes e material disponibilizado; Dr. Paulo E. Lainetti, pelo incentivo e emprstimo de um espago no laboratorio de anlises trmicas.

Aos colegas do Centro de Ciencia e Tecnologa de Materiais (CCTM-IPEN): Eng.a Raquel M. Lobo e Sr. Nildemar A. M. Fenreira, que calmamente focaram as matrizes na elaboraco das micrografias.

Aos colegas do Laboratorio de Rejeitos Radioativos (LRR-IPEN): Dr.a Brbara Rzyzki, Dr. Goro Hiromoto e Dr. Roberto Vicente, pelo interesse e sugestes neste trabalho; Sra. Vera Lucia Keiko Isiki e Dr. Julio Takehiro Marumo, pelas contagens das amostras dos ensaios de lixiviaco.

Aos colegas do Servico de Radio Protegao (SRP-IPEN): Dr.a Terezinha de Moraes da Silva, MSc. Francisco Mario Feij Marques e Sr. Robson de Jess Fenreira, nos cuidados para a armazenagem segura do Zn.

Aos bibliotecarios do IPEN, pela paciente e permanente ajuda prestada: Sra. Edna Mara Alves, Sra. Mara Eneide de Souza Arajo, MSc. Mery Piedad Zamudio Igami e Sr. Waldir Ferreira.

Ao colega do Ncleo de Inovaco Tecnolgica (NITEC): Sr. Roberto Mrcio de M. Fraga, pelo apoio na diagramaco e impresso de partes deste trabalho.

Aos colegas do Departamento de Projetos e Obras (DPO): Arq.a Elizabeth Brigago de Faria Lainetti e Arq. Luiz Massi Jr. por executarem parte das minhas atividades diarias; Sra. Claudia de Ftima de O. Mouro, pela execuco dos desenhos. Eng. Fbio E. de Campos e Sr. Gilberto Magalhes, pela execuco da embalagem e blindagem para o ^Zn.

Aos queridos amigos e amigas do IPEN que, embora nao tenham sido nominalmente citados, estiveram presentes e muitas vezes nao entenderam a minha ausencia nos nossos eventos, e pela paciencia com o meu mau-humor.

colega do Centro de Desenvolvimento da Tecnologa Nuclear (CDTN): MSc. Marcia Flavia Righi Guzella, pelas dicas e tranquila acolhida.

Ao Centro de Tecnologa de Obras de Infra-estrutura (IPT): Pela realizacao dos ensaios mecnicos em todas as amostras, coordenados pela Dr.a Mrcia Aps e MSc. Marcus Reis e executados pelo Sr. Luiz B. Adelino.

Industria Inaj Artefatos, Copos, Embalagens de Papel Ltda: Pelo fornecimento das embalagens parafinadas.

Viapol Ltda: Pelo fornecimento do cimento asfltico Vit 90.

A Grendene Calcados S/A: Pelo fornecimento das amostras de EVA.

Aos meus familiares, pelo apoio incondicional no desenvolvimento desta pesquisa.

minha esposa, Rosiris Mancini Caratin, pela minuciosa correco ortogrfica e gramatical deste trabalho.

ESTUDO DA IMOBILIZACO DE REJEITOS RADIOATVOS EM MATRIZES ASFLTICAS E RESIDUOS ELASTOMRICOS

UTILIZANDO A TCNICA DE MICROONDAS

Reinaldo Leonel Caratin

RESUMO

No presente trabatho, foi utilizada a tcnica de aquecimento por microondas para estudar a imobilizaco de rejeitos radioatvos de nivel de atividade baixo e medio, como resinas de troca inica exaurdas, empregadas na remocfio de ons indesejveis dos circuitos primarios de refrgerago de reatares nucleares refrigerados a agua, e aquetas usadas em colunas de separaco qumica e radionucldica no controle de qualidade de radioistopos. Matrizes betuminosas reforjadas com alguns tipos de borrachas (Neoprene, Silicone e Etileno Vinil Acetato - EVA), provenientes de material descartado ou sobras de producto, foram utilizadas para incorporago dos rejeitos radioatvos. As irradiaces das amostras foram feitas em um fomo de microondas caseiro, que opera com freqencia de 2.450MHz e possui potencia de 1.000W. As amostras foram caracterizadas, empregando-se ensaios de penetraco, resistencia lixiviando, pontos de amolecimento, fulgor e combusto, termogravimetra e microscopa ptica. Os resultados obtidos mostraram-se compatveis com os padres dos componentes das matrizes, indicando que esta tcnica urna alternativa bastante til aos mtodos de imobilizaco convencionais e para esses tipos de rejeitos radioatvos.

C0MI5SAC NAGCivAi. fc D' . i r&f t HCLE/vK/SP-fPEf.,

STUDY OF IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTES IN ASPHALTIC MATRICES AND ELASTOMERIC RESIDUES

BY USING MICROWAVE TECHNQUE

Reinaldo Leonel Caratin

ABSTRACT

In the present work, the technque of microwave heating was used to study the immobilization of low and intermedate activity level radioactve waste, such as spent ion exchange resin used to remove undesirable ions of prmary circuits of refrgeration in water refrgerated nuclear reactors, and those used in chemicat and radionuclide separation columns in the quality control of radioisotopes. Bitumen matrices reinforced with some kinds of rubber (Neoprene, silicon and ethylene-vinyl-acetate), firom production leftovers or scraps, were used fr incorporation of radioactve waste. The samptes irradiation was made in a home microwave oven that operates at a frequency of 2.450 MHZ with 1.000W power. The samples were characterzed by developing assays on penetration, leaching resistance, softening, flash and combustin points, thermogravimetry and ptica! microscopy.

The obtained results were compatible with the pattern of matrices components, which shows that technique is a very useftil altemative to conventional immobilization methods and to those kinds of radioactve waste.

SUMARIO

Pgina

1INTR0DUQ0 1 1.1 Considerares gerais 1 1.2 Fundamentos tericos 3 1.2.1 Polmeros 3 1.2.2 Borrachas 4 1.2.3 Betume 5 1.2.4 Resina de troca inica 8 1.2.5 Magnetita 9 1.2.6 Tcnicas de imobilizago de rejeitos radioativos 10 1.2.6.1 VHrifcagSo 13 1.2.6.2 SupercompactacSo 13 1.2.6.3 CimentacSo 14 1.2.6.4 Fixago com polmeros 14 1.2.6.5 Betuminizago com extrusora 16 1.2.6.6 Betuminizago com microondas 17 2 REVISO DE LITERATURA 21 2.1 Tecnologa de aquecimento por microondas 21 2.2 ImobilizagSo de rejeitos radioativos 23 3 OBJETIVOS 30 4 MATERIAIS E MTODOS. 31 4.1 Amostras. 31 4.1.1 Borracha 31 4.1.2 Betume 31

4.1.3 Resina de troca inica 32 4.1.4 Magnetita 33 4.1.5 Infra-estrutura 33 4.2 Irradiages 34 4.2.1 Moidagem de corpos de prava de betume puro e os tres

polmeros pelo mtodo de banho 36 4.2.2 Moidagem de corpos de prova com betume, borracha e

resina pelo mtodo de banho 38 4.3 Caracterizaces 39 4.3.1 PenetracSo (NBR 6576) 40 4.3.2 Ponto de amolecimento (6560) 41 4.3.3 Ponto de fulgor e combustSo (NBR 1134) 41 4.3.4 Anlise termogravimtrica (TGA) 42 4.3.5 Microscopa ptica 42 4.3.6 Resistencia lixiviago 43 5 RESULTADOS E DfSCUSSES 45 6CONCLUSES 60 TRABALHOS FUTUROS 61 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS 62

USTA DE FIGURAS

Pgina 1 Representagao esquemtica do ciclo dos polmeros 4 2 PosigSo dos filtros no circuito primerio de um reator nuclear. 9 3 Filtros com resina de troca inica do Reator IEA-R1/IPEN. 9 4 Representagao do poder de penetragSo de emissoes a, $,y,Xe nutrons 11 5 Diagrama simplificado do gerenciamento de rejeitos radioativos 12 6 Esquema para encapsulamento de resina exaurda de troca

inica em polmeros 16 7 Fluxograma simplificado de um processo com extrusora 17 8 Espectro eletromagntico indicando a frequncia de ondas 18 9 OrentagSo dos momentos dipolo segundo o campo eltrico 18 10 Formas de reaco de materais sob a agSo de radiagSo

eletromagntica 19 11 ReagSo dos materais sob ago de radiagSo

eletromagntica 32 12 llustragSo dos mtodos: banho e incorporacSo de magnetita

na matriz de imobilizagSo 34 13 Diagrama de montagem do processo de imobilizagSo de

resina de troca inica em matriz de betume e borracha pelo mtodo de banho 35

14 Moldagem de um corpo de prova de betume puro 37 15 Esquema da montagem do aquecimento de betume em

forno microondas 38 16 Esquema da montagem do aquecimento de EVA e resina

em forno microondas. 39 17 Moldagem, condicinamelo, equipamento para realizar

os ensaios e detalhes da penetragSo da agulha na amostra 40 18 Detalhe da moldagem dos corpos de prova e a realizagSo

do ensaio de ponto de amolecimento 41 19 Ensaio em andamento, ponto de fulgor e ponto de combustao 42 20 PadrSo 20pg SbZnCyg HCI 0,5mol/l, solugSo de alimentagSo,

separagSo pelo processo batelada e geragSo de efluentes 43

21 Ensato termogravimtrico em amostra de betume 46 22 Magnetita natural sem classifcaco granulomtrica 47 23 Comporiamento do banho de magnetita para 50g de betume 48 24 Aquecimento de betume em banho de magnetita (explorago 1) 49 25 Aquecimento de betume em banho de magnetita (explorago 2) 50 26 Aquecimento de betume em chapa aquecedora 50 27 Curva de resframento do betume puro a partir de 230C 51 28 Secagem de 10g de resina em estufa a 110C 53 29 Secagem de 30g de resina em estufa a 100C 54 30 Secagem de 10g de resina em microondas 54 31 Ensaios de penetragSo em matrizes de betume, resina e

EVAa25C 56 32 MEVda continuiade da superficie do betume sobre

a resina 57 33 MEVda resina envotta pelo betume no interior

da matriz. 57 34 Detalhe dos moldes e das resinas saturadas com Zn 58 35 Teste de lixiviago, blindagem de chumbo 58

LISTA DE TABELAS

Pgina 1 Especiftcagdes do betume tipo cimento asfltico 31 2 Especifcacdes da resina tipo Amberiite - IRN 217. 33 3 ComposigSo das matrizes de betume e betume/pollmero 35 4 ComposigSo das matrizes de betume, resina e EVA 39 5 ComparagSo entre propredades de asfaltos oxidados padreo

e utilizado 50 6 Resultados do ensaio de penetracao (mm/10) 52 7 Medias dos resultados de caracterizagSo das matrizes 53 8 Resultados dos testes de penetragSo para amostras da fase 2 55 9 Resultados do ensaio de lixiviagSo 58

1

1 INTRODUQO

1.1 Consideracdes gerais

Elementos radioativos ocorrem na natureza ou sao produzidos por meio de reaces nucleares utilizando reatares nucleares ou aceleradores de partculas. Esses tipos de materiais contm substancias emissoras de radiaco ionizante, ou seja, radiaco eletromagntica ou de partculas que, ao interagirem com a materia, ionizam direta ou indiretamente seus tomos ou molculas.(1) Eles podem ser empregados em diversas reas, como industria e medicina, acarretando, porm, um enorme problema: a geraco de rejeitos radioativos. De acord com a Norma CNEN-NE-6.05, rejeito radioativo "qualquer material resultante de atividades humanas, que contenha radtonucldeos em quantidades superiores aos limites de isenco especificados na Norma CNEN-NE-6.02 - Licenciamento de Instalares Radiativas, e para o qual sua reutilizaco impropria ou nao prevista".

2

para rejeitos de baixa e media atividade, proporcionando estruturas qumica e fsica estveis aos materiais enquanto armazenados/5,6' ^

No Brasil, o processo de aquecimento de polmeros com microondas um campo bem recente e est sendo aplicado como urna nova frramenta de processamento, com a expectativa de definir os mecanismos de interaco dessas ondas eletromagnticas com esses materiais. Mais especficamente, esse mtodo tem mostrado melhores resultados para polmeros que possuem grupos polares.09

O mecanismo de aquecimento por microondas aquele no qual a energa absorvida pela materia e transformada em energa cintica das molculas, sendo as partes mais internas e as mais externas aquecidas simultneamente.

Urna aplicaco prtica do aquecimento de betume por microondas que convm ser citada um estudo para sua utilizaco especficamente em reparos de estradas pavimentadas com excelentes resultados.(9)

Alm dos rejeitos radioativos, urna grande varedade de produtos industrializados, fabricados com borrachas, por exemplo, sao descartados aps o uso ou como sobras de produco.

Esses produtos, quando tratados como descarte, sao normalmente incinerados (produzndo energa pelo calor gerado ou sofrendo diminuico de volume), encaminhados a aterros sanitarios ou utilizados como carga inerte (previamente passando por processos de moagem e pulverizado para serem adicionados materia-prima para produgo de outros artefatos, ou mesmo no prpro processo que os orginou com perdas de propredades fsicas e qumicas).

Como esses tipos de materiais possuem degradaco biolgica media da ordem de 400 anos, seu reaproveitamento de extrema importancia na preservaco dos recursos naturais. Dessa maneira, a sua utilizaco na imobilizago de rejeitos radioativos em matrizes betuminosas pode ser urna alternativa para contribuir com a reduco do volume de lixo e com a diminuico da poluico do ar e da agua, alm de proporcionar um reforco na estrutura da matriz.

Normalmente, aps a concluso do processo de mistura dos componentes, as matrizes de imobilizago sao colocadas em tanques de concreto ou rocha, isto , sitios de rejeitos radioativos permanentes ou temporarios, at que ocorra seu decaiment total. Qualquer mtodo proposto para a imobilizaco de rejeitos radioativos deve atender s necessidades de armazenagem e transporte e reduzir

3

a mobilidade e os riscos de intruseo de radionucldeos na natureza, mesmo que em quantidades mnimas, com o objetivo principal de garantir a mxima proteco ao ser humano e ao meio ambiente.00,11>

1.2 Fundamentos tericos

1.2.1 Polmeros

Materais polimricos tem sido objetos de estudos para a imobilizaco de rejeitos radioativos, pois suas caractersticas mostram muitas vantagens de uso nessa rea.

Genricamente, polmeros sao macromolculas compostas por milhares de unidades de repetico (meros) unidas por ligaco covalente. A matra-prma para a produco de um polmero denominada mondmero, que urna molcula composta por urna unidade de repetico. Os plsticos, borrachas e fibras, respectivamente, termoplsticos, elastmeros e termofixos, sao as grandes classes em que os polmeros se subdividem e cuja definico depende do tipo de mondmero, da ligaco covalente e do nmero de meros de cada cadeia.(12>

Os termoplsticos sao polmeros que sob ago de temperatura e presso, fundem e podem fluir para dentro dos moldes, assumindo sua forma ao resfriar. Novas aplicaces de temperatura e presso produzem o mesmo efeito de fundir e fluir, isto , podem ser reciclados. Exemplos: polipropileno (PP), poliestireno (PS) e policloreto de vinila (PVC).(12)

Os termofixos sao plsticos que com o aquecimento amolecem urna vez, sofrem o processo de cura e tomam-se rgidos. Os materais termofixos representam 20% dos plsticos consumidos no Brasil e urna vez conformados, nao se consegue mais reprocess-tos, impossibilitando sua reciclagem. Sao insolveis e infusves; suas propnedades mecnicas nao sao influenciadas pelo calor, desde que as temperaturas estejam abaixo da temperatura de transico vitrea Tg.(12-13i4>

Na FIG. 1, esto representadas as etapas do ciclo dos polmeros desde a sua gerago, produco de artefatos, ponto de reciclagem at o momento do descarte final.

s

1 I 2

MATERIA PRIMA

3 , J

DESCARTE

FIGURA 1: Representado esquemtica do ciclo dos polmeros, adaptada de(13)

1.2.2 Borrachas

Conhecida desde a Antiguidade, quando era utilizada para tampar vasilhames ou colar documentos, a resina natural (ltex), posteriormente denominada borracha pela capacidade de apagar marcas de lpis, tinha restntas aplicaces.

Somente aps a descoberta da vulcanizado por Charles Goodyear em 1839, por meio de um processo qumico com enxofre (principal agente na formaco de ligaces cruzadas), foram conferidas borracha caractersticas, como elasticidade, ausencia de pegajosidade e durabilidade.

Natural ou sinttica, a borracha pode ser estendida diversas vezes, sem sofrer danos estruturais, retomando s dimenses originis. Situada em urna classe intermediara entre o termopistico e o termofixo, aps a vulcanizaco, difcil alterar seu estado fsico (12), onerando os procedimentos para sua reciclagem.

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1.2.3.Betume

Desde os primordios da civilizado, h registros e indicios da aplicaco de asfalto na pavimentaco de ras ou na impermeabilizaco de jardins, aquedutos, terracos, piscinas e telhados da Antiguidade, alm do uso blico na forma de bolas de fogo atiradas por catapultas.

As principis qualidades do asfalto que permitem essas aplicac5es sao: a adesividade com os agregados, impermeabilidade, durabidade das misturas, manutenido de suas propriedades por longo tempo e facilidade de aplicaco.(15)

De orgem natural ou pirognica, os asfaltos sao materiais aglutinantes de cor escura e consistencia varivel cujo constituinte mais importante o betume. Encontrados na natureza, sao processados em destilaco fracionada do leo cru e disponibilizados como destilados (parcela mais pesada da produco de leo cru de asfalto), oxidados (obtidos com a injeco de bolhas de ar entre 200 e 260C) ou emulsificados (obtidos pela adico de solucdes aquosas anidnicas, catinicas ou nao inicas para destilar).

O betume, por sua vez, composto por urna ampia varedade de hidrocarbonetos nao volteis de elevada massa molecular, que tm o carbono e o hidrognio como principis elementos presentes na sua constituico, seguidos de enxofre, nitrognio e oxgnio. um material termoplstico, orgnico, semi-slido ou slido temperatura ambiente, de baixa condutividade trmica e completamente solvel em bissulfeto de carbono (CS2).(5,16)

Dependendo do tipo e procedimento da materia-prima e dos processos de refino utilizados, sao obtidos betumes com diferentes proporces de asfltenos, resinas e leos, suas tres fraces bsicas e responsveis pelas varaces das propriedades fsicas. Sao denominadas maltenos as partes mais leves do processo de extraco e com maiores proporcdes de leos e resinas. Os asfltenos, que sao slidos temperatura ambiente, demonstram comportamiento termoplstico, pois, ao serem aquecidos, amolecem e podem ser conformados, e ao resfriarem, tomam-se slidos.

O betume, constituinte predominante do asfalto, um dos materiais polimncos mais utilizados como agente de solidificado, ou seja, como matriz para confinar rejeito radioativo.

6

Seu uso garante resistencia lixiviago para a matriz de imobilizaco, devido sua estanqueidade impedir o trnsito indesejvel de lquidos e continuidade do material apresentar babea ocurrencia de poros, fissuras ou outras falhas que permitam a passagem de agua e conseqente careaco do material imobiiizado, devido sua alta viscosidade quando abaixo da temperatura de amoleciment. Outras vantagens do uso do betume sao: a possibilidade de reduco de grandes volumes de sobras, resistencia radiaco e ao envelhecimento e a possibilidade de incorporado de rejeitos com variadas propriedades qumicas e fsicas.

A importancia dessas propriedades se relaciona s condices de estocagem e transferencia do betume fundido, quando da execuco das matrizes de imobilizaco, s condices operacionais, compatibilidade com o rejeito e aos requisitos para armazenagem.(2, 17) Finalmente, a alta e rpida solubilidade em solventes facilita a limpeza dos equipamentos do processo de betuminizaco.

Comparados a urna matriz de betume puro, os principis beneficios pretendidos com a adico de polmeros matriz betuminosa sao: a reduco da suscetibilidade trmica; aumento da adesividade aos agregados e da vida til; melhoria da resistencia fadga e a defrmales permanentes; maior resistencia ao envelhecimento e ao surgimento de trincas trmicas.

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nos modelos do que em escala natural (1:1), principalmente quando se utilizou betume oxidado que nao apresentou aumento de votume quando a dose de radiago gama excedeu 2x108Gy. Para doses inferiores a 106Gy, o betume puro apresentou melhores propriedades, como ponto de amolecimento e penetrago.

Para doses de radiago muito altas, cima de 108Gy, nao s o betume, mas todos os polmeros sao transformados em material tcnicamente sem utilizago. Para minimizar o efeito da radiago, desejvel que a dose total seja limitada a 107Gy. A parcela de rejeito para a qual essa limitago nao necessria exclu processos de purificago provenientes de um reator de gerago de energa, como filtrago, precipitago, resinas de troca inica e evaporago, os quais resultam em lama, lodo e concentrados. Rejeitos de reatares geradores de energa contm produtos ativados como Co e produtos de fisso como 137Cs.

Ao se comparar a limitago de dose possvel de ser imobilizada pelo betume, com o limiar de esterilizago permanente para o homem (dose absorvida nica de cerca de 3,5 Gy a 6Gy nos testculos) e para a mulher (de 2,5Gy a 6Gy), possvel compreender a necessidade de aprmorar cada vez mais as tcnicas para impedir a disperso de rejeitos radioativos no meio ambiente.

Rejeitos lquidos de nivel intermediario, oriundos de instalages de reprocessamento de combustvel nuclear, podem conter sais (nitrato) com concentraco de radiago alfa, beta e gama cima de 4 TBq/m3, tributil fosfato (TBP) e seus produtos de decomposigo. A prtica comum indica que rejeitos de nivel baixo e medio em instalages nucleares de reprocessamento e estabeiecimentos de pesquisas podem ser envolvidos em betume pela razo de produzir urna matriz slida de baixa permeabilidade que pode ser mais fcilmente movimentada, transferida, estocada e enviada para a disposigo final.

Vantagens podem ser obtidas das reages do betume com materiais que ficam em contato sob condiges de armazenagem e disposigo, visto que importantes propriedades do betume sao aftadas somente prximo ou na superficie do produto e nao modificam ou colocam em risco suas funges de cobrr e proteger materiais. A habilidade do betume de resistir a ataques de diferentes soluges qumicas sugere que ele pode mostrar boa resistencia a soluges aquosas menos agressivas e a varios materiais slidos que ocorrem na natureza e em repositorios de rejeitos.(5)

COMISSO NACIONAL K ^ i W NUCLEAR/SP-IPEK

8

1.2.4 Resinas de troca inica

Urna questo sempre predominante: a melhora das condices de imobilizaco dos residuos em formas mais estveis.

As resinas de troca inica, que sao materiais gelatinosos e porosos, portante muito sensveis a impurezas slidas, sao consideradas importantes ferramentas em instalares nucleares, pois retiram radionucldeos, impurezas ou eletrlitos interferentes dispersos no sistema de filtragem da agua de refrigeracSo dos reatores e os retm em seu interior. Amolecimento de aguas, deionizago, recuperago de metis, preparaco de reagentes, alm de produco e purificaco de radioistopos, sao outras aplicaces comuns para as resinas de troca inica.

Para utilizaco de resina de troca inica em instalaces nucleares, devem ser observadas as seguintes funces principis:

Desmineralizar a agua; Remover contaminantes radioativos, tais como produtos de corroso

ativados;

Remover oxigonio do refrigerante no sistema primario do reator;

Controlar as concentrares dos aditivos na agua, tais como inibidor de corroso e envenenador de nutrons. Enquanto as resinas catinicas sao excepcionalmente estveis e resistem

bem a cidos, hidrxidos, agentes oxidantes e solventes orgnicos, as resinas amnicas sao mais sujeitas decomposico, que acentuada em agua quente. Sao essas caractersticas que permitem definir um ciclo de regeneraco.

A maioria das resinas de troca inica encontradas comercialmente sao resinas orgnicas sintticas, formadas por urna cadeia de hidrocarbonetos, geralmente poliestireno linear. O divinil-benzeno (DVB) retcula a matriz como funco de sua concentraco. O aumento da porcentagem de DVB diminu a solubilidade, a porosidade e o inchamento, mas aumenta sua rigidez.(20,21)

Durante cada ciclo de operago das resinas, ocorrem duas fases distintas: a sorpco, que compreende a "carga, saturago e carregamento", e a lavagem, com as etapas de "soluco, vazo e lavagem".(21)

Como menos de 100% da resina regenerada a cada tratamento, devido s reaces agressivas de passagem pelas coiunas de resinas catinica e aninica de soluces de cido sulfrico e soda custica, respectivamente, ao final de

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alguns ciclos, o poder de troca inica deixa de ocorrer na quantidade deseada

Assim, a resina exaunda passa a ser constderaoa como rejeito radioativo passive

de imobilizacSo.

Na FIG. 2. est esquematizado um reator nuclear gerador de energa

eltrica. enfatizando a posico dos filtros no circuito primario de onde sao

retiradas as resinas de troca inica quando exauridas

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FIGURA 2. Posicao dos filtros no circuito primerio de um reator nuciear

Na FIG. 3. sao mostradas as colunas que alojam as resinas de troca inica

com blindagem e as tubulacoes extemas para manobras do Reator IEA-R1

localizado no Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares (IPFN-CNFN/SP)

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-FIGURA 3 Filtros com resina de troca inica do Reator IEA-R1 do IPEN

1.2.5 Magnetita

A magnetita (FesO/ constituinte comum de rochas magmticas. mas

tambm pode ser encontrada em rochas metamrfceas Apresenta brilho metlico,

10

elevada dureza, trago preto e carter fortemente magntico, comportando-se como um m natural. Dentre as apticaces mais usuais, pode ser citado seu uso como lastro na composico de concreto de alta densidade, em banhos para isolaco trmica e na blindagem de raios-X.

Por ser qumicamente estvel, infusvel, armazenadora de calor,*22* e principalmente por ser um excelente absorvedor de energa de microondas(9), foi possvel experimentar sua utilizaco na fase de fuso do betume neste trabalho.

Conceitualmente, quanto maior for a constante dieltrica (e) do material, maior quantidade de energa peder ser por ele armazenada e mais rpidamente ocorrer a etevaco da temperatura sob aco da energa de microondas, onde a temperatura a medida do grau de agitaco das molculas de um corpo, e o calor a energa trmica em transito, sto , a energa transferida de um corpo para outro quando existe diferenca de temperatura entre eles.

1.2.6 Tcnicas de imobilizaco de rejettos radioativos

Imobilizar rejeitos significa evitar ou restringir a disperso nao intencional de radionucldeos no meio ambiente a partir de um local de estocagem ou disposico. Essa imobilizaco envolve o acondicionamento em unidades discretas durante sua armazenagem ou disposico final, o que facilita o transporte e a inspego com a racionalizago do uso de sistemas de controle e seguranca, manutenco, monitoramento e intervenco humana.(20,23)

Para o gerenciamento, os rejeitos radioativos provm de dois tipos de instalares:

1. Instalaces nucleares, que abrangem todas as fases do ciclo do combustvel: mi riera cao, beneficiamento, converso, enriquecimento, reconverso, produco das pastilhas e elemento combustvel (uso e armazenagem final);

2. Instalaces radioativas, que envolvem clnicas, hospitais, industrias, universidades, centros de pesquisas, etc. Tres sao os principios bsicos de radioprotego:

1. Principio da justificaco: Toda prtca que envolve radiaco ou exposico deve ser justificada em relaco a prticas alternativas e produzir um tuero lquido positivo para a sociedade.

11

2 Principio da otimizaco: A exposicao dos individuos radiaco oern como a dose coletiva resultante da presenca de rejeilos radioativos. aeve ser o reduzida quanto razoavelmente exeqivel (ALARA), levando-se em conta fatores sociais e econmicos

3 Principio da limitacao de doses: As doses individuis dos individuos ocupacionalmente exposos e dos individuos do pblico nao devem exceder os limites anuais de dose equivalente estabelecidos as normas de proteco radiolgica, (exceto: radiaco de fundo, diagnstico mdico e tratamento mdico).l2i'

As doses referidas sao provenientes de materiais emissores de radiaco ionizante gerados em instalaces nucleares ou radioativas.

Na FIG. 4, foi estilizado o poder de penetraco das diferentes formas de emissdes com diferentes energias, produzmdo assim diferentes efeitos nos seres VIVOS

(?!,;

o E 1 PIAS.TKOS CO CHUMBO RAO/ iNA

iuiRL)?^a

FIGURA 4: Representarse do poder de penetraqo de errasses a,& y,Xe nutrons

Na FIG. 5. esto representadas as etapas do gerenciamento de rejeitos radioativos desde a sua geraco, reuso, disposico final ou liberado de efluentes para o meio ambiente.

12

Reje i tos e m ater a is rad ia t ivos

Pr- t ra tam ento

Tra tam ento

7

Im o b i l i zaco

D ispos icSo

FIGURA 5: Diagrama simplificado do gerenciamento de rejeitos radioativosf4>

Tendo sua origem a partir dos mais variados processos, os rejeitos radioativos existem nos estados: slido, lquido e gasoso.

Para melhor segregaco desses materais, conforme a atividade apresentada, eles sao classificados como: rejeitos de alto nivel (HLW, high level waste): produtos do reprocessamento dos elementos combustveis usados em reatares; rejeitos de nivel intermediario (ILW, intermedate level waste): resinas exaurdas e filtros retentores de partculas radioativas, os quais sao imobilizados em matriz slida por cimentaco ou betuminizaco; rejeitos de baixo nivel (LLW, low level waste): luvas, sapatilhas, mscaras e ferramentas contaminadas, que sao armazenadas em tambores at nao apresentarem riscos para reuso ou descarte/26-27)

Dependendo do tempo de decaimento, sao classificados como de meia vida Ch vida) curta, media ou longa.

Para cada combinaco dos parmetros desses rejeitos (estado fsico, nivel de atividade e tempo de V2 vida), existem mtodos adequados sua imobilizaco.

A imobilizaco e armazenamento de rejeitos durante longo tempo devem serfeitos em embalagens fsica e qumicamente estveis que devem ser mantidas de forma a minimizar a necessidade de controle, sistemas de seguranga, manutenco, monitoramento, ventilacSo e intervengo humana.*23*

Os rejeitos radioativos gerados ao longo de mais de quatro dcadas do uso da energa nuclear no Brasil se encontram armazenados em instalaces pertencentes ou supervisionadas pela Comisso Nacional de Energa Nuclear (CNEN) e representam um volume superior a 15400m3 recolhidos de todo o pas.

M atsr ia I rad iat ivo (pe ra reuso ou

r sc ic lagem )

13

Seu gerenciamento implica urna serie de aces que incluem a coleta no local de produco, a segregaco pelo tipo de rejeito, o transporte para a rea de tratamento e para o armazenamento ou disposico final.(26)

1.2.6.1 Vtrificaco

A vtrificaco pode ser compreendida como sendo a converso de materais em vidro ou substancias semelhantes e, apesar de manter inalterado o nivel de radioatividade, facilita a movimentaco da matriz de imobilizaco.

A vitrificaco conceitualmente interessante por causa da potencial durabilidade do produto e da fexibilidade do processo no tratamento de urna ampia varedade de rejeitos e contaminantes. Essas caractersticas tomam a vitrificago o principal processo de tratamento para rejeitos radioativos de alto nivel e urna attemativa atrativa para rejeitos radioativos de baixo nivel. Esse processo pode ser aplicado dentro ou fora das instalacSes.

Pesquisas com vidro borosilicato, para imobilizaco de rejeito nuclear, tm indicado que a lixiviago vara muito pouco quando a carga de rejeito aumenta em at 50% em peso. Assim, a quantdade de rejeito imobilizado com vidro borosilicato pode nao ser limitada pela durabilidade do produto, mas pelas considerantes de processamento.(11)

1.2.6.2 Supercompactaco

A supercompactaco proporciona reduco de volume da ordem de 16:1, bem como um certo grau de estabilizado de rejeitos heterogneos.

Na compactado de materais fsseis, importante que na anlise de seguranca, seja considerado o aumento de refletividade dos plsticos as matrizes do rejeito, bem como as mudancas de geometra.

Para agrupar varios containeres em um, importante considerar o limite da liberaco de gas gerado e de salda de calor.(7)

14

1.2.6.3 Cimenta cao

O cimento, composto bsicamente de calcio, silicatos, aluminio e xidos de ferro, foi um dos primeiros materiais utilizados na imobilizaco de rejeitos. Tcnicas de aplicado baseadas as atividades da Engenhara Civil permitem afirmar que sua estabilidade estrutural conveniente para disposico e manutencao da integrdade do sistema.

O cimento tem sido usado com ou sem aditivos, que melhoram a compatibilidade cimento/agregados, reduzem o fator gua/cimento e at impedem o crescimento de bacterias causadoras de gases internos do bloco.*22*

O cimento Portland um material barato e comum. Sua adico melhora consideravelmente as propriedades fsicas e qumicas da mistura e diminu a taxa de lixiviaco, mas o equipamento precisa de cuidados especiis, pois ser contaminado durante a operaco. Portanto, o equipamento tambm dever ser considerado, aumentando o capital operacional e os custos de manutencao do sistema se o processo de imobilizaco escolhido for o de misturar agitando rejeitos, cimentos e o tambor, ou colocar o misturador dentro do tambor para se efetuar a mistura.

No caso da cimentaco de resina de troca inica, o inconveniente passa a ser seu inchamento na presenca de agua, o que pode levar a um aumento das pressdes internas do bloco, ocasionando o aparecimento de fissuras e trincas que exporiam o material imobilizado.(11) Com fatores de inchamento das resinas de 1,4mL/g e 1,2ml_/g para aninica e catinica, respectivamente, as cargas mximas incorporadas fbram 15% em massa.*20*

O fator gua/cimento tambm depende da umidade do rejeito as suas proporces finis para evitar tanto o inchamento da resina, quanto o surgimento da nata de cimento na superficie do bloco, o que diminu a resistencia e a impermeabilidade do conjunto final.(10)

1.2.6.4 Fixaco com polmeros

Termoplsticos tambm podem ser usados para imobilizar rejeitos radioativos pelo processo chamado microencapsulamenio termoplstico. O

15

termopistico mais usado o betume, mas o polietileno e o polipropileno tambm podem ser empregados.

Nessa tcnica, necessro aquecer o material base para mistur-lo com o rejeito. Sao utilizados os mesmos tipos de containeres que na cimentaco, porque a matriz encapsulada contm em torno de 50% em peso do rejeito slido.

Cimento sulfrico modificado, tambm chamado de cimento polimrico sulfrico, urna alternativa para o cimento hidrulico e o betume na solidificago de rejeitos radioativos. Esse tipo de cimento comeca a fundir em 110C e, como o betume, precisa ser misturado ao rejeito seco e refrigerado para formar urna matriz slida. Ele estvel e resistente a ambientes extremamente agressivos e a ataques pela maioria dos cidos corrosivos e sais. Nao sao necessrias reaces qumicas para a sua solidificago, sendo sua resistencia mecnica o dobro da do cimento hidrulico, e a resistencia total atingida em horas contra semanas necessrias para o cimento hidrulico.

O cimento sulfrico modificado tem sido usado na solidificaco de rejeitos de baixo nivel de radioatividade contendo sais de sulfato de sodio, sais de cido brico e cinzas de incinerador. A vantagem operacional nao necessitar de esvaziamento ou limpeza do equipamento aps concluir o escoamento da mistura para o tambor.(11)

A mistura compreendida de polmero, catalisador e rejeito forma urna esponja porosa que retm este ltimo. As caractersticas do polmero definem se a matriz final ser slida ou flexvel, bem como indicam a necessidade previa de secar ou nao o material a ser imobilizado.*7,11*

Reaces polimricas ocorrem a temperaturas entre 20C e 60C com o uso de catalisadores, ou a temperaturas maiores quando se pretende utilizar menor tempo de reaco. Na FIG 6, mostrado um esquema de incorporaco de resina de troca inica em polmeros.(7)

16

Secagem ou condfcionamento superficial

_ Misturador 1

i. Misturador 2

Espera intermediaria

17

transportan! a massa rejeito/betume at o ponto de descarga. Cmaras de leo estratgicamente localizadas sao mantidas aquecidas durante todo o processo para manter baixa a viscosidade da mistura e propiciar a evaporaco da agua livre do mecanismo alimentados O processo se encerra com o lancamento da massa fundida em tambores metlicos, sendo que ao final de cada etapa de trabalho, todo o equipamento deve ser limpo por meio da passagem de betume puro, at que esse material seja expelido sem tragos de radiaco.

O fluxograma simplificado desse processo mostrado na FIG. 7.

18

22.125MHz foram aceitas internacionalmente para uso em instalaces cientficas

e industriis de microondas/26'29, X)

(F)=

(--

o

s

i

MH2

LL

Microondas

r 10

MHz

2 25

1 \M , i I I I l i l i

100 MHz

1000 m

0.91512.451 28 53 60 M 100-GHJ 330 122 10.75.7 5.0 3.4 3.0 - mm

V V III I - r n 1 10" 10" 10'

1 fim

FIGURA 8: Espectro eletromagntico indicando freqncias de ondas

19

Os materais reagem diferentemente diante da energa de microondas. Nesse sentido, eies sao classificados como: condutores, solantes e dieltricos (FIG.10).

Representado grfica

I5QLANTES CONDUTORES

DIELTRICOS

^

Tipo de material

TRANSPARENTE (sem aquecimento)

CONDUTOR (sem aquecimento)

ABSORVEDOR (aquecimento)

Penetra$o

TRANSMISSAO TOTAL

NENHUMA

ABSORCAO TOTAL OU PARCIAL

FIGURA 10: Reago dos materais sob a ago de radiago efetromagntica (2)

A familia dos condutores (materais opacos) bsicamente formada pelos metis que refletem as microondas (assim como um espelho reflete a luz), nao havendo penetraco dessas ondas.

Os solantes transmiten as microondas com pouco, ou at mesmo nenhum efeito de aquecimento, semelhante passagem da luz por um vidro (sao os plsticos, vidros e cermicas).

Os dieltricos sao a maioria dos materais e tm propredades entre os solantes e os condutores (como agua, gorduras, xidos e outros). As microondas penetram nesses materais como nos solantes, mas ao contraro destes, absorvem energa. Essa absorco resulta em um aquecimento dieltrco.

Algurnas vantagens desse processo em relaco ao de betuminizaco com extrusora sao:

Maior rapidez, seletividade, mais uniformidade e se inicia de dentro para fora do material;

Transferencia de energa em vez de calor;

Nao necessidade de descontaminar o equipamento ao final de cada etapa de trabaIho;

Rapidez de inicio e parada do equipamento;

Maior nivel de seguranca e automaco;

20

Economa de energia eltrica;

Utilizago de espacos menores para instalaco do equipamento.

21

2 REVISO DE LITERATURA

2.1 Tecnologa de aquecimento por microondas

Varas pesquisas foram desenvolvidas utilizando a tecnologa de aquecimento com microondas. A seguir, sero citados alguns trabalhos realizados.

Thostenson e Chou (1999) fizeram urna reviso dos fundamentos de teora eletromagntica, resposta dieltrca e aplicaces de aquecimento por microondas para o processamento de materais, como cermicas e polmeros, destacando seus comportamentos quando submetidos a esse tipo de processo. Um dos maiores efeitos de microondas foi a aceleraco da cintica de cura em resinas termofixas.(33)

Jeon e Kim (2000) estudaram os efeitos da radiaco de microondas na difuso de algumas molculas orgnicas pequeas em PE (polietileno), PVC (poli cloreto de vinila) e borracha de silicone, usando o mtodo de ganho de peso.

22

processo de devulcanizago por regenerago e reuso como material virgem. A presenca de compostos polares um pr-requisito para que a devulcanizago por microondas seja eficaz. Um exemplo o elastmero vulcanizado de enxofre que contm tais grupos polares e, portante, conveniente para esse mtodo.(36)

Bjomdalen e Islam (2004) discutiram a recuperado de leo em tanques horizontais, o que traz um beneficio incontestvel industria de petrleo. Nesse trabalho, pesquisaram a possibilidade de usar as microondas para remover esses precipitados remotamente, sem necessitar de operacdes agressivas e dispendiosas. Os resultados incluram temperatura e viscosidade para varias concentraces de leo bruto, asfaltos e cera parafnica sob diferentes tempos de exposigo.

A maior concentrago do asfalto estava no leo bruto e o maior aumento da temperatura seria sob irradiaco com microondas. Quanto maior a concentrago de asfalto, menor a viscosidade sob aco das microondas. Isso se atribu reorientaco das molculas combinadas com a quebra de algumas partculas do asfalto.t37)

Krishnan et al. (2005) concentraram sua atengo no comportamento mecnico do modelo de asfalto para a escala de temperatura na qual o asfalto fosse mais elstico. Apesar do extenso nmero de publicages a respeito da influencia da temperatura na reologia do asfalto, continuam incompletas as informages necessrias para se fazer urna suposigo razovel a respeito do comportamento dinmico e da termodinmica do asfalto liso. Esse conhecimento facilitar o entendimento dos processos de envelhecimento, cura, misturas de concreto asfltico, etc.

Os autores concluram que, sem nenhuma orginalidade, o asfalto urna mistura complexa de diferentes componentes qumicos, e as diferentes manifestages do seu comportamento mecnico dependem das relativas proporces de cada um desses componentes.*38*

Garca-Morales et al. (2005) estudaram os efeitos da adico de rejeitos polimricos na reologia do betume modificado. EVA (etileno vinil acetato) e EVA/PEBD (polietileno de baixa densidade) combinados, fragmentos de borracha de pneu e ABS (acrilonitrila-butadieno-estireno) foram experimentados como agentes de modificago de betume na construgo de pavimentos. Esses materiais foram caracterizados por microscopa ptica, calorimetra e outros testes

23

especficamente desenvolvidos para esse propsito, numa larga escala de temperatura. Para as condicdes atuais de transito, o betume puro nao resulta como um material adequado, mas a adico de material polimrco proporcionou um comportamento aumentado ao betume, evitando sua deformaco pela alta temperatura de servico.(18)

David Reed et al. (1992) informaram que em Los Angeles (California), 150 milhas de vas pblicas foram recuperadas com 800.000 toneladas de asfalto misturado a quente (HMA) com 250.000 toneladas de asfalto recuperado de pavimento (RAP), na proporco de 85:15 em peso, respectivamente.

O mtodo consistiu no pr-aquecimento dos materiais no transportador para o misturador, de forma convencional. Essa mistura passou por um tnel onde um gerador de microondas a aqueceu. Os agregados, sendo polares, foram aquecidos pelas microondas, e lentamente o calor foi transferido ao cimento asfltico, sem causar sua queima. O resultado foi um HMA, que podera ser armazenado em silos, pronto para uso.

A vantagem do aquecimento com microondas a obtencSo de urna melhor adeso do asfalto com os agregados, o que proporciona urna melhor resistencia agua/39

2.2 Imobilizaco de Rejeitos Radioativos

Nos ltimos anos, tm sido realizados diversos estudos sobre os efeitos da radiaco nos seres humanos e no meio ambiente. Muitos esfrcos tm sido dirigidos para desenvolver mtodos e materiais mais eficientes e eficazes para minimizar esses efeitos. Pesquisadores tm relatado o uso de materiais que podem ser capazes de estocar rejeitos nucleares por milhares de anos, e anda assim resistirem a vazamentos e impedirem os danos causados pela radiaco.

A seleco de um bom sistema deve considerar o tipo, estabilidade fsico-qumica, volume de rejeito a ser tratado, equipamento, facilidade de operacao e custos de manutenco, sempre levando em consideraco a resistencia lixiviaco, de tal forma que a liberaco de radionucldeos seja a mais lenta possvel, mesmo em contato com fluxos continuos de gases ou lquidos(7).

Diversas tcnicas de processamento e materiais tm sido exploradas para imobilizaco de rejeitos radioativos. A seguir, sero citadas algumas dlas.

24

Menezes et al. (2002) relataram a imobilizaco em matrizes de cimento. Como exemplo, foi citado o cimento Portland, que nao requer tratamentos trmicos para transformar residuos nocivos em inertes, imersos em urna matriz estvel. O produto final era resistente a agentes ambientis agressivos e foi aprovado nos ensaios de resistencia lixiviaco, podendo ser depositado em aterros, de forma segura. Entretanto, esse processo tem sofrido urna crescente oposico em muitos pases da comunidade europia, em virtude da estabilidade desses materais nao estar definitivamente comprovada, e tambm porque o volume da mistura de cimento bem maior do que o do residuo. Isso normalmente reduz a capacidade dos aterros.

Os autores anda citaram muitos estudos dedicados ao desenvolvimento de materais cermicos capazes de incorporar residuos radioativos, na forma vitrea ou cristalina, sempre com um enfoque na capacidade de imobilizaco desses residuos e na estabilidade desses materais ao longo do tempo, urna vez que sao submetidos a urna fonte de radiaco, o que decresce a sua durabilidade e estabilidade.

Urna outra abordagem citada nesse trabalho foi a utilizaco de vidro para a imobilizaco de residuos nocivos sade, visto que a temperatura de operaco destri a materia orgnica. O vidro imobiliza metis pesados, urna matriz comprovadamente estvel, com consistente reduco do volume e capaz de converter composices qumicas complexas em materais usuais de grande aplicago no mercado. Essa tecnologa se baseia na incorporaco da estrutura cristalina dos elementos presentes nos residuos, seja por meio de soluco slida ou intersticial, na formaco de fases vitreas que atuam como matriz estvel, imobilizando outras fases, dentre eias as referentes aos residuos, ou a total fuso material, com formaco de um vidro estvel lixiviaco ou s condices agressivas do meio.(10)

Peric et al. (1996) pesquisaram a influencia da incorporaco de granulos de polietilenos de alta e baixa densidade, PEAD e PEBD, respectivamente. Esses granulos fram usados na preparacao das matrizes de concreto no processo de imobilizaco de materais de rejeito radioativo contendo csio. O dimetro das formas granuladas varava de 0,2mm a 2,0mm.

Quatro tipos de PEAD e PEBD, formando quatro tipos de materais de matriz, foram usados em vez dos granulos de pedra de dimetro medio de 2mm

25

comumente usados (para diminuir a porosidade e densidade da matriz de concreto e evitar a segregaco de partculas de pedra no fundo da forma cilindrica do rejeito radioativo imobilizado).

As caractersticas fsico-qumicas da forma melhoraram, especialmente o ndice de lixiviaco de radionucldeos. Ele diminuiu de 4% para o material preparado com granulos de pedra, para 2,5% a 3% para os materiais preparados com PEAD e PEBD.

As torcas mecnicas das amostras de mistura de rejeito radioativo de concreto, preparadas com PEAD e PEBD, foram notaveimente mais altas (14MPa a 18MPa, respectivamente) do que os monolitos preparados com os granulos de pedra comum (11MPa). Ao usar PEAD e PEBD como granulos na mistura de concreto de rejeito radioativo, o peso do monolito imobilizado inteiro final era de at 25% mais baixo do que o material com granulos de pedra.(40)

Guzella e Silva (2001) avaliaram a tcnica de condicionamento betuminoso. Essa tcnica proporciona uma protegao fsica e radiolgicamente estvel para os estgios subseqentes de gerenciamento de rejeitos, incluindo a disposigo final.

Na poca, o objetivo era imobilizar em betume o rejeito gerado no segundo reator nuclear de 1.300MW (PWR), em funcionamento no Brasil. Foi mencionado que alguns pases utilizam regularmente o processo de banho betuminoso para imobilizar deferentes tipos de rejeitos. O processo tem sido investigado por muitos pesquisadores; na Suca, o concentrado evaporado, a resina de troca inica e os cartuchos de filtros tm sido processados com essa tcnica desde 1980.

Numa outra abordagem, citaram o betume como o agente de solidrficaco preferido, porque tem demonstrado algumas vantagens, como baixo volume de sobras, boa permeabilidade e resistencia radiaco e ao tempo.

Alm disso, possvel incorporar rejeitos que tenham muitas propriedades qumicas e fsicas diferentes. Quando o betume considerado como matriz para confinar rejeito radioativo, as suas propriedades fsico-qumicas sao importantes, como sao relacionadas, para as condices de transferencia e estocagem do betume fundido, condices de operaco do processo, compatibilidade com o rejeito, requisitos por embalagem e deposico final do produto do rejeito.

Nesse trabalho, foi aplicado o processo de extruso para aquecimento e mistura do material. O rejeito foi misturado com betume com uma taxa de fluxo

26

constante, para ser despejado em containeres aproprados. As amostras do produto foram analisadas por mtodos padroes, entre eles, estudos das propredades reolgicas, calorimetra exploratoria diferencial (DSC) e testes de lixiviago.(17)

Kalb et al. (2001) desenvolveram um mtodo de microencapsulamento com polietileno (PE), que incorporava partculas de rejeitos misturadas dentro de urna matriz polimrica fundida, formando um rejeito final solidificado aps seu resfriamento. Cada partcula individual de rejeito ficava incrustada dentro do bloco polimrico e era envolvida por urna cobertura durvel e resistente lixiviaco.

Esse processo foi aplicado com sucesso para o tratamento de um ampio intervalo de rejeitos misturados: sais concentrados do evaporador, solos, lamas, cinzas do incinerador, solucdes de escape de gas, soluces de descontaminado, residuos do processo de oxidaco de sais fundidos, resinas de troca inica, carbono ativado em graos, fragmentos de residuos ativos secos, residuos de limpeza, pos de uranio usados e restos de material de descontaminaco.

Os autores tambm relataram que para fluxo de rejeitos contendo altas concentracoes de contaminantes metlicos txicos soiveis, aditivos podiam ser usados para reduzir posteriormente a lixiviaco, melhorando assim o carregamento de rejeitos de maneira que nao excedesse os criterios de disposico reglamentados.

Nessa configuraco, contaminantes eram estabilizados qumicamente e solidificados fsicamente, tornando o processo urna verdadeira tecnologa de estabilizaco/solidificaco. Ao contrario de argamassa de cimento hidrulico convencional ou polmeros termofixos, polmeros termoplsticos, como o polietileno, nao necessitavam de reaces qumicas para a solidificaco. Portante, um produto na forma de rejeito final, siido e estvel era assegurado no resfriamento.

Variaces posteriores na qumica do rejeito nao afetavam os parmetros de processamento e nao necessitavam de reformulaco do processo. A incorporaco de partculas do rejeito dentro da matriz polimrica servia como um agregado e melhorava a resistencia mecnica e a integrdade do rejeito. A forca de compreenso de formas de rejeitos microencapsulados em polietileno varava com base no tipo e quantidade de rejeito encapsulado, mas era geralmente entre

27

7MPa e 17,2MPa, bem cima da presso mnima recomendada pela NRC (Nuclear Regulatory Commission) para rejeitos radioativos de baixo nivel.

Como o PE um material relativamente novo, difcil prever sua durabilidade a longo prazo. Contudo, anteriormente ao dimensionamento do processo de microencapsulamento, foi feito um estudo para avaliar os mecanismos potenciis de degradaco.

O estudo examinou o efeito potencial na integridade mecnica exposico de produtos qumicos e solventes, ciclos trmicos, ambientes saturados, ataques microbiolgicos e altas doses de radiago gama. Em temperatura ambiente, o PE relativamente inerte maioria dos produtos qumicos, incluindo solventes orgnicos cidos e soluces alcalinas. Exposices a mudancas de temperatura ou condices de solos saturados mostraram degradar a integridade mecnica de algumas formas de rejeitos, mas tiveram pouco ou nenhum impacto mensurvel as formas de rejeitos encapsulados em polietileno.

O PEBD nao suscetvel ao crescimento de microbios, um fato que evidenciado pela falta de decomposico dos plsticos em aterros de lixos municipais. Quando exposto radiago gama em doses totais de at 108rad, ocorre reticulaco adicional do polmero, resultando em um aumento de resistencia e menor lixiviaco.(41)

Evans et al. (2004) citaram que tecnologas desenvolvidas em vitrificaco, cimentaco e material polimrico manufaturado, utilizando material orgnico inflamvel tm sido utilizadas para o encapsulamento de rejeitos slidos, inclusive materiais de baixo nivel de radioatividade, mas sao impraticveis para rejeitos contendo grande volume de sais.

Nesse trabalho, foi estudado um processo de emulsificaco para produzir um molde de rejeitos numa matriz polimrica de base aquosa, como etapa preliminar para o desenvolvimento de matrizes de policermicas hbridas orgnicas/inorgnicas. O material desenvolvido ncorporou resina epxi e ltex poliestireno-butadieno (PSB) para produzir urna matriz nao inflamvel, leve, de custo relativamente baixo e com capacidade de ser carregada com grande volume de rejeito.

Foi usado nitrato de sodio como um modelo para rejeitos em forma de sais. Amostras em pequea escala foram feitas e analisadas por meio de testes com

28

equipamentos projetados para medir o coeficiente de difuso e ndice de lixiviaco para as especies de difuso mais rpidas e para rejeitos em forma de sais.

Os resultados mostraram que algumas porges de sais migraram em direco superficie externa do molde de rejeito durante o processo de cura. A porco do sal no interior da amostra ficou retida em corpsculos polimricos ou em cavidades. Estas ltimas estavam incrustadas em urna fase de matriz polimrica que continha cristais finos de sais bem dispersos.

O comportamento de difuso observado no molde de rejeito indicou que amostras preparadas usando esse processo de emulso satisfizeram ou superaram os limites de lixiviaco sugeridos para encapsulamento de rejeito de baixo nivel de radioatividade.(42)

Zakrzewska-Trznadel et al. (2004) relataram o emprego de membranas cermicas para processamento de rejeitos perigosos em experimentos numa usina piloto com soluces radioativas.

O mtodo da membrana combinada foi aplicado para rejeitos perigosos contendo o processamento de substancias radioativas. Tais agentes complexantes, como polmeros quelferos solveis e cianoferrosos de metis transientes testados e selecionados no laboratorio, foram usados para ligar ons radioativos e aumentar o tamanho da molcula separada.

Os experimentos preliminares da usina piloto foram apresentados com instalaco equipada com um mdulo cermico. Os experimentos foram realizados com soluces modelo e rejeitos radioativos originis. Eles mostraram a prtica de um mtodo hbrido de complexago/ultrafiltraco (UF) para reduzir a concentraco de radioistopos de meia-vida longa nos efluentes (saturados). As substancias radioativas concentradas num pequeo volume podiam ser diretamente fossilizadas.(43)

Plecas et al. (2004) verificaram que resinas de troca inica usadas contendo ^Co e 137Cs representan! urna parcela principal dos rejeitos radioativos slidos em tecnologa nuclear.

Cimento usado como um material de solidificaco para a estocagem de rejeitos radioativos de nivel intermediario. Entretanto, a retenco de radonucldeos, especialmente o csio, na matriz de cimento insignificante. A absorco do csio no cimento baixa e sua disperso no cimento hidratado alta. Somente quando o cimento misturado com um material que tem urna

29

capacidade de absorgo expressiva, normalmente graos ou p de resina de troca inica, que a capacidade de lixiviaco do csio e do cobalto da matriz de cimento baixa o suficiente para ser aceitvel.(44)

Maxwell et ai. (1999) propuseram um mtodo de dissolver resinas de troca inica e recuperar actinideos, trras raras ou metis pesados retidos, usando radiaco de microondas. A resina saturada sera irradiada em um vaso fechado onde o uso de microondas permitira um rpido aumento da temperatura da mistura a nveis aceitveis para a digestao da resina, sem a necessidade do uso de cidos desidratantes que poderam daniftcar a estrutura da resina.

Essa irradiacao sera mantida pelo tempo e com a energa necessria para que se processasse toda a digestao. Aps a separagao, os produtos pengosos poderam ser imobiiizados de forma segura, com redugo de volume, ampliando o prazo de utilizaco da resina antes de se tornar exaurida.

30

3 OBJETIVOS

O objetivo principal deste trabalho foi estabelecer urna metodologa limpa, econmica e de rpida aplicado, que utiliza a alta energa de microondas como fonte de aquecimento de materiais, para imobilizacao de rejeitos radioativos em matrzes compostas por betume refrcado por fibras polimncas obtidas de borrachas vulcanizadas.

Em complemento ao mtodo proposto foram experimentadas duas formas de transferir calor aos diferentes materiais as diversas fases do trabalho, a incorporago de magnetita matriz e urna forma de banho extemo de magnetita.

Tambm foram testadas diferentes tipos de borrachas vulcanizadas, para melhorar as caractersticas mecnicas desta matriz de imobiiizacao.

31

4 MATERIAIS E MTODOS

4.1 Amostras

4.1.1 Borrachas

Tres diferentes tipos de borracha vulcanizada foram experimentados na determinaco da matriz base para imobilizaco:

Neoprene tipo T \ com densidade 1,23g/cm* a 25C e superficie lisa brilhante(8)

Etileno vinil acetato (EVA), com densidade 1,41g/cm3 a 25C

poco de potrlao

armazanagam bombas-no campo manto dattlltdot

lavas procassamanto v gasolina e solventas lavas

a taos combustfvois laves

taos hibrif cantas

/asfaltos oxidados dastitacfo

RC-0 RC-1 RC-2 RC-3 RC4 RC-B

Asfalto distolvdo amgs faolava

Asfalto dissotvido em nafta

FIGURA 11: Diagrama simplificado de urna torre de fracionamento de petrleo*15*

4.1.3 Resinas de troca inica

O tipo de resina de troca inica utilizada foi a "Ambeiiite IRN 217" (TAB. 2), desenvolvida especficamente para tratamento qumico da agua do circuito primario do reator nuclear tipo "PWR" do IPEN. Esse tipo de resina apresenta propriedades, como alta capacidade de troca inica, com grande resistencia fratura dos granulos por atrito ou choque osmtico.

33

TABELA 2 - Especificac6es da resina tipo Ambertite- IRN 217(49)

Descriedlo Caracterstica Fungo leito misturado

Porosidade gei Matriz poliestireno - divinil benzeno (DVB)

Formulaco 7+/OH" Massa especfica 690g/L

Dimetro das esferas > 0r3mm - 0,2%

4.1.4 Magnetita

Como as molculas da magnetita sao polares, elas sao sensveis (absorvem) radiaco eletromagntica das microondas. Esse efeito verificado com a taxa de aquecimento de aproximadamente 470C/min para o mineral natural (9), posibilitando atingir temperaturas prximas de 1.000C.

Neste trabalho, foi utilizada magnetita natural com densidade de 5,2g/cm3 a 25C de granulometria variada (9), nos ensaios pelo mtodo de banho e com a incorporaco, no qual tambm foi testada magnetita produzida em laboratorio de granulometria 200mesh na tentativa de fundir o betume juntamente com os demais componentes da matriz.

4.1.5 Infra-estrutura

Como infra-estrutura principal, foram utilizados equipamentos do Ncleo de Tecnologa de Polmeros do CQMA do IPEN:

Fomo microondas Panasonic, 127V, freqncia de microondas 2.450MHz, potencia de sada 1000W - MOD. NNS56BH;

Balanca Analtica Marte, preciso de 0,5g - MOD. LC2;

Balanca Analtica Quimis, preciso 0,0001 g, capacidade 21 Og - MOD. Q500L210C;

Termopar tipo "K";

Chapa aquecedora Fisatom - 230V - 650W - MOD. 752 - A;

34

* Estufa para secagem e estehizacao, MOD 400/ 4 - 20OV; Microscopio de varredura - Pbitlips. modelo XL30

4.2 Irradiages

Duas alternativas ilustradas na FIG 12. foram testadas neste trabaltio: banho de magnetita ou sua incorporaco matriz de imobiHzac^o.

As matrizes fundidas pelo mtodo de banho de magnetita em forno de microondas, segundo as quantidades indicadas na TAB. 3, foram utilizadas para verificago, tanto das caractersticas fsicas das matrizes compostas por betume puro, quanto das caractersticas das matrtzes alteradas pela adico separadamente de tres diferentes tipos de borracha vulcanizada.

incorpora

A L T E R N A T I V A \

UA' jNETIV

BETUME

FORUO DE MtCROONDAS

com incorporao

ALTERNATIVA 2 -

DE MANTfA

. (BORRACHA + RESINA

DE TROCA - , ,, , 717 INICA

1 I AGITACAC

otsposicAo

FIGURA 12 Diagrama de banho e incorporagSo de magnetita na matriz de tmobiltzago

Na FiG.13, est representado o diagrama completo da montagem do

mtodo de banho.

34

* Estufa para secagem e estehizacao, MOD 400/ 4 - 20OV; Microscopio de varredura - Pbitlips. modelo XL30

4.2 Irradiages

Duas alternativas ilustradas na FIG 12. foram testadas neste trabaltio: banho de magnetita ou sua incorporaco matriz de imobiHzac^o.

As matrizes fundidas pelo mtodo de banho de magnetita em forno de microondas, segundo as quantidades indicadas na TAB. 3, foram utilizadas para verificago, tanto das caractersticas fsicas das matrizes compostas por betume puro, quanto das caractersticas das matrtzes alteradas pela adico separadamente de tres diferentes tipos de borracha vulcanizada.

incorpora

A L T E R N A T I V A \

UA' jNETIV

BETUME

FORUO DE MtCROONDAS

com incorporao

ALTERNATIVA 2 -

DE MANTfA

. (BORRACHA + RESINA

DE TROCA - , ,, , 717 INICA

1 I AGITACAC

otsposicAo

FIGURA 12 Diagrama de banho e incorporagSo de magnetita na matriz de tmobiltzago

Na FiG.13, est representado o diagrama completo da montagem do

mtodo de banho.

35

FIGURA 13: Diagrama do processo de imobilizagSo pelo mtodo de banho

Dessa grade de amostras (fase 1), os lotes que apresentaram os valores mais baixos para os ensaios de penetracao defnram a borracha a ser incorporada juntamente com a resina de troca inica na etapa seguinte do trabalho (fase 2).

TABELA 3: Composico das matrizes de betume e betume/polmero

Matriz

amostra amostra amostra amostra

amostra amostra amostra amostra amostra amostra

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

A % massa

100 85 90 95 85 90 95 85 90 95

Componente A: Componente B: Componente C: Componente D:

B % massa

15 10 5

C % massa

15 10 5

betume etileno vinil acetato - EVA borracha de silicone Neoprene

D % massa

15 10 5

36

Ainda pelo mtodo de banho de magnetita, as amostras foram analisadas e submetidas a novos testes mecnicos, pticos e de lixiviaco. Especficamente para a execucjio do teste de lixiviaco, foram fundidas matrizes com a incorporaco de resina impregnada de Zn.

A escolha das porcentagens de rejeito imobilizado, cujas matrizes foram submetidas aos testes da fase 2, procurou seguir as quantidades experimentadas e disponveis na literatura em testes de lixiviaco, nos quais as porcentagens em peso variam de 40% a 55%, dependendo do tipo de betume e do mtodo de aplicago/17,19) resultando em matrizes slidas e eficientes em todos os casos.

Para ser posstvel a fuso do betume, aquecimento da borracha e da resina, sem ocorrer sua degradaco, o calor transferido por conduco, da magnetita matriz, foi mantido dentro dos limites definidos para cada material. Para o betume, 280C (temperatura de fulgor), e 160C para a resina (temperatura de formacao de gas SO2 e liberaco de aminocidos explosivos provenientes da resina aninica).(11)

Em urna segunda etapa, foi estudada a possibilidade de incorporaco de magnetita aos componentes da matriz para se obter um aquecimento mais rpido do conjunto. Os parmetros verificados foram: tempo de irradiaco; potencia de microondas; porcentagem em massa e forma de incorporacao do mineral na matriz para cada urna das duas amostras de magnetita disponveis.

Controlando a temperatura para nao atingir valores abaixo do ponto de amolecimento do betume, foi possvel a obtenco da matriz de imobilizago (betume/ borracha/ rejeito) mediante agitaco.

4.2.1 Moldagem de corpos de prova de betume puro e os tres polmeros pelo mtodo de banho

Para realizar a moldagem de corpos de prova conforme ilustrado na FIG. 14, os materiais foram pesados em bataneas analticas {Marte, modelo LC2, com preciso de 0,5g e Quimis, modelo Q500L210C, preciso 0,0001 g e capacidade 21 Og) e posteriormente irradiados em um fomo de microondas do tipo caseiro com prato giratorio {Panasonic), freqncia de 2.450MHz e potencia de sada de 1.000W, conforme metodologas descritas a seguir. As temperaturas das amostras foram medidas utilizando um termopartipo "K".

37

Em um bquer de vidro. adicionar 400g de magnetita, sendo 130g no fundo

(como base) de outro bquer contendo 550g de betume puro. O vo entre os dois

bqueres deve ser preenchtdo (nivelando-se a superficie) com os 270g restantes

de xido de ferro (FertO.)). Irradiar o conjunto no centro da cavidade do fomo por

15 minutos e com 100% da potencia de mcroondas, sendo manttdo em descanso

por 5 minutos, sem abrir a porta do forno Aps a retirada, o betume agitado, se

necessro, para fluidificaco total de sua massa

Transferir 400g do betume para o molde (copo de papel parafinado de

500mL).

Durante o intervalo de 5 minutos de descanso da massa de betume.

preparar o banho para aquecimento das borrachas Neste passo, as quantidades

e a distribuico de magnetita entre os dois bqueres sao idnticas ao preparo

com betume puro Pesar a borracha, variando as porcentagens em massa {5%,

10%, 15%) individualmente. Irradiar cada conjunto por 3 minutos com 100% da

potencia de microondas, aps a retirada do conjunto com betume de dentro do

fomo

FIGURA 14; Moidagem de um corpa de prava de betume puro

IvHJSSfo MCCML i * iEraftU;-_EAK.-5P-iPEa

38

4.2.2 Moldagem de corpos de prova com betume, borracha e resina pelo

mtodo de banho

A partir dos resultados obtidos na fase 1, foram calculados os valores das

massas das amostras da fase 2, para a incluso da resina de troca inica A

massa total de 400g por amostra foi mantida nesta fase

Preparar um banho de magnetita para aquecer 550g de betume puro,

equivalente ao banho preparado na fase 1 {FIG. 15)

Pesar separadamente a resina seca e a borracha, segundo as quantidades

indicadas na TAB. 4.

WHJSOK I * ONDAS GUIA DE ONDAS

T MAGNETITA

i

J! \ I \\ fe MAONFTROM f fon fe de radia oao CAVOADE DO FORNO

CONDOL

FIGURA 15: Esquema de montagem do aquecimento de betume em forno

microonas

Juntar e homogeneizar esses dois componentes em um bquer de vidro,

cujo aquecimento se dar em um banho similar ao do betume com 100% da

potencia de microondas e por 3 minutos, durante o periodo de descanso do

betume fora do fomo (FIG. 16).

Retirar do forno a mistura resina/borracha (EVA) aquecida e seca e

transferir para o molde posicionado sobre o prato da batanea. Transferir o betume

sobre essa mistura, sob agita^o vigorosa com basto de vidro, at a obtenco de

urna massa homognea de 400g Nao continuar a operaco em temperaturas

abaixo de 85C.

39

TABELA 4 Composico das matnzes de betume. resma e EVA

Identifi cacao dos lotes

11 12 13

14

15

16

17

18 19

Massa de betume (%)

50.0 47.5 45 0

475

47,5 47,5 45.0

42 5

40,0

Massa de resina (%)

50,0 52 5

55.0

47 5

42,5 37.5

40 0

42,5 45,0

EVA

40

A anse termogravimetnca (TGA) foi executada no CQMA (Centro de Qumica e Meio Ambiente) do JPEN (Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares).

Os ensaios de penetracao, pontos de amolecimento, fulgor e combusto caracterizaces foram executadas no Centro de Tecnologa de Obras de Infra-estrutura do IPT (Instituto de Pesquisas Tecnolgicas)

A microscopa eletrnica de varredura foi executada no CCTM (Centro de Ciencia e Tecnologa de Materiais) do IPEN.

Os testes de lixiviado foram executados no CHN (Centro de Rejeitos Nucleares) do IPEN.

4-3.1 Penetracao (NBR 6576)

A NBR 6576 ,W) define como penetracao a distancia em decimos de milmetros que urna agulha padro penetra verticalmente na amostra de material. sob condi9es prefixadas, com carga de 100g a um tempo de 5s e a urna temperatura de 25^ . mantida devdo imerso da amostra em um tanque com 10L de agua destilada. Na FIG. 17, esto ilustrados os passos do ensaio

FIGURA 17: Moldagem, condiciname nto, penetrmetro e detalhe da agulha

O ensaio de penetracao, em medidor SUR - MOD. PNR 6, banho Soiltest -MOD. L226A, serviu para indicar a medida da resistencia mecnica para deformaco do material Com a diminuicao da profundidade de penetracao. o betume passa de um comportamento flexvel e dctil para um comportamento mais rgido e frgil.

41

4.3.2 Ponto de amoiecimento (NBR 6560)

A determinago do ponto de amoiecimento - at)e\ e bola - foi realizada de acord com a norma NBR 6560*5Z) e define a medida da consistencia que indica a tendencia do material fluir sob a aco da temperatura, isto e indica a temperatura mnima em que o bloco continua slido. Por ser considerada urna medida de transido progressiva que cobre urna faxa grande de temperatura, resulta em urna noco da dureza ou da trabalhabilidade do betume Este ensato apresenta um comportamento inverso ao da penetracSo, pois quando o valor da penetrado e elevado, o ponto de amoiecimento menor

Neste ensaio. as amostras foram mersas em glicerina. veiculo utilizado para ensaios entre 80"C e 157"C A montagem do teste mostrada na FIG 18.

A temperatura foi anotada no momento em que o material betuminoso atravessou o anel e tocou a placa metlica de referencia.

-IGUMA 18: Moldagem dot> CP* e detahes do ens&o de amoiecimento*5''

4.3.3 Ponto de fulgor ecombusto (NBR 11341)

A determinaoao do ponto de hilgor em "vaso aberto de Cleveland", segundo a norma NBR 1134153;, com chapa aquecedora de 220V e 550W. indica a menor temperatura om que a chama causa ignico. A determinacao do ponto de fulgor indica a medida da tendencia da amostra de formar urna mistura inflamavel com o ar sob condices taboratoriais (FIG. 19) Esse valor e usado na regularnentacao de transporte e seguranca Vator baixo pode indicar a presenil de material altamente voltil e mfiarnavel na matriz

4?

O ponto de combusto a medida da tendencia da amostra de se manter

em combusto por um perodo nao inferior a 5s.

O ensalo consiste em aumentar regularmente a temperatura do oorpo de

prova (70ml_) e passar urna chama a intervalos constantes sobre a matriz. Ser

anotada como ponto de fulgor a temperatura mais baixa que causar a ignico dos

vapores, e ponto de combusto. a temperatura da queima por pelo menos 5

segundos

FIGURA 19: Ensaio ponto de fulgor, ponto de combusto

4.3.4 Anlise termogravimtrica (TGA)

A anlise termogravimtrica definida como um processo continuo que

consiste no acompanhamento da perda de massa de urna determinada amostra

em funco da variaco da temperatura.

Curvas de TGA foram obtidas em um equipamento fabricado pela Mettler

Toledo, modelo TGA/STDA 851e, com taxa de aquecimento de lO^C.min'1 e

utilizando oxignio como gas arraste

4.3.5 Microscopa ptica

Tcnica que permite avallar a interagao dos componentes da matriz de

imobilizaco por meio da observado direta da imagem aumentada, e assim

definir de que modo ela ocorre.

A jun^So das partculas pode se dar por meio de rea^o qumica ou fisica

sob a afo das microondas. Se h reacSo qumica, a superficie da lmina se

mostra homognea; no caso da unio ser estritamente fsica, o limite dos

materiais permanece definido Neste caso, a ligaco se da pela adesividade

(atrito) de pelo menos um dos componentes da matriz.

43

O equipamento utilizado neste trabalho fot um microscopio de varredura,

Phillps.. modelo XL30.

4.3.6 Resistencia lixiviaco

Esse ensaio mede a mobidade do rejeito imobiiizado na matriz

betuminosa peia ago da agua que, quando entra em contato com o rejeito, causa

um lento transporte de partculas por difusSo molecular, ou atraves dos poros por

forca de capiandade. A sorco de agua est associada com o incitamento e a

formaco de poros ou micro fraturas atraves das quais os radionuclideos migram

para fora da matriz Dependendo da quantidade de resma e do seu volume de

vazios. o inchamento pode provocar um aumento das presses internas do bloco,

ocasionando o rompimento das barreiras vizmhas.

Tres matrizes de 14cm3 foram moldadas pelo mtodo de banho contendo 47.5% de resina impregnada com Zn, 42,5% de betume e 10% de EVA em massa. Cada matriz foi acondicionada em baldes de PVC e submersa em 1,5mL de agua destilada. A cada semana, foram encaminhados 50ml_ de cada volume para contagem da atividade no material lixiviado.

45

5 RESULTADOS E DtSCUSSES

Os resultados esto assim ordenados:

Teste TGA do betume puro;

Mtodo de aquecimento para os componentes da matriz;

Parmetros para misturar betume com borrachas, produco de amostras;

Ensaios mecnicos, escolha da borracha mais adequada para a mistura;

Definigo de parmetros para trabalhar com resina de troca inica;

Fuso de matrizes incorporando resina de troca inica;

Ensaios mecnicos, microscopa ptica e resistencia lixtviaco. Foi obtida a curva termogravimtrca (TGA) para urna amostra de

26,8341mg de betume VIT-90, no intervalo de 25C a 1300C em atmosfera oxidativa (02).

Do conjunto de eventos referentes decomposico dos constituintes mais caractersticos do betume que esto ilustrados na FIG. 21, a ocorrncia inicial foi a mais significativa no caso deste trabalho. A perda de massa inferior a 1% na faixa de temperatura at 250C, devido evaporacao de compostos gasosos e volteis, demonstra que o betume selecionado (VIT-90) detm um comportamento resistente quanto estabilidade trmica.

Sendo os asfaltos misturas complexas de hidrocarbonetos e seus derivados sulfonados e nitrogenados, cujas proporcdes dependem da orgem da materia prima ou da forma da obtenco dos produtos,(ie) as tres prximas interpretaces das ocorrndas foram estimadas.

Dos tres componentes bsicos do asfalto, os leos (massa molecular entre 250 e 600) que contm hidrocarbonetos aromticos slidos e ceras parafnicas foram decompostos a at 402,63C. No intervalo at 489,63C as resinas foram decompostas (massa molecular 500 a 1000) seguidas da fraco de constituintes mais pesados (massa molecular 1000 a 2500) denominados asfltenos, decompostos entre 489,63C e 605,96C.

O experimento foi encerrado a 895,93C com 0,1270mg de massa de cinzas, que representam 0,4733% da massa inicial da amostra de betume.

46

TGA Btumo,2g-1300,10-Q2 2fl.08.20D6 13:16:09 %'

80-

-

60-

40-

20-

0-

I 0

Conten

LeftUmft Rght.LitTiH

100 200

10 20

26.8341 mg

19.7143% I I | \ 5.2902 mg U 1 \ 35.30 "C U 1 , 402.63 C ,

\A

A / /

. / t V K i ' \ Content 46.4991 % "\ 1

13.0143 m g W LeftUmit 401.55 C W RlghtLlmlt 489.63 "C

.

jConlent

LeftUmit Ri^itLimit

l ] \ V ~ T

31.4014 % 8.4263 mg 489.63'C 605.96C

Step

Residue

LeftLimit Rtghtmit

i T 300 400 500' 600 70(1

30 40 50

1 i i i i 1 r i i j j " - r - ' V - r ' | ' - ' j " '

60 70

10'Cffn

-0.3298 % -68.4925e-03 mg 0.4733 % 0.1270 mg 605.96 *C 895.93 *C

800

80

-0

-0

-0

-0

-0

4

0 . [ \

( T * l

Lab: METTLER FIGURA 21: Ensaio termogravimtrco em amostra de betume

Na tentativa inicial de definir os parmetros (tempo de irradiago, potencia de microondas e massa de betume) de fluidificado do betume puro com energa de microondas, foi possvel observar que mnima a porcentagem de molculas absorvedoras de microondas entre os componentes do betume, as quais produzem um insignificante aquecimento da massa de betume.

Com a intenco de melhorar a ignico do betume, foram experimentados diferentes materais lquidos e slidos. Os produtos lquidos evaporaram ao atingir sua temperatura de ebulico, atetando apenas supercialmente a temperatura do betume; os produtos slidos, como areia, p de pedra sabo, granito e mrmore tambm foram experimentados como agentes de ignico sem produzir efeito til.

O aquecimento esperado sonriente foi atingido com a utilizaco de magnetita, e o comportamento de dois tipos diferentes foi observado.

Magnetita produzida em laboratorio, com granulometria 200mesh, aquece a urna taxa de 150C/10s, e atingiu 450C em 30s. Magnetita natural de densidade 5,3g/cm3 (Figura 22) atingiu 250C no mesmo intervalo de tempo.

http://2fl.08.20D6

4 7

FIGURA 22 Magnetita natural sem cassificago granulomrica

A pulverizado de 1%. 3% ou 6% em massa de ambos os tipos de

magnetita ao betume fragmentado, sob aco de microondas, causou a igmco

dos volateis presentes, ocasionando a carbonizado do material antes mesmo do

calor poder ser transmitido para todo o volume existente. A execuca de um berco

de magnetita com 0,5cm de espessura sobre o fundo do bquer provocou a

combusto dos voiteis do betume gerados nos vazios do seu volume. O mesmo

ocorreu aps a deposico oe uma carnada ae O.Scm de magnetita sobre o

betume para impedir a ventilaco e a ignicao. Neste caso, houve a fuidificago da

carnada superior do betume e sua infiltrado para as carnadas inferiores; porm,

com uma rpida transferencia de calor no sentido descendente, o conjunto

esfnou, inviabitizando qualquer tentativa de mistura com outros matenais

Com isso. fjcou descartada a possbilidade de incorporacSa de magnetita

matriz de imobilizacao, pelas diferentes temperaturas de rabalho desses

materiais, mesmo na presonca de microondas.

Pelo mtodo de banho de magnetita, foi possivel controlar o avango da

temperatura com variacoes do ternpo de irradiaco e potencia de microondas.

Esse mtodo impede o contato direto do mineral com o betume e seus

complementos Como a transferencia do calor se da por conducao, possivel

dmgi-la para todos os lados da matriz ao mesmo tempe

Na melhor tentativa para a escolha do volume de magnetita do banho,

130g foram depositados no fundo do bquer como base de apoo para o bquer

que seria aquecido. O vo entre os dois bqueres foi preenchido com 270g de

magnetita, e a superficie superior do xido ficou nivelada.

Inicialmente. foi montado o mesmo sistema de banho para aquecimento de

50g de betume. A temperatura na magnetita fo medida em quatro pontos

posicionados a 0*. 90, 180* e 270" em relacao ao eixo das abscissas e

COMISSA JvAO^ ^KUtLATAP-^h '

4rf

rotacionados no sentido anti-horrio (FIG. 23). Com a temperatura ambiente a 23*C, o betume atingiu 157C e a magnetita atmgiu 280C ao final de 100s de irradiaco a 100% da potencia de microondas

A seguir, foi verificado o comportamento de urna massa de 400g de betume em banho equivalente, sob irradiaco tambm a 100% de potencia em um fomo de microondas do tipo caseiro Panasonic. 127V, de frequncia de microondas 2450MHz e potencia de sada 1000W - MOD. NNS56BH.

300 n

250

200

r 5 102

I 0 20 40 60 65 1C0 125

potito 0! pe*;io 90: T e m P ' s * posifo 16C pos^So 27C

FIGURA 23 Comportamento do banho de magnetita para 50g e betume

O conjunto foi retirado do forro a cada 3 rrvnjtos de irrad'aco para monitorago da temperatura da massa de betume por meio de um ermopar tipo k\ Ao final de 42 minutos de irradiaco. a temperatura da massa atingiu 235C (FIG. 24). A necessidade de retirar o conjunto de dentro do fomo para a verificaco da evolucao da temperatura definiu varios patamares na curva de aqueci ment.

Nova exploraco foi executada (FIG. 25) com irradiaco ininterrupta at 20 minutos a 100% da potencia de microondas; a seguir, a evolucao da temperatura foi monitorada a cada 3 minutos at completar 32 minutos. Foi possvel verificar a diminuico do tempo necessrio de irradiaco. bem como a existencia ae patamares na evolucao da temperatura do betume.

47

250

O 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 Tempo (minutos)

Figura 24: Aquecimento de beume em banho de magnetita (expiorago 1)

Maior aproveitamento do calor conduzido pela magnetita na fusao do

betume foi conseguido com o uso de fragmentos de betume de dimens&es

inferiores a 10mm. A fragmentado manual por meio de vigorosos golpes com

massa metlica conseguida mais fcilmente aps o resfriamento do betume em

banho de gelo ou freezer ate a temperatura passar abaixo de 10"C ou por meio

da imerso em nitrognio lquido. Essas dimensoes dos fragmentos foram

utilizadas na obtengo da totalidade das amostras ensatadas neste trabalho

Dessa forma, foi definido o tempo de 15 minutos de irradiaco a 100% da

potencia de microondas para que, em 130q como base e 270g como revestimento

lateral de magnetita, 400g de beume inicialmente fragmentado em pedagos de

dimetro inferior a 1Gmm fundissem temperatura de 230C

Comparando com o aquecimento por microondas, em urna chapa

aquecedora Fisatom, Mod. 7 5 2 A serie 401797 de 230V e 650W, regulada para

3bOC. sao necessrios 100 minutos para a mesma massa de betume atingir

230C. (FIG. 26). Neste caso, a monitoracao da temperatura se deu de forma

continuada, sem retirar a amostra de cima da chapa.

50

250

e 15o --s 1G0

fi so

/

o 1 32 20 23 26 29

Tempo de irradiago (min)

Figura 25 Aquecimento ae betume ew oaffto ae magnetita (exploraco 2)

250

g 200

S 150 I a.

100

te

. i l

*

0 70

Tempo (minutos) FIGURA 26' Aquecimento e betume em chapa aqueceora

Esto apresentados na TAB. 5 os valores padrao para asfaltos oxidados e os valores indicados pelo fabricante do betume aqui utilizado para comparacao con os valores medios obtidos, medidos as matrizes estudadas a seguir.

TABELA 5: Comparacao entre propriedades de asfaltos oxidadas pacro e utilizado (i5-4B>

Propriedades

Densidade Ponto de

Amolecimento Ponto de Fulgor

Penetraco

Unidades

g/cm4 a 25C

C

c mm/10 a 25*C

Valores patrao

1,02 a 1,04

70 a 140 250 a 290

7 a 45

VIT-90

-

85 a 95

>250"C Sa15

51

Em seguida, foi monitorado o comportamento da matriz betuminosa quando em resfhamento para a homogeneizaco dos materiats a serem imobiJrzados Com temperatura ambiente de 22C e temperatura inicial de 235C, foi elaborada a curva temperatura X tempo at o valor mnimo de 85C, ponto de amolecimento do betume utilizado (FIG. 27).

250 -i

U 200 150 - f 5 100 Q.

( 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 46

Tempo (minutos)

FIGURA 27. Curva ce resfriamento do betume puro

A partir dessas considerares, foram elaboradas amostras de matrizes compostas de betume puro para serem comparadas com os valores disponveis na literatura para os ensaios dos pontos de amolecimento. fulgor, combusto e penetraco Os mesmos ensaios foram aplicados em urna serie de amostras, variando individualmente as cuantidades de tres diferentes tipos de polmeros: EVA. borracha de silicone e Neoprene, com o objetivo de se obter um incremento na resistencia mecnica das matrizes de imobiJizaco

Dez totes de amostras foram fundidos segundo os procedimentos indicados nos itens 4.2 e 4 2.1, e as amostras levadas ao laboratorio co Centro de Tecnotogia de Obras e Infra-estrutura (CT-Obras) do IPT onde foram realizados testes para caracterizaco dessas matnzes> com a determnaco das temperaturas de amolecimento, fulgor e eombusto e dos valores de penetracSo,

Os resultados medios dos ensaios e penetraco

52

TABELA 6 Resultados do ensaio de penetrado

Leitura Lote

~~i 2 3 4 5 6 7 8 9 To"

Penetracao(1/10mm) 7,0 2,0 3,3 6,0 7.5 7,5 7,3 8,0 7.7 7,3

Os resultados medios dos ensaios de temperatura de arnolecimento, fulgor

e combusto, em que se pode verificar que todos os valores obtidos para os

pontos de fulgor sao supenores aos valores atribuidos ao betume oxidado puro

(25WC). esto mostrados na TAB. 7.

Dos resultados mostrados as Tabelas 6 e 7, os lotes de n - 2 e 3.

identificados pela cor azul apresentaram maiores alterac-oes em relago aos

demais lotes analisados Os valores de penetraco e amolecimento medidos

indicam um ganho de 15% em reacao aos ndices de resistencia para o padro

do betume puro indicado na TAB 5, pg 50 Desses valores, foram calculadas as

porcentagens (TAB 4. pg. 39) de matenais que compuseram as mathzes de

betume/EVA para imobilizacSo de resina do tipo IRN-217, separada de um tote de

material que utilizado no sistema primario de punficaco da agua de

refrigeradlo do reator IEA-R1 situado no IPEN.

O surgimiento de mltiplas bolhas, tanto na superficie como no interior da

matriz de imobilizaco, levou necessidade de se trabalhar com rejeito seco. Os

vazios observados, alm de transformaren! o monolito em um bioco poroso: portanto com baixa resistencia mecnica, tambm facifitam a infiltracao de agua e

conseqente careago de radionucldeos para foca da matriz, podendo vir a

contaminar o rneio ambiente.

Dois mtodos foram comparados para secagem da resina, utilizando urna

estufa eletrica e um forno de microondas

Cinco amostras com aproximadamente 1g de resina loram mantidas em

urna estufa de secagem (estufa para secagem e estenlizagao, MOD. 400/ 4 -

200V) a 110"C constantes. Com a massa monitorada a cada 60 minutos, a

evaporado da fase lquida foi dada por completa ao se venficar a establidade da

perda de massa pela resma (FlG. 28).

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TABELA 7 Medias dos resultados de caractenzaco das matnzes

_ote

1 2 3 4

5

6 7 8 9 10

Media Amolecimento (C)

90.65 120,5 104.6 94,1

96.3 9