Detergentes para la descontaminacion nuclear

por K. Henning. HAKA Kunz GmbH, D-71111 Waldenbuch, P.O. Box 2000

Situación general

Entre los trabajos rutinarios de descontaminación que tienen que llevarse a la práctica, se incluyen la limpieza de toda clase de superficies tales como suelos, paredes y aparatos, así como la descontaminación de prendas de trabajo y de los trabajadores. Esta descontaminación se lleva a cabo con disoluciones acuosas de descontaminantes químicos, que tienen que tener un alto factor de descontaminación, pero no deben atacar a los sujetos a descontaminar, tener un tiempo corto de tratamiento y cubrir el mayor ámbito posible de aplicación.

A fin de garantizar un funcionamiento sin problemas de las plantas, durante el tratamiento de las aguas residuales y concentrar las aguas residuales producidas en las zonas controladas de las centrales, éstas deben de ser compatibles con diferentes métodos de tratamiento. Estos son la evaporación, filtración y centrifugación.El agua destilada y/o limpia obtenida debe de ser recogida y analizada antes de su descarga en el canal de drenaje (1)

Los residuos de concentrado radioactivos obtenidos por los métodos de tratamiento se mezclan con materiales matriz, como el cemento o betumen o mediante desecación en el molino de cilindros y así se almacenan temporal o definitivamente. Consecuentemente las propiedades de los agentes de descontaminación tienen una gran importancia para los tratamientos térmicos. Las características de la espuma y la volatilidad del vapor de agua así como la estabilidad térmica de los descontaminantes usados son criterios importantes para que el evaporador funcione sin problemas y para la mezcla de los concentrados del evaporador con los materiales matrices.

Por tanto los agentes de descontaminación usados en la zona controlada, deberían de tener los siguientes condicionantes (1,2):

Varios de los mencionados requisitos son puros criterios químicos que se obtienen por analítica. En parte de los criterios de idoneidad físico-químicos, puede recurrirse a métodos de laboratorio, especialmente con referencia al desarrollo de productos de descontaminación y cuando los nuevas materias primas tienen que probarse. Seguidamente describiremos con detalle algunos de estos criterios físico-químicos .

Una excesiva formación de espuma durante la concentración de la aguas residuales radioactivas en el evaporador, conduciría a una contaminación del destilado y a problemas en el funcionamiento del evaporador. En la norma DIN 25 415, Parte 4, se exponen los datos para la determinación de la características de la espuma de los detergentes descontaminantes Tabla 3.(3). Por tanto, en condiciones simuladas de vaporización, la prueba del comportamiento espumante de los descontaminantes puede realizarse como sigue:

En una matraz esférica de 2 litros, se añade 100 g. de del producto a investigar mezclados con 900 ml de una solución al 10% de sulfato de sodio . Mediante la adición de hidróxido sódico o ácido sulfúrico la mezcla se ajusta a un pH de 7. Seguidamente, la solución se somete a ebullición durante 10 minutos, con reflujo, con presencia de gotas de ebullición. Si antes del comienzo de la ebullición la espuma obtenida alcanza el refrigerador, se interrumpe el ensayo.

El producto se considera viable si no se produce espuma, o si solo se forma una capa de espuma, que durante el transcurso del ensayo no llega al cuello del matraz. El producto es inadecuado cuando la espuma asciende hasta el refrigerador, o si la capa de espuma crece constantemente durante toda la duración de la ebullición.

Otra posibilidad para probar las características de la espuma de un descontaminante se ofrece en la norma DIN 53 902, Hoja 1. Según dicha norma la capacidad espumante de un producto se obtiene en la concentración a probar sin adición de sustancias suplementarias, según el "Procedimiento del paso a través de un disco perforado" (4). Así puede determinarse si un producto tiene una tendencia propia hacia la formación de espuma o si se desarrolla una espuma estable o esta se destruye rápidamente.

Mediante la posibilidad de comprobar la capacidad espumante a distintas temperaturas, pueden obtenerse datos sobre la capacidad espumante tanto a temperatura ambiente, como a más altas temperaturas como las existentes en el evaporador. El método puede realizarse según el procedimiento de "batido manual" en cilindros de cristal de doble pared.

En la descontaminación de las aguas residuales radioactivas, en las instalaciones del vaporizador, a ser posible, no debe presentarse en el destilado, ningún tipo de sustancias orgánicas caracterizadas por suvolatilidad en vapor de agua. El control de la volatilidad del vapor de agua de las sustancias orgánicas existentes en los residuos, puede simularse con una instalación de evaporador de laboratorio con recirculación, cuyo esquema se expone en la figura 1.El acondicionamiento experimental de los residuos a examinar, puede realizarse de acuerdo con las condiciones de funcionamiento que deben de mantenerse en la práctica (pH, adición de EDTA, contenido de sustancias grasas del depósito del evaporador).

Los compuestos caracterizados por su volatilidad del vapor de agua se concentran con la ebullición ligera del depósito del evaporador, y se caracterizan por el reflujo total, en la cabeza de la columna , lo que permite aislarlos e identificarlos a partir del residuo seco. En parte, en el espiral del refrigerador se pueden observar la sedimentación de residuos céreos.

Las investigaciones sistemáticas demostraron que los distintos componentes de productos de lavado y limpieza, no tienen obligatoriamente una tendencia a la volatilidad en vapor de agua, pero a menudo, desprenden sustancias volátiles, cuando se reprocesan conjuntamente con los aguas residuales radioactivas que se producen en la práctica diaria. Esto permite deducir la existencia de procesos desintegradores de las sustancias componentes de dichos productos de lavado y limpieza. Se pudo identificar formaldehído, amoniaco, fosfato, alcalinos y alcoholes. La utilización de tensioactivos térmicamente estables, y especialmente los estables a la hidrólisis, ha permitido reducir considerablemente la cantidad de sustancias caracterizadas por la volatilidad del vapor de agua en el destilado

Normalmente no debe de producirse ninguna reacción exotérmica fuerte por los productos descontaminantes cuando se realiza el tratamiento térmico del concentrado, por alguno de los métodos ya indicados anteriormente. Las reacciones exotermicas de los descontaminantes pueden determinarse por investigaciones termoanalíticas. Al respecto es adecuado hacer estudios de termogravimetría, termograviometria derivada y termoanálisis diferencial, y poder enjuiciar los resultados obtenidos.

En termograviometria (TG) se mide la variación de la masa (Am)de una muestra sometida a un programa controlado de temperatura con una atmósfera preestablecida.La diferenciación de señal de medida en función del tiempo recibe el nombre de gravimetría térmica derivativa (DTG).

En el caso del termoanálisis diferencial (TAD) se midió la diferencia de temperatura que aparece en una muestra por razones térmicas, en comparación con una sustancia de referencia inerte. También aquí se establece previamente el programa de temperatura y de atmósfera.

Para las exploraciones se dispuso de un sistema de termoanálisis diferencial. lll-termogravimetria diferencial del tipo Netzsch STA 429. Se establecieron las siguientes condiciones de recepción:

La muestra, con un peso de 50 a 150 mg. se puso en un tarro de óxido de aluminio. Como referencia sirvió un tarro vacío del mismo tipo. Con una ratio de calentamiento de 5ºC/m las muestras se calentaron en atmósfera casi estática hasta la temperatura final indicada.

La zona de medición para las pérdidas de masa, en termograviometria era de 50 mg/25 cm de anchura de registro y en termoanálisis diferencial de 0.05 mV325 de anchura de registro. Las curvas de DTG (primera derivación de la pérdida de masa en función del tiempo) se registraron simultáneamente, a la presión normal en la zona de medición de 0.1mV/25 cm de anchura de registro.

Para la realización de los trabajos rutinarios de descontaminación en el campo nuclear, HAKA Kunz ha desarrollado descontaminantes específicos para la descontaminación de superficies, equipos, ropa de trabajo ytrabajadores. estos productos se utilizan en solución acuosa.La Tabla 1 muestra una visión general de los descontaminantes de acuerdo con su campo de aplicación.

En respuesta al interés creciente por la protección del medio ambiente, es necesario conocer, antes de la compra, la composición y los valores D.C.O. de cada producto.

El agua se oxigena permanentemente por la disolución del aire, si el aire encierra materias oxidables, el contenido del oxígeno disminuye, la tasa de renovación del oxígeno es insuficiente para mantener la cantidad de oxígeno necesario para la vida de las especies animales.

La cantidad de oxígeno para degradar estas materias constituye el valor D.C.O. (Demanda química de oxígeno) Los valores D.O.C. se mencionan en la tabla 2.

(1) En el campo de temperaturas comprendidas entre 247 a 300ºC, se observa una descomposición exotérmica del 1% de la masa total.

El poder espumante de los descontaminantes HAKA que figuran en la tabla 1, se determinaron no sólo puros, sino también con la adición de sulfato sódico como carga salina. Los resultados se encuentran en las tablas 3 y 4.

El método de batido de espuma según el procedimiento del "disco perforado", permite obtener una conclusión sobre la capacidad espumante de un producto sin sobrecarga de sal o de impurezas en relación con la concentración y la temperatura. Siempre en función al campo y a la temperatura de aplicación, con los productos de la tabla 2, en la práctica no se presenta ningún volumen exagerado de espuma: pues, por una parte, los productos se aplican a la temperatura ambiente o a temperaturas más altas entre 60º y 90º C, y por otra parte, también se utilizan para la eliminación de impurezas de aceite y grasa. La capacidad espumante, por lo tanto, debe enjuiciarse específicamente dentro del campo de aplicación previsto.

Para el funcionamiento del evaporador, es importante analizar los resultados obtenidos sobre el comportamiento espumante en las tablas 3 y 4

Ninguno de los productos citados, con las condiciones de prueba simuladas, produce formación de espuma. la única excepción, la constituye el descontaminante de personas DEKODUSCH S, que fuédesarrollado especialmente como variante espumante débil y como champú del cabello y de las duchas de descontaminación.La espuma que se forma con el uso de DEKODUSCH S se considerada agradable por el usuario y por otra parte, sirve también para evitar las recontaminaciones de la piel por partículas contaminadas ya desprendidas, como partículas de polvo, escamas cutáneas y similares. Siempre y cuando DEKODUSCH S se utilice únicamente en casos especiales y las cantidades sean limitadas, dicho producto tampoco origina una excesiva formación de espuma que altere el funcionamiento del evaporador.

Comentarios: Método de batido de la espuma según la norma DIN 53 902, parte 1. Dureza del agua 10ºd = 1.783 m mol/l Ca. Nº de golpes: 30 , volumen de la espuma : en ml después de 30 segundos.

En el caso de que DEKODUSCH S no se utilice más que en casos particulares y en cantidades limitadas, este producto no entraña formación de espuma importante durante su funcionamiento en el evaporador.

Tabla 4: Poder espumante de los productos de descontaminación con la sal de carga

Comentarios Método de control DIN 25 415 parte 4. Condiciones: 100 g de producto y 900 ml de solución de sulfato de sodio al 10% en ebullición durante 10 minutos, con un valor pH 7, con reflujo.

Adicionalmente, debemos resaltar, que ninguno de los medios descontaminantes expuestos, contiene inhibidores o reguladores de la espuma, sino que dispone exclusivamente de tensioactivos o materias primas primariamente poco espumantes. Con ello, los descontaminantes coordinados entre sí, en lo que respecta a su acción, garantizan un funcionamiento sin problemas en el evaporador. Esto no sólo afecta al comportamiento espumante, sino también a la menor formación de incrustaciones en los tubos del evaporador. Globalmente, con ello se ve una alargamiento importante del tiempo del evaporador. Como quiera que la volatilidad en vapor de agua con los productos citados, pudo ser igualmente minimizada, también se consiguió mejorar lacalidad del destilado correspondiente.

Los resultados de los estudios termoanaliticos seguidamente van a ejemplarizar con el descontaminanteácido DEKOPUR RS, que se recomienda para la limpieza de suelos.(2,5.6)

Las exploraciones térmicas se realizaron en unos límites de temperatura de 25º - 425ºC. ( figura 2) . Se observaron dos pérdidas de masa llamativas

Los máximos valores de la curva TGD se encuentran a 115º y 203ºC. Las máximas de la TAD se corresponden con aquellas de la curva TGD.

Sin embargo se trata de procesos de vaporización, no de desintegración. por consiguiente el producto DEKOPUR RS es térmicamente estable en toda la gama de temperaturas analizadas.

Los estudios termoanaliticos realizados permiten determinar para cada producto de descontaminación, una temperatura en la que el producto se descompone, acompañado de una reacción exotérmica. estas temperatura (T descomposición) estan en la tabla 2.

Las contaminaciones pueden presentarse no solo en forma de sales hidrosolubles, insolubles o difícilmente solubles, sino también bajo la forma de partículas o sustancias portadoras de suciedad. Siempre que no existan uniones consistentes, como la formación de una capa de óxido con el material de superficies, la contaminación puede eliminarse con la ayuda de productos adecuados.

Por regla general, la mayor parte de las contaminaciones pueden eliminarse con una sola limpieza. Pora esto se utiliza un descontaminante neutro HAKANEUTRAL . Si el resultado es insuficiente se utiliza un descontaminante ligeramente ácido DEKOPUR RS o DEKOPUR RS-X,. para eliminar contaminaciones grasientas que se producen por ejemplo, en una fuga de la bomba, se utilizará preferentemente un descontaminante ligeramente alcalino, con una buena acción emulsionante DEKOPUR RO.

En la descontaminación de equipos, útiles y herramienta, por regla general deben de eliminarse contaminaciones fuertemente adherida. en consecuencia, es necesario un proceso de limpieza en varias fases.

Se comienza por un descontaminantes alcalino IBELL EX o HAKUPUR y en una segunda fase un descontaminante ácido DEKOPUR FS 500. Después de aplicar éste último debe de esperarse un tiempo de acción de 20 a 30 minutos. Seguidamente se procede al aclarado con agua desionizada.

Para la descontaminación de piezas pequeñas. como herramientas y aparatos, puede recurrirse al baño de ultrasonidos. Al respecto es importante que las manchas existentes de aceite y grasa, sean eliminadas previamente con un descontaminante alcalino IBELL EX, en una limpieza previa. Seguidamente se realiza el tratamiento en baño de ultrasonidos con un descontaminante ácido DEKOPUR FS 500 o DEKOWET.

El lavado de descontaminación, es análogo al método de lavado convencional, se realiza en lavadoras industriales de tambor, con lo que en un proceso de lavado se elimina tanto la contaminación radioactiva, como la suciedad de la ropa. Se dispone actualmente de detergente en polvo o líquido HAKANIA L 500 o DEKOPUR W 10. Generalmente se utiliza un prelavado y un lavado, es recomendable utilizar agua desionizada.

Para la descontaminación de la piel es necesario no dañar la capa exterior de la piel, llamada capa cornea, de otro modo puede agravarse la contaminación. esto ocurre cuando en mayor o menor grado se utiliza el jabón convencional y unposterior frotado con cepillo de la piel. la alcalinidad del jabón puede dañar la capa cornea de la piel, que es en si misma un escudo protector.(7)

Teniendo esto presente, deben de utilizarse preparaciones libres de jabón. Antes de empezar a trabajar deben de limpiarse las manos y la piel con una loción suave SEPTOMAN y para proporcionar un escudo protecto a la capa cornea de la piel de la cara y de las manos debe de utilizarse un loción cremosa sobre ellas, HAKALIND protección contra la contaminación.

En caso de contaminación de la piel, esta tiene que lavarse tres veces con una preparación especial descontaminante con agua caliente DEKODUSCH. posteriormente puede utilizarse DEKODUSCH S.

En caso de que todavía haya contaminación después del triple lavado, se debe de utilizar la pasta descontaminante DEKONTAFIX, con efectos de peeling sobre la piel.

Las aguas residuales del lavado de la ropa, así como de la piel y de las manos, deben de tratarse con métodos biotécnicos usando bacterias de las plantas municipales,. esto puede hacerse si la radiactividad de las aguas residuales contienen entre 500 a 5.000 Bq/l y asumiendo que los componentes de los detergentes, geles y champús usados sean totalmente biodegradables.

Con estos requerimientos en la central de Gundremmingen KBG (Alemania) se desarrollo un procedimiento biotécnico por el que las aguas residuales se biodegradaron en tanques que eran permanentemente aireados. Durante 10 horas el 50% de la materia orgánica (tensidos, suciedad, polvo) se biodegradó en dióxido de carbón mientras que la parte residual fué absorbida en la superficie activa de los lodos. Los lodos estables se separaron y los efluentes se dispusieron en el receptor de agua.(8-10)

La ventaja de este procedimiento es no solo la significativa reducción de la cantidad de materiasl residuales, sino también el aumento de la eficiencia del proceso de limpieza. El factor de descontaminación en Grundremmingen paso de un factor 5 a un factor > 10. Las aguas residuales obtenidas son limpias y libres de materiales en suspensión. Además una decisiva ventaja es la eliminación de sustancias orgánicas para acondicionar los concentrados del evaporador para su almacenaje posterior.

El proceso supone escasos gastos de conversión ( en Grundremmingen alrededor de 35.000 marcos alemanes para convertir 4 tanques de agua de lavado), pero se ahorró 250.000 marcos por año.

Este tratamiento del agua residual se desarrollo en la planta experimental nuclear de Kahl (para ) con el objeto de conseguir la reducción de las aguas residuales activas. Siguiendo la investigación de KBG, el separador de lodos es aireado una vez más para conseguir un concentrado de sedimentos de lodos. El sedimento obtenido se vierte en un tanque próximo donde se destruirá con peróxido de hidrógeno. El residuo final se seca en un tambor caliente (11).

El diagrama del bloque del tratamiento biotecnologico de las aguas residuales en la central de VAK se describe en la figura 3.

Ambos tratamientos de las aguas residuales es un trabajo con resultados satisfactorios. Los agentes de descontaminación que se usaron en la lavandería, así como los del personal fueron HAKANIA L 500 PFR (sin fosfatos) y DEKODUSCH S respectivamente.

La figura 4 muestra la efectividad de este método en comparación con los métodos de evaporación y decantación con separador. El factor de descontaminación aumenta por el tratamiento biotecnologico> 10. El valor TOC aumenta < 10 mg/l. La masa total de residuos se reduce en la proporción de 1/10.

1.- E. Merhring y D. Bege. Problemas químicos de la separación de aguas residuales en la planta de DWR. Framatone ANP GmbH, D-91050 Erlagen. Información personal.

2.- K. Henning, W. Schulz y M. Müller, Composición y propiedades de los detergentes en la rutina de las trabajos de descontaminación. VGB-KRAFTWERKSTECHNIK 1984.

3.- DIN 25 415 Descontaminación de la radioactividad de las superficies contaminadas. Parte 4 Test de descontaminación de detergentes (4.87)

4.- DIN 53 902 Test descontaminantes de superficies parte 1 Determinación del poder espumante- método de batido (3.81)

5.- K.H Ohbach, G. Matuscheck, A. Kettrup, y K. Henning. Investigación termoanalitica sobre los descontaminantes usados en las centrales nucleares. Thermochim Acta 108 (1986) 108, 175-180.

6.- K. Henning. A. Kettrup y K.H. Orbach, Descontaminantes para uso en las centrales nucleares, estudios de las características de la espuma y estabilidad térmica. VGB-FRAFTWERKSTECHNICK.

7.-W.Gehring, M. Gloor y K. Henning. Der Gefrierschnitt menschlicher Haut als Hilfestellung bei der Entwicklung neuer Tensidformulierungen, SOWF- Journal (1990) 116, 757-758

8.- U. Krumpholz y D.Eber BIBRA el tratamiento biológico de las aguas residuales radioactivas (1999) 44 145-176

9.- DP 195 21 959 U. Krumpholz y WG. Klessen, Verfahren zur Aufbereitung von tensidhaltingen und organisch belasteten radioaktiven Waschwassern aus kerntechnischen Einirichtungen (1995)

10.- M. Lasch, U. Krumpholz, y W. Schohe, Mikrobieller, Abbau tensidhaltiger Waschwasser aus kerntechnischen Anlagen, VGB-Konferenz Chemie im Kraftwerk" Essen, Tagungband 1997

11.- 40 Jahre Versuchsatamkraftwerk Kahl BmgH (1958-1998) Brochure (1998) p.8 VAK GmbH, D-63791 Karlstein.

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