Theoretical study of Radium behaviour in aquifers

Praca jest próbą odpowiedzi na pytanie, dlaczego słone wody w kopalniach Górnośląskiego Zagłębia Węglowego dzieli się na dwa typy w zależności od stosunku stężeń izotopów radu (226Ra i 228Ra), co prawdopodobnie jest związane z obecnością lub brakiem jonów baru. Poza tymi cechami wody te charakteryzują się brakiem lub obecnością jonów siarczanowych (co jednoznacznie można łączyć z obecnością czy brakiem baru) i są to jedyne różnice w ich składzie chemicznym. Wody bez jonów baru zawierają znacząco mniej izotopów radu od wód, w których jony baru występują. Wydaje się, że spowodowane to jest różnicami we wtórnej sorpcji radu na powierzchni ziaren fazy stałej w warstwie wodonośnej, a nie ma to nic wspólnego z szybkością przechodzenia radu z fazy stałej do ciekłej (odrzutem jąder radu przy ich powstawaniu wskutek rozpadu izotopów toru). Należy podkreślić, że występowanie zwiększonych stężeń radu w wodach kopalnianych, czy nawet gruntowych, nie ma zazwyczaj żadnego związku ze zwiększonymi stężeniami uranu czy toru w skałach, tworzących warstwę wodonośną, czy w ich sąsiedztwie (de Jezus 1984). Można to natomiast wiązać ze zwiększoną mineralizacją wód (Kraemer i inni 1984, Dickson 1985), a zwłaszcza obecnością baru (Martin i Akber 1999, Langmuir i Riese 1985). Drugim aspektem problemu jest fakt, że okres połowicznego zaniku 228Ra (około 6 lat) pozwala na znaczące ograniczenie czasu zachodzących zjawisk. Potwierdza on, że przechodzenie tego izotopu radu do wód zachodziło w okresie co najwyżej kilkunastu czy kilkudziesięciu lat od chwili obecnej. Nie można jednak wykorzystywać tego zjawiska do prób interpretacji pochodzenia słonych wód kopalnianych (Pluta i Zuber 1989).In the paper, a theoretical approach to the problem of radium presence in mineralized mine water, is presented. Two main types of radium-bearing waters have been found in Polish coal mines. In type A waters, radium isotopes are present together with barium, while concentrations of sulphate ions are very low. Additionally, in these waters a ratio of 226Ra:228Ra activity is usually higher than 1. In type B waters, no barium can be fund, but radium together with sulphate ions. Contrary, in such waters the isotopic ratio of radium 226Ra:228Ra is below 1, and activities of both isotopes of radium are lower as in type A waters. No other differences in chemical composition of mine waters have been observed. Analysis shows, that the activity ratio of radium isotopes is related to the dynamics of radium adsorp-tion on the grains of solid phase in the aquifer. During analysis must be taken into account, that the radium build up in formation water due to recoil effect, is stable in time. Additionally, no correlation with elevated concentrations of uranium and thorium in rocks, have been observed. Therefore the enhanced radium content in formation waters must be caused by its mineralization. The relatively short half life of 228Ra (6 years) shows, that the process of radium transfer from solid into liquid phase is a short term process for geological scale. Therefore radium content in mine waters must be related to the concentration of natural radionuclides in the close vicinity of the aquifer or the water reservoir

Leaching of radium from mine sediments

Celem badań, omówionych w artykule, było stwierdzenie, w jakim stopniu rad, zaadsorbowany z wód radowych na różnego typu odpadach górniczych, może być uwalniany do środowiska naturalnego. W ostatnim czasie zainteresowanie tą tematyką na świecie jest dość znaczne; prowadzone są badania występowania naturalnych izotopów promieniotwórczych w środowisku i w odpadach przemysłowych. Tematyka NORM i TENORM (Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials), od kilku lat, stanowi poważną część prac badawczych w zakresie promieniotwórczości. Na obszarze Górnego Śląska badania nad występowaniem radu w środowisku wokół kopalń są prowadzone od wielu lat W ostatnim okresie stały się jeszcze bardziej istotne ze względu na zamykanie kopalń i planowane rekultywacje terenów składowisk i osadników. Stanowią one podstawę do opracowania metod zaradczych przeciw występowaniu wtórnych skażeń środowiska na terenach pogórniczych. Opisane badania są kontynuacją badań rozpoczętych w latach 1999-2000, wykonywanych w celu określenia jaka ilość radu może pojawiać się w wodach gruntowych w sąsiedztwie zbiornika Bojszowy po jego rekultywacji. Badania te wykazały również, że skażenia mogą występować w kopalniach, w których na powierzchnię były odprowadzane wody o minimalnej promieniotwórczości (np. z kopalni „Rymer"), a mimo to osady denne z osadników charakteryzują się podwyższoną promieniotwórczością. Problem ten może dotyczyć także filtrów piaskowych z zakładów uzdatniania wód pitnych, jednak szczególną uwagę należy zwrócić na likwidowane i rekultywowane osadniki kopalniane.Saline waters occurring in underground coal mines in Poland often contain natural radioactive isotopes, mainly 226Ra from uranium series and 228Ra from thorium series. Approximately 40% of total amount of radium remains underground in a form of radioactive deposits, but 225 MBq of 226Ra and 400 MBq of 228Ra are released daily to the rivers with mine effluents through surface settling ponds. Very peculiar situation is observed in coal mines, where as a result of precipitation of radium from radium-bearing waters radioactive deposits are formed. Sometimes natural radioactivity of such materials is very high, in case of scaling from coal mines radium concentration may reach 400 000 Bq/kg - similar activity as for 3% uranium ore. Usually such deposits can be found underground, but sometimes co-precipitation of radium and barium takes place on the surface, in settling pond and in rivers. Therefore maintenance of solid and liquid waste with technologically enhanced natural radioactivity (TENORM) is a very important subject. Lately another problem appeared - due to the decrease of the production of Polish coal industry and dismantling of several coal mines, also the ground reclamation should be done in their vicinity. But in several cases deposits in the ponds contain enhanced levels of radium concentration. Therefore laboratory tests were done to investigate a possibility of the re-entry of radium into groundwater or river waters from such deposits. Results show, that in case of insoluble barium and radium sulphates co-precipitated out from waters type A, re-entry ratio is very small. Different situation can be observed in case of radium, adsorbed on bottom sediments from waters type B, because re-entry ratio is much higher. Nevertheless, this phenomenon seems to be not so important and significant for the further pollution of the adjacent areas of the settling ponds in the future

Radium balance in discharge waters from coal mines in Poland the ecological impact of underground water treatment

Saline waters from underground coal mines in Poland often contain natural radioactive isotopes, mainly 226Ra from the uranium decay series and 228Ra from the thorium series. More than 70% of the total amount of radium remains underground as radioactive deposits due to spontaneous co-precipitation or water treatment technologies, but several tens of MBq of 226Ra and even higher activity of 228Ra are released daily into the rivers along with the other mine effluents from all Polish coal mines. Mine waters can have a severe impact on the natural environment, mainly due to its salinity. Additionally high levels of radium concentration in river waters, bottom sediments and vegetation were also observed. Sometimes radium concentrations in rivers exceeded 0.7 kBq/m3, which was the permitted level for waste waters under Polish law. The investigations described here were carried out for all coal mines and on this basis the total radium balance in effluents has been calculated. Measurements in the vicinity of mine settling ponds and in rivers have given us an opportunity to study radium behaviour in river waters and to assess the degree of contamination. For removal of radium from saline waters a method of purification has been developed and implemented in full technical scale in two of Polish coal mines. The purification station in Piast Colliery was unique, the first underground installation for the removal of radium isotopes from saline waters. Very good results have been achieved – approximately 6 m3/min of radium-bearing waters were treated there, more than 100 MBq of 226Ra and 228Ra remained underground each day. Purification has been started in 1999, therefore a lot of experiences have been gathered during this period. Since year 2006, a new purification station is working in another colliery, Ziemowit, at the level – 650 meters. Barium chloride is used as a cleaning agent, and amount of water to be purified is reaching 9 m3/min. Technical measures such as inducing the precipitation of radium in gobs, decreasing the amount of meteoric inflow water into underground workings etc., have been undertaken in several coal mines, and as a result of these measures the total amount of radium released to the surface waters is much has diminished significantly during the last 15 years

The applicability of C-14 measurements in the soil gas for the assessment of leakage out of underground carbon dioxide reservoirs

Poland, due to the ratification of the Kioto Protocol, is obliged to diminish the emission of greenhouse gases. One of the possible solutions of this problem is CO2 sequestration (CCS – carbon capture and storage). Such an option is a priority in the European Union. On the other hand, CO2 sequestration may be potentially risky in the case of gas leakage from underground reservoirs. The most dangerous event may be a sudden release of the gas onto the surface. Therefore, it is very important to know if there is any escape of CO2 from underground gas reservoirs, created as a result of sequestration. Such information is crucial to ensure safety of the population in areas located above geological reservoirs. It is possible to assess the origin of carbon dioxide, if the measurement of radiocarbon 14C concentration in this gas is done. If CO2 contains no 14C, it means, that the origin of the gas is either geological or the gas has been produced as a result of combustion of fossil fuels, like coal. A lot of efforts are focused on the development of monitoring methods to ensure safety of CO2 sequestration in geological formations. A radiometric method has been tested for such a purpose. The main goal of the investigations was to check the application possibility of such a method. The technique is based on the liquid scintillation counting of samples. The gas sample is at first bubbled through the carbon dioxide adsorbent, afterwards the adsorbent is mixed with a dedicated cocktail and measured in a low-background liquid scintillation spectrometer Quantulus. The described method enables measurements of 14C in mine and soil gas samples

Influence of the discharge of radium-bearing waters from coal mines on the contamination of the natural environment

Wody radowe odprowadzane z kopalń węgla kamiennego do osadników powierzchniowych a stamtąd do rzek powodują czasem skażenia promieniotwórcze. Od 1986 roku obowiązują wytyczne [12], zgodnie z którymi kopalnie są zobowiązane do monitoringu naturalnych izotopów promieniotwórczych w wodach zrzutowych i w ciekach powierzchniowych poniżej punktu zrzutu. Pomimo to kontrola stężeń izotopów radu w wodach rzecznych jest prowadzona jedynie okazjonalnie. W latach 1993-1994 kontrole były prowadzone przez Laboratorium Radiometrii Głównego Instytutu Górnictwa [20]. Od tego czasu sytuacja uległa znaczącej zmianie - w niektórych kopalniach wprowadzono metody ograniczania dopływów wód słonych do wyrobisk podziemnych, w innych zastosowano technologie usuwania radu z wód kopalnianych, które są prowadzone w wyrobiskach podziemnych, a część kopalń została zlikwidowana. Stąd potrzeba powtórzenia badań środowiskowych rzek na terenie Śląska. Określenie zależności między wynikami pomiarów stężeń radu w wodach rzecznych i wynikami systematycznego monitoringu wód zrzutowych kopalń, pozwoli na powtórzenie bilansu ładunku radu odprowadzanego do środowiska naturalnego. Umożliwi to ocenę efektywności działań podjętych przez kopalnie w celu obniżenia czy wręcz zaprzestania dalszego zanieczyszczania środowiska naturalnymi izotopami promieniotwórczymi.Saline waters from underground coal mines in Poland often contain natural radioactive isotopes, mainly 226Ra from the uranium decay series and 228Ra from the thorium series. Approximately 60% of the total amount of radium remains underground as radioactive deposits, but 120 MBq of 226Ra and 200 MBq of 22SRa are released daily into the rivers along with the other mine effluents from all Polish coal mines. Technical measures such as inducing the precipitation of radium in gobs, decreasing the amount of meteoric inflow water into underground workings etc., have been undertaken in several coal mines, and as a result of these measures the total amount of radium released to the surface waters has diminished by about 60% during the last 5-6 years. Mine water can have a severe impact on the natural environment, mainly due to its salinity. However associated high levels of radium concentration in river waters, bottom sediments and vegetation have also been observed. Sometimes radium concentrations in rivers exceed 0.7 kBq/m3 , which is the permissible level for waste waters under Polish law. The extensive investigations described here were carried out for all coal mines and on this basis the total radium balance in effluents has been calculated. Measurements in the vicinity of mine settling ponds and in rivers have given us an opportunity to study radium behaviour in river waters and to assess the level of contamination