JP2013101008A - 放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法、及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射性セシウム及び放射性ストロンチウムで汚染された土壌や汚泥等の物質から放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを簡易かつ効率的に除去する。
【解決手段】放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する物質に対して、セシウム及びストロンチウムを選択的に抽出可能な有機物を接触させる。次いで、少なくとも前記有機物に対して超臨界二酸化炭素を供給及び接触させ、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素に溶解させる。次いで、前記超臨界二酸化炭素を減圧し、前記超臨界二酸化炭素を二酸化炭素ガスに転換することにより、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素から分離し、除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法及び処理装置に関する。

例えば、原子力発電所において大規模な事故が発生した場合、大量の放射性核種が飛散し、土壌汚染を引き起こすことが懸念される。また、各地の下水処理場で発生する汚泥や、各地の一般廃棄物焼却場で発生する焼却灰にも放射性核種が含有され、その処理方法の開発が急務となっている。

放射性核種で汚染された土壌や汚泥に含有される放射性核種の大部分は^１３４Ｃｓや^１３７Ｃｓ、^９０Ｓｒであり、特に^１３７Ｃｓは半減期が３０．２年、^９０Ｓｒは半減期が２８．７年と長く、長期に影響を及ぼすことが想定される。そのため、汚染土壌や汚泥からのセシウム及びストロンチウムの除去が望まれる。このような放射性の汚染物質の除去に関しては、いくつかの提案がなされている。

例えば、放射性物質を含む汚染物質とカチオン、アニオン等の化学種を混合させた後、陽極及び陰極間に電位勾配を生ぜしめ、これらカチオンあるいはアニオンをそれぞれ陰極及び陽極へ移動させながら、その間に上記放射性物質と親和性のあるマトリックス材料を配置して吸着させるとともに、これら系のｐＨを所定の値以下とすることによって汚染物質を沈殿させ、上記放射性物質を除去することが提案されている。

また、汚染土壌の表層に少なくとも一組の電極を所定の間隔で埋設し、これら電極間に通電することによって電極において汚染物質を集積するとともに、汚染土壌中に有害物質高蓄積植物を栽培し、当該植物に上記汚染物質を吸収させて除去する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では、電極の設置や通電が必要であり、オンサイトでの処理が難しい。また、植物栽培の工程を含むため、処理が長時間化するという問題もある。

さらに、環境対応型合成無機イオン吸着材、無機ヒ素吸着材を用いる方法も提案されているが、この方法は、海洋や河川、湖沼、地下水等の陸水、及び農薬、合金や半導体等の製造排水の分離・除去に有用であるが、土壌や汚泥では、吸着に使用した吸着剤の除去が出来ないという課題がある。

また、汚染された水及び土壌から地衣類とその代謝生成物及び合成代謝生成物とを用いて放射性核種を除去する方法も提案されているが、対象核種がウラン、プルトニウムであり、セシウムの除去には適していない。さらに、地層または海底層に存在する可溶性重金属汚染物質に対処する方法も提案されているが、安定化することにより重金属汚染物質が地下水によって再び流動化させられるのを防ぐものであり、セシウム及びストロンチウムを除去するものではない。

特許第４１２８６２０号 特開２００７−２８９８９７号 特許第３５５７４６１号 特開２００２−１０７４８９号 特開平６−３９０５５号 特開平６−２３３４０号

本発明の課題は、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムで汚染された土壌や汚泥等の物質から放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを簡易かつ効率的に除去することである。

本発明の一態様は、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する物質に対して、セシウム及びストロンチウムを選択的に抽出可能な有機物を接触させるステップと、少なくとも前記有機物に対して超臨界二酸化炭素を供給及び接触させ、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素に溶解させるステップと、前記超臨界二酸化炭素を減圧し、前記超臨界二酸化炭素を二酸化炭素ガスに転換することにより、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素から分離し、除去するステップと、を具えることを特徴とする、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法に関する。

本発明によれば、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムで汚染された土壌や汚泥等の物質から放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを簡易かつ効率的に除去することができる。

実施形態の放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置の概略構成を示す図である。

図１は、本実施形態の放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態の放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置１０は、高圧処理槽１１と、この高圧処理槽１１に配管２２及び２３を介して接続された超臨界二酸化炭素供給器１２と、高圧処理槽１１に配管２４を介して接続された減圧器１３と、この減圧器１３に配管２５を介して接続された分離回収槽１４とを有している。減圧器１３及び分離回収槽１４は、以下に説明するように、有機物を含む超臨界二酸化炭素から有機物を分離除去して回収するための分離回収装置を構成する。

なお、高圧処理槽１１と超臨界二酸化炭素供給器１２との間には、配管２２及び２３を介して熱交換器１５が配設されている。また、高圧処理槽１１は二酸化炭素の臨界温度以上の温度に維持された恒温槽１６内に配置されており、分離回収槽１４も二酸化炭素の臨界温度以上の温度に維持された恒温槽１７内に配置されている。熱交換器１５、恒温槽１６及び１７は、以下に説明するように、超臨界二酸化炭素を簡易に得、保持するために設けられているものであって、本実施形態の必須要件ではない。

図１に示す処理装置１０の高圧処理槽１１及び超臨界二酸化炭素供給器１２等の各主要構成要素、並びに配管２１等の各構成要素は耐食性及び耐圧性に富むＳＵＳ等のステンレス材から構成することができる。

次に、図１に示す処理装置１０を用いた放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法について説明する。

最初に、図１に示す高圧処理槽１１内に、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質Ｓ１を入れるとともに、当該物質Ｓ１上において、物質Ｓ１と接触するようにして、物質Ｓ１からセシウム及びストロンチウムを選択的に抽出することが可能な有機物Ｓ２を入れる。なお、図１において、物質Ｓ１と有機物Ｓ２とは分離して記載しているが、物質Ｓ１の種類及び態様（形態及び大きさ等）、有機物Ｓ２の種類及び態様（形態及び大きさ等）によっては、物質Ｓ１と有機物Ｓ２とは互いに混合した状態となる場合がある。

物質Ｓ１としては、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含む可能性のあるあらゆる物質を候補として挙げることができ、例えば土壌、汚泥、砂、岩、粘土、コンクリート、アスファルトを例示することができる。

この場合、物質Ｓ１が土壌、汚泥、砂等の場合は、これら自体が粒子の集合体であって、粒子自体はμｍのオーダからｃｍのオーダであるので、有機物Ｓ２との接触面積を大きくすることができ、さらに有機物Ｓ２の種類によっては、物質Ｓ１及び有機物Ｓ２が混合し、互いの接触面積をさらに増大させることができる。

一方、物質Ｓ１が岩、粘土、コンクリート、アスファルト等の場合は、一般に所定の大きさの塊として存在する場合が多いので、物質Ｓ１が岩などの場合は、上述したμｍのオーダからｃｍのオーダの大きさとなるように適宜粉砕することが好ましい。これによって、有機物Ｓ２との接触面積を大きくすることができる。

なお、物質Ｓ１及び有機物Ｓ２の接触割合を増大させるように、高圧処理槽１１内には必要に応じて分散媒を添加することができる。この場合、物質Ｓ１及び有機物Ｓ２は分散媒中で流動するようになるので、両者の接触面積を増大させることができる。但し、物質Ｓ１が汚泥等で十分な水分を含む場合は、当該水分が上述した分散媒として機能し、有機物Ｓ２が液体である場合も、有機物Ｓ２自体が分散媒として機能するので、上述のような分散媒を用いなくても、物質Ｓ１及び有機物Ｓ２は水分中等で流動するようになり、両者の接触面積を増大させることができる。

分散媒としては、水、酢酸、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、アセトン、テトラヒドロフランなどを挙げることができる。

高圧処理槽１１内で物質Ｓ１を有機物Ｓ２と接触させることによって、物質Ｓ１内のセシウム及びストロンチウムは有機物Ｓ２によって選択的に抽出され、有機物Ｓ２内に移行する。これによって、有機物Ｓ２は、物質Ｓ１に含まれる放射性セシウム及び放射性ストロンチウムの少なくとも一部を含有するようになる。

なお、セシウムを選択的に抽出する有機物Ｓ２としては、ジオクチルオキソ−カリックス[4]-クラウン-6およびその誘導体を挙げることができる。

また、ストロンチウムを選択的に抽出する有機物Ｓ２としては、クラウンエーテル化合物(D-tBuCH₁₈C₆ , D-tHexCH₁₈C₆)を挙げることができる。

次いで、バルブ３１を開として、図示しない外部の二酸化炭素供給源から二酸化炭素を超臨界二酸化炭素供給器１２内に導入する。超臨界二酸化炭素供給器１２内では、導入した二酸化炭素を約３１℃以上の温度に加熱するとともに７．３ＭＰａ以上の圧力に加圧し、超臨界二酸化炭素Ｇを生成する。

超臨界二酸化炭素Ｇは、気体及び液体の特徴を兼ね具え、溶解性に富む。したがって、種々の有機物を溶解することができる。また、粘度が低いため取扱が容易であるとともに、二酸化炭素を室温より僅かに高い状態とすれば、圧力負荷のみによって生成することができるので、生成が容易であり、前述のように粘度が低いことと相俟って、制御が容易である。

なお、超臨界二酸化炭素Ｇの代わりに超臨界水を用いることも考えられるが、超臨界水を得るためには、温度３７４℃以上、圧力２２ＭＰａ以上の雰囲気を形成する必要がある。しかしながら、このような高温かつ高圧力の雰囲気を形成するためには、装置が複雑化するとともに装置全体に高い強度が要求される。そのため、装置が高価となり、取扱も複雑になる。このため、超臨界水を用いて、本実施形態のように、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質Ｓ１を処理しようとすると、処理操作を誤り、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質Ｓ１が高圧処理槽１１内から大気中に漏れ出してしまい、大気を放射能で汚染してしまう場合がある。

また、エタン、プロパン、エチレン及びプロピレンなどの炭化水素ガスも、上述した二酸化炭素と類似の条件で超臨界状態とすることができる。しかしながら、これらの炭化水素ガスは可燃性のガスであるので取扱が容易でなく、本実施形態のように、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質Ｓ１を処理しようとすると、処理操作を誤って、炭化水素ガスを爆発させてしまう惧れがあり、この場合、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質Ｓ１が高圧処理槽１１や配管２３等から大気中に漏れ出してしまい、大気を放射能で汚染してしまう場合がある。

したがって、本実施形態の処理方法では、生成及び取扱が容易な超臨界二酸化炭素Ｇを用いる。

超臨界二酸化炭素供給器１２で生成した超臨界二酸化炭素Ｇは、配管２２を介して熱交換器１５に導入し、超臨界二酸化炭素Ｇの温度が３１℃以下、圧力が７．３ＭＰａ以下とならないようにして、その超臨界状態を保持する。次いで、超臨界二酸化炭素Ｇは、配管２３を介して高圧処理槽１１内に導入する。

なお、超臨界二酸化炭素供給器１２で生成した超臨界二酸化炭素Ｇが、高圧処理槽１１内に導入されるまでに十分高い温度を維持することが出来る場合は、熱交換器１５を省略し、超臨界二酸化炭素Ｇを、超臨界二酸化炭素供給器１２から高圧処理槽１１内に直接導入することもできる。

超臨界二酸化炭素Ｇが高圧処理槽１１内に導入されると、この超臨界二酸化炭素Ｇは、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有した有機物Ｓ２を溶解する。

なお、本実施形態では、高圧処理槽１１は恒温槽１６内に配置されており、超臨界二酸化炭素Ｇの温度が３１℃以下とならないようにして、その超臨界状態を保持する。但し、超臨界二酸化炭素Ｇの温度が十分に高く、高圧処理槽１１内で有機物Ｓ２を溶解する際において超臨界状態を保持できるような場合は、恒温槽１６を省略して、恒温槽１６による加熱操作を省略することができる。

有機物Ｓ２を溶解した超臨界二酸化炭素Ｇは、配管２４を介して減圧器１３に導入される。減圧器１３内は、雰囲気圧力が７．３ＭＰａ未満の圧力に保持されているので、超臨界二酸化炭素Ｇは二酸化炭素ガスに転換される。これによって、超臨界二酸化炭素Ｇ中に含まれた有機物Ｓ２は、超臨界二酸化炭素Ｇから分離される。

超臨界二酸化炭素Ｇから転換された二酸化炭素ガス及び超臨界二酸化炭素Ｇから分離された有機物Ｓ２は、分離回収槽１４に送られる。二酸化炭素ガスは、バルブ３２を開として配管２６から処理装置１０の外部に放出される。また、有機物Ｓ２は、バルブ３３を開として配管２７から処理装置１０の外部に放出され、必要に応じて減容処理などが施された後、セメント固化やガラス固化に供される。

なお、有機物Ｓ２中には物質Ｓ１の一部が含まれる場合があるが、上述のように、処理装置１０の外部に放出された後は、セメント固化やガラス固化に供されるので、物質Ｓ１中の放射性セシウムや放射性ストロンチウムが大気中に漏れ出て、汚染するようなことはない。

上述のようにして生成した二酸化炭素ガスは、処理装置１０の外部に排出せずに回収し、配管２８を介して超臨界二酸化炭素供給器１２に移送し、再度超臨界二酸化炭素Ｇに転換することができる。これによって、超臨界二酸化炭素Ｇの原料ガスとなる二酸化炭素の効率的な利用が可能となり、近年の省エネルギーの要請をも満足するようになる。

このようにして生成した超臨界二酸化炭素Ｇも、上述のように、高圧処理槽１１内に導入されて、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する有機物Ｓ２を溶解し、さらに減圧器１３及び分離回収槽１４からなる分離回収装置に移送されて処理される。

なお、本実施形態では、分離回収槽１４を恒温槽１７内に配置し、生成した二酸化炭素を所定の温度に加熱して、超臨界二酸化炭素供給器１２での超臨界二酸化炭素Ｇの生成を容易にしているが、本実施形態では、高圧処理槽１１及び超臨界二酸化炭素供給器１２間に熱交換器１５を配設しているので、上記恒温槽１７は省略し、上述した加熱操作も省略することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置
１１ 槽
１２ 超臨界二酸化炭素供給器
１３ 減圧器
１４ 分離回収槽
１５ 熱交換器
１６，１７ 恒温槽
Ｓ１ 放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質
Ｓ２ セシウム及びストロンチウムを選択的に抽出することが可能な有機物
Ｇ 超臨界二酸化炭素

Claims (4)

1. 放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する物質に対して、セシウム及びストロンチウムを選択的に抽出可能な有機物を接触させるステップと、
   少なくとも前記有機物に対して超臨界二酸化炭素を供給及び接触させ、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素に溶解させるステップと、
   前記超臨界二酸化炭素を減圧し、前記超臨界二酸化炭素を二酸化炭素ガスに転換することにより、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素から分離し、除去するステップと、
   を具えることを特徴とする、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法。
2. 前記二酸化炭素ガスを回収するとともに超臨界二酸化炭素に転換し、再度少なくとも前記有機物に対して前記超臨界二酸化炭素を供給及び接触させて、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素に溶解させるステップを具えることを特徴とする、請求項１に記載の放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理方法。
3. 放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する物質に対して、セシウム及びストロンチウムを選択的に抽出可能な有機物を接触させるための槽と、
   超臨界二酸化炭素を製造するとともに前記槽内に供給し、前記超臨界二酸化炭素を少なくとも前記有機物に対して接触させ、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素に溶解させるための超臨界二酸化炭素供給器と、
   前記有機物を含む超臨界二酸化炭素を減圧し、前記超臨界二酸化炭素を二酸化炭素ガスに転換し、前記有機物を前記超臨界二酸化炭素から分離除去して回収するための分離回収装置と、
   を具えることを特徴とする、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置。
4. 前記分離回収装置は、前記二酸化炭素ガスを前記超臨界二酸化炭素供給器に移送し、前記二酸化炭素ガスを前記超臨界二酸化炭素として再利用するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の放射性セシウム及び放射性ストロンチウム含有物質の処理装置。

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