JP4438988B2 - 放射性物質による汚染を除去するための電気化学的方法、そのシステム及び装置。 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、表面の放射性汚染物質を金属材料から除去し、除去した汚染物質を、簡便な放射性廃棄物処理及び廃棄に適する形で回収する方法に関する。具体的には、本発明は、表面の汚染物質を酸性溶液で溶解し、続いて溶解イオンを金属粒子に電気化学セルを使用して変換し、そして金属粒子を汚染除去システムから取り除く方法に関する。

背景技術
化学的汚染除去方法は、核施設の作業者の放射線被爆を減らすことができる確立された方法となっている。この方法では、化学薬品を施設の冷却水回路の一部に注ぎ、これらの化学薬品が回路表面の放射性堆積物を溶解する。化学薬品及び放射性成分は循環冷却液からイオン交換によって取り除かれる。このようなプロセスの例は、「脱スケール技術」と題する米国特許第４７０５５７３号に開示されている。
近年、同じ一般原理が、核施設では利用できなくなった部品の処理に適用されている。これらの部品の汚染を除去することで、作業者の放射線被爆を減らすだけでなく、放射線レベルを減らすので、汚染除去された部品を放射性廃棄物の低レベル廃棄物として処理することができる。汚染除去方法によって放射能が所定レベルを下回った場合、これらの部品は非放射性であると見なすことができる。次に、これらの処理済み部品は他の核用途又は非核用途の部品として再使用されるか、又は再生することができる。この汚染除去処理は、ＤＦＤ法（Decontamination for Decommissioning：デコミッショニングのための汚染除去）と呼ばれることがある。この種のプロセスの例は、「原子力プラント構成要素の汚染除去法」と題する米国特許第６１４７２７４号に開示されている。

既存のＤＦＤ法では、汚染金属部品を汚染除去溶液に浸し、この溶液により物質層を除去する。次に、放射性固体及び陽イオンを汚染除去溶液から取り除く。ＤＦＤ法では、汚染除去溶液をつくる水がプロセスの最後で脱イオン化した純水に戻されて再利用可能となるので、液体放射性廃棄物は生成されない。汚染除去方法ではまた、希釈溶液が使用され、高濃度の化学薬品の使用に関連する事故を防止する。この汚染除去方法は、特に機械的な汚染除去方法を適用するのが難しい複雑な構造の部品（例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器）のクリーニングに有用である。
既存のＤＦＤ法の大きな問題は、二次放射性廃棄物の処理が困難なことである。国によっては、放射性廃棄物埋設施設が無く、無制限に生成される全ての二次廃棄物を現場に保管しなければならない。二次放射性廃棄物を除去するためには、廃棄物を貯蔵容器安全性及び放射線遮蔽が保証された貯蔵施設に移送する必要がある。二次放射性廃棄物はまた、搬送及び埋設に適した形にする必要がある。このような一つの方法では、二次放射性廃棄物を固体モノリスに調整し、取り扱いが容易なドラムに保管する。いずれの国においても、生成される二次放射性廃棄物の安定性を最大化し、その容積を最小化することが必須である。

ＤＦＤ法では普通、イオン交換樹脂が最終二次放射性廃棄物として生成される。汚染除去された部品からの放射能の全て及び全ての残留化学薬品がこのイオン交換樹脂廃棄物に回収される。米国では、放射性イオン交換樹脂廃棄物を定期的に脱水し、安全性の高い格納容器に送り、埋設する。他の国では、規制を設けて放射性イオン交換樹脂廃棄物をこのようにして取り扱うのを禁止している。樹脂廃棄物は自重の一部しか放射性汚染物質又は金属汚染物質として保持していないため、取り扱いが容易な廃棄物ではない。従って、最終放射性樹脂廃棄物は部品表面から取り除かれた汚染物質だけでなく、イオン交換樹脂自体を構成する有機高分子材料からも構成されている。樹脂をベースとする汚染除去における廃棄物処理のこのような非効率性は、汚染物質の薄膜層を部品表面から取り除く機械的な汚染除去方法と比較すると、大きな欠点である。機械的汚染除去方法により生成される唯一の廃棄物は、部品から取り除かれた物質である。

「電気化学イオン交換法を用いた使用済み原子炉除洗液から放射線物質を取り除く方法」と題する米国特許第５０７８８４２号は、イオン交換樹脂を中間廃棄物として使用可能にする方法を開示しており、この文献の内容はここでの参照により本発明の開示に包含する。‘８４２特許は、３区画式電気化学イオン交換セルを使用して汚染除去溶液から放射性陽イオンを取り除く方法を開示している。汚染除去溶液は、陽イオン交換樹脂を含むイオン交換セルの中央収納室を通過する。陽イオン交換樹脂は、溶解汚染物質及び溶解金属イオンを汚染除去溶液から取り除く。次いで、樹脂上に保持されたイオンが電流制御されて陰極室に移動し、陰極上の金属堆積物に還元される。この方法の陰イオン等価物は、「Electrochemical Exchange Anions In Decontamination Solutions」と題する米国特許第５３０６３９９号に開示されており、ここでの参照によりこの文献の内容もまた本発明の開示に包含する。
‘８４２特許に記載されている方法が大規模に試験されているが、この方法は原子炉に完全な工業的規模で適用されてはいない。実用化にいたらないのは、この方法が、過去に工業的に注目された、原子炉汚染除去作業の一部として設計されているに過ぎないためである。汚染除去作業は、核施設メンテナンスのために施設を停止している間に行われ、非常に短期間で行なわなければならない。実際、核施設におけるメンテナンスのための施設停止期間は今日非常に短いものとなったので、付属的な汚染除去溶液処理システムはおろか、格納するイオン交換セルを使用して汚染除去方法を実行するための時間が不十分である場合が多い。これらの時間的制約によって、電気的分離プロセスを高速で行わねばならず、それには大量の電力をイオン交換セルに加えることと、重くて高価な機器を要するので、商業的に魅力がない。

‘８４２特許に開示されている汚染除去方法は、ＤＦＤの用途への適合性が向上しており、廃棄物の容積を小さくすることを必須とし、且つ時間的な制約がさほど影響しない。この場合、電気的プロセスは中規模の機器を使用して低電流で長期間に渡って行なわれる。非常に重要なのは、‘８４２特許は、陰極上に形成される放射性堆積物を処理しなければならない方法について言及していないことである。従って、研究所レベルの規模では、記載されているセルを解体し、堆積物を機械的に電極表面から取り除くことが可能である。このような方法は、放射能からの保護に関する適切な規制の範囲内で、工業的な規模で実施することが可能でない。この方法を完全に工業化するには、廃棄のために陰極上の放射性堆積物をイオン交換セルから取り除く新規の方法を考案することが必要である。
「Process For Decontaminating Radioactivity」と題する米国特許第４８２８７５９号に開示されている別の汚染除去方法では、酸性汚染除去溶液を使用して部品から放射性物質を取り除く。続いて、汚染物質及び固形不純物が、電気化学的手段を使用するイオン交換セルによる処理によって汚染除去溶液から取り除かれ、陰極の上に堆積する。‘８４２特許と同じように、‘７５９特許は放射性堆積物を陰極から取り除く方法、又は放射性廃棄物を廃棄用に処理する方法について言及していない。

発明の概要
本発明は放射性金属物の汚染を化学的に除去するシステム及び方法である。本発明の汚染除去システムは、固体放射性廃棄物質を金属微粒子の形で生成するだけであり、本発明の汚染除去システムに使用される全ての液体は再利用することができる。汚染金属物を酸性汚染除去溶液に浸漬し、この溶液により汚染物質の薄膜層を取り除く。次に、電気化学イオン交換を利用して汚染除去溶液から放射性成分を取り除く。
このようにして放射性汚染物質が汚染除去溶液から取り除かれる。汚染除去溶液が放射性物質を吸収した後、汚染除去溶液は浄化ループを通過する。汚染除去ループは、中央室、陽極室及び陰極室を有するイオン交換セルを含む。このループはフィルタも含み、このフィルタによって、汚染除去方法中に部品から放出される汚染除去溶液から固体物質を取り除く。

一実施形態では、イオン交換セルは、陽極室及び陰極室がそれぞれ中央室からイオン透過膜によって分離されるように構成される。中央室は陽イオン交換樹脂で満たされる。汚染除去溶液は中央室を通過し、汚染除去溶液中の放射性金属陽イオンは樹脂により捕捉される。次に、捕捉された放射性金属陽イオンは電流によって陰極室に移動し、そこで陽イオンは金属微粒子の形で陰極に堆積する。浄化された汚染除去溶液は中央室から流出し、更に別の部品の汚染除去を行なうために再利用される。
別の実施形態では、上述のイオン交換セルは陽イオン交換樹脂で満たされず、中央室を通過する汚染除去溶液に含まれる陽イオンは樹脂によって捕捉されない。本実施形態では、放射性金属陽イオンは電流によって汚染除去溶液からイオン透過膜を透過して陰極室に移動する。次に金属陽イオンは金属微粒子の形で陰極に堆積する。放射性陽イオンの全てが汚染除去溶液から取り除かれる訳ではないが、十分な量の汚染物質が取り除かれるので、イオン交換セルから流出する汚染除去溶液を再使用して他の部品の汚染除去を行なうことができる。
両方の実施形態において、陰極液を陰極全体に注ぎ、汚染金属粒子を陰極から取り除く。陰極液及び金属粒子は陰極室から流出して廃棄物回収容器に流入し、ここで金属粒子は溶液から析出して沈殿する。陰極液の放射性汚染物質が無くなった後、この溶液を再利用することができる。

更に別の実施形態では、電気化学イオン交換セルの中央室は陽イオン交換樹脂で満たされず、陰極室は中央室からイオン透過膜によって分離されない。汚染除去溶液は中央室から陰極室に流れ込む。本実施形態では、汚染除去溶液は中央室から流出しない。放射性金属陽イオンは直接陰極に移動し、金属微粒子として陰極に堆積する。陰極液は陰極全体に注がれ、堆積金属粒子を取り除く。陰極液及び汚染除去溶液は共に、廃棄物回収容器に流入する。再度、金属粒子が混合溶液から析出して沈殿する。廃棄物回収容器の溶液は、陰極液及び汚染除去溶液として再利用することができる。
陰極に堆積する放射性金属は、陰極室の溶液の酸性度を制御することにより、付着層ではなく、微粒子の形となる。一実施形態では、陰極室のｐＨレベルを約２．５〜５．０に維持することによって、陰極に金属微粒子が形成される。これらの微粒子は陰極全体に液体を注ぎ込むことによって陰極から容易に脱離させることができ、また十分に大きいので陰極液から容易に分離できる。上述のように、金属粒子は廃棄物回収容器の底に沈殿し、これにより溶液を容器の上部から取り出して再利用することができる。

本発明の目的は、汚染除去方法により生成される放射性廃棄物の量を最小化することにある。部品から放出される金属汚染物質は金属微粒子に変換され、廃棄物回収容器に収集される。固体金属粒子廃棄物を生成するだけなので、廃棄物の容積を可能な限り最小限に抑えることができる。
次に、放射性イオン交換樹脂を従来法により処理する方法と同様に、水圧流によって金属粒子を廃棄物回収容器から別の位置に移動させる。本発明のこの特徴によって、装置から放射性汚染物質を取り除く実用的な方法が実現する。粘着性の金属堆積物が陰極に形成された場合、汚染物質を取り除く唯一の実用的な方法は、陰極を装置から物理的に取り外すことであるが、この操作は放射線の影響を受けることなく安全に行なうのが難しい。
電極から放射性金属廃棄物を取り除く本発明の方法は、米国特許第６１４７２７４号に記載されているような他のイオン交換セル汚染除去方法、並びに他のタイプの希酸性汚染除去方法にも適用することができる。

本発明は、原子炉の放射線に晒された金属部品をクリーニングする、酸をベースとする汚染除去システムである。本汚染除去システムは、金属部品から放射性汚染物質を取り除くために使用する汚染除去溶液、及び汚染除去溶液から放射性汚染物質を取り除く浄化ループを含む。汚染部品は、汚染物表面の放射性金属及び放射性金属酸化物を溶解する汚染除去溶液に浸される。汚染除去溶液の酸濃度は低く、通常の環境下では、汚染物質を溶解する汚染除去溶液の溶解能は直ぐに無くなってしまう。しかしながら、本発明では、汚染除去溶液の溶解能は、汚染除去溶液を再利用する浄化ループで継続的に再生される。具体的には、浄化ループはイオン交換セルを含み、汚染除去溶液を再利用する前にこのイオン交換セルにおいて汚染除去溶液中の放射性金属イオンが水素イオンで置換される。浄化ループは固体放射性廃棄物のみを生成する固体汚染物質汚染除去システムをさらに含む。

図１は、汚染除去システム１００の一の実施形態を示し、このシステムは汚染除去溶液収容タンク１２１及びイオン交換セル１１１を有する。部品を収容タンク１２１に入れて汚染除去溶液に浸し、汚染物質層を取り除く。別の構成として、汚染除去溶液を汚染部品の内部表面を通過させるか、又はその他方法で汚染部品と接触させてもよい。汚染物質を部品から取り除く速度は種々の要素、即ち、汚染除去溶液の化学組成、汚染除去溶液との接触期間、及び汚染除去溶液の温度等に依存する。放射性陽イオン及び固体粒子汚染物質は浄化ループにおいて汚染除去溶液から取り除かれる。

浄化ループは電気化学イオン交換セル１１１を含み、なおかつ電気化学イオン交換セル１１１の上流にフィルタ１４１を含むこともでき、固体粒子を汚染除去溶液から取り除くことができる。汚染除去溶液はフィルタ１４１を通過し、固体粒子はフィルタ１４１に捕捉される。フィルタ１４１は、フィルタ１４１を逆方向に通水して放射性固体物質を取り除くことにより周期的にクリーニングされる。フィルタが取り除く固体粒子を、廃棄物回収容器１５１から取り出される金属粒子と合成させることができる（後述に詳細に記載する）。フィルタ１４１及び廃棄物回収容器１５１の両方からの廃棄物は同じ方法で処理することができる。

イオン交換セル１１１は３つの区画、すなわち陽極室１０５、陰極室１０７、及び中央室１０９を含み、各室は陽イオン交換膜１３１によって分離される。陽極室１０５は陽極液で満たされ、陽極１３３を備える。陰極室１０７は陰極１３５を備え、陰極液で満たされる。陰極室１０７及び陽極室１０５は互いに直接接触しないが、中央室１０９によってイオンを授受する関係にある。陽極室１０５及び陰極室１０７は共に、陽極液及び陰極液を循環させる再循環システムを有することができる。再循環システムによって処理中の化学的置換、クリーニング及び変化が容易になる。

本発明の汚染除去方法の基本動作原理は、図１を参照しながら記述を行なうことにより最も良く理解される。第１の実施形態では、中央室１０９は陽イオン交換樹脂１５１で満たされる。部品をクリーニングするために使用する汚染除去溶液は、イオン交換セル１１１の中央室１０９の陽イオン交換樹脂１５１を通過する。陽イオン交換樹脂１５１は汚染除去溶液から放射性汚染物質及び放射性金属不純物を取り除く。

電気化学イオン交換セル１１１の陽極１４３と陰極１４１に電流を印加する。陽極室１０５は酸性溶液を含むので、イオン交換セル１１１電極に印加される電流によって、水素イオンが陽極１４３に生成される。水素イオンは次の反応により生成される。
２Ｈ_２Ｏ −−−＞ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻＋ Ｏ_２
又は、ギ酸が存在する場合は、
ＨＣＯＯＨ −−−＞ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻＋ ＣＯ_２

次に水素イオンは、電流１３１が流れることによって陽極室１０５から陽イオン膜１３１を通過して中央室１０９に移動する。第１の実施形態では、中央室１０９はイオン交換樹脂１５１で満たされる。汚染除去溶液は中央室１０９を通過し、溶液中の金属陽イオンはイオン交換樹脂１５１により捕捉される。陽極室からの水素イオンは、陽イオン交換樹脂１５１に含まれる捕捉された金属陽イオンを置換する。次に、樹脂１５１から放出された金属陽イオンは中央室１０９から陽イオン透過膜１３１を通過して陰極室１０７に移動する。

金属陽イオンは陰極１４１に引き寄せられ、以下の化学反応に表わされるように陰極１４１上に金属微粒子１６１として堆積する。
Ｍｅｔａｌ^２＋ ＋ ２ｅ⁻ Ｍｅｔａｌ

陰極室１０７の陰極液は陰極１４１全体に注がれ、堆積した金属粒子１６１を陰極１４１から分離する。陰極液及び分離された金属粒子１６１は陰極室１０７から流出し、廃棄物回収容器１５１に流入する。金属廃棄物粒子１６１は陰極液よりも高濃度であり、廃棄物回収容器１５１の底に沈殿する。廃棄物回収容器１５１内の陰極液は金属粒子１６１を含まず、陰極液をポンプで汲み出して陰極室に戻すことにより再利用できる。

沈殿した金属廃棄物粒子は、流水を堰き止める緩衝装置、又は他の適切な除去及び搬送手段により廃棄物回収容器１５１から排出される。廃棄物質が排出された後、固体金属廃棄物を搬送するために使用された液体を分離し、再使用することができる。本発明の汚染除去システムによる生成物は汚染金属微粒子のみであり、容積が最小化されるので廃棄が容易になる。

別の実施形態では、中央室１０９はイオン交換樹脂１５１を含まず、汚染除去溶液は直接中央室１０９を通過する。本実施形態では、金属陽イオンは汚染除去溶液から陽イオン透過膜１３１を通して抽出され、陰極室１０７に達する。本実施形態では、汚染除去溶液が中央室１０９を通過する流速を制御することが望ましい。汚染除去溶液の流速は、中央室１０９を通過する流路に流量制限器を設置することにより小さくすることができる。流量制限器は、中央容器１０９に配置され、汚染除去溶液の流路を迂回させるクロスメンバーのような機械装置、又は中央室１０９の排出口に位置する流量制限器とすることができる。

図２は汚染除去システム２００の別の実施形態を示しており、このシステムもまたイオン交換セル２１１を利用して汚染除去溶液から放射性金属陽イオンを取り除く。本実施形態では、イオン交換セル２１１は３つの区画、すなわち陰極室１０７、陽極室１０５及び中央室１０９を有する。陽イオン透過膜１３１は陽極室１０５と中央室１０９とを分離する。陽イオン透過膜は中央室１０９を陰極室１０７から分離しないので、汚染除去溶液は中央室１０９から自由に陰極室１０７に流れる。本実施形態では、電気化学イオン交換セル２１１の中央室１０９は陽イオン交換樹脂で満たされず、そして中央室１０９の底部には排出口が設けられない。従って、中央室１０９に流入する汚染除去溶液は陰極室１０７の排出口を通して流出する必要がある。

この別の実施形態の動作について図２を参照しながら記載する。部品をクリーニングするために使用する汚染除去溶液はイオン交換セル２１１の中央室１０９に流入し、次に陰極室１０７に流入し、そこで陰極液と混合される。陰極１３５と陽極１３３に電圧が印加されると、汚染除去溶液中の放射性金属陽イオンが陰極１３５に引き寄せられ、上述した化学反応により陰極１３５の上に金属微粒子として堆積する。汚染除去溶液及び陰極液は共に陰極１３５全体に注ぎ、堆積した金属微粒子１６１を取り除く。これら溶液及び粒子が陰極室１０７から流出して廃棄物回収容器１５１に流入し、そこで金属微粒子１６１が廃棄物回収容器１５１の底に沈殿する。廃棄物回収容器１５１内の溶液は再利用することができ、ポンプによって陰極室１０７及び汚染除去溶液収容タンク１２１に戻すことができる。

上述のように、陰極室１０７の溶液は、陽イオンを陰極１３５上に金属微粒子１６１として堆積させる特定の化学特性を有する必要がある。堆積金属は適切な粒子サイズ（例えば直径１００ミクロン）を有し、これによって金属を容易に陰極１３５から取り除き、陰極１３５（及び汚染除去）溶液から廃棄物沈殿タンク１５１に分離することができる。粒子サイズは、物質が液体中にけん濁したままとなって、廃棄物沈殿タンク１５１の底に沈殿しないほど、小さ過ぎてはいけない。好適な実施形態では、堆積金属粒子１６１は約１００ミクロン径の大きさである。

（１００ミクロン径の）金属微粒子は、陰極室１０７内の溶液が約２．５〜５．０の初期ｐＨを有する場合に陰極１３５の上に堆積する。約１００ミクロン径の均一サイズを有する金属廃棄物粒子１６１は陰極１３５から容易に取り除かれ、陰極（汚染除去）溶液から容易に分離される。ｐＨレベルが低過ぎる場合、放射性金属はメッキ反応により陰極１３５に単一層として堆積する。単一層を除去するためには、イオン交換セル１１１，２１１から陰極１３５を完全に取り外して、堆積金属層を陰極１３５から取り除く必要がある。或いは、ｐＨレベルが低過ぎる場合、陰極１３５には何も堆積しないことがあり得る。これとは反対に、ｐＨレベルが高過ぎると、陰極１３５上に堆積した放射性粒子１６１が非常に小さくなって陰極液から容易に分離することができない。粒子１６１が小さ過ぎると、これらの粒子は周りの液体中にけん濁した状態で残留し、廃棄物回収容器１５１内で沈殿しない。これらの微粒子１６１は、濾過することにより溶液から取り除くことができるが、この濾過要素を追加することによって汚染除去システムが不要に複雑になってしまう。特定のｐＨレベルが必ずしも正しい粒子形成を可能にする唯一の条件ではないが、満足のゆく結果を産むための条件の一例である。

イオン交換セル２１１に使用される化学薬品について以下に更に詳細に記載する。陽極液及び陰極液は共に電解液を含む。好適な実施形態では、陽極室１０５及び陰極室１０７の両方に使用される電解液はギ酸、ギ酸ナトリウム又はこれらの混合物である。陽極室１０５及び陰極室１０７の電解液は共に、液体ポンプ（図示せず）により貯蔵タンクを通して再循環される。廃棄物回収容器１５１は陰極液貯蔵タンクとすることができる。陽極液貯蔵タンクは図１又は図２には示されていないが、この技術分野では良く知られている。中央室１０９を通過する汚染除去溶液も電解液である。

汚染除去溶液に使用する酸は任意の鉱酸又は有機酸で良い。鉱酸の例として、硝酸、ホウフッ化水素酸、硫酸及び塩酸が挙げられる。どの酸を選択するかは多くの要素に依存し、例えば汚染物質を溶解する効力、関連する酸への汚染物質の溶解度、物質との親和性（例えば、塩酸は理想的にはステンレス鋼系には使用すべきではない）、及び下流における処理に適するかどうかの適合性が挙げられる。部品材料が腐食に特に敏感である用途においては、有機酸を使用することができる。有機酸は一般的な弱酸であるので、この溶液のｐＨは上述の鉱酸をベースとする汚染除去溶液のｐＨよりも高い。有機酸の例として、ギ酸、クエン酸、シュウ酸及びエチレンジアミン4酢酸が挙げられる。

汚染除去溶液の酸濃度は、或る特定の範囲内に収まらなければならない、ということはない。しかしながら、汚染除去溶液の酸濃度の最も好ましい範囲は１０^−３〜１０^−２Ｍの範囲である。この範囲では、酸の濃度は放射性汚染物質を短期間で溶解するのに十分であり、且つ浄化ループでのプロセスを効率的に進行するのに十分に薄い。

汚染除去方法は、水が液体状態であればどのような温度でも使用することができる。汚染除去溶液の温度は、放射性金属及び放射性金属酸化物から成る汚染物質が溶解する反応速度を制御するパラメータの一つである。この速度は、浄化ループによって金属イオンが汚染除去溶液から取り除かれる速度に等しくなければならない。好適な実施形態では、汚染除去方法は室温で行われるので加熱又は冷却の必要が無い。システムは出来る限り単純であることが望ましいが、汚染除去溶液は本来、電気化学イオン交換セルが使用する電気エネルギーによって加熱される。上述のように、陽極と陰極に電圧が印加されると電気化学イオン反応が生じる。イオン交換セルに入力されるエネルギーによって陽極液及び陰極液の温度が汚染除去溶液浄化プロセス中に上昇する。従って、汚染除去溶液もイオン交換セルを通過するときに加熱される。汚染除去溶液を最適温度範囲に保つためには、再循環陽極液及び再循環陰極液を冷却する必要がある。セル効率が最適になるのは、陽極液及び陰極液の温度が水の沸騰温度１００℃に近いときであることが判明している。

好適な実施形態では、電気化学イオン交換セルは特定の特性を有する。陽イオン透過膜１３１によって、イオンが隣接する収納室の間を行き来することができるが、各収納室の液体は混合することができない。イオン輸送特性及び膜材料の耐久性は、陽イオン透過膜１３１を選択する際に考慮に入れるべき重要な特性である。陽イオン透過膜１３１は、この技術分野の当業者が保有する技術を用いれば容易に選択することができる。代表的な材料には商用上入手可能なＢＤＨ陽イオン交換膜及びＮａｆｉｏｎ膜が含まれる。

好適な実施形態では、陽極１３３は貴金属から形成されるか、又は貴金属によりコーティングされる。白金陽極、又はチタン上にコーティングされる二酸化白金或いは二酸化ルテニウムのような他の一般に利用可能な産業用陽極が特に好ましい。陰極１３５はステンレス鋼のような安価な導電金属により作製することが好ましい。陰極１３５の表面は、堆積金属粒子の除去操作が改善されるように十分に平滑でなければならない。

中央室１０９に使用する特定の陽イオン交換樹脂１５１の選択も、この技術分野の当業者であれば容易に判断できる。陽イオン交換樹脂１５１の選択方法は次の項目を含む要素に基づいて行われる。すなわち、廃棄物ストリームに含まれる処理対象の組成、樹脂の結合能、樹脂のコスト、及び樹脂の捕捉陽イオンを解放して水素イオンとの置換を可能にする能力である。特定の好適な実施形態では、陽イオン交換樹脂１５１は、このタイプの汚染除去方法において既に一般的に使用されているアンバーライト（登録商標）１２０（Ｈ）である。この用途に適する別の強酸性陽イオン樹脂はアンバーライト（登録商標）１２０（Ｈ）である。

除去しなければならない少数の陰イオン不純物がシステムに含まれる場合、陰イオン交換カラム（汚染除去に使用される酸と同じイオン式の）を浄化ループに設置することにより除去を実施することができる。汚染除去溶液の使用を中断することが望ましい場合、溶液を水酸化物形状の陰イオン交換樹脂を通過させることにより実施することができる。この操作によって汚染除去システムの酸性溶液が脱イオン化水に変換される。混床式イオン交換カラムを使用することにより随意で水質を向上させてもよい。

希酸を使用する多くの汚染除去方法は、所謂「予備酸化ステップ」も使用する。これらの予備酸化ステップにおいては通常、クロム種を過マンガン酸イオンで酸化する。浄化ループによるイオン交換は普通、予備酸化ステップ中は行われない。一実施形態では、上記予備酸化ステップを本発明と共に使用することができるが、浄化ループは予備酸化ステップ実施の間は使用してはならない。

２つの実施形態の実験結果に基づく本発明の汚染除去システムの有効性について以下に記載する。

実施例１−陰極室及び陽極室の両方を中央室から分離しているイオン交換膜、及び中央室内の陽イオン交換樹脂を有するイオン交換セルを使用した汚染除去溶液の電気化学的イオン交換
実施例１の結果は図１に示す電気化学イオン交換セルを使用して得られた。陰極はステンレス鋼プレートであり、陽極は酸化ルテニウムをコーティングしたチタンであった。陽イオン膜は、反応面積測定値が９×４．５ｃｍのＮａｆｉｏｎ３２４（デュポン社製）であった。中央室を８０ｍｌの水素形状の陽イオン交換樹脂で満たした。陽極室溶液は０．１Ｎギ酸であった。陰極液は、水酸化ナトリウムによってｐＨ３に調整された１０ｍＭホウフッ化水素酸であった。ステンレス鋼を１０ｍＭのホウフッ化水素酸に溶解させた溶液と等価の模擬溶液を作製した。この溶液は、鉄（２５５ｐｐｍ）、クロム（７１ｐｐｍ）及びニッケル（４５ｐｐｍ）を１０ｍＭのホウフッ化水素酸に含ませたものであり、この溶液を１時間当たり２，０００ｍｌの流速でセルの中央室を通過させた。合計容積が２０リットルの溶液を通過させた。セルに印加した電圧は２７ボルトであり、流れた電流は約１．２アンペアであった。

金属微粒子が陰極に堆積し、それを陰極から取り除き、セルの外部に回収した。表１は実験のマスバランスを示している。「内部金属」という表現は、セルの中央部を通過する溶液中の金属イオンの合計量を意味する。「外部金属」という表現は、セルの中央室を通過した後の溶液中の金属イオンを意味する。「回収された金属」という表現は、セル外部において金属粒子堆積物の形で回収される金属を意味する。金属堆積に対応する電流効率は約５６％であった。

実施例２−中央室と陽極室との間に単一のイオン交換膜を有し、中央室に陽イオン交換樹脂を持たないイオン交換セルを使用した汚染除去溶液の電気化学的イオン交換
実施例２の結果は図２に示すイオン交換セルを使用して得られ、この場合、陰極室と中央室とを分割する膜は取り外され、中央室はイオン交換樹脂によって満たされていなかった。陰極室は中央室を通過する溶液と同じ溶液で満たされた。セルに流入する溶液として、実施例１と同じ溶液を使用した。１時間当たり２，０００ｍｌの同じ流速を使用し、合計１．５リットルの溶液を流した。陽極室を０．１Ｍのホウフッ化水素酸で満たした。セルに印加した電圧は５．６ボルトであり、流れた電流は約１．２アンペアであった。金属が陰極に堆積し、これをセルの外部で回収した。表２は実施例２の実験のマスバランスを示す。金属堆積の電流効率は約１９％であった。

上述では、汚染除去システムについて説明した。本発明については、汚染除去システムの特定の例示的実施形態を参照しながら記載したが、請求の範囲に規定される本発明の広範な技術思想及び技術範囲から逸脱せずに、これら実施形態に種々の変形及び変更を加え得ることは明らかである。従って、本明細書及び添付図面は制限的な意味ではなく、例示的な意味として捉えられるべきである。

本発明は本明細書において、添付の図面に示される本発明の実施形態を参照しながら例を通してのみ記載される。
イオン交換セルの中央室に樹脂を利用する汚染除去システムの一実施形態を示す図である。 イオン交換セルの中央室に樹脂を使用せず、中央室が陰極室からイオン透過膜によって分離されていない汚染除去システムの一実施形態を示す図である。

Claims (20)

1. 放射性陽イオンを汚染除去溶液から取り除く方法であって、
   汚染物質を前記汚染除去溶液に浸漬する工程と、
   放射性陽イオンを含む前記汚染除去溶液を、電気化学イオン交換セルの中央室であって、陽極を有する陽極室から第１イオン交換膜により分離される中央室を通過させる工程と、
   前記汚染除去溶液を再利用して前記浸漬工程で再使用する工程と、
   陰極と陽極に電圧を印加する工程と、
   前記放射性陽イオンを前記陰極に収集する工程と、
   前記放射性陽イオンを放射性金属粒子として前記陰極に堆積させる工程と、
   陰極液を陰極全体に注いで前記放射性金属粒子を脱離させる工程と、を含む方法。
2. 前記汚染除去液を通過させる工程において、前記放射性陽イオンを前記中央室に満たされた陽イオン交換樹脂中に捕捉する工程をさらに含む、請求項１記載の取り除く方法。
3. 前記脱離工程の後に、前記陰極液中の前記放射性金属粒子を沈殿タンクに沈殿させ、前記沈殿タンクで前記放射性金属粒子を前記陰極液から分離する工程と、
   前記分離工程後に、前記陰極液を前記陰極室に再循環させる工程と、を含む、請求項１記載の取り除く方法。
4. 前記収集工程において前記陰極に付着する前記金属粒子は水力輸送に適するサイズである、請求項１記載の取り除く方法。
5. 前記分離工程において、前記放射性金属粒子を前記沈殿タンクから取り出すために前記放射性金属粒子を流動させる工程をさらに含む、請求項３記載の取り除く方法。
6. 再利用工程を実施する前に、汚染除去溶液を前記中央室から流出させる工程をさらに含み、前記イオン交換セルは、前記中央室を前記陰極室から分離する第２イオン交換膜を含む、請求項１記載の取り除く方法。
7. 再利用工程を実施する前に、前記汚染除去溶液を前記陰極室から流出させる工程をさらに含む、請求項１記載の取り除く方法。
8. 前記汚染除去溶液は１リットル当たり５０ミリモル未満の濃度の酸である、請求項１記載の取り除く方法。
9. 前記酸はホウフッ化水素酸である、請求項８記載の取り除く方法。
10. 放射性陽イオンを汚染除去溶液から取り除くシステムであって、
    中央室、陽極を有する陽極室、陰極を有する陰極室、前記中央室を前記陽極室から分離する第１イオン交換膜を含む電気化学イオン交換セルと、
    前記陰極と前記陽極に電圧を印加する電圧源と、
    廃棄物回収容器と、
    前記陰極室から前記廃棄物回収容器に流れて放射性金属粒子を前記陰極から前記廃棄物回収容器に移動させる陰極液と、を備え、
    前記放射性陽イオン及び前記汚染除去溶液は前記中央室に流入し、前記放射性陽イオンは前記陰極に放射性金属粒子として堆積し、前記放射性金属粒子は前記陰極液を前記陰極全体に注ぐことによって前記陰極から取り除かれて前記廃棄物回収容器に回収されるシステム。
11. 前記電気化学イオン交換セルの前記中央室に陽イオン交換樹脂材料をさらに備える、請求項１０記載のシステム。
12. 前記陽イオン交換樹脂は水素形状のスルホン酸系を含む、請求項１１記載のシステム。
13. 放射性金属粒子を前記汚染除去溶液から取り除くフィルタをさらに備える、請求項１０記載のシステム。
14. 前記フィルタは逆方向に通水することによりクリーニングされる、請求項１３記載のシステム。
15. クリーニング中に前記フィルタによって取り除かれる物質は放射性金属粒子である、請求項１４記載のシステム。
16. 前記汚染除去溶液が１リットル当たり５０ミリモル未満の濃度の酸である請求項１０記載のシステム。
17. 放射性陽イオンを汚染除去溶液から取り除く装置であって、
    前記汚染除去溶液を含む中央室と、陽極室と、陰極液を含む陰極室と、前記陰極室に取り付けられる陰極に接続される陰極リード及び前記陽極室に取り付けられる陽極に接続される陽極リードを有する電圧源と、前記中央室を前記陽極室から分離するイオン交換膜と、を有する電気化学イオン交換セル、及び
    前記陰極室に流体連通により接続される廃棄物回収容器であって、この流体連通により前記陰極液が前記陰極室から前記廃棄物回収容器に流れるようになる廃棄物回収容器
    を備え、
    前記放射性陽イオンを含む前記汚染除去溶液は、前記電気化学イオン交換セルの前記中央室に流入し、前記放射性陽イオンは前記陰極室に移動し、放射性陽イオンは前記陰極に放射性金属粒子として堆積し、前記放射性金属粒子は前記陰極液を前記陰極全体に注ぐことによって前記陰極から取り除かれ、前記廃棄物回収容器に移動する装置。
18. さらに、前記汚染除去溶液が、１リットル当たり５０ミリモル未満の濃度の酸である請求項１７記載の装置。
19. さらに、放射性粒子を汚染除去溶液から取り除くフィルタを備える、請求項１７記載の装置。
20. さらに、前記電気化学イオン交換セルの前記中央室に陽イオン交換樹脂を備える、請求項１７記載の装置。

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