JP5558232B2 - 高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法及び回収装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法及び回収装置に関する。

使用済燃料再処理時に発生する高放射性レベル廃液中には、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）といった希少金属が多量に含まれている。現在行われている再処理では高レベル廃液中に含まれるこれら希少金属を回収せず、ガラス固化工程において、ガラス固化し処理処分をする。

しかしながら、ガラス固化体を作製するガラス溶融炉中で高レベル廃液中に含まれる希少金属が沈殿し、溶融炉の短絡を引き起こす、一部の希少金属化合物が揮発するといった可能性がある。また高レベル廃液中の希少元素濃度が高くなると粘性が低下し、ガラス固化体の作製が困難になるという課題がある。

そこで、ガラス固化工程前に高放射性レベル廃液を電解処理し、希少金属をカソード電極上に析出させた後、電解酸化により溶解し、さらに電解還元することによって回収する試みがなされている。

特開２００３−１６１７９８号

本発明は、高放射性レベル廃液から希少金属を回収する新規かつ簡易な方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法であって、アノード電極とカソード電極とが対向して配置されている第１の槽内に、希少金属イオン及び／又は希少金属酸化物イオンを含む高放射性レベル廃液を導入し、前記アノード電極及び前記カソード電極間に電圧を印加することによって、前記カソード電極上に、前記希少金属イオン及び／又は前記希少金属酸化物イオンを希少金属及び／又は希少金属酸化物として析出させる第１のステップと、前記カソード電極上に析出させた前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物を、スクレーバを用いて回収する第２のステップと、を具えることを特徴とする、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法に関する。

また、本発明の一態様は、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収装置であって、希少金属イオン及び／又は希少金属酸化物イオンを含む高放射性レベル廃液を導入し、貯留するための第１の槽と、前記第１の槽内において、電圧印加によって前記希少金属イオン及び／又は前記希少金属酸化物イオンを希少金属及び／又は希少金属酸化物として析出させるカソード電極、及びこのカソード電極と対向配置されるアノード電極と、前記カソード電極上に析出させた前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物を回収するためのスクレーバと、前記第１の槽内に酸を供給して少なくとも前記カソード電極の表面を前記酸で洗浄し、前記カソード電極の表面における前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物の残留物を溶解して、前記残留物を含む酸溶液を得るための酸供給手段と、前記酸溶液を導入し、貯留するための第２の槽と、前記第２の槽内において、電圧印加によって前記酸溶液中の前記残留物を析出させる追加のカソード電極、及びこの追加のカソード電極と対向配置される追加のアノード電極と、を具えることを特徴とする、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収装置に関する。

第１の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第２の実施形態における希少金属の回収装置の、第１の槽及びこの槽内に配置したアノード電極、カソード電極の部分を示す概略構成図である。 第２の実施形態における希少金属の回収装置の、第１の槽及びこの槽内に配置したアノード電極、カソード電極の部分を示す概略構成図である。 第３の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第４の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第５の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第６の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第７の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。 第８の実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法及び回収を、図面を参照しながら、実施の形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の処理装置１０は、第１の槽１１と、この第１の槽１１内において対向配置されたアノード電極１２及びカソード電極１３とを有している。アノード電極１２及びカソード電極１３には、これら電極間に所定の電圧を印加するための電源１５と、各電極の電位を測定するための電圧計１６とが接続されている。なお、各電極の電位は、アノード電極１２及びカソード電極１３と並列に配置された参照電極１４の電位を基準として測定される。また、第１の槽１１には配管１７が接続され、ポンプ１８を介して高放射性レベル廃液が連続的に供給されるようになっている。

なお、第１の槽１１は、高放射性レベル廃液を導入し、貯留するものであるので、例えば、ステンレス製タンク、蓋、液位計、線量計、撹拌装置（図示せず）などから構成する。

次に、図１に示す処理装置１０を用いた希少金属の回収方法について説明する。
最初に配管１７を介し、ポンプ１８を利用することにより、第１の槽１１内に希少金属を含む高放射性レベルの廃液を導入する。なお、このような廃液中において、希少金属はイオンあるいは酸化物イオンの形で存在する。例えば、本実施形態は、前述のように高放射性レベルの廃液、すなわち、使用済燃料再処理時に発生する高放射性レベル廃液を対象としているので、希少金属としてはパラジウム（Ｐｄ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），銀（Ａｇ），モリブデン（Ｍｏ），テクネチウム（Ｔｃ）などを対象としている。

これらの希少金属の中でも、Ｐｄ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ａｇは主として金属イオン（陽イオン）として存在し、Ｔｃ，Ｍｏは主として酸化物イオン(陰イオン)として存在する。なお、これらの金属は、その他錯イオン等を構成する場合もあり、陰イオンとして存在する場合もある。なお、本実施形態においては、陰イオンとして存在する酸化物イオンもカソードに析出する。

次いで、上記高放射性レベル廃液を第１の槽１１内に導入した後、電源１５によりアノード電極１２及びカソード電極１３間に所定の電圧を印加し、廃液中に含まれる希少金属イオンあるいは希少金属酸化物イオンを、それぞれ希少金属あるいは希少金属酸化物としてカソード電極１３上に析出させる。例えば、Ｐｄイオンは、Ｐｄ^２＋＋２ｅ⁻→Ｐｄのような反応式に基づいてカソード電極１３上に析出する。

次いで、カソード電極１３上に析出した希少金属あるいは希少金属酸化物を図示しないスクレーバを用いて回収する。

このように、本実施形態によれば、高放射性レベル廃液の希少金属あるいは希少金属酸化物を、カソード電極１３上への析出及びスクレーバによる回収という簡易な手法で回収することができる。

また、ポンプ１８によって高放射性レベルの廃液を連続的に供給するようにしているので、バッチ式と異なり、高放射性レベル廃液から希少金属あるいは希少金属酸化物の回収を連続的に行うことができる。

なお、図１に示す処理装置１０においては、アノード電極１２及びカソード電極１３を平板状としているが、電極表面積を増大させるべく、適宜円筒形状とすることもできる。また、直径の異なる複数の円筒形電極を組み合わせることもできる。

（第２の実施形態）
図２及び図３は、本実施形態における希少金属の回収装置の、第１の槽及びこの槽内に配置したアノード電極、カソード電極の部分を示す概略構成図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

図１に関する第１の実施形態においては、第１の槽１１内に一対のアノード電極１２及びカソード電極１３を配置したが、本実施形態の希少金属の回収装置においては、第１の槽１１内に合計２対のアノード電極及びカソード電極を設けている。具体的には、アノード電極１２−１及びカソード電極１３−１が対をなし、アノード電極１２−２及びカソード電極１３−２が対をなすようにして、第１の槽１１内に配置している。

したがって、本実施形態では、第１の実施形態と比較し、カソード電極１３−１及び１３−２上に希少金属あるいは希少金属酸化物を析出させることができるので、大量の希少金属あるいは希少金属酸化物を効率よく回収することができる。なお、最終的には、析出した希少金属等を、スクレーバを用いて回収することについては、第１の実施形態と同様である。

なお、図２に示す形態では、アノード電極１２−１、１２−２及びカソード電極１３−１，１３−２を高放射性レベル廃液の導入方向と垂直に配置しているのに対し、図３に示す形態では、アノード電極１２−１、１２−２及びカソード電極１３−１，１３−２を高放射性レベル廃液の導入方向と平行に配置している。したがって、図２に示す形態と図３に示す形態とを比較した場合、後者の形態の方が上記廃液と接触する面積が大きいので、より大量の希少金属等を効率的に回収できることが分かる。

また、本実施例では、２対のアノード電極及びカソード電極を用いたが、必要に応じて３対以上のアノード電極及びカソード電極を用いることもできる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第３の実施形態）
図４は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置２０においては、アノード電極１２とカソード電極１３との間に、イオン透過性の絶縁膜２１を配置している点で、図１に関する第１の実施形態の希少金属の回収装置１０と相違する。

第１の槽１１内に導入した高放射性レベル廃液は、アノード電極１２及びカソード電極１３間の距離を小さくすることによって電極間抵抗が減り、高い効率で電解可能となるので、廃液中の希少金属イオン等をより高い効率で析出させることができるようになる。しかしながら、アノード電極１２及びカソード電極１３間の距離を小さくし過ぎると、これら電極間の接触によって電気的に短絡してしまうという新たな問題が生じる。

これに対して、本実施形態では、アノード電極１２及びカソード電極１３間にイオン透過性の絶縁膜２１を設けているので、これら電極を近付けた場合においてもこれら電極同士が電気的に接触し、短絡してしまうようなことがない。したがって、アノード電極１２及びカソード電極１３間の電気的な接触を抑制しながら、両者の距離を狭小化することができるので、第１の槽１１内に導入した高放射性レベル廃液中の希少金属イオン等を十分に高い効率で析出させることができ、後のスクレーバによって大量の希少金属等を効率的に回収することができる。

なお、イオン透過性の絶縁膜２１は、例えばイオン交換膜やセラミックス多孔体を用いることができる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第４の実施形態）
図５は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置３０においては、アノード電極３２及びカソード電極３３を導電性の多孔質体から構成している点で、図１に関する第１の実施形態の希少金属の回収装置１０と相違する。

アノード電極３２及びカソード電極３３を上述のような導電性の多孔質体から構成することによって、これら電極の実効的な表面積が増大する。したがって、これら電極の、高放射性レベル廃液との実質的な接触面積が増大するので、廃液中の希少金属イオン等を希少金属等として大量に析出させることができるようになる。この結果、後のスクレーバによる回収を経て、大量の希少金属等を効率的に回収することができる。

なお、導電性の多孔質体としては、水素ガスなどの発生が生じにくい炭素繊維や、タンタルなどの金属質多孔体などを用いることができる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第５の実施形態）
図６は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置４０においては、第１の槽１１内にアノード電極１２を配置する代わりに、第１の槽１１の少なくとも両側面を金属板４３から構成し、第１の槽１１をアノードとして機能させるようにしている。これによって、第１の槽１１内に大面積のカソード電極１３を配置することができるとともに、カソード電極１３を多数配置することができる。なお、金属板４３と配管１７との絶縁は、例えばこれらの接触部において絶縁材を介在させる等の方法によって行う。

したがって、カソード電極１３及びカソード電極の実質的な面積が増大するようになるので、高放射性レベル廃液中の希少金属イオン等を大量にカソード電極１３に析出させることができ、後のスクレーバによって回収することができる。すなわち、本実施形態によれば、廃液中の希少金属イオン等を希少金属等として大量に析出させることができ、効率的に回収することができるようになる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第６の実施形態）
図７は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置５０においては、第１の槽１１内において、配管１７の長さ方向、すなわち第１の槽１１に対する開口と相対向するようにして部材５１を設けている点で、第１の実施形態における回収装置１０と相違する。

本実施形態の回収装置５０においては、部材５１によって配管１７より第１の槽１１内に導入された高放射性レベル廃液の流れが分断されるようになるので、当該廃液が第１の槽１１内で攪拌されるようになる。したがって、第１の槽１１内における廃液中の希少金属イオンあるいは希少金属酸化物イオンの濃度分布が均一に保たれるようになるので、アノード電極１２及びカソード電極１３間に電圧を印加して、希少金属あるいは希少金属酸化物を析出させ、さらにスクレーバで回収する際の効率を向上させることができるようになる。

なお、部材５１は、上述した作用効果を奏するものであれば、棒状の部材、板状の部材などのいずれであってもよい。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第７の実施形態）
図８は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置６０においては、第１の槽１１の上部において、一端が大気開放されたガス配管６７が設けられているとともに、ガス配管６７及び配管１７と接続するようにして追加の配管６８が設けられているで、第１の実施形態における回収装置１０と相違する。

第１の実施形態などで説明したように、アノード電極１２及びカソード電極１３間で電解反応が生じ、アノード電極１２において希少金属等が析出するようになると、これと同時に水素ガスが発生したり、カソード電極１３では、酸素ガスが発生したりする。したがって、これらガスをそのままにしておくと、第１の槽１１内の圧力が上昇してしまい、第１の槽１１内に高放射性レベル廃液を導入することが困難になってしまう場合がある。

しかしながら、本実施形態では、図８に示すように、一端が大気開放されたガス配管６７が、第１の槽１１の上部に設けられているので、第１の槽１１内で発生したガスはガス配管６７を介して外部に放出されるようになる。したがって、上述したような不利益を解消することができる。

また、ポンプ１８によって第１の槽１１内に導入する高放射性レベル廃液の量が、例えば一時的に許容範囲を超えて導入されてしまうと、第１の槽１１内で電解処理が十分行われることなく排出されてしまう場合がある。また、図８のようにガス配管６７を設けた場合は、ガス配管６７を介して外部に漏洩（オーバーフロー）してしまう場合がある。

しかしながら、本実施形態では、図８に示すように追加の配管６８を設けているので、上述のように、一時的に許容範囲を超えて高放射性レベル廃液が導入されたような場合においても、追加の配管６８によって配管１７に戻され、さらに第１の槽１１内に戻されるようになる。すなわち、追加の配管６８が設けられていることによって、許容範囲を超えて第１の槽１１内に導入された高放射性レベル廃液は、第１の槽１１内に帰還されるようになる。したがって、高放射性レベル廃液の、系内（第１の槽１１）からのオーバーフローを防止しながら、当該廃液中の希少金属等の析出及び回収を行うことができる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

（第８の実施形態）
図９は、本実施形態における希少金属の回収装置の概略構成を示す図である。なお、図１に示す回収装置１０と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同一の参照数字を用いている。

本実施形態の希少金属の回収装置７０においては、第１の槽１１内に酸を供給するための配管７７が、第１の槽１１の上流側において配管１７に対して接続されている。なお、配管７７は、図示しないポンプとともに、第１の槽１１内に酸を供給するための手段として機能する。

また、第１の槽１１の下流側においては、以下に説明する酸溶液を導入及び貯留するための第２の槽７１が設けられており、第２の槽７１は、配管７９によって第１の槽１１の前後であって、配管７７の下流側において配管１７と接続されている。また、配管７９にはポンプ７８が設けられ、第２の槽７１内で得た酸を再度第１の槽１１内に供給できるようになっている。ポンプ７８及び配管７９は、酸の回収供給手段を構成する。

さらに、第２の槽７１内には、追加のアノード電極７２及び追加のカソード電極７３が互いに対向するようにして設けられており、以下に説明するように、電解処理によって酸溶液から酸を再生させるためのものである。

なお、第１の槽７１は、高放射性レベルの酸溶液を導入し、貯留するものであるので、例えば、ステンレス製タンク、蓋、液位計、線量計、撹拌装置（図示せず）などから構成する。

次に、図９に示す回収装置７０用いた希少金属の回収方法について説明する。
第１の実施形態同様に、最初に配管１７を介し、ポンプ１８を利用することにより、第１の槽１１内に希少金属を含む高放射性レベルの廃液を導入する。次いで、高放射性レベル廃液を第１の槽１１内に導入した後、電源１５によりアノード電極１２及びカソード電極１３間に所定の電圧を印加し、廃液中に含まれる希少金属イオンあるいは希少金属酸化物イオンを、それぞれ希少金属あるいは希少金属酸化物としてカソード電極１３上に析出させる。

次いで、カソード電極１３上に析出した希少金属あるいは希少金属酸化物を図示しないスクレーバを用いて回収する。但し、スクレーバを用いた回収のみでは、カソード電極１３上に析出物が残留してしまう場合がある。このように、カソード電極１３上に析出物を残留させておくと、高放射性レベル廃液中の希少金属等の回収を十分に行うことができないばかりか、カソード電極１３上に放射性物質が堆積してしまい所定の時間経過後に交換しなければならない場合が多い。

しかしながら、本実施形態では、上述のような、カソード電極１３上での析出物の回収の後、配管７７を介して硝酸、硫酸などの酸を第１の槽１１内に導入し、特にカソード電極１３上に残留した析出物、すなわち希少金属あるいは希少金属酸化物を酸で溶解して、このような残留物を含む酸溶液を得、これを第２の槽７１内に導入する。

次いで、第２の槽７１内において、図示しない電源から追加のアノード電極７２及び追加のカソード電極７３間に電圧を印加し、酸溶液中に含まれる残留物を例えばカソード電極７３上に析出させる。このように析出した残留物は再度スクレーバを用いて回収することができる。したがって、高放射性レベル廃液からの希少金属あるいは希少金属酸化物の回収効率が増し、より多くの希少金属等を回収することができる。

また、酸溶液から残留物を析出させて除去した後は、酸溶液は酸のみから構成されるようになるので、ポンプ７８を駆動させ、配管７９を介して再度第１の槽１１内に導入することができる。すなわち、配管７７から一端酸を導入した後は、第２の槽７１内で残留物を除去して元の酸に戻し、この酸を第１の槽１１内に何度も戻すことによって、カソード電極１３上に析出物を繰り返し溶解除去することができるようになる。結果として、余分な酸を使用することなく、カソード電極１３上の析出物、すなわち希少金属あるいは希少金属酸化物を効率良く回収することができる。

その他の特徴及び利点については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

また、特に図示しないものの、第２の槽７１における追加のアノード電極７２及び追加のカソード電極７３についても、上述した第２の実施形態〜第５の実施形態と同様の構成を採ることもできる。

さらに、第６の実施形態のように、溶液を攪拌するための部材を設けることもできるし、第７の実施形態のように、発生したガスを放出するためのガス配管や、酸溶液を循環させるような配管を設けることもできる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０ 希少金属の回収装置
１１ 第１の槽
１２，１２−１，１２−２ アノード電極
１３，１３−１，１３−２ カソード電極
１４ 参照電極
１５ 電源
１６ 電圧計
１７ 配管
１８ ポンプ
２１ イオン透過性の絶縁膜
３２ 導電性の多孔質体からなるアノード電極
３３ 導電性の多孔質体からなるカソード電極
４３ 金属板
５１ 高放射性レベル廃液の流れを分断する部材
６７ ガス配管
６８ 配管
７１ 第２の槽
７２ 追加のアノード電極
７３ 追加のカソード電極
７７ 配管
７８ ポンプ
７９ 配管

Claims (5)

1. 高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法であって、
   アノード電極とカソード電極とが対向して配置されている第１の槽内に、希少金属イオン及び／又は希少金属酸化物イオンを含む高放射性レベル廃液を導入し、前記アノード電極及び前記カソード電極間に電圧を印加することによって、前記カソード電極上に、前記希少金属イオン及び／又は前記希少金属酸化物イオンを希少金属及び／又は希少金属酸化物として析出させる第１のステップと、
   前記カソード電極上に析出させた前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物を、スクレーバを用いて回収する第２のステップと、
   を具えることを特徴とする、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法。
2. 前記第２のステップの後において、前記第１の槽内に酸を供給して少なくとも前記カソード電極の表面を前記酸で洗浄し、前記カソード電極の表面における前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物の残留物を溶解して、前記残留物を含む酸溶液を得る第３のステップと、
   前記酸溶液を追加のアノード電極と追加のカソード電極とが対向して配置されている第２の槽内に導入し、前記追加のアノード電極及び前記追加のカソード電極間に電圧を印加することによって、前記追加のカソード電極上に、前記酸溶液中の前記残留物を析出させる第４のステップと、
   を具えることを特徴とする、請求項１に記載の高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法。
3. 前記第４のステップの後において、前記酸溶液から前記残留物が除去されて得た前記酸を回収し、前記第１の槽中に再供給する第５のステップを具えることを特徴とする、請求項２に記載の高放射性レベル廃液からの希少金属の回収方法。
4. 高放射性レベル廃液からの希少金属の回収装置であって、
   希少金属イオン及び／又は希少金属酸化物イオンを含む高放射性レベル廃液を導入し、貯留するための第１の槽と、
   前記第１の槽内において、電圧印加によって前記希少金属イオン及び／又は前記希少金属酸化物イオンを希少金属及び／又は希少金属酸化物として析出させるカソード電極、及びこのカソード電極と対向配置されるアノード電極と、
   前記カソード電極上に析出させた前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物を回収するためのスクレーバと、
   前記第１の槽内に酸を供給して少なくとも前記カソード電極の表面を前記酸で洗浄し、前記カソード電極の表面における前記希少金属及び／又は前記希少金属酸化物の残留物を溶解して、前記残留物を含む酸溶液を得るための酸供給手段と、
   前記酸溶液を導入し、貯留するための第２の槽と、
   前記第２の槽内において、電圧印加によって前記酸溶液中の前記残留物を析出させる追加のカソード電極、及びこの追加のカソード電極と対向配置される追加のアノード電極と、
   を具えることを特徴とする、高放射性レベル廃液からの希少金属の回収装置。
5. 前記酸溶液から前記残留物が除去されて得た前記酸を回収し、前記第１の槽中に再供給するための回収供給手段を具えることを特徴とする、請求項４に記載の高放射性レベル廃液からの希少金属の回収装置。

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