JP6015062B2 - ゼオライト膜を用いて放射性物質含有水を濃縮する装置 - Google Patents
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Description
本発明は、放射性物質含有水等の処理方法と装置に関し、さらに詳しくは、耐水性・耐酸性・耐アルカリ性・耐熱性・耐放射線性を有するゼオライト膜を用いて、放射性物質等を含有する廃水を処理して実質的に該放射性物質を含まない除染・浄化水を取得回収すると共に、該放射性物質を濃縮するプロセスと装置、およびゼオライト膜を用いて温度の高い放射性物質等含有水の冷却や定温維持を図ると共に、実質的に該放射性物質を含まない除染・浄化水を取得回収するプロセスと装置に関する。
原子力発電所等で発生する放射性物質を含有する水溶液の処理に関しては、イオン交換樹脂等のイオン交換物質、モルデナイト等のゼオライト物質、スメタイト等の粘土物質、その他各種の吸着材を用いて該放射性物質を吸着・除去する方法や、凝集剤を加えて放射性物質を直接凝集沈殿あるいは凝集浮上させるか、凝集沈殿あるいは凝集浮上する物質と共に放射性物質を共沈あるいは吸着させて除去する方法などが提案あるいは実用化されている（非特許文献１）。
また、放射性物質を含有する水溶液を高分子製逆浸透膜等で加圧ろ過することにより、該放射性物質の濃縮を図ると共に、放射性物質を含まない浄化水を回収する方法なども提案あるいは実用化されている。
これらの方法は何れも、溶解性物質の主成分が放射性物質でありその含有量が比較的少ない水溶液に対してはかなり有効な処理方法である。しかし、福島第１原子力発電所の津波被災事故で発生した海水等を含む高放射性廃水のように、放射性物質以外の物質をかなり多量に含む放射性物質含有水溶液を処理対象とする場合などでは、共存物質の存在が吸着効果等を阻害して該放射性物質の除去効率をかなり低下させ、放射性物質のみならず溶存物質もほとんど含まない浄化された水を高回収率で取得回収することは実質的にかなり困難である。
これらの方法は何れも、溶解性物質の主成分が放射性物質でありその含有量が比較的少ない水溶液に対してはかなり有効な処理方法である。しかし、福島第１原子力発電所の津波被災事故で発生した海水等を含む高放射性廃水のように、放射性物質以外の物質をかなり多量に含む放射性物質含有水溶液を処理対象とする場合などでは、共存物質の存在が吸着効果等を阻害して該放射性物質の除去効率をかなり低下させ、放射性物質のみならず溶存物質もほとんど含まない浄化された水を高回収率で取得回収することは実質的にかなり困難である。
このため、前記福島第１原子力発電所の津波被災時アクシデントで大量に発生した放射性廃水の処理においては、先ず吸着法や凝集沈殿法等で放射性物質を除去あるいは低減化し、共存物質は高分子膜を用いる逆浸透プロセスで別途に除去・濃縮するハイブリッドプロセスが採用されている（非特許文献２）。
しかし、海水濃度に近い共存物質を含む前記福島第１原子力発電所における廃水などでは浸透圧が高いため、浸透圧以上の加圧が必須条件である逆浸透(ＲＯ)プロセスにおいては、膜を透過させて浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、膜を透過しない溶存物質を高倍率に濃縮することは原理的に困難である。因みに、海水の浸透圧は約２．５ＭＰａで、逆浸透法の操作圧は通常５〜６ＭＰａ程度であるため、このようなケースにおける水回収率は高々５０％程度しか期待できない。換言すれば、膜透過しない溶存物質の濃縮倍率は２倍以下と言うことである。
しかし、海水濃度に近い共存物質を含む前記福島第１原子力発電所における廃水などでは浸透圧が高いため、浸透圧以上の加圧が必須条件である逆浸透(ＲＯ)プロセスにおいては、膜を透過させて浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、膜を透過しない溶存物質を高倍率に濃縮することは原理的に困難である。因みに、海水の浸透圧は約２．５ＭＰａで、逆浸透法の操作圧は通常５〜６ＭＰａ程度であるため、このようなケースにおける水回収率は高々５０％程度しか期待できない。換言すれば、膜透過しない溶存物質の濃縮倍率は２倍以下と言うことである。
さらに、吸着法を利用する場合、共存物質の存在による吸着効率の低下が吸着材の使用量を増加させる。また、逆浸透膜は現状では高分子製のものしか存在せず、濃縮等により放射線量が高くなるほど高分子膜の劣化が激しくなりその消耗も増えるため、何れも結果的に放射性最終廃棄物の発生量をかなり増加させることになる。
逆浸透法以外の膜分離プロセスとしては、膜蒸留法や浸透気化法を利用する装置やプロセス等がいくつか提案されている。膜蒸留法は、膜内の孔の中に液相の水溶液を浸入させず気相が保たれる疎水性の高分子多孔質膜等を用いて水蒸気を膜透過させるプロセスで、膜透過の駆動力が水蒸気圧差であることなど本発明で活用する浸透気化法と形態的には類
似したプロセスであるが、浸透気化膜が水とエタノールなどとの分子オーダーでの分離機能を有するのに対し、膜蒸留法で使用する疎水性多孔質膜の孔径は少なくとも０．１マイクロメーター(μｍ)以上と大きく、このような蒸発成分に対する分離機能は全くない。しかし、放射性物質含有水の濃縮等への応用に関しては、特許文献１、特許文献２などいくつか提案例がある。いずれも疎水性の高分子多孔質膜を用いているため、高い耐放射線性を期待することは困難で、高温や高放射線量の放射性物質含有水溶液の処理への適用には限界がある。しかも実際には、親水性物質による膜汚染などにより膜の疎水性を維持することが困難となり、水蒸気のみを優先的に膜透過させる膜蒸留作用の長時間維持が困難であるのが実情で、現時点では膜の疎水性を長時間保てる実用的な膜蒸留膜は、高分子製およびセラミックス製とも、いまだ開発されていない。
逆浸透法以外の膜分離プロセスとしては、膜蒸留法や浸透気化法を利用する装置やプロセス等がいくつか提案されている。膜蒸留法は、膜内の孔の中に液相の水溶液を浸入させず気相が保たれる疎水性の高分子多孔質膜等を用いて水蒸気を膜透過させるプロセスで、膜透過の駆動力が水蒸気圧差であることなど本発明で活用する浸透気化法と形態的には類
似したプロセスであるが、浸透気化膜が水とエタノールなどとの分子オーダーでの分離機能を有するのに対し、膜蒸留法で使用する疎水性多孔質膜の孔径は少なくとも０．１マイクロメーター(μｍ)以上と大きく、このような蒸発成分に対する分離機能は全くない。しかし、放射性物質含有水の濃縮等への応用に関しては、特許文献１、特許文献２などいくつか提案例がある。いずれも疎水性の高分子多孔質膜を用いているため、高い耐放射線性を期待することは困難で、高温や高放射線量の放射性物質含有水溶液の処理への適用には限界がある。しかも実際には、親水性物質による膜汚染などにより膜の疎水性を維持することが困難となり、水蒸気のみを優先的に膜透過させる膜蒸留作用の長時間維持が困難であるのが実情で、現時点では膜の疎水性を長時間保てる実用的な膜蒸留膜は、高分子製およびセラミックス製とも、いまだ開発されていない。
本発明と同様に高い耐放射線性が期待される親水性無機多孔質膜を用いる浸透気化法の適用に関しても、特許文献３、特許文献４などの提案例がある。特許文献３は、細孔径が２０Å（２ｎｍ）程度の親水性無機多孔質膜を用いて放射性スラッジ等放射性廃棄物から水分の分離・除去を図ろうとする装置構造に関する提案で、使用する浸透気化膜の作製例とそれらを装備する装置構造については記載されているが、共存微細粒子の除去や膜透過水蒸気の捕集等に関する具体的な適用方法に関する記載は全くない。使用する浸透気化膜については特に特定されてはいないが、実施例では細孔径２μｍ程度の多孔製アルミナ基材の表面にアルミナゾル薄膜を塗布して細孔径２０Å(２ｎｍ)程度の多孔質層を形成させた全アルミナ製の親水性多孔質膜が用いられている。ゾル層の焼成については特に記述がないが、焼成がなければ化学的に不安定で高温の放射性水溶液への適用は困難であり、焼成されていれば親水性が低下し水蒸気の透過性能がかなり低くなる。
特許文献４は、浸透気化膜による放射性廃液の濃縮と、膜の閉塞抑制目的で中空糸膜フィルターあるいは疎水性多孔質膜をプレフィルターとして微細ろ過を行うことを特定した提案である。使用分離膜は特に特定されていないが、実施例では高分子製の非多孔性浸透気化膜と、プレフィルターとして高分子製中空糸フィルタの使用が記載されており、いずれも高分子膜であるため１００℃以上の高温の放射性物質含有水への適用等は困難である。また、微細ろ過用の疎水性多孔質膜についても、前記の膜蒸留で使用される疎水性の高分子製多孔質膜以外の記載はない。
(社)日本原子力産業会議編「放射性廃棄物ガイドブック１９９４年版」（１９９４年７月）
東京電力福島第一原子力発電所・事故の収束に向けた道筋・ステップ２完了報告書（平成２３年１２月１６日、原子力災害対策本部 政府・東京電力統合対策室）
放射性物質含有廃水の処理等においては、放射性物質と共存物質を各々効果的に分離すると共に、これらの溶解性物質を除去した浄化水をできるだけ多く回収すると共に、該放射性物質をできるだけ濃縮することが要求され、且つ処理により発生する濃縮水や放射性
の最終廃棄物の容量・重量ができるだけ小さくなることが要求されている。また、既往の冷却システムが利用困難な原子力発電所のアクシデント発生時等においては、高温の放射性物質含有水の効率的な冷却や、核燃料中の残存放射性物質による発熱が問題となる核燃料プール水の効率的な定温維持等が要求されている。
の最終廃棄物の容量・重量ができるだけ小さくなることが要求されている。また、既往の冷却システムが利用困難な原子力発電所のアクシデント発生時等においては、高温の放射性物質含有水の効率的な冷却や、核燃料中の残存放射性物質による発熱が問題となる核燃料プール水の効率的な定温維持等が要求されている。
本発明者らは、上記目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、以下のような装置によって、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の要旨は、下記に示すとおりである。
（１）セシウム含有水濃縮用の膜分離装置であって、セシウム含有水から微細粒子を分離除去する金属製あるいはセラミックス製の微細ろ過装置、微細粒子を除去したセシウム含有水を膜モジュールに供給するためのポンプ、浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮する、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュール、該ゼオライト膜を透過した膜透過水蒸気を捕集・回収するための装置を有することを特徴とする、セシウム含有水濃縮用の膜分離装置。
（２）微細ろ過装置が、金属製であり、３０μｍ以上の微細粒子を分離除去できる機能を有することを特徴とする（１）記載の装置。
（３）被処理水が膜モジュールに達する前に加熱するための加熱装置を装備する（１）または（２）のいずれか１項に記載の装置。
（４）耐放射線性を有する金属製の濃縮水用タンクと、金属製あるいはプラスチック製の浄化水用タンクとを有する（１）〜（３）のいずれか１項に記載の装置。
（５）ゼオライト膜で濃縮処理された処理水を被処理水として再び循環供給するための配管と、その戻し量を調節する制御弁を装備することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の装置。
（６）ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備した（１）〜（５）のいずれか１項に記載の装置。
（７）エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することを特徴とする（６）記載の装置。
（８）膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする
（６）または（７）に記載の装置。
（９）処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項に記載の装置。
（１０）該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、（１）〜（９）のいずれか１項に記載の装置。
（１１）セシウム含有水の濃縮方法であって、セシウム含有水をＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュールに供給し、浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮することを特徴とする、セシウム含有水の濃縮方法。
（１２）該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、（１１）記載のセシウム含有水の濃縮方法。
すなわち、本発明の要旨は、下記に示すとおりである。
（１）セシウム含有水濃縮用の膜分離装置であって、セシウム含有水から微細粒子を分離除去する金属製あるいはセラミックス製の微細ろ過装置、微細粒子を除去したセシウム含有水を膜モジュールに供給するためのポンプ、浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮する、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュール、該ゼオライト膜を透過した膜透過水蒸気を捕集・回収するための装置を有することを特徴とする、セシウム含有水濃縮用の膜分離装置。
（２）微細ろ過装置が、金属製であり、３０μｍ以上の微細粒子を分離除去できる機能を有することを特徴とする（１）記載の装置。
（３）被処理水が膜モジュールに達する前に加熱するための加熱装置を装備する（１）または（２）のいずれか１項に記載の装置。
（４）耐放射線性を有する金属製の濃縮水用タンクと、金属製あるいはプラスチック製の浄化水用タンクとを有する（１）〜（３）のいずれか１項に記載の装置。
（５）ゼオライト膜で濃縮処理された処理水を被処理水として再び循環供給するための配管と、その戻し量を調節する制御弁を装備することを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の装置。
（６）ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備した（１）〜（５）のいずれか１項に記載の装置。
（７）エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することを特徴とする（６）記載の装置。
（８）膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする
（６）または（７）に記載の装置。
（９）処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項に記載の装置。
（１０）該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、（１）〜（９）のいずれか１項に記載の装置。
（１１）セシウム含有水の濃縮方法であって、セシウム含有水をＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュールに供給し、浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮することを特徴とする、セシウム含有水の濃縮方法。
（１２）該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、（１１）記載のセシウム含有水の濃縮方法。
そこで本発明は、１００℃以上の高温でも安定な分離機能を発現する耐熱水・耐酸・耐アルカリ・耐放射線性に優れたセラミック製のゼオライト膜が有する浸透気化(ＰＶ)分離機能を利用することにより、処理対象とする被非処理水中に含まれる放射性物質と共存物質を実質的に含まない浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、該放射性物質と共
存物質の高度濃縮を図る装置およびプロセスを提供する。
また、該ゼオライト膜の浸透気化分離機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下を図る冷却や、使用済み核燃料を保存する燃料プール水の冷却維持等を効率的に行うことができる装置およびプロセスを提供する。
存物質の高度濃縮を図る装置およびプロセスを提供する。
また、該ゼオライト膜の浸透気化分離機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下を図る冷却や、使用済み核燃料を保存する燃料プール水の冷却維持等を効率的に行うことができる装置およびプロセスを提供する。
既述のように、原子力発電所の原子炉を操作するために使用された水や、原子力施設の事故等で発生した放射性物質含有廃水等の処理に関しては、これらの被処理水から該放射性物質を効率的に分離除去すると共に、外部に放流できる程度のレベルまで共存物質を除去した浄化水をできるだけ高い回収率で取得回収できることが要求され、同時にこれらの処理によって発生した放射性廃棄物の重量と容量が最終的にできるだけ小さくなることが要求されている。
現在までに実施あるいは提案されている溶解性放射性物質を含む廃水等の処理方法としては、前記の技術背景項でも述べたように、ストロンチウム（Ｓｒ）などアルカリ土類金属塩やコバルト（Ｃｏ）など重金属塩類の溶存性放射性物質は主として凝集沈殿法により、セシウム(Ｃｓ)などのアルカリ金属塩や沃素(Ｉ)などのハロゲン化合物等の溶存放射性物質は主として吸着法により、塩化ナトリウム(ＮａＣｌ)など非放射性の溶存塩類はイオン交換樹脂あるいは逆浸透(ＲＯ)膜などを用いて分離除去され、浄化水が回収されている。
しかし、放射性物質を多量に含む高放射性廃水を処理する場合は、凝集沈殿や吸着法により放射性物質を捕捉し易いが、放射性物質が比較的低濃度の被処理水の場合にはこれらの方法での捕捉効率が低下するため、ある程度まで濃縮して処理効率を高くしてからこれらの方法を適用して除去することが望ましい。
放射性物質を含まない低濃度の溶存物質を含む水溶液の濃縮には、通常多くの場合逆浸透(ＲＯ)膜が用いられる。しかし、放射性物質が比較的低濃度の被処理水を濃縮する場合でも、濃縮された放射性物質の放出放射線量により高分子製逆浸透(ＲＯ)膜やそのシール材等が劣化するため、逆浸透(ＲＯ)膜を用いて濃縮することは困難で、現在までのところ他に適当な濃縮方法がないのが実情である。
放射性物質を含まない低濃度の溶存物質を含む水溶液の濃縮には、通常多くの場合逆浸透(ＲＯ)膜が用いられる。しかし、放射性物質が比較的低濃度の被処理水を濃縮する場合でも、濃縮された放射性物質の放出放射線量により高分子製逆浸透(ＲＯ)膜やそのシール材等が劣化するため、逆浸透(ＲＯ)膜を用いて濃縮することは困難で、現在までのところ他に適当な濃縮方法がないのが実情である。
なお、現在市販の逆浸透(ＲＯ)膜はすべて高分子膜で、耐放射性が高い無機膜はまだ開発されていない。また、前述のように、被処理水の放射性物質が低濃度であっても、福島第１原子力発電所事故におけるように海水などが混入して非放射性塩類を多量に含む場合は、濃縮により浸透圧が高くなり水が膜透過する駆動力となる有効圧力差が小さくなるため、逆浸透(ＲＯ)膜では高々２倍程度しか濃縮することができない。このため前記福島第１原子力発電所の津波被災時の事故においては、大量のＲＯ濃縮水が発生し貯留タンクを次々と増設せざるを得ず、その対策に苦慮しているのが実情である（非特許文献２参照）。
逆浸透法以外の膜分離プロセスとしては、既述のように、膜蒸留法や浸透気化法の適用が提案されている。しかし、膜蒸留法に関しては、現状では疎水性の高分子多孔質膜以外
に適用できる膜が実質的になく、災害時に発生する原子力発電所廃水など１００℃以上となる高温の放射性物質含有水の処理への適用等は困難である。浸透気化法に関しては、高温でも耐水性や酸性性、耐アルカリ性等において化学的に安定で高水蒸気透過性を示し工業的利用が可能な実用的浸透気化膜は、まだ開発されておらず、そのような膜の適用例もまだ報告されていない。因みに、高分子は一般にアルカリ性溶液には弱く、フッ素系樹脂以外には高温のアルカリ性水溶液に耐える高分子はほとんどない。なお、疎水性の高分子多孔質膜はフッ素系樹脂製であるが、所謂テフロン（登録商標）製等のバルク材ではないため、高温のアルカリ性水溶液中では多孔質部分の疎水的性質性が親水化されて親水性となるなど、その機能が大きく変質する。
に適用できる膜が実質的になく、災害時に発生する原子力発電所廃水など１００℃以上となる高温の放射性物質含有水の処理への適用等は困難である。浸透気化法に関しては、高温でも耐水性や酸性性、耐アルカリ性等において化学的に安定で高水蒸気透過性を示し工業的利用が可能な実用的浸透気化膜は、まだ開発されておらず、そのような膜の適用例もまだ報告されていない。因みに、高分子は一般にアルカリ性溶液には弱く、フッ素系樹脂以外には高温のアルカリ性水溶液に耐える高分子はほとんどない。なお、疎水性の高分子多孔質膜はフッ素系樹脂製であるが、所謂テフロン（登録商標）製等のバルク材ではないため、高温のアルカリ性水溶液中では多孔質部分の疎水的性質性が親水化されて親水性となるなど、その機能が大きく変質する。
本発明は、このような状況下において、比較的低濃度あるいは中濃度の放射性物質を溶存する放射性廃水等の被処理水を、他の溶存塩類が共存してもその溶解度近くの高濃度まで効率よく濃縮すると共に、放射性物質や溶存塩類等を実質的にほとんど含まず放水可能な程度まで浄化された水を高回収率で取得回収する方法を提供しようとするものである。
さらに、放射性物質を含む高温の被処理水の温度を下げるためには、現状では、冷却媒体と直接接触をさせない間接熱交換器を用いて冷却水によりその温度を下げる既往の方法以外に他に適当な方法がないのが実情である。しかし、このような間接熱交換器により冷却を行う場合、特に被処理水が高温であったり多量であったりするケースでは、伝熱面積が大きく機器サイズも大きな熱交換器と、多量の冷却水を送液する大型のポンプが必要とされる。
そこで本発明は、耐熱・耐放射線性のゼオライト膜が有する浸透気化分離(ＰＶ)機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下をコンパクトな機器で効率よく行うことができる新規な冷却方法を提供しようとするものである。
さらに、放射性物質を含む高温の被処理水の温度を下げるためには、現状では、冷却媒体と直接接触をさせない間接熱交換器を用いて冷却水によりその温度を下げる既往の方法以外に他に適当な方法がないのが実情である。しかし、このような間接熱交換器により冷却を行う場合、特に被処理水が高温であったり多量であったりするケースでは、伝熱面積が大きく機器サイズも大きな熱交換器と、多量の冷却水を送液する大型のポンプが必要とされる。
そこで本発明は、耐熱・耐放射線性のゼオライト膜が有する浸透気化分離(ＰＶ)機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下をコンパクトな機器で効率よく行うことができる新規な冷却方法を提供しようとするものである。
（浸透気化（ＰＶ）プロセス）
本発明の中核となる浸透気化(ＰＶ)プロセスは、図１に示すような原理に基づく膜分離プロセスとしては比較的新しい技術で、９０wt％以上の含水バイオエタノールの脱水や電子材料の洗浄等に使用されたイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)の脱水などの分野で実用化されている。
この浸透気化プロセスでは、図１に示したように、被処理水を膜の１次側（被処理水側）に供給し、本発明で使用するような親水性が高いゼオライト膜においては水が選択的に膜透過し、膜の２次側表面から水蒸気の形で離脱するので、これを捕集・凝縮させて膜透過水を得る。一方、被処理水はその一部が膜透過することにより結果的に濃縮され、膜装置の出口から排出される。この膜透過の駆動力は、膜透過物質である水の蒸気圧差である。
本発明の中核となる浸透気化(ＰＶ)プロセスは、図１に示すような原理に基づく膜分離プロセスとしては比較的新しい技術で、９０wt％以上の含水バイオエタノールの脱水や電子材料の洗浄等に使用されたイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)の脱水などの分野で実用化されている。
この浸透気化プロセスでは、図１に示したように、被処理水を膜の１次側（被処理水側）に供給し、本発明で使用するような親水性が高いゼオライト膜においては水が選択的に膜透過し、膜の２次側表面から水蒸気の形で離脱するので、これを捕集・凝縮させて膜透過水を得る。一方、被処理水はその一部が膜透過することにより結果的に濃縮され、膜装置の出口から排出される。この膜透過の駆動力は、膜透過物質である水の蒸気圧差である。
なお、膜の１次側に液体ではなく、被処理液を全蒸発させた蒸気を供給するのが、蒸気透過(ＶＰ)プロセスである。現在、蒸留法で９０wt％程度まで濃縮したバイオエタノールを、最も親水性が高いＡ型ゼオライト膜を用いて９９．５wt％以上まで脱水・濃縮する工程で実用化されている。
図２に、ゼオライト膜における膜透過機構の概念を示す。ゼオライトはアルミナ(Ａｌ
２Ｏ３)とシリカ(ＳｉＯ２)の混合結晶体で、その結合の仕方によって３〜８Å（０．３
〜０．８ｎｍ）程度の微細な結晶孔が形成されるため、水はこの孔の中を移動して膜透過する。親水性のゼオライト膜においては、直径約３Å（０．３ｎｍ）弱の水分子が膜表面のゼオライト孔入口で気化してこの孔に選択的に取り込まれ、さらにゼオライト孔内を拡散により膜透過する。この水分子の気化によるゼオライト孔内への取り込みとそれに続く孔の中での拡散の駆動力は、水蒸気圧差に基づく化学ポテンシャル差である。また、水分子を取り込んだゼオライト孔は、サイズ的には水分子よりやや大きいがあまり異ならない程度の大きさであるため、言わば水分子で閉塞された状態になり、放射性物質など他の分
子あるいはイオン等が入り込む余地がなくなることにより、水と被処理水中に溶存する物質との分離が起こると推定されている。このようにゼオライト孔のサイズが分子オーダーであるため、溶存物質の分子サイズ（イオンサイズ）が水分子より大きければ、当然篩い効果による分離作用が寄与する。
図２に、ゼオライト膜における膜透過機構の概念を示す。ゼオライトはアルミナ(Ａｌ
２Ｏ３)とシリカ(ＳｉＯ２)の混合結晶体で、その結合の仕方によって３〜８Å（０．３
〜０．８ｎｍ）程度の微細な結晶孔が形成されるため、水はこの孔の中を移動して膜透過する。親水性のゼオライト膜においては、直径約３Å（０．３ｎｍ）弱の水分子が膜表面のゼオライト孔入口で気化してこの孔に選択的に取り込まれ、さらにゼオライト孔内を拡散により膜透過する。この水分子の気化によるゼオライト孔内への取り込みとそれに続く孔の中での拡散の駆動力は、水蒸気圧差に基づく化学ポテンシャル差である。また、水分子を取り込んだゼオライト孔は、サイズ的には水分子よりやや大きいがあまり異ならない程度の大きさであるため、言わば水分子で閉塞された状態になり、放射性物質など他の分
子あるいはイオン等が入り込む余地がなくなることにより、水と被処理水中に溶存する物質との分離が起こると推定されている。このようにゼオライト孔のサイズが分子オーダーであるため、溶存物質の分子サイズ（イオンサイズ）が水分子より大きければ、当然篩い効果による分離作用が寄与する。
このような分離機能を発現するゼオライト膜を用いる浸透気化(ＰＶ)プロセスが、比較的高濃度のアルコール水溶液から水を除去する脱水濃縮に利用できることは公知の事実であり、すでに国内外で実際に利用されている。しかし、一般にゼオライトはＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が大きくなるほど耐酸性など化学的安定性が高くなるが、現在実用化されているＡ型ゼオライト膜はそのモル比が１と小さく実質的に耐水性がほとんどなく、熱水中では時間の経過と共に膜の結晶構造が破壊されるため、含水量が２０％程度以下の有機溶剤の脱水用途以外への適用は実質的に困難で、現在までのところ水処理分野への工業的適用の報告例はない。
そこで本発明者らは、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上と大きく、既往のゼオライト膜よりはるかに耐水性・耐熱性・耐酸性・耐放射線性等に優れているが、親水性が高く水蒸気透過性に優れたＡ型ゼオライト膜と同程度の水蒸気透過性を有し、且つ１００℃以上の高温の熱水中でも膜構造が破壊せず、安定な分離性能を発現するＴ型ゼオライト膜や新規なチャバサイト型ゼオライト膜等を開発し、水処理分野での利用を可能ならしめるに至った。そしてさらに、このような高機能なゼオライト膜を用いて、放射性物質を含有する水溶液を被処理水とし水と該放射性物質および共存する溶解性物質とを分離し、浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、該放射性物質を既往の逆浸透(ＲＯ)プロセスでは得られない程度の高倍率に濃縮できる方法について鋭意技術開発し、そのプロセスと装置を発明するに至った。
また、浸透気化(ＰＶ)プロセスにおいては、膜を界して相変化が起こるため、膜透過が進行するに伴いその潜熱も熱移動し、結果的に被処理水の温度が低下する。この温度低下は膜透過成分が潜熱の大きな水においては特に大きく、被処理水の２％相当量が膜透過することにより被処理水は10℃程度の温度低下が起こるため、１０％相当量を膜透過させることにより５０℃程度の温度低下を図ることができる。
そこで本発明提案者は、この現象を原子力発電施設等における熱水の冷却方法として利用する方法を詳しく検討し、そのプロセスと装置を発明するに至った。
既述のように本発明と同目的で利用可能な膜分離法としては、現在のところ実質的には逆浸透(ＲＯ)プロセスのみであるが、現状では耐放射線性に乏しい高分子膜しか存在しないため、放射性物質等の高度濃縮目的で利用することは困難である。特に、被処理水中に放射性物質と共に多量の溶存物質が共存する系では、前述のように浸透圧の問題が存在するため、該放射性物質と共に該共存物質を高濃度濃縮することは原理的に困難である。
既述のように本発明と同目的で利用可能な膜分離法としては、現在のところ実質的には逆浸透(ＲＯ)プロセスのみであるが、現状では耐放射線性に乏しい高分子膜しか存在しないため、放射性物質等の高度濃縮目的で利用することは困難である。特に、被処理水中に放射性物質と共に多量の溶存物質が共存する系では、前述のように浸透圧の問題が存在するため、該放射性物質と共に該共存物質を高濃度濃縮することは原理的に困難である。
しかし、本発明で中核技術として利用する浸透気化(ＰＶ)プロセスでは、耐水性・耐熱性・耐熱水性・耐放射線性と高分離性能を有する高機能なゼオライト膜を利用し、膜透過の駆動力に水蒸気圧差を用いるため、濃縮が進行しても被処理水の温度を必要な分やや高めることにより水の膜透過に必要な水蒸気圧差を容易に確保することができ、静水圧差を膜透過の駆動力とする逆浸透プロセスのように浸透圧に基づく濃縮限界は存在せず、ほぼ溶存物質の溶解限界まで濃縮することが可能である。
そして平均孔径１０Å（０．１ｎｍ）以下で親水性のゼオライト製浸透気化膜においては、既述のようにゼオライト孔への水の選択的取り込みとそれに起因する他分子の排除効果、並びに水と他の溶質との分子サイズの差に起因する篩い効果などによる高度な分離機能が発現されるため、得られた水は実質的に溶存物質がない程度まで高度に浄化されてい
る。
る。
また、膜を透過した水分子は、膜裏側の２次側(透過側)表面で水蒸気として膜を離脱するため、この水蒸気を捕集・凝縮させた膜透過水は、イオンか塩の形で被処理水に溶存すると考えられるセシウム(Ｃｓ１３１やＣｓ１３７)などの放射性物質が混入することは原理的に困難と考えられ、極めて高度に浄化される。
なお、浸透気化プロセスにおける膜透過の駆動力が蒸気圧差であり、水の膜透過に蒸発潜熱の供給も必要であるため、蒸発により濃縮操作を行い、その発生蒸気の凝縮水を浄化水として回収する通常の蒸発法と基本的には同じではないかとの指摘もある。しかし、少なくとも本発明が処理対象とする放射性物質を含む水溶液系での処理に関しては、浸透気化プロセスには次のような利点が存在する。
なお、浸透気化プロセスにおける膜透過の駆動力が蒸気圧差であり、水の膜透過に蒸発潜熱の供給も必要であるため、蒸発により濃縮操作を行い、その発生蒸気の凝縮水を浄化水として回収する通常の蒸発法と基本的には同じではないかとの指摘もある。しかし、少なくとも本発明が処理対象とする放射性物質を含む水溶液系での処理に関しては、浸透気化プロセスには次のような利点が存在する。
先ず利用熱源に関して、一般に大気圧下で利用されている処理対象が水溶液の蒸発法は通常１００℃以上で操作されるため、少なくとも１２０℃程度以上の良質熱源が必要である。しかしながら、浸透気化プロセスでは、膜透過の駆動力が蒸気圧差であるため１００℃以上の加熱が原理的に必ずしも必要であるわけではなく、実際に通常は４０〜８０℃程度で操作されており、熱源としては１００℃以下の廃熱など低質熱源を利用することが可能である。
次に、浸透気化プロセスにおいては、水分子の蒸発は界面張力の存在によりゼオライト膜の結晶孔入口で行われると考えられ、その選択性から放射性物質と分離されて水分子のみが蒸発する。しかも被処理水は、処理が完結するまで常に液相に維持され、水蒸気圧を高めるために加熱が必要な場合でも、該液相は閉鎖系に閉じ込められた形で蒸気相の空間を生じさせない状態におかれている。
一方、蒸発法においては、溶存物質を含む系でその分離作用が働かず選択性が機能しない状態で水分等を蒸発させているため、セシウム(Cs)系や沃素(I)系など揮発性の放射性
物質も蒸気側に移行することになる。しかも、これらの該放射性蒸気は一般に水と凝縮温度が異なり水と共に凝縮する保証は全くなく、該放射性蒸気の外部漏出を避けるためには、気体状の放射性物質を吸着除去することができる適当な機器を別途装備する必要があり、このことは最終的な放射性廃棄物の増大にも繋がる。
物質も蒸気側に移行することになる。しかも、これらの該放射性蒸気は一般に水と凝縮温度が異なり水と共に凝縮する保証は全くなく、該放射性蒸気の外部漏出を避けるためには、気体状の放射性物質を吸着除去することができる適当な機器を別途装備する必要があり、このことは最終的な放射性廃棄物の増大にも繋がる。
さらに、浸透気化プロセスにおける水の膜透過に伴う蒸発潜熱の移動作用を活用して、放射性物質を含む高温熱水の冷却等に利用する本発明の冷却用浸透気化プロセスにおいては、実質的に膜が伝熱面となる熱交換器と考えることができ、しかもその熱交換が蒸発潜熱の形で行われるため極めて効率的な熱交換装置となる。すなわち、同熱量を熱交換する通常のシェル＆チューブ型の間接式熱交器と比較すると、潜熱移動を利用した本発明の冷却用浸透気化装置は、その容積において少なくとも１／５以下のコンパクトな装置となる。
また、顕熱交換を行うシェル＆チューブ型の間接式熱交器では、本発明の熱交換方式より概ね１０倍以上の大量の冷却水が必要とされ、それに対応できる冷却水(施設)の用意と１０倍近いポンプ動力が必要となる。通常の間接式熱交換器を使用する既往の冷却システムより所要冷却水量が実質的に１／１０程度と少なくて済むことは、既述の福島第１原子力発電所におけるようなトラブル発生時のバックアップシステムとして利用する場合などに極めて大きな利点となる。さらに、この冷却のために結果的に流出する膜透過水は、上述のように高度に浄化されているため、基本的には特別な処理をすることなく、そのまま外部放流が可能である。
本発明提案者らは、ゼオライト膜の開発とそのバイオエタノール脱水濃縮への応用等の
技術開発を長年鋭意実施してきた。そして本発明者らは、前述のようなゼオライト浸透気化膜の膜透過機構と現象を具体的に且つ詳細に把握するに至り、新たに開発した耐熱水性・耐放射線性で高分離性能を発現する高機能なゼオライト膜を用いて、原子力施設等で発生する放射性物質等を含む被処理水を効率的に除染処理すると共に、該放射性物質を効率的に濃縮でき、しかも放射性物質等を含む高温の熱水を効率的に冷却することも可能なプロセスと装置を発明するに至った。
以下に、その具体的な実施形態等を詳細に説明する。
技術開発を長年鋭意実施してきた。そして本発明者らは、前述のようなゼオライト浸透気化膜の膜透過機構と現象を具体的に且つ詳細に把握するに至り、新たに開発した耐熱水性・耐放射線性で高分離性能を発現する高機能なゼオライト膜を用いて、原子力施設等で発生する放射性物質等を含む被処理水を効率的に除染処理すると共に、該放射性物質を効率的に濃縮でき、しかも放射性物質等を含む高温の熱水を効率的に冷却することも可能なプロセスと装置を発明するに至った。
以下に、その具体的な実施形態等を詳細に説明する。
（装置とプロセスの基本構成）
本発明の放射性物質含有水処理用の浸透気化(ＰＶ)装置とプロセスの概要を、図３に示す。該装置とプロセスは、内部に耐酸性・耐熱水性・耐放射線性と高分離性能を有する高機能なゼオライト分離膜を装備した膜モジュール、この膜モジュールに被処理水を供給する送液ポンプ、膜モジュール内のゼオライト膜を透過した水蒸気を捕集して凝縮するための熱交換器、膜モジュールの透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプを最低限の構成要素とするが、特に汚濁物質を含む放射性物質含有廃水の濃縮等を処理目的とする装置とプロセスでは、共存微細粒子の沈着等によりゼオライト膜の表面が汚染されるいわゆる膜汚染による膜の分離機能低下が起こるため、膜モジュールに供給する被処理水中の微細粒子を予め捕捉・除去する微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
本発明の放射性物質含有水処理用の浸透気化(ＰＶ)装置とプロセスの概要を、図３に示す。該装置とプロセスは、内部に耐酸性・耐熱水性・耐放射線性と高分離性能を有する高機能なゼオライト分離膜を装備した膜モジュール、この膜モジュールに被処理水を供給する送液ポンプ、膜モジュール内のゼオライト膜を透過した水蒸気を捕集して凝縮するための熱交換器、膜モジュールの透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプを最低限の構成要素とするが、特に汚濁物質を含む放射性物質含有廃水の濃縮等を処理目的とする装置とプロセスでは、共存微細粒子の沈着等によりゼオライト膜の表面が汚染されるいわゆる膜汚染による膜の分離機能低下が起こるため、膜モジュールに供給する被処理水中の微細粒子を予め捕捉・除去する微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
（ゼオライト膜）
本発明の水処理プロセスで使用するゼオライト製の浸透気化膜としては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ・耐放射線性と高水蒸気高透過性に優れると共に、１００℃以上の高温でも安定な分離性能を示すことが必要不可欠である。そのため、Ａ型ゼオライト膜やアルミナゾルから形成する全アルミナ製多孔質膜、あるいはシリカ系多孔質膜など化学的安定性に問題のある既往のセラミックス製浸透気化膜を利用することは困難である。したがって、本発明においては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ製・耐放射線性と高い水蒸気高透過性能を有すＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が少なくとも３以上、望ましくは５以上であるゼオライトを主成分とするゼオライト膜である。なお、その平均孔径は１０Å（１ｎｍ）以下であることが好ましい。より具体的には、Ｔ型ゼオライト膜、チャバサイト型ゼオライト膜、ＭＦＩ型ゼオライト膜、ＦＡＵ型ゼオライト膜、ＭＯＲ型ゼオライト膜、炭素膜の利用が望ましく、特に耐水・耐酸・高放射線性と水蒸気高透過性の視点から、Ｔ型ゼオライト膜あるいはチャバサイト型ゼオライト膜の利用が好ましい。なお、これらのゼオライト膜は、いずれもアルミナ質多孔体等の表面に該ゼオライト膜が層状に形成されたものであり、そのゼオライト孔径は８Å（０．８ｎｍ）以下である。なお、チャバサイト型（ＣＨＡ型）ゼオライト膜は、特開２０１１−１２１０４０に記載のものが好ましい。
本発明の水処理プロセスで使用するゼオライト製の浸透気化膜としては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ・耐放射線性と高水蒸気高透過性に優れると共に、１００℃以上の高温でも安定な分離性能を示すことが必要不可欠である。そのため、Ａ型ゼオライト膜やアルミナゾルから形成する全アルミナ製多孔質膜、あるいはシリカ系多孔質膜など化学的安定性に問題のある既往のセラミックス製浸透気化膜を利用することは困難である。したがって、本発明においては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ製・耐放射線性と高い水蒸気高透過性能を有すＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が少なくとも３以上、望ましくは５以上であるゼオライトを主成分とするゼオライト膜である。なお、その平均孔径は１０Å（１ｎｍ）以下であることが好ましい。より具体的には、Ｔ型ゼオライト膜、チャバサイト型ゼオライト膜、ＭＦＩ型ゼオライト膜、ＦＡＵ型ゼオライト膜、ＭＯＲ型ゼオライト膜、炭素膜の利用が望ましく、特に耐水・耐酸・高放射線性と水蒸気高透過性の視点から、Ｔ型ゼオライト膜あるいはチャバサイト型ゼオライト膜の利用が好ましい。なお、これらのゼオライト膜は、いずれもアルミナ質多孔体等の表面に該ゼオライト膜が層状に形成されたものであり、そのゼオライト孔径は８Å（０．８ｎｍ）以下である。なお、チャバサイト型（ＣＨＡ型）ゼオライト膜は、特開２０１１−１２１０４０に記載のものが好ましい。
（微細ろ過装置）
本発明では、上述のとおり、微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
しかし、既往の逆浸透プロセスにおいては、多くの場合この目的で高分子製フィルターや高分子製の精密ろ過膜(ＭＦ)などが利用されているが、放射性物質等を含む高温の廃水等を被処理水とすることが多い本発明のプロセスにおいては、耐熱性と耐放射線性が必要不可欠な特性であるため、アルミナなど無機酸化物や金属の粉末を焼結して作製するセラミックス製や金属製の多孔質ろ過体の利用が望ましい。特に、金属線を金属製支持体の周囲に捻りながら巻くことにより形成された線と線の間の微細な隙間を利用する金属製フィルターや、細い金属繊維を圧縮成型して微細な網目状の隙間を利用する金属製フィルター等を用いた全金属製の微細ろ過装置の利用が好ましい。この種の全金属製フィルターは、被処理水のろ過抵抗が小さく、空気や窒素等の気体を用いて極めて容易に逆洗を行うことができるからである。なお、該金属製フィルターは、少なくとも７０℃以上望ましくは１００℃以上の熱水のろ過に利用可能なものの使用が好ましく、少なくとも３０μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、特に好ましくは１μｍ以上の微細粒子が分離除去できる性能を
有すものの使用が好ましい。
本発明では、上述のとおり、微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
しかし、既往の逆浸透プロセスにおいては、多くの場合この目的で高分子製フィルターや高分子製の精密ろ過膜(ＭＦ)などが利用されているが、放射性物質等を含む高温の廃水等を被処理水とすることが多い本発明のプロセスにおいては、耐熱性と耐放射線性が必要不可欠な特性であるため、アルミナなど無機酸化物や金属の粉末を焼結して作製するセラミックス製や金属製の多孔質ろ過体の利用が望ましい。特に、金属線を金属製支持体の周囲に捻りながら巻くことにより形成された線と線の間の微細な隙間を利用する金属製フィルターや、細い金属繊維を圧縮成型して微細な網目状の隙間を利用する金属製フィルター等を用いた全金属製の微細ろ過装置の利用が好ましい。この種の全金属製フィルターは、被処理水のろ過抵抗が小さく、空気や窒素等の気体を用いて極めて容易に逆洗を行うことができるからである。なお、該金属製フィルターは、少なくとも７０℃以上望ましくは１００℃以上の熱水のろ過に利用可能なものの使用が好ましく、少なくとも３０μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、特に好ましくは１μｍ以上の微細粒子が分離除去できる性能を
有すものの使用が好ましい。
（被処理水の加熱装置）
浸透気化法による放射性物質含有水溶液の処理においては、その処理速度は浸透気化膜を界して与えられる水蒸気圧差に比例するため、膜モジュールに供給する被処理水を予め加温する加熱装置の装備が有効で、この被処理水の加熱は装置固定費の支配的要因である使用浸透気化膜の膜面積の低減化にも極めて有効な手段である。特に放射能汚染土壌除染廃水の処理に際しては、実際には現地での実施が想定されるため、本加熱装置の装備は必要不可欠である。
浸透気化法による放射性物質含有水溶液の処理においては、その処理速度は浸透気化膜を界して与えられる水蒸気圧差に比例するため、膜モジュールに供給する被処理水を予め加温する加熱装置の装備が有効で、この被処理水の加熱は装置固定費の支配的要因である使用浸透気化膜の膜面積の低減化にも極めて有効な手段である。特に放射能汚染土壌除染廃水の処理に際しては、実際には現地での実施が想定されるため、本加熱装置の装備は必要不可欠である。
（濃縮水用、膜透過水用各貯蔵タンク）
本発明においては、被処理水用や、濃縮水用、膜透過水用の各タンクの設置は、必ずしも必須の条件ではない。しかしながら、物質含有水溶液や放射能を有す機器等に接触して放射性物質を含むと推定される水溶液等を処理対象とする場合は、放射性物質含有水の他所への流出を可能な限り防ぐ予防措置の観点から、被処理水用、濃縮水用、膜透過水用の各タンクを設置することが望ましく、それらは何れも耐放射線性を有する金属製タンクであることが好ましい。
本発明においては、被処理水用や、濃縮水用、膜透過水用の各タンクの設置は、必ずしも必須の条件ではない。しかしながら、物質含有水溶液や放射能を有す機器等に接触して放射性物質を含むと推定される水溶液等を処理対象とする場合は、放射性物質含有水の他所への流出を可能な限り防ぐ予防措置の観点から、被処理水用、濃縮水用、膜透過水用の各タンクを設置することが望ましく、それらは何れも耐放射線性を有する金属製タンクであることが好ましい。
但し、被処理水用のタンクについては、本発明の浸透気化(ＰＶ)プロセスが原子力施設等のライン内に設けられている場合などには省略することも可能である。また、膜透過水用のタンクは、膜透過水がゼオライト膜の透過により浄化されているため、強化プラスチック製等のタンクで代替可能である。しかし、通常は十分浄化されているとはいえ膜透過水を直接外部に放流すると、膜モジュール内でトラブルが生じた場合などに放射性物質の漏洩等が懸念されるため、膜透過水を一時貯蔵するタンクをできるだけ設置することが望ましい。
（処理済み水を膜モジュールに循環供給）
本発明のように被処理水を分離膜で処理する場合、被処理水の膜モジュールへの供給はワンパスでその分の膜処理をほぼ完結させることが原則で、通常はその処理完結に必要な膜面積を装備する。被処理水が生産ラインで多量に発生するような場合は、ワンパスでの連続的処理が必要であるが、放射性物質含有廃水を処理するケースなどでは、すでに存在する所定量の廃水を所定の時間内で処理すれば良く、その処理時間にある程度の時間的余裕が許容されることも多い。このような場合には、被処理水タンクに膜処理をした処理水を戻すバッチ形式の循環処理を行うことにより、ワンパスの連続処理を行う場合より膜面積を少なくして使用膜モジュール数を節約することができる。換言すれば、処理時間を犠牲にして膜装備の固定費を節約することができる。但し、そのどちらに重きを置くかは、設定条件と目的や環境条件等によるため、実際にはその最適化を図ることが必要である。
このように、ワンパス処理方式のみならず循環処理方式をも可能とするためには、膜処理した処理水を被処理水タンクに戻すための配管と、その戻し量を調節できる制御弁の装備することが好ましい。
本発明のように被処理水を分離膜で処理する場合、被処理水の膜モジュールへの供給はワンパスでその分の膜処理をほぼ完結させることが原則で、通常はその処理完結に必要な膜面積を装備する。被処理水が生産ラインで多量に発生するような場合は、ワンパスでの連続的処理が必要であるが、放射性物質含有廃水を処理するケースなどでは、すでに存在する所定量の廃水を所定の時間内で処理すれば良く、その処理時間にある程度の時間的余裕が許容されることも多い。このような場合には、被処理水タンクに膜処理をした処理水を戻すバッチ形式の循環処理を行うことにより、ワンパスの連続処理を行う場合より膜面積を少なくして使用膜モジュール数を節約することができる。換言すれば、処理時間を犠牲にして膜装備の固定費を節約することができる。但し、そのどちらに重きを置くかは、設定条件と目的や環境条件等によるため、実際にはその最適化を図ることが必要である。
このように、ワンパス処理方式のみならず循環処理方式をも可能とするためには、膜処理した処理水を被処理水タンクに戻すための配管と、その戻し量を調節できる制御弁の装備することが好ましい。
（エジェクターの利用）
本発明を実施する中核技術である浸透気化(ＰＶ)プロセスにおいては、膜モジュールに供給された被処理水中の水分の多くは、膜モジュール内で膜を界しての水蒸気圧差を駆動力としてゼオライト膜を透過し、該ゼオライト膜裏面（透過側の表面）で水蒸気となり、膜透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプの前に設置された凝縮用熱交換器へと導かれて凝縮液化される。この液化された膜透過水は、さらに該熱交換機と該真空ポンプの中間に位置する気液分離器へと導かれ、その下部に貯留された液状の膜透過水はポンプを介して外部の膜透過水タンクへと送液される。
本発明を実施する中核技術である浸透気化(ＰＶ)プロセスにおいては、膜モジュールに供給された被処理水中の水分の多くは、膜モジュール内で膜を界しての水蒸気圧差を駆動力としてゼオライト膜を透過し、該ゼオライト膜裏面（透過側の表面）で水蒸気となり、膜透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプの前に設置された凝縮用熱交換器へと導かれて凝縮液化される。この液化された膜透過水は、さらに該熱交換機と該真空ポンプの中間に位置する気液分離器へと導かれ、その下部に貯留された液状の膜透過水はポンプを介して外部の膜透過水タンクへと送液される。
しかし、ゼオライト膜を透過して水蒸気となった“膜透過水蒸気”を捕集・凝縮させて気液分離器を経て外部に流出させるこれらの膜透過系機器は、エジェクターに置き換えることが可能である。エジェクターは、流路中間部が狭くなるように工夫された断面が円形の管状機器で、その内部に作動流体を高速で流した場合に、流路が狭くなるベンチュリー部分が減圧となる現象を利用して真空ポンプ機能を発現させる機器である。本発明で利用する上記の浸透気化プロセスにおいては、上記膜透過系機器をこのエジェクターで置き換えると、凝縮用熱交換器と気液分離器と減圧維持用の真空ポンプおよび気液分離器からの送液ポンプの５機能をすべて１本のエジェクターで代替させることが可能となり、膜透過系のシステムを著しく簡素化することができ、そのメリットは極めて大きい。この場合、膜透過した水蒸気は、エジェクター流路中間部に設けられた内径を狭めたベンチュリー部内部に外部配管を通じて直接導かれ、エジェクターの作動用水に吸収される形となる。すなわち、該エジェクターは、膜透過水蒸気の捕集、膜透過側の減圧状態維持、膜透過水蒸気の凝縮、液化膜透過水の送液、の全ての役割を果たさせることが可能である。従って、ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備することが好ましい。
（エジェクター作動用水への膜透過水の再利用）
エジェクターの作動流体としては、膜透過水タンクに貯留された“膜透過水”自体を利用することができる。この場合も、膜を透過した水蒸気は、エジェクターのベンチュリー部内部に外部配管を通じて直接導かれ、作動用水として利用された該“膜透過水”に吸収されることになる。従って、エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することが好ましい。
エジェクターの作動流体としては、膜透過水タンクに貯留された“膜透過水”自体を利用することができる。この場合も、膜を透過した水蒸気は、エジェクターのベンチュリー部内部に外部配管を通じて直接導かれ、作動用水として利用された該“膜透過水”に吸収されることになる。従って、エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することが好ましい。
（エジェクター作動用水の冷却）
エジェクターの吸引作動圧は、一般に作動用水の供給速度と水蒸気圧に支配され、特に作動用水の水蒸気圧はベンチュリー部内部における吸引作動圧の低限を支配する。
このため上記のように、エジェクター作動用水に膜透過水を再利用する場合は、循環利用を進めて膜処理による被処理水の濃縮が進むにつれて、該エジェクター作動用水は膜透過水の凝縮熱により次第にその温度が上昇し、結果的にエジェクターの吸引作動圧を増加させることにより、膜透過水蒸気の捕集能力とシステム全体の処理能力を低下させる。
また、被処理水の操作温度が４０〜６０℃程度とあまり高くない場合などでは、膜透過の水蒸気圧差を大きくするために膜透過側の水蒸気圧を低くすることが必要で、そのためにはエジェクター作動用水の温度を十分低く維持することが必要とされる。
エジェクターの吸引作動圧は、一般に作動用水の供給速度と水蒸気圧に支配され、特に作動用水の水蒸気圧はベンチュリー部内部における吸引作動圧の低限を支配する。
このため上記のように、エジェクター作動用水に膜透過水を再利用する場合は、循環利用を進めて膜処理による被処理水の濃縮が進むにつれて、該エジェクター作動用水は膜透過水の凝縮熱により次第にその温度が上昇し、結果的にエジェクターの吸引作動圧を増加させることにより、膜透過水蒸気の捕集能力とシステム全体の処理能力を低下させる。
また、被処理水の操作温度が４０〜６０℃程度とあまり高くない場合などでは、膜透過の水蒸気圧差を大きくするために膜透過側の水蒸気圧を低くすることが必要で、そのためにはエジェクター作動用水の温度を十分低く維持することが必要とされる。
したがって、これらの状況に対処するためには、エジェクター作動用水の温度を低くするための冷却用機器の装備が必要である。その冷却には、地下水や海水など自然界に存在する比較的定温の水を冷却水として用いてもよく、生産工場やビル等で多用されているような冷却塔（クーリングタワー）を用いて温度が下げられた通常の冷却水を用いてもよい。また、これらの冷却水より温度が低い冷却水が必要なケースなど特に必要な場合には、ヒートポンプ式の冷却装置等を用いて冷却された冷却液等を用いてもよい。
なお、これまで説明してきたように、本発明のゼオライト製浸透気化膜を用いた処理プロセスにおいては、膜透過側の水蒸気圧が膜透過水の増減を左右する極めて重要な要素であるため、エジェクターの作動効率に大きく影響するエジェクター作動用水の温度制御は、本発明の目的とする放射性物質含有水の濃縮と浄化水を回収する処理プロセス全体の処理効果を簡便にコントロールすることに利用可能である。従って、膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることが好ましい。
（濃縮による高放射線量化の抑制）
本発明のゼオライト製浸透気化(ＰＶ)膜を用いた放射性物質含有水等の濃縮プロセスでは、容易に高濃度濃縮が可能であるため、被処理水の放射線量が最初からある程度高い場合などでは、濃縮により安全な作業環境が維持できなくなるほど高放射線量となることに注意する必要がある。
このような場合には、吸着法あるいは凝集法あるいは透析法あるいはこれらを２種以上組み合わせた方法を利用することにより、被処理水の放射線量を低下させることが望ましい。吸着法における吸着材としては、イオン交換樹脂、ゼオライト、活性炭、ベントナイト、スメタイト、フェロシアン系化合物等が利用できるが、特にこれらに限定されるものではなく、これらの吸着材の単独使用のみならず２種以上組み合わせて利用してもよく、また、異なる吸着材を各々用いる２種以上の吸着法を組み合わせて利用してもよい。
本発明のゼオライト製浸透気化(ＰＶ)膜を用いた放射性物質含有水等の濃縮プロセスでは、容易に高濃度濃縮が可能であるため、被処理水の放射線量が最初からある程度高い場合などでは、濃縮により安全な作業環境が維持できなくなるほど高放射線量となることに注意する必要がある。
このような場合には、吸着法あるいは凝集法あるいは透析法あるいはこれらを２種以上組み合わせた方法を利用することにより、被処理水の放射線量を低下させることが望ましい。吸着法における吸着材としては、イオン交換樹脂、ゼオライト、活性炭、ベントナイト、スメタイト、フェロシアン系化合物等が利用できるが、特にこれらに限定されるものではなく、これらの吸着材の単独使用のみならず２種以上組み合わせて利用してもよく、また、異なる吸着材を各々用いる２種以上の吸着法を組み合わせて利用してもよい。
凝集法としては、酸、アルカリ、アルミニウム化合物、鉄化合物、アクリル系凝集剤等の１種あるいは２種以上の添加による凝集沈殿法あるいは凝集浮上法が有効であるが、添加剤は特にこれらに限定されるものではない。
透析法としては、（強・弱）陽イオン交換膜、（強・弱）陰イオン交換膜、中性の透析膜等を適宜用いる拡散透析法や電気透析法等を利用することができる。
透析法としては、（強・弱）陽イオン交換膜、（強・弱）陰イオン交換膜、中性の透析膜等を適宜用いる拡散透析法や電気透析法等を利用することができる。
これらの諸方法を単独あるいは２種以上組み合わせて利用し被処理水の放射線量を低下させる処理は、ゼオライト膜を用いた浸透気化プロセスによる濃縮の途中、あるいは濃縮後の濃縮水に対して実施してもよいが、被処理水の放射線量が最初から高い場合などには、該浸透気化プロセスに被処理水を供給する以前の段階の被処理水に対して予め実施することが好ましい。従って、処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することが好ましい。
（放射性含有水の濃縮処理）
本発明の別の要旨としては、前述の装置を用いて、放射線含有水の濃縮を行うことが好ましい。
（放射能汚染土壌の除染廃水の処理）
本発明のゼオライト製浸透気化(ＰＶ)膜を用いた処理プロセスは、放射性セシウム(Ｃ
ｓ)や放射性ストロンチウム(Ｓｒ)、放射性沃素(Ｉ)などの放射性物質で汚染された土壌
の除染工程で発生する放射性物質含有廃水等の濃縮と放射性物質等を除去した浄化水の回収等の目的で適用された場合には、極めて効果的な成果が得られる。
本発明の別の要旨としては、前述の装置を用いて、放射線含有水の濃縮を行うことが好ましい。
（放射能汚染土壌の除染廃水の処理）
本発明のゼオライト製浸透気化(ＰＶ)膜を用いた処理プロセスは、放射性セシウム(Ｃ
ｓ)や放射性ストロンチウム(Ｓｒ)、放射性沃素(Ｉ)などの放射性物質で汚染された土壌
の除染工程で発生する放射性物質含有廃水等の濃縮と放射性物質等を除去した浄化水の回収等の目的で適用された場合には、極めて効果的な成果が得られる。
放射性物質で汚染され放射能を有する汚染土壌は、放射性物質が土壌に付着あるいは吸着あるいは化学結合していると考えられる。このため、これらの汚染土壌を除染するためには、重金属汚染土壌の除染などのケースと同様に、先ず該放射性物質を溶解させるような酸性あるいはアルカリ性の水溶液等を土壌に注ぎ、土壌中の該放射性物質を溶解・抽出し、次に浄水を土壌に注ぎ、土壌に付着した該酸性水溶液の洗浄が行われる。除染効果を高めるためには、酸性あるいはアルカリ性水溶液等による抽出作業や浄水による土壌洗浄作業が、各々複数回実施されることが望ましい。これらの該放射性物質等を溶解・抽出させた酸性水溶液等と土壌洗浄水との混合物が、汚染土壌除染廃水である。
汚染放射性物質等の溶解・抽出に用いる酸性水溶液等や土壌洗浄水などは、その抽出・除染・洗浄効果を高めるために、必要に応じて６０℃以上のかなりの高温まで加温されることも多く、特に溶解・抽出用酸性水溶液等には、難溶性の放射性物質を溶解し易くするために、錯化剤のような有機化合物やハロゲン化物・フェロシアン化物など特殊な化学薬品が添加されて使用されることもある。このため、汚染土壌除染廃水の処理は、このように高温で特殊な化学品を含む酸性あるいはアルカリ性等の廃水を処理対象とせざる得なく、溶存物質の除去・脱塩などの目的で現在多用されている逆浸透膜を用いた処理プロセス
は適用困難で、実質的に本発明のセラミックス製ゼオライト膜を用いた浸透気化(ＰＶ)プロセスのみが、その高度濃縮と浄化水回収を図れる唯一の適用可能な処理プロセスである。
は適用困難で、実質的に本発明のセラミックス製ゼオライト膜を用いた浸透気化(ＰＶ)プロセスのみが、その高度濃縮と浄化水回収を図れる唯一の適用可能な処理プロセスである。
また、２０１１年３月の福島第１原子力発電所事故の影響で汚染された福島県や茨城県等の学校における校庭の表面残土など、汚染度が低く放射線量が比較的低い土壌でも除染せざるを得ないケースも実際には多々存在する。これらの土壌除染廃水中には放射性物質の溶存量は低く、凝集法や吸着法等既往の除染技術ではその除去効率が高くなく、結果的に吸着剤等の多量使用により最終的な放射性廃棄物の多量発生を招くことになる。
このような場合も、本発明のゼオライト製浸透気化膜を用いた放射性物質含有廃水の濃縮プロセスを適用することにより、該放射性汚染物質の溶存濃度を高くしてから、その濃縮水に対して凝集法や吸着法等の既往除染技術を適用すれば、十分高い除去効率を容易に得ることができる。従って、酸性あるいはアルカリ性水溶液を用いて放射能汚染土壌から放射性物質を分離除去した土壌除染廃水の濃縮と放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することが好ましい。
（高温熱水等の効率的冷却）
既述のように浸透気化プロセスにおいては、水が液相から蒸気相へと膜透過し膜を界して相変化するため、膜透過が進行するに伴いその蒸発潜熱が膜内を熱移動し、結果的に被処理水の温度が低下する。このことは、実質的に膜が伝熱面となる熱交換器と考えることができる。
因みにこの際の温度低下は、膜透過成分が水でその蒸発潜熱が大きいために特に大きく、被処理水の６％相当量が膜透過すると残された被処理水は約３０℃の温度低下が起こり、１２％相当量では約６０℃の温度低下となる。
そこで本発明提案者は、この現象を原子力発電施設等における熱水の冷却方法として利用する方法を詳しく検討し、以下のようなプロセスと装置を発明すると共に、その画期的効果を明らかにした。
既述のように浸透気化プロセスにおいては、水が液相から蒸気相へと膜透過し膜を界して相変化するため、膜透過が進行するに伴いその蒸発潜熱が膜内を熱移動し、結果的に被処理水の温度が低下する。このことは、実質的に膜が伝熱面となる熱交換器と考えることができる。
因みにこの際の温度低下は、膜透過成分が水でその蒸発潜熱が大きいために特に大きく、被処理水の６％相当量が膜透過すると残された被処理水は約３０℃の温度低下が起こり、１２％相当量では約６０℃の温度低下となる。
そこで本発明提案者は、この現象を原子力発電施設等における熱水の冷却方法として利用する方法を詳しく検討し、以下のようなプロセスと装置を発明すると共に、その画期的効果を明らかにした。
本目的の被処理水冷却用の浸透気化プロセスは、その基本構成において、前記説明の放射性物質含有水の濃縮と浄化水回収用の浸透気化プロセスとあまり異ならない。しかし、被処理水の加熱装置は基本的に不要であるが、この冷却用浸透気化プロセスが原子力施設内の本来のライン近くに設置される場合などには、被処理水タンクや濃縮水タンクを省略することができる。なお、膜透過水は外部放出予定なら安全対策の見地等から一時貯留用タンクの設置が望ましい。
また、この被処理水冷却用の浸透気化プロセスにおいては、膜透過水蒸気の捕集・凝縮系装置としてエジェクターの利用が特に望ましく、この場合はエジェクターの作動用水として通常の冷却水や、比較的定温の貯留水や海水など自然冷却水などを直接供給することも考えられるが、特にそれに限定するものではない。但し、大量の熱水等を冷却する場合には、その冷却の必要熱量に相当する冷却水量が別途必要である。
しかし、この冷却用浸透気化プロセスにおいては、冷却作用が蒸発潜熱移動の形で行われるため極めて効率的で、同熱量を熱交換する通常のシェル＆チューブ型の間接式熱交器の場合より、その容積は少なくとも１／５以下のコンパクトな装置となる。また、本発明の潜熱移動による熱交換の場合には、シェル＆チューブ型等の間接式熱交器が不要で、冷却水も顕熱交換ではないため、間接熱交換器を用いる場合の１／１０以下で済む。換言すれば、間接熱交換器を用いる場合には、冷却用浸透気化プロセスより概ね１０倍以上の大量の冷却水が必要とされ、それに対応できる冷却水(施設)の用意と１０倍近いポンプ動力が必要となる。
なお、この冷却のために結果的に流出することになる膜透過水は、前述の放射性物質濃縮等の項目で説明したように、実質的に放射性物質を含まない程度まで高度に浄化されており、一時貯留タンクなどを経て基本的には外部放流が可能である。
因みに原子力発電施設などにおいては、自然災害等に起因する通常の冷却システムの異常事態発生時等に、比較的高温で温度低下を図る必要のある放射性物質含有熱水や冷却維持が必要不可欠な比較的低温の放射性物質含有水などが各種存在する。例えば、前者の代表例としては原子炉格納容器付属のサプレッションプール水などがあり、後者の代表例としては自己発熱性を有す使用済み核燃料を暫定保存する燃料用プール水などがある。特に後者の場合は発熱量に対応した熱量のみを冷却除去する定温維持が主な目的となる。
因みに原子力発電施設などにおいては、自然災害等に起因する通常の冷却システムの異常事態発生時等に、比較的高温で温度低下を図る必要のある放射性物質含有熱水や冷却維持が必要不可欠な比較的低温の放射性物質含有水などが各種存在する。例えば、前者の代表例としては原子炉格納容器付属のサプレッションプール水などがあり、後者の代表例としては自己発熱性を有す使用済み核燃料を暫定保存する燃料用プール水などがある。特に後者の場合は発熱量に対応した熱量のみを冷却除去する定温維持が主な目的となる。
ゼオライト膜を用いる本発明の冷却用浸透気化プロセスは、高温あるいは比較的低温のこれら放射性物質含有水の冷却目的等には既往冷却システムよりはるかにコンパクトで所要冷却水量も１／１０程度と少なくて済む最適な方法である。従って、浸透気化(ＰＶ)プロセスにおける潜熱移動作用を利用して、温度の高い放射性物質含有水溶液あるいは放射能を有する機器等に接触した熱水等の温度低下や、発熱性物質に接する放射性物質含有水の定温維持を図ると共に、該放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することが好ましい。
図４に、本発明のこれらのプロセスと装置の具体例を概念的に示すが、この例に限定されるものではない。なお、これら本発明のプロセスと装置、すなわち、放射性物質含有水を濃縮すると共に実質的に放射性物質を含まない浄化水を高回収率で回収する耐熱水性・耐酸性・耐放射線性ゼオライト浸透気化膜を用いた濃縮用浸透気化プロセスと装置、あるいは高温の放射性物質含有水等の冷却あるいは冷却維持等を図るための冷却用浸透気化プロセスと装置は、その処理対象が放射性物質含有水にのみ限定されるものではなく、外部漏出が厳しく法規制される毒物等を含有する水溶液や、他の分離法では実質的に分離・濃縮が困難な溶質を含む水溶液等にも適用が可能である。
以下、参考例および実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、本願発明では、ゼオライト膜での放射線含有水の処理を模式的に示すため、塩化セシウムや塩化ストロンチウムを含有する水を濃縮する模擬実験を参考例として示す。（参考例１）
脱イオン水を使用し、塩化セシウム０．１３重量％、塩化ストロンチウム０．１８重量％の水溶液を１Ｌ調整し、被分離液とした。ＣＨＡ型ゼオライト膜（特開２０１１−１２１０４０に記載の無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体）を用いて４０℃で、パーベーパレーション法により上記被分離液から水を選択的に透過させた。
なお、このＣＨＡ型ゼオライト膜のＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比は、１６であった。 パーベーパレーション法に用いた装置の概略図を図５に示す。図５において５のゼオライト膜複合体は９の真空ポンプによって内側が減圧され、４の被分離液が接触している外側と圧力差が約１気圧になっている。この圧力差によって４の被分離液中透過物質の水が５のゼオライト膜複合体に浸透気化して透過する。透過した物質は７のトラップで捕集される。一方、透過しないイオン成分は５のゼオライト膜の外側に滞留する。２時間後、トラップに補修した水の重量と透過液中に浸漬したゼオライト膜の有効面積から、水の透過流束を計算した。
透過流束は２．６７ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であった。測定結果を表１に示す。
脱イオン水を使用し、塩化セシウム０．１３重量％、塩化ストロンチウム０．１８重量％の水溶液を１Ｌ調整し、被分離液とした。ＣＨＡ型ゼオライト膜（特開２０１１−１２１０４０に記載の無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体）を用いて４０℃で、パーベーパレーション法により上記被分離液から水を選択的に透過させた。
なお、このＣＨＡ型ゼオライト膜のＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比は、１６であった。 パーベーパレーション法に用いた装置の概略図を図５に示す。図５において５のゼオライト膜複合体は９の真空ポンプによって内側が減圧され、４の被分離液が接触している外側と圧力差が約１気圧になっている。この圧力差によって４の被分離液中透過物質の水が５のゼオライト膜複合体に浸透気化して透過する。透過した物質は７のトラップで捕集される。一方、透過しないイオン成分は５のゼオライト膜の外側に滞留する。２時間後、トラップに補修した水の重量と透過液中に浸漬したゼオライト膜の有効面積から、水の透過流束を計算した。
透過流束は２．６７ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であった。測定結果を表１に示す。
（参考例２）
被分離液の温度を７５℃に保持する以外は、実施例１と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウムと塩化スト
ロンチウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は１１．９７ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であった。測定結果を表１に示す。
被分離液の温度を７５℃に保持する以外は、実施例１と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウムと塩化スト
ロンチウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は１１．９７ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であった。測定結果を表１に示す。
（参考例３）
被分離液を水９６．２重量％、塩化セシウム０．１３重量％、塩化ストロンチウム０．１８重量％、塩化ナトリウム重量２．７９％、塩化カルシウム０．５２４重量％、塩化マグネシウム重量％、の水溶液とする以外は、実施例１と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は２．５８ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例１と同等の透過流束が得られた。測定結果を表１に示す。
被分離液を水９６．２重量％、塩化セシウム０．１３重量％、塩化ストロンチウム０．１８重量％、塩化ナトリウム重量２．７９％、塩化カルシウム０．５２４重量％、塩化マグネシウム重量％、の水溶液とする以外は、実施例１と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は２．５８ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例１と同等の透過流束が得られた。測定結果を表１に示す。
（参考例４）
被分離液の温度を７５℃に保持する以外は、実施例３と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は１１．９０ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例３と同等の透過流束が得られた。測定結果を表１に示す。
被分離液の温度を７５℃に保持する以外は、実施例３と同様に無機多孔質支持体−ＣＨＡ型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は１１．９０ｋｇ／(ｍ２・ｈ)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例３と同等の透過流束が得られた。測定結果を表１に示す。
また、透過液中の陽イオン濃度を、セシウムイオンとストロンチウムイオンについては、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製ＩＣＰ質量分析装置７５００ｃｅ型を
用いて、ナトリウムイオン、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンについては、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製高分解能ＩＣＰ質量分析装置ＥＬＥＭＥＮＴ２型を用いてそれぞれ測定した。
透過液中のセシウムイオン濃度は、測定法の検出下限である０．１ｐｐｂ以下であった。
ストロンチウムイオンも１．３ｐｐｂであり、ほとんど漏洩していない事がわかる。 測定結果を表２に示す。
用いて、ナトリウムイオン、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンについては、Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製高分解能ＩＣＰ質量分析装置ＥＬＥＭＥＮＴ２型を用いてそれぞれ測定した。
透過液中のセシウムイオン濃度は、測定法の検出下限である０．１ｐｐｂ以下であった。
ストロンチウムイオンも１．３ｐｐｂであり、ほとんど漏洩していない事がわかる。 測定結果を表２に示す。
１ スターラー
２ 湯浴
３ 撹拌子
４ 被分離液
５ ゼオライト膜複合体
６ ピラニゲージ
７ 透過液捕集用トラップ
８ コールドトラップ
９ 真空ポンプ
２ 湯浴
３ 撹拌子
４ 被分離液
５ ゼオライト膜複合体
６ ピラニゲージ
７ 透過液捕集用トラップ
８ コールドトラップ
９ 真空ポンプ
Claims (12)
- セシウム含有水濃縮用の膜分離装置であって、
セシウム含有水から微細粒子を分離除去する金属製あるいはセラミックス製の微細ろ過装置、
微細粒子を除去したセシウム含有水を膜モジュールに供給するためのポンプ、
浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮する、
ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュール、
該ゼオライト膜を透過した膜透過水蒸気を捕集・回収するための装置を有することを特徴とする、
セシウム含有水濃縮用の膜分離装置。 - 微細ろ過装置が、金属製であり、３０μｍ以上の微細粒子を分離除去できる機能を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
- 被処理水が膜モジュールに達する前に加熱するための加熱装置を装備する請求項１または２に記載の装置。
- 耐放射線性を有する金属製の濃縮水用タンクと、金属製あるいはプラスチック製の浄化水用タンクとを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
- ゼオライト膜で濃縮処理された処理水を被処理水として再び循環供給するための配管と、その戻し量を調節する制御弁を装備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
- ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備した請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
- エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することを特徴とする請求項６記載の装置。
- 膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする請求項
６または請求項７に記載の装置。 - 処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
- 該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
- セシウム含有水の濃縮方法であって、
セシウム含有水をＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比が３以上であるゼオライトを含むチャバサイト型ゼオライト膜を内装する膜モジュールに供給し、
浸透気化プロセスにより、該セシウム含有水から水を除去し、セシウムを濃縮することを特徴とする、
セシウム含有水の濃縮方法。 - 該ゼオライト膜は、無機多孔質支持体上に形成されたゼオライト膜である、請求項１１記載のセシウム含有水の濃縮方法。
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