JP6279539B2 - 放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含む放射性廃液の処理方法 - Google Patents
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Description
性能が高く、吸着カラムによる通水処理に適する成型されたCSTを使用した放射性廃液処理方法が望まれている。一方で、CSTは熱に弱く、強熱すると組成変化を起こし、セシウム及びストロンチウムの吸着能が低下する。ゼオライト成型体では粘土鉱物などのバインダを使用し、500〜800℃にて焼成し、成型体の強度を向上させているが、CSTは前述の通り強熱することで吸着能が低下するため、焼成することができない。このため、CSTを強熱せずに成型することが必要であった。
[1]一般式:Na4Ti4Si3O16・nH2O、(NaxK(1−x))4Ti4Si3O16・mH2O及びK4Ti4Si3O16・lH2O(これらの式中、xは0超1未満の数を示し、n、m及びlはそれぞれ0〜8の数を示す。)で表される結晶性シリコチタネートから選ばれる少なくとも一種と、一般式:Na4Ti9O20・qH2O、(NayK(1−y))4Ti9O20・rH2O及びK4Ti9O20・tH2O(これらの式中、yは0超1未満の数を示し、q、r及びtはそれぞれ0〜10の数を示す。)で表されるチタン酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む、セシウム及びストロンチウムの吸着材であって、粒径250μm以上1200μm以下の粒子状に成形され、湿潤状態で0.1N以上の強度を有する吸着材を10cm以上300cm以下の層高で充填した吸着塔に、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム並びにNaイオン、Caイオン及び/又はMgイオンを含有する放射性廃液を通水線流速(LV)2m/h以上40m/h以下及び空間速度(SV)11h−1以上200h−1以下で通水して、当該吸着材に放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを吸着させることを含む、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する放射性廃液の処理方法。
[2]前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記結晶性シリコチタネートのピークが1以上観察されると共に前記チタン酸塩のピークが1以上観察され、前記結晶性シリコチタネートの主ピークの高さに対する前記チタン酸塩の主ピークの高さの比が5%以上70%以下である、[1]に記載の処理方法。
[3]前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記チタン酸塩の主ピークが回折角(2θ)8〜10゜以下に観察される、[1]又は[2]に記載の処理方法。
は市販されている一般的な吸着材(例えばゼオライト系吸着材は粒径1.5mm程度のペレットである)と比較して微細な粒子状であり、吸着速度が高い。一方、粉末状の吸着材では、吸着塔に充填して通水処理を行うと流出してしまうため、所定粒径に成形することが好ましい。含水状態の結晶性シリコチタネートとチタン酸塩との混合ゲルを例えば攪拌混合造粒、転動造粒、押し出し造粒、破砕造粒、流動層造粒、噴霧乾燥造粒(スプレードライ)、圧縮造粒、溶融造粒等の公知の造粒方法を用いて、粒子状に成形することができる。造粒の際には、例えばポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、デンプン、コーンスターチ、糖蜜、乳糖、ゼラチン、デキストリン、アラビアゴム、アルギン酸、ポリアクリル酸、グリセリン、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、アルミナ等の公知のバインダを用いて造粒したものでも、これらのバインダを用いずに造粒したものでもよい。バインダを用いずに造粒した吸着材は、体積当たりの吸着材量が増えるため、吸着塔に充填して用いる本発明の処理方法においては同じ吸着塔の体積当たりの処理量が増加するので好ましい。あるいは、含水状態の結晶性シリコチタネートとチタン酸塩との混合ゲルを乾燥させた後、粉砕して粒子状としてもよい。粒子状に成形した後、篩を用いて分級して所定粒径範囲の粒子を得ることができる。
本発明は以下の態様を含む。
(1)一般式:Na4Ti4Si3O16・nH2O、(NaxK(1−x))4Ti4Si3O16・mH2O及びK4Ti4Si3O16・lH2O(これらの式中、xは0超1未満の数を示し、n、m及びlはそれぞれ0〜8の数を示す。)で表される結晶性シリコチタネートから選ばれる少なくとも一種と、一般式:Na4Ti9O20・qH2O、(NayK(1−y))4Ti9O20・rH2O及びK4Ti9O20・tH2O(これらの式中、yは0超1未満の数を示し、q、r及びtはそれぞれ0〜10の数を示す。)で表されるチタン酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む、セシウム又はストロンチウムの吸着材であって、粒径250μm以上1200μm以下の粒子状に成形された吸着材を10cm以上300cm以下の層高で充填した吸着塔に、放射性セシウム及び放射性
ストロンチウムを含有する放射性廃液を通水線流速(LV)1m/h以上40m/h以下、空間速度(SV)200h−1以下で通水して、当該吸着材に放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを吸着させることを含む、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する放射性廃液の処理方法。
(2)前記放射性廃液は、Naイオン、Caイオン及び/又はMgイオンを含む廃液である、(1)に記載の処理方法。
(3)前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記結晶性シリコチタネートのピークが1以上観察されると共に前記チタン酸塩のピークが1以上観察され、前記結晶性シリコチタネートの主ピークの高さに対する前記チタン酸塩の主ピークの高さの比が5%以上70%以下である、(1)又は(2)に記載の処理方法。
(4)前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記チタン酸塩の主ピークが回折角(2θ)8〜10゜以下に観察される、(1)〜(3)のいずれかに記載の処理方法。
<X線回折>
Bruker社 D8 AdvanceSを用いた。線源としてCu−Kαを用いた。測定条件は、管電圧40kV、管電流40mA、走査速度0.1°/secとした。
アジレントテクノロジー社製誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP−MS)型式:Agilent 7700xを用いて、セシウム133とストロンチウム88の定量分析を行った。試料は希硝酸で1000倍希釈し0.1%硝酸マトリックスとして分析した。標準試料はストロンチウムを0.05ppb、0.5ppb、1.0ppb、5.0ppb及び10.0ppb含有した水溶液、並びにセシウムを0.005ppb、0.05ppb、0.1ppb、0.5ppb及び1.0ppb含有した水溶液を使用した。
3号ケイ酸ソーダ(日本化学工業株式会社製[SiO2:28.96%、Na2O:9.37%、H2O:61.67%、SiO2/Na2O=3.1])90g、苛性ソーダ水溶液(工業用25%水酸化ナトリウム[NaOH:25%、H2O:75%])667.49g及び純水84.38gを混合し撹拌して混合水溶液を得た。この混合水溶液に、四塩化チタン水溶液(株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ社製36.48%水溶液)443.90gをペリスタポンプで1時間20分にわたって連続的に添加して混合ゲルを製造した。この混合ゲルを、四塩化チタン水溶液の添加後、1時間にわたり室温で静置熟成した。このとき混合ゲル中のTiとSiとのモル比はTi:Si=2:1であった。また混合ゲル中のSiO2の濃度は2%、TiO2の濃度は5.3%、Na2O換算したナトリウム濃度は3.22%であった。
(a)吸着材を、適当な容器(アルミリング等)に入れ、ダイスで挟みこんでからプレス機で10MPaの圧力をかけてペレット化することにより測定用試料を得る。この試料を蛍光X線装置(装置名:ZSX100e、管球:Rh(4kW)、雰囲気:真空、分析窓:Be(30μm)、測定モード:SQX分析(EZスキャン)、測定径:30mmφ、(株)リガク製)で全元素測定する。吸着材中のSiO2及びTiO2の含有量(質量%)を、半定量分析法であるSQX法で計算することで算出する。
(b)求めたSiO2及びTiO2の含有量(質量%)をそれぞれの分子量で割り、吸着材100g中のSiO2及びTiO2のモル数を得る。
(c)前記で求めた吸着材中のSiO2のモル数の3分の1を吸着材中の前記結晶性シリコチタネート(Na4Ti4Si3O16・nH2O)のモル数と仮定する。また、前記結晶性シリコチタネート1モル中のTi原子のモル数が4であることから、下記式(1)により
吸着材中の前記チタン酸塩のモル数を求める。
X線回折構造から判断される組成、及び上記方法により求めた結晶性シリコチタネートとチタン酸ナトリウムとのモル比を表1に示す。
製造例1にて、目開き300μmの篩を通過した粉状の結晶性シリコチタネートを、溶融造粒法にて、ポリビニルアルコールをバインダとして使用し、粒状に成形した。成形後はよく洗浄を行い、篩にて粒径が0.35〜1.18mmのサンプルを得た。
製造例1にて、目開き300μmの篩を通過した粉状の結晶性シリコチタネートを、溶融造粒法にて、アルギン酸をバインダとして使用し、粒状に成形した。成形後はよく洗浄を行い、篩にて粒径が0.35〜1.18mmのサンプルを得た。
製造例1にて、目開き300μmの篩を通過した粉状の結晶性シリコチタネートを、押し出し法にて、アルミナをバインダとして使用し、柱状に成形した。成形後、篩にて粒径が0.30〜0.60mmのサンプルを得た。
<模擬汚染海水1の調製>
以下の手順にて、福島第一原発の汚染水を模擬した非放射性セシウム及びストロンチウムを含む模擬汚染水を調製した。
<模擬汚染海水2の調製>
以下の手順にて、福島第一原発の汚染水を模擬した非放射性セシウム及びストロンチウムを含む模擬汚染水を調製した。
MSにより分析したところ、セシウム濃度は1.08mg/L、ストロンチウム濃度は9.74mg/Lであった。
<模擬汚染海水3の調製>
以下の手順にて、福島第一原発の汚染水を模擬した非放射性セシウム及びストロンチウムを含む模擬汚染水を調製した。
図3より、吸着塔における吸着材の層高10cm、空間速度200h−1では、セシウムの吸着除去性能と比較して、ストロンチウムの吸着除去性能が劣っているが、B.V.15000程度までストロンチウムを50〜60%程度除去できている。
製造例1で調製した粒径300μm以上600μm以下の吸着材200mlを内径16mmのガラスカラムに100cmの層高となるように充填し、模擬汚染海水3と同様に調整した模擬汚染海水4(セシウム濃度0.83〜1.24mg/L、ストロンチウム濃度0.24〜0.30mg/L)を67ml/minの流量(通水線流速20m/h、空間速度20h−1)で通水し、出口水を定期的に採取してセシウム及びストロンチウム濃度を測定した。なお出口水の分析結果は、セシウム濃度は0.00〜0.01mg/L、ストロンチウム濃度は0.00〜0.27mg/Lであった。
製造例1で調製した粒径300μm以上600μm以下の吸着材20mlを内径16mmのガラスカラムに10cmの層高となるように充填し、模擬汚染海水3と同様に調整した模擬汚染海水5(セシウム濃度0.91〜1.24mg/L、ストロンチウム濃度0.24〜0.48mg/L)を6.5〜67ml/minの流量(通水線流速2m/h、空間速度20h−1〜通水線流速20m/h、空間速度200h−1)で通水し、出口水を定期的に採取してセシウム及びストロンチウム濃度を測定した。なお出口水の分析結果は、セシウム濃度は0.00〜0.12mg/L、ストロンチウム濃度は0.00〜0.34mg/Lであった。
シウム濃度は0.00〜0.01mg/L、ストロンチウム濃度は0.00〜0.31mg/Lであった。
製造例1、2、3で調製した吸着材20mlを内径16mmのガラスカラムに10cmの層高となるように充填し、模擬汚染海水3と同様に調整した模擬汚染海水6(セシウム濃度は0.81〜1.39mg/L、ストロンチウム濃度は0.27〜0.40mg/Lであった)を67ml/minの流量(通水線流速20m/h、空間速度200h−1)で通水し、出口水を定期的に採取してセシウム及びストロンチウム濃度を測定した。なお出口水の分析結果は、セシウム濃度は0.00〜0.11mg/L、ストロンチウム濃度は0.07〜0.34mg/Lであった。
チタン酸塩の混合物の正味比重(バインダを除いた比重)で除した値を表5に示す。表5からわかるように、バインダを使用しなかった製造例1と比較して、バインダを使用した製造例2及び3でも、ほぼ同等のセシウムイオン、ストロンチウムイオン除去性能を有することが確認された。
製造例2、4で調製した吸着材20mlを内径16mmのガラスカラムに10cmの層高となるように充填し、模擬汚染海水3と同様に調整した模擬汚染海水7(セシウム濃度は0.85〜0.96mg/L、ストロンチウム濃度は0.17〜0.38mg/Lであった)を6.5ml/minの流量(通水線流速2m/h、空間速度20h−1)で通水し、出口水を定期的に採取してセシウム及びストロンチウム濃度を測定した。なお出口水の分析結果は、セシウム濃度は0.00〜0.02mg/L、ストロンチウム濃度は0.00〜0.35mg/Lであった。
図7より、層高10cm、空間速度20h−1では、B.V5000程度までストロンチウムを吸着除去できることが分かる。
Claims (3)
- 一般式:Na4Ti4Si3O16・nH2O、(NaxK(1−x))4Ti4Si3O16・mH2O及びK4Ti4Si3O16・lH2O(これらの式中、xは0超1未満の数を示し、n、m及びlはそれぞれ0〜8の数を示す。)で表される結晶性シリコチタネートから選ばれる少なくとも一種と、一般式:Na4Ti9O20・qH2O、(NayK(1−y))4Ti9O20・rH2O及びK4Ti9O20・tH2O(これらの式中、yは0超1未満の数を示し、q、r及びtはそれぞれ0〜10の数を示す。)で表されるチタン酸塩から選ばれる少なくとも一種を含む、セシウム及びストロンチウムの吸着材であって、粒径250μm以上1200μm以下の粒子状に成形され、湿潤状態で0.1N以上の強度を有する吸着材を10cm以上300cm以下の層高で充填した吸着塔に、放射性セシウム及び放射性ストロンチウム並びにNaイオン、Caイオン及びMgイオンを含有する放射性廃液を通水線流速(LV)2m/h以上40m/h以下及び空間速度(SV)11h−1以上200h−1以下で通水して、当該吸着材に放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを吸着させることを含む、放射性セシウム及び放射性ストロンチウムを含有する放射性廃液の処理方法。
- 前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記結晶性シリコチタネートのピークが1以上観察されると共に前記チタン酸塩のピークが1以上観察され、前記結晶性シリコチタネートの主ピークの高さに対する前記チタン酸塩の主ピークの高さの比が5%以上70%以下である、請求項1に記載の処理方法。
- 前記吸着材は、X線源にCu−Kαを用いて回折角(2θ)が5〜80゜の範囲でX線回折測定したときに、前記チタン酸塩の主ピークが回折角(2θ)8〜10゜以下に観察さ
れる、請求項1又は2に記載の処理方法。
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