JP6820148B2 - 使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法 - Google Patents
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Description
本発明は、使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法に関する。
東日本大震災における原子力発電所の事故の影響で、大量の放射性セシウムが拡散した。しかし、水に溶解した放射性セシウムを水から除去するための放射性セシウム吸着繊維は、ほとんど知られていなかった。なお、特許文献１には、金属イオン吸着性の変性アクリロニトリルポリマーが開示されているが、セシウムは対象となっていない。また、特許文献２には、セシウムを吸着することができるとの記載があるが、実際にセシウムを吸着したデータはない。また、ゼオライト粉末は放射性セシウムを吸着することが知られているが、ゼオライト粉末の回収は極めて困難であり、また、ゼオライトは一旦吸着した放射性セシウムを放出する性質があるため、放射性セシウムの回収には向いていなかった。
このような背景から、本発明者らは、水に溶解した放射性セシウムを効率的に吸着、回収することのできる、放射性セシウム吸着繊維及びその製造方法を提案した（特許文献３）。
ところで、放射性セシウムを効率的に吸着、回収することも重要であるが、使用済みの放射性セシウム吸着繊維を減容化することも重要な課題となっている。なお、焼却によっても減容化は可能であるが、減容化後に雨水などに曝された場合に放射性セシウムが溶出する虞があった。
そこで、本発明は、使用済みの放射性セシウム吸着繊維を効率的に減容化することができ、かつ、減容化後に放射性セシウムが溶出することのない、使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法を提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意検討した結果、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）にポリスルホンを溶解するとともにゼオライトを分散させ、これを水中にシリンジを用いて押し出すことにより得られた、ゼオライトを担持した多孔質のポリスルホンについて、放射性セシウムを吸着させた後に、所定の温度で加熱しながら加圧することで減容化した場合に、放射性セシウムの溶出を防止できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法は、多孔質粒子を担持した多孔質の高分子材料からなり放射性セシウムを吸着した放射性セシウム吸着繊維の減容化方法であって、前記放射性セシウム吸着繊維は前記高分子材料を溶解し前記多孔質粒子を分散させたポリマー溶液を水中に押し出すことによって得られたものであり、前記放射性セシウム吸着繊維を加熱しながら加圧する加熱加圧工程を備え、前記多孔質粒子はゼオライトであって、前記高分子材料はポリスルホンであり、前記加熱加圧工程は、２５０〜４５０℃で行われ、前記加熱加圧工程において、前記高分子材料が融解して放射性セシウムを細孔内に吸着した前記多孔質粒子の細孔を覆うことを特徴とする。
本発明によれば、使用済みの放射性セシウム吸着繊維を効率的に減容化することができ、かつ、減容化後に放射性セシウムが溶出することのない、使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法が提供される。
本発明において用いられる放射性セシウム吸着繊維は、多孔質粒子を担持した多孔質の高分子材料からなる。
本発明において用いられる放射性セシウム吸着繊維は、高分子材料を溶解し多孔質粒子を分散させたポリマー溶液を調製する溶液調製工程と、前記溶液調製工程で調製されたポリマー溶液を水中に押し出して繊維状に成形する繊維成形工程とによって得ることができる。なお、溶液調製工程において、必要に応じてプルシアンブルーなどの放射性セシウム吸着成分を添加してもよい。このようにして製造された放射性セシウム吸着繊維は、繊維に微細孔が形成された構造となっていて通水性が良好であるとともに、繊維中の多孔質粒子の分散性が良好であることから、水に溶解した放射性セシウムを極めて効率的に吸着することができ、水中の放射性セシウムの濃度が検出限界外のごく薄い濃度であっても、放射性セシウムを効率的に吸着して濃縮することができる。また、繊維状に形成されたものであるため、河川などに設置した際に水を堰き止めるようなことがなく、放射性セシウムの吸着に用いられた後の回収が簡単である。
ここで、高分子材料としては、ポリスルホン、６，６−ナイロン、６−ナイロン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレンスルホン酸が好ましい。また、高分子材料を溶解する有機溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、蟻酸、ｎ−ブタノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフランが好ましい。
また、多孔質粒子としては、例えば、ゼオライトを好適に用いることができ、ゼオライトを用いる場合は、１５０メッシュ以下のものが好ましい。
溶液調製工程において、高分子材料を溶かす際には、３０〜１００℃に有機溶媒を加温することにより高分子材料の溶解が早くなる。また、ポリマー溶液中の高分子材料含有量は、１０〜３０質量％が好ましい。
また、ポリマー溶液中のゼオライトなどの多孔質材料の含有量は２０〜３０質量％が好ましく、プルシアンブルーなどの放射性セシウム吸着成分を添加する場合、放射性セシウム吸着成分は５〜１５質量％が好ましい。
繊維成形工程において、射出に用いられる水の温度を５０℃程度とすることにより、有機溶媒の溶けだしが早く、繊維が形成されやすい。
放射性セシウムを吸着させた後の使用済み放射性セシウム吸着繊維は、加熱加圧工程により、所定の温度で加熱しながら加圧することでペレット状に減容化される。
加熱加圧工程における加熱温度は、放射性セシウム吸着繊維を構成する高分子材料の融点以上であって、熱分解温度未満の範囲とするのが好ましい。加熱加圧工程における加熱温度をこの範囲とすることにより、高分子材料が融解して放射性セシウムを細孔内に吸着した多孔質粒子の細孔を覆うため、減容化後の放射性セシウムの溶出が確実に防止される。なお、熱分解温度以上で加熱すると、高分子材料が熱分解により消失して多孔質粒子の細孔が露出してしまい、多孔質粒子に吸着された放射性セシウムが溶出しやすくなる。放射性セシウム吸着繊維を構成する高分子材料がポリスルホンの場合、加熱加圧工程は、２５０〜４５０℃で行われるのが好ましい。
加熱加圧工程において使用済み放射性セシウム吸着繊維を加圧する圧力の範囲は、加熱加圧工程の後に減容化が図れる値であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、２０〜２００ｋｇｆ／ｃｍ２とすることができる。
以下、本発明の使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法について具体的に説明する。
なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
（１）放射性セシウム吸着繊維の作製
原料として、ポリスルホン（BASF社製、分子量不明、グレードE2010）、ゼオライト（日東粉化商事株式会社製、粒径１５０メッシュ）、ＮＭＰ（米山科学工業社製）を用いた。
原料として、ポリスルホン（BASF社製、分子量不明、グレードE2010）、ゼオライト（日東粉化商事株式会社製、粒径１５０メッシュ）、ＮＭＰ（米山科学工業社製）を用いた。
室温にて、ポリスルホン３０質量％、ゼオライト３０質量％、ＮＭＰ４０質量％となるように原料を混合し、ゼオライトが分散したポリスルホンのポリマー溶液を作製した。このポリマー溶液をシリンジに入れ、シリンジの先を水中に入れた状態でシリンジの先からポリマー溶液を水中に押し出すと、水中に繊維が成形された。得られた繊維は、多孔質のポリスルホン中にゼオライトが取り込まれている構造を有していた。
（２）加熱加圧工程における温度条件の検討
加熱加圧工程における最適な温度を検討するため、上記で作製した使用前の放射性セシウム吸着繊維を大気下の常圧で各温度にて２時間加熱して、外観、質量、ＢＥＴ比表面積の変化を測定した。
加熱加圧工程における最適な温度を検討するため、上記で作製した使用前の放射性セシウム吸着繊維を大気下の常圧で各温度にて２時間加熱して、外観、質量、ＢＥＴ比表面積の変化を測定した。
各温度のおける加熱処理後の外観写真と質量を図１に、質量のグラフを図２に示す。３００℃、４００℃では変色が認められたものの質量の減少はわずかであった。一方、５００℃、６００℃、８００℃では形状が崩れるとともに著しく質量が減少した。これにより、４００℃と５００℃の間で熱分解が起こることが確認された。
ＢＥＴ比表面積は、図３に示すように、３００℃、４００℃において、極めて低い値になった。これは、ポリスルホンが融解してゼオライトの細孔を覆ったためと考えられた。５００℃、６００℃ではＢＥＴ比表面積が大きい値になったが、これは、ポリスルホンが熱分解したことによると考えられた。
以上の結果より、高分子材料がポリスルホンの場合は、２５０〜４５０℃が最適温度であり、さらにＢＥＴ比表面積が最小値になる４００℃前後がより最適であることが確認された。
（３）加熱加圧工程によるペレット状試料の作製
内径４０ｍｍのステンレス製の円筒内に上記で作製した使用前の放射性セシウム吸着繊維を入れ、一定温度に温度を制御しながら油圧プレス機を用いて１００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧し、ペレット状試料を作製した。そして、加熱加圧工程前後の体積変化から、減容化率を求めた。その結果を下表に示す。
内径４０ｍｍのステンレス製の円筒内に上記で作製した使用前の放射性セシウム吸着繊維を入れ、一定温度に温度を制御しながら油圧プレス機を用いて１００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧し、ペレット状試料を作製した。そして、加熱加圧工程前後の体積変化から、減容化率を求めた。その結果を下表に示す。
加熱をせず室温で加圧のみで成型した試料の減容化率は４０％であったのに対し、４００℃での加熱加圧工程を経ると１５％まで体積を減少させることが可能であった。
（４）ペレット状試料による溶出試験
（４−１）非放射性セシウムを用いた試験
セシウム濃度５，０００ｐｐｍの溶液１Ｌに５０ｇの上記で作製した放射性セシウム吸着繊維を入れ、４８時間震盪してセシウムを吸着させた。吸着後のセシウム濃度を測定したところ平衡濃度６９５ｐｐｍであり、放射性セシウム吸着繊維のセシウム吸着量は８６．１ｍｇ／ｇであった。この放射性セシウム吸着繊維に真空乾燥を行い、繊維状試料とした。また、同じ放射性セシウム吸着繊維を４００℃で加熱加圧工程を施し、ペレット状試料とした。そして、それぞれの試料について溶出試験を行い、溶液中に含まれる非放射性セシウム濃度を原子吸光光度計で測定し、溶出率を算出した。その結果を下表に示す。
（４−１）非放射性セシウムを用いた試験
セシウム濃度５，０００ｐｐｍの溶液１Ｌに５０ｇの上記で作製した放射性セシウム吸着繊維を入れ、４８時間震盪してセシウムを吸着させた。吸着後のセシウム濃度を測定したところ平衡濃度６９５ｐｐｍであり、放射性セシウム吸着繊維のセシウム吸着量は８６．１ｍｇ／ｇであった。この放射性セシウム吸着繊維に真空乾燥を行い、繊維状試料とした。また、同じ放射性セシウム吸着繊維を４００℃で加熱加圧工程を施し、ペレット状試料とした。そして、それぞれの試料について溶出試験を行い、溶液中に含まれる非放射性セシウム濃度を原子吸光光度計で測定し、溶出率を算出した。その結果を下表に示す。
加熱加圧工程を施していないときの溶出率が０．９５％であったのに対し、４００℃で加熱加圧工程を施した後の溶出率は０．０３９％であり、約２５分の１となった。これは、加熱加工工程によりポリスルホンが融解してゼオライトの表面を覆い、セシウムを吸着したゼオライトと水の接触が阻害されたためと考えられた。
（４−２）放射性セシウムを用いた試験
上記で作製した放射性セシウム吸着繊維２ｋｇをカラムに収容し、放射性セシウムを含む焼却灰を熱水抽出することにより得られた放射性セシウム濃度４８８Ｂｑ／ｋｇの抽出水７０Ｌを３００分間循環させ、放射性セシウム吸着繊維に放射性セシウムを吸着させた。抽出水の放射性セシウムの最終平衡濃度は８０Ｂｑ／ｋｇであった。カラムから放射性セシウム吸着繊維を取り出し、表面を簡単に水で洗浄した後、繊維状試料とした。また、同じ放射性セシウム吸着繊維を４００℃で加熱加圧工程を施し、ペレット状試料とした。そして、それぞれの試料について溶出試験を行い、溶液中に含まれる放射性セシウム濃度をＧｅ半導体検出器で測定し、溶出率を算出した。その結果を下表に示す。
上記で作製した放射性セシウム吸着繊維２ｋｇをカラムに収容し、放射性セシウムを含む焼却灰を熱水抽出することにより得られた放射性セシウム濃度４８８Ｂｑ／ｋｇの抽出水７０Ｌを３００分間循環させ、放射性セシウム吸着繊維に放射性セシウムを吸着させた。抽出水の放射性セシウムの最終平衡濃度は８０Ｂｑ／ｋｇであった。カラムから放射性セシウム吸着繊維を取り出し、表面を簡単に水で洗浄した後、繊維状試料とした。また、同じ放射性セシウム吸着繊維を４００℃で加熱加圧工程を施し、ペレット状試料とした。そして、それぞれの試料について溶出試験を行い、溶液中に含まれる放射性セシウム濃度をＧｅ半導体検出器で測定し、溶出率を算出した。その結果を下表に示す。
繊維状試料、ペレット状試料のいずについても、放射性セシウムの溶出は確認されなかった。検出限界値から算出すると、繊維状試料は１.４％以下、ペレット状試料は１％以下の溶出率であった。いずれも極めて強固に放射性セシウムを吸着していることが示された。
Claims (1)
- 多孔質粒子を担持した多孔質の高分子材料からなり放射性セシウムを吸着した放射性セシウム吸着繊維の減容化方法であって、前記放射性セシウム吸着繊維は前記高分子材料を溶解し前記多孔質粒子を分散させたポリマー溶液を水中に押し出すことによって得られたものであり、前記放射性セシウム吸着繊維を加熱しながら加圧する加熱加圧工程を備え、前記多孔質粒子はゼオライトであって、前記高分子材料はポリスルホンであり、前記加熱加圧工程は、２５０〜４５０℃で行われ、前記加熱加圧工程において、前記高分子材料が融解して放射性セシウムを細孔内に吸着した前記多孔質粒子の細孔を覆うことを特徴とする使用済み放射性セシウム吸着繊維の減容化方法。
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