JP7678449B2 - Cesium adsorbent and method for treating cesium-containing contaminated water - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 (その1)掲載日:令和3年3月8日、掲載アドレス;https//confit.atlas.jp/guide/event-img/mmij2021a/3K0408-14-06/public/pdf?type=in (その2)開催日:令和3年3月10日、令和3年一般社団法人資源・素材学会2021年度春季大会 (オンライン開催) (その3)開催日:令和2年9月3日、一般社団法人環境放射能とその除染・中間貯蔵および環境再生のための学会開催の環境放射能除染学会第9回(オンライン)研究発表会 (その4)掲載日:令和3年6月4日、掲載アドレス;https://store-confit.atlas.jp/kenkyu/kenkyu26/static/20210615095129541_ja.pdf (その5)開催日:令和3年6月24日、一般社団法人土壌環境センター内地下水・土壌汚染とその防止対策に関する研究集会開催の第26回地下水・土壌汚染とその防止対策に関する研究集会、埼玉大会(オンライン開催)Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act (Part 1) Posting date: March 8, 2021, Posting address: https://confit.atlas.jp/guide/event-img/mmij2021a/3K0408-14-06/public/pdf?type=in (Part 2) Held on March 10, 2021, 2021 Spring Conference of the Resource and Materials Society of Japan (Held online) (Part 3) Held on September 3, 2020, 9th (online) Research Presentation of the Society for Environmental Radioactivity Decontamination, Held by the Society for Environmental Radioactivity, Its Decontamination, Intermediate Storage and Environmental Restoration (Part 4) Posting date: June 4, 2021, Posting address: https://store-confit.atlas.jp/guide/event-img/mmij2021a/3K0408-14-06/public/pdf?type=in jp/kenkyu/kenkyu26/static/20210615095129541_ja.pdf (Part 5) Date: June 24, 2021, 26th Research Meeting on Groundwater and Soil Contamination and Its Prevention Measures, Saitama Conference (Held online) held by the Soil Environment Center, a general incorporated association.
本発明は、原子力設備等から排出される汚染液からセシウムを除去する方法、及びそれに使用する吸着材に関するものである。 The present invention relates to a method for removing cesium from contaminated liquid discharged from nuclear facilities, etc., and to an adsorbent material used therefor.
原子力発電所や核燃料の再処理施設で発生する低~高レベルの放射性廃液等の汚染液において、放射性セシウムのCs137はその半減期が長く、放射性物質の主成分であることから、その除去が強く望まれている。また、放射性物質で汚染された海水、淡水等の汚染液についても、放射性セシウムの除去が望まれている。 In contaminated liquids such as low to high level radioactive waste liquid generated at nuclear power plants and nuclear fuel reprocessing facilities, there is a strong demand for the removal of radioactive cesium Cs137, as it has a long half-life and is the main component of radioactive materials. There is also a demand for the removal of radioactive cesium from contaminated liquids such as seawater and freshwater that are contaminated with radioactive materials.
放射性廃液からセシウムを除去することによって、除去後の残りの廃液の処理が容易になる。放射性物質の大部分を大量の溶液から少量の固形分として分離し、残った廃液を低レベル廃液として処理することができればコストの大幅な節減が期待される。低レベル廃液の残留放射性物質の濃度が十分に低いものとなれば、それをそのまま排出することも可能となる。可能とならない場合であっても、低レベル廃液であれば、危険度が大幅に低下するので、その処理は高レベル廃液の処理よりはるかに容易なものとなる。 Removing cesium from radioactive liquid waste makes it easier to treat the remaining liquid waste. If most of the radioactive material could be separated as a small amount of solids from a large volume of solution and the remaining liquid waste could be treated as low-level waste, significant cost savings could be expected. If the concentration of residual radioactive material in the low-level liquid waste were low enough, it would be possible to discharge it directly. Even if this is not possible, low-level waste is much less dangerous and its treatment is much easier than that of high-level liquid waste.
放射性汚染液から分離されたセシウムは、固形分であれば、濃縮操作が簡便又は不要となる利点があるだけなく、固化して安定化させたり、容器中で保管等の処理をすることが容易となる。 If the cesium separated from the radioactively contaminated liquid is in solid form, it has the advantage that concentration procedures are simplified or unnecessary, and it can be easily solidified and stabilized, or stored in a container, etc.
汚染液からセシウムを除去する方法には、沈殿法及びイオン交換法が知られている。また、フェロシアン酸塩のような鉄のシアノ錯体を使用して、不溶性のフェロシアン化物を吸着剤として使用してセシウムを除去する方法も知られている。 Methods for removing cesium from contaminated liquids include precipitation and ion exchange. Another method is to use iron cyano complexes, such as ferrocyanide, to remove cesium using insoluble ferrocyanide as an adsorbent.
特許文献1は、ヘキサシアノ鉄酸塩を使用して汚染水からセシウムを除去する方法を開示する。 Patent document 1 discloses a method for removing cesium from contaminated water using ferricyanide.
特許文献2は、原子炉冷却水の浄化ラインに設けられる脱塩用イオン交換樹脂塔の上流側において、この冷却水に含まれるセシウム等の陽イオンを選択的に吸着し得る吸着剤によって、放射性核種を吸着し除去することを開示し、この吸着剤として、チタン酸塩、含水酸化チタン又はフェロシアン化物を使用することを開示する。 Patent Document 2 discloses that radionuclides are adsorbed and removed by an adsorbent capable of selectively adsorbing cations such as cesium contained in the cooling water upstream of a desalination ion exchange resin tower installed in the purification line of the reactor cooling water, and discloses that titanate, titanium oxide hydroxide, or ferrocyanide is used as the adsorbent.
特許文献3は、吸着工程で不溶性フェロシアン化物からなる吸着体とセシウム含有水溶液を接触させてセシウムを吸着させ、脱着工程でセシウムを吸着した不溶性フェロシアン化物を酸化力のある脱着剤溶液と接触させて不溶性フェリシアン化物に変化させることによりセシウムを脱着、回収し、生成する不溶性フェリシアン化物を再生剤溶液と接触させることにより不溶性フェロシアン化物に転換するセシウムの回収法を開示する。 Patent Document 3 discloses a method for recovering cesium in which an adsorbent made of insoluble ferrocyanide is brought into contact with a cesium-containing aqueous solution in an adsorption step to adsorb cesium, and in a desorption step, the insoluble ferrocyanide that has adsorbed cesium is brought into contact with an oxidizing desorbent solution to convert it to insoluble ferricyanide, thereby desorbing and recovering cesium, and the resulting insoluble ferricyanide is brought into contact with a regenerant solution to convert it to insoluble ferrocyanide.
特許文献4は、不織布の包材に、バインダーで担持されたフェロシアン化物又はフェリシアン化物と、高吸水性ポリマーパウダーを含むセシウム回収材を開示する、ここで、セシウムの吸着は、フェロシアン化物又はフェリシアン化物が担い、高吸水性ポリマーパウダーは吸水して膨潤する作用が期待されている。 Patent Document 4 discloses a cesium recovery material that contains ferrocyanide or ferricyanide supported by a binder in a nonwoven fabric packaging material, and highly water-absorbent polymer powder. Here, it is expected that the ferrocyanide or ferricyanide will adsorb cesium, and the highly water-absorbent polymer powder will absorb water and swell.
本発明は、入手容易な吸着材を使用して、汚染液中のセシウムを高い選択率で簡便に吸着させることができる放射性セシウムの除去材とそれを使用した除去方法を提供する。 The present invention provides a radioactive cesium removal material that can easily adsorb cesium in contaminated liquid with high selectivity using a readily available adsorbent, and a removal method using the same.
本発明者らは、水溶液中のセシウムを吸着可能な材料について、種々研究を重ねた結果、ある種の吸水性ポリマーが、水溶液中のセシウムを選択的に吸着することを見出し、本発明を完成した。 After extensive research into materials capable of adsorbing cesium in aqueous solutions, the inventors discovered that a certain type of water-absorbent polymer selectively adsorbs cesium in aqueous solutions, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明はポリアクリル酸塩系の吸水性ポリマー吸水性ポリマーからなることを特徴とするセシウム含有汚染水中のセシウム吸着材である。 That is, the present invention is a cesium adsorbent for cesium-containing contaminated water, characterized by being made of a polyacrylate-based water-absorbing polymer.
上記吸水性ポリマーとしては、ポリアクリル酸のアルカリ金属塩が適し、ナトリウム塩又はカリウム塩系のポリマーが特に適する。 As the water-absorbent polymer, an alkali metal salt of polyacrylic acid is suitable, and a sodium or potassium salt-based polymer is particularly suitable.
また、本発明は、セシウム含有汚染水中の電解質濃度を10mmol/L以下とすること、このセシウム含有汚染水に、上記の吸水性ポリマーを加えて、吸水させて含水吸水性ポリマーとすること、含水吸水性ポリマーの水分を蒸発又は留出させて乾燥又はセシウムを濃縮すること、乾燥又は濃縮された含水吸水性ポリマーを燃焼又は圧縮して更に容積を減少させること、容積が減少した燃焼灰又は圧縮物を容器に保管することを特徴とするセシウム含有汚染水の処理方法である。 The present invention also provides a method for treating cesium-containing contaminated water, which comprises reducing the electrolyte concentration in the cesium-containing contaminated water to 10 mmol/L or less, adding the above-mentioned water-absorbing polymer to the cesium-containing contaminated water and allowing it to absorb water to form a water-absorbent polymer, evaporating or distilling the water from the water-absorbent polymer to dry it or concentrate the cesium, burning or compressing the dried or concentrated water-absorbent polymer to further reduce its volume, and storing the reduced-volume combustion ash or compressed material in a container.
本発明によれば、吸水性ポリマーを、セシウム吸着材として使用できるため、入手が容易である。また、吸水性ポリマーは汚染水を多量に吸水するため、吸水後もセシウムの吸着が進行する利点もある。また、セシウムの除去に使用された除去材は水溶液から分離した後、安全に輸送又は保管する必要があるが、本発明の除去材は、乾燥、燃焼又は圧縮が容易であるので、減量化が容易で、容器での長期間の保管に適する。 According to the present invention, water-absorbent polymers can be used as cesium adsorbents, making them easy to obtain. In addition, water-absorbent polymers have the advantage that they can absorb large amounts of contaminated water, and therefore continue to adsorb cesium even after absorbing the water. In addition, the removal material used to remove cesium needs to be safely transported or stored after being separated from the aqueous solution, but the removal material of the present invention can be easily dried, burned, or compressed, making it easy to reduce its weight and suitable for long-term storage in a container.
以下、本発明を説明する。
本発明で処理されるセシウム含有水溶液は、原子炉を始めとする原子力設備から排出される廃液等であり、放射性セシウムで汚染された海水等であってもよく、放射性セシウムを含有する汚染液であれば制限はない。また、放射能で汚染された土壌、瓦礫、構造物等を洗浄して生じる汚染液や土壌からの浸出水であってもよい。セシウムの濃度は、低~高レベルの汚染液であることができるが、セシウムとして、0.0001~100mg/L程度の濃度の汚染液に適する。汚染液中にはセシウム以外の成分が含まれてもよく、特に吸着時に競合する恐れがある吸着阻害物質としてNaClを海水と同程度含む汚染液に対しても優れた効果を奏する。
The present invention will now be described.
The cesium-containing aqueous solution to be treated by the present invention may be wastewater discharged from nuclear facilities such as nuclear reactors, or may be seawater contaminated with radioactive cesium, and is not limited as long as it contains radioactive cesium. It may also be contaminated liquid generated by washing soil, rubble, structures, etc. contaminated with radioactivity, or leachate from soil. The cesium concentration may be low to high, but the present invention is suitable for contaminated liquids with a cesium concentration of about 0.0001 to 100 mg/L. The contaminated liquid may contain components other than cesium, and the present invention is particularly effective for contaminated liquids containing the same amount of NaCl as seawater as an adsorption inhibitor that may compete during adsorption.
本発明のセシウム吸着材は、ポリアクリル酸塩系の吸水性ポリマーからなる。
吸水性ポリマーとしては、ポリアクリル酸ナトリウム塩やポリアクリル酸カリウム塩などが適する。また、吸水性ポリマーが吸水しうる最大吸水率(吸水量g/吸水性ポリマーg)が高いものが好ましく、20~1000程度のものが適する。
The cesium adsorbent of the present invention is made of a polyacrylate-based water-absorbent polymer.
Suitable water-absorbent polymers include sodium polyacrylates and potassium polyacrylates. In addition, the water-absorbent polymers preferably have a high maximum water absorption rate (amount of water absorbed in g/amount of water-absorbent polymer in g), and are preferably about 20 to 1000.
ポリアクリル酸塩系の吸水性ポリマーは、ポリアクリル酸のアルカリ金属塩が網目状につながったものであり、吸水すると-COO(-)とアルカリ金属正イオン(+)に電離し、このときにマイナスイオン同士が反発してできた隙間に大量の水分子を取り込み保持することができるものである。本発明ではこの時に吸水される水分子とともに物理的に汚染水中のセシウムイオンとして取り込むのではなく、ポリアクリル酸塩系の吸水性ポリマーの構造をなすアルカリ金属の正イオン(+)の部分に存在するナトリウムイオン又はカリウムイオンとセシウム含有水中に含まれるセシウムイオンとをイオン化傾向の違い(ナトリウム<カリウム<セシウム)によりイオン交換させて吸着させるものである。従って、多量のナトリウムイオンを含む汚染水で、吸水性樹脂の吸水性能が阻害される場合においてもセシウムの吸着を行うことが可能である。 Polyacrylate-based water-absorbing polymers are made of a network of alkali metal salts of polyacrylic acid, which ionize into -COO (-) and alkali metal positive ions (+) when they absorb water, and can capture and hold a large amount of water molecules in the gaps created by the repulsion of the negative ions. In this invention, the cesium ions in the contaminated water are not physically captured along with the absorbed water molecules, but are adsorbed by ion exchange due to the difference in ionization tendency (sodium < potassium < cesium) between the sodium ions or potassium ions present in the alkali metal positive ions (+) that make up the structure of the polyacrylate-based water-absorbing polymer and the cesium ions contained in the cesium-containing water. Therefore, it is possible to adsorb cesium even when the water-absorbing performance of the water-absorbing resin is impaired by contaminated water containing a large amount of sodium ions.
セシウム吸着材にセシウム含有汚染水を吸水させる方法には制限はないが、含浸法が適する。含水量は吸水性ポリマーの吸水率によって異なるが、最大吸水率の100%以下とすることがよく、50~99%の範囲が好ましい。別の観点からは、吸水性ポリマーの10~1000重量倍、好ましくは20~500重量倍の水を吸水させることが望ましい。
セシウム吸着材には吸水性ポリマー以外の成分を必要により加えてもよいが、フェロシアン化物又はフェリシアン化物等のセシウム除去剤は含まない。
There is no restriction on the method for making the cesium adsorbent absorb cesium-containing contaminated water, but the impregnation method is suitable. The amount of water content varies depending on the water absorption rate of the water-absorbing polymer, but it is good to make it 100% or less of the maximum water absorption rate, and it is preferable to be in the range of 50 to 99%. From another point of view, it is desirable to make the water absorbent polymer absorb 10 to 1000 times by weight, preferably 20 to 500 times by weight of water.
The cesium adsorbent may contain components other than the water-absorbent polymer if necessary, but does not contain cesium removers such as ferrocyanides or ferricyanides.
吸水性ポリマーを加える際には、セシウム含有汚染水中の電解質濃度を、10mmol/L以下、好ましくは5mmol/L以下としたのち、吸水性ポリマーを加えることがよい。電解質濃度が高いと分配率が低下する。ここで、電解質がNaClのような塩の場合は、1molの塩を、1molの電解質として計算する。 When adding the water-absorbing polymer, it is advisable to adjust the electrolyte concentration in the cesium-containing contaminated water to 10 mmol/L or less, preferably 5 mmol/L or less, before adding the water-absorbing polymer. If the electrolyte concentration is high, the distribution rate decreases. Here, if the electrolyte is a salt such as NaCl, 1 mol of salt is calculated as 1 mol of electrolyte.
吸水させて、含水吸水性ポリマーとした後は、この水分を蒸発又は留出させて乾燥又はセシウムを濃縮する。 After absorbing water to form a water-absorbent polymer, the water is evaporated or distilled off to dry or concentrate the cesium.
セシウム含有汚染水を吸水した含水吸水性ポリマーは、次に蒸発又は乾燥処理により、乾燥させる。ここで、乾燥処理は、80℃以下、好ましくは60℃以下で行えば、再度セシウム含有汚染水に加え、吸水することができる。このように乾燥と吸水を繰り返せば、単位重量当たりの吸水性ポリマーに対するセシウムの吸着量は増大する。
また、乾燥は天日乾燥や送風乾燥などでもよく、このような乾燥方法であれば、加熱を最小限とすることも可能である。なお、吸水性ポリマーは低温となると、そして乾燥が進むと、周囲の水分を吸水する特性があるので、吸水性ポリマーの種類や雰囲気の湿度にもよるが、乾燥処理の後半では温度を30℃以上とすることがよい。
The water-absorbent polymer that has absorbed the cesium-containing contaminated water is then dried by evaporation or drying. If the drying process is carried out at 80°C or less, preferably 60°C or less, the polymer can be added to the cesium-containing contaminated water again and absorb water. By repeating drying and water absorption in this way, the amount of cesium adsorbed by the water-absorbent polymer per unit weight increases.
Drying may also be done by sun drying or air drying, and such drying methods make it possible to minimize heating. Note that water-absorbent polymers have the property of absorbing moisture from the surroundings when the temperature drops and as the drying progresses, so it is advisable to keep the temperature at 30°C or higher in the latter half of the drying process, although this depends on the type of water-absorbent polymer and the humidity of the atmosphere.
乾燥処理は、含水吸水性ポリマー中の水分を蒸発させる場合と、留出させる場合がある。蒸発させる場合は、蒸発した水分を排ガスとして排出することがよく、留出させる場合は排水として排出することがよい。 The drying process can involve either evaporating the water in the water-containing absorbent polymer or distilling it off. If evaporation is used, the evaporated water should be discharged as exhaust gas, and if distillation is used, it should be discharged as wastewater.
蒸発により乾燥処理を行う場合は、低温で大気に晒しながらゆっくり蒸発させる方法があるが、大量に処理する場合は、空気のような流通ガスを流しながら蒸発させることがよい。このようにガスを流しながら蒸発させると、排ガス中の水分が十分に希釈され、放射性ガスが微量存在しても、その規制値を満足させることが容易となる。流通ガスを流しながら行う場合は、含水吸水性ポリマーを穴あきの容器や袋に入れて行うことがよい。
また、乾燥が進むと含水吸水性ポリマー中の水分のセシウム濃度が高まるが、これはガス中に移行することはないので、十分に高めることができる。そして、乾燥温度を雰囲気温度より高くする場合は、原発設備の運転又は事故処理で発生する比較的低温の廃熱を有効利用することが可能である。また、流通ガスの湿度を下げることは乾燥を促進するために有効であり、この場合も原発設備の廃熱又は排ガスが使用可能である。乾燥処理時間は、含水吸水性ポリマーの表面積にもよるが1日以上であることがよく、5~15日程度が好ましい。
また、太陽光を利用する自然乾燥法であれば、加熱手段や冷却手段を大幅に簡素化できる利点がある。この場合は、太陽光を取り入れる窓がある屋内や屋外において、上部が開放された容器や袋に含水吸水性ポリマーを入れて、日光が当たるようにして、又は温室効果により温度を上げた屋内として、保存するだけで乾燥を行わせることができる。この乾燥法は、処理時間が長くなり、所定の湿度管理や排ガス管理が必要ではあるが、強制的に乾燥させる場合に比べて、乾燥処理コストが大幅に低減できる。必要であれば、屋内の換気に加熱された空気等を使用することもできる。
When drying by evaporation, one method is to evaporate slowly while exposing it to the atmosphere at low temperature, but when treating a large amount, it is better to evaporate while flowing a gas such as air. When evaporating while flowing gas in this way, the water in the exhaust gas is sufficiently diluted, and even if there is a trace amount of radioactive gas, it is easy to satisfy the regulatory value. When performing drying while flowing gas, it is better to put the water-absorbent polymer in a perforated container or bag.
As the drying progresses, the cesium concentration of the water in the water-containing water-absorbing polymer increases, but this does not migrate into the gas, so it can be increased sufficiently. If the drying temperature is made higher than the ambient temperature, it is possible to effectively use the relatively low-temperature waste heat generated during the operation of nuclear power plants or accident treatment. Reducing the humidity of the circulating gas is also effective in promoting drying, and in this case too, the waste heat or exhaust gas from nuclear power plants can be used. The drying process time should be at least one day, depending on the surface area of the water-containing water-absorbing polymer, and is preferably around 5 to 15 days.
Furthermore, the natural drying method using sunlight has the advantage that the heating and cooling means can be greatly simplified. In this case, drying can be achieved simply by placing the water-containing water-absorbent polymer in an open-topped container or bag indoors or outdoors where there is a window that lets in sunlight, and storing it in sunlight or indoors where the temperature is raised by the greenhouse effect. This drying method requires a long processing time and certain humidity and exhaust gas control, but it can significantly reduce the drying processing costs compared to forced drying. If necessary, heated air can be used for indoor ventilation.
留出により乾燥処理を行う場合は、蒸留装置のような装置を使用してもよく、上記蒸発に使用するような装置を使用してもよい。いずれにしても、発生又は排出されるガスの少なくとも一部は、冷却されて留出し、排水となる。
乾燥処理は、セシウム含有汚染水を吸水させた初期の含水吸水性ポリマーに含まれる水分の80%以上、好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上が除去されるまで行うことがよい。一方、水分除去率が低いと残る含水吸水性ポリマーの体積が増えて保管量が増えることになる。また、燃焼させる場合は、燃焼効率が低下する。
When the drying treatment is carried out by distillation, a device such as a distillation device or a device such as that used for the evaporation may be used. In either case, at least a part of the generated or discharged gas is cooled and distilled to become wastewater.
Drying should be performed until 80% or more, preferably 90% or more, and more preferably 95% or more of the water contained in the initial water-absorbent polymer that absorbed the cesium-containing contaminated water is removed. On the other hand, if the water removal rate is low, the volume of the remaining water-absorbent polymer increases, and the amount of storage increases. In addition, if it is burned, the combustion efficiency decreases.
乾燥処理がなされ、セシウムを吸水性ポリマー中に濃縮して含む濃縮吸水性ポリマーは、規制値を大きく超えるので、これは容器に入れて規制値以下となるまで保管することがよい。有利には、乾燥又は濃縮された含水吸水性ポリマーを燃焼又は圧縮して更に容積を減少させ、容積が減少した燃焼灰又は圧縮物を容器に保管することがよい。乾燥又は燃焼処理によりその体積を大幅に減少させている上、全体として固体であるので、保管が容易である。 After drying, concentrated water-absorbent polymers containing concentrated cesium in them will far exceed the regulated value, so it is best to store them in containers until the volume falls below the regulated value. Advantageously, the dried or concentrated water-absorbent polymer can be burned or compressed to further reduce its volume, and the reduced volume combustion ash or compressed material can be stored in containers. Since the volume has been significantly reduced by drying or burning, and the polymer is solid overall, it can be easily stored.
吸水性ポリマーとしては、典型的には、アクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物が用いられる。その特徴として、ポリマーの100倍から素材によっては1000倍程度の重さの水を保持できること、電解質が含まれると吸水性能が低下するが非電解質を含んでもほぼ変化しないことなどの性質がある。このような特徴があることから、高吸水性ポリマーを用いることによりタンクに処理水を保管する際に固体状にして、液体状よりも漏水のリスクを減らした安全な保管ができること、また、エネルギー不要で、セシウム濃度をコントロールしながら自然蒸発できること、一旦保持されたセシウムは、吸水能力を超えない量であれば新たに水を加えてもポリマー中で比較的安定して保持される。 As the water-absorbing polymer, a cross-linked acrylic acid polymer with partial sodium salt is typically used. Its characteristics include the ability to hold water up to 100 times its weight, or up to 1000 times its weight depending on the material, and the fact that its water-absorbing performance decreases when electrolytes are present, but remains almost unchanged when non-electrolytes are present. Because of these characteristics, by using a highly water-absorbing polymer, treated water can be stored in a tank in a solid form, allowing safe storage with a lower risk of leakage compared to liquid form. It also requires no energy and allows natural evaporation while controlling the cesium concentration, and once cesium is held in the polymer, it remains relatively stable even if new water is added, as long as the amount does not exceed the water-absorbing capacity.
トリチウム等の揮発性放射性核種を含んだ汚染水に、長半減期の放射性セシウムが共存した場合、セシウムを効果的に除去できれば、漏水時の危険や、海洋放出の際の危険を防止できることが期待できる。 When radioactive cesium with a long half-life coexists in contaminated water containing volatile radionuclides such as tritium, it is expected that the dangers of water leakage and ocean release can be prevented if the cesium can be effectively removed.
実施例1
放射性セシウムとして、γ線測定による定量が容易な137Csを用いた。吸水性ポリマーの吸水率および137Cs吸着性能を定量的に評価するためには、水分を含有したポリマーを液体から分離する必要があるため、日本工業規格JIS K 7223-1996「高吸水性樹脂の吸水量試験方法」に準拠した。
吸水性ポリマーとして、市販のTAISAP社製のアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物系吸水性ポリマー(BC-283FHA)を用い、その0.2gを、大きさ6.5cm×9.5cm、底部の最大幅3cmの不織布製のティーバッグとして用いられる袋に予め入れてから、内容積250mLのポリエチレン製ボトルに入れ、容易に分離できるようにした。
このポリエチレン製ボトル中に、電解質として、非放射性の沃化セシウム(高純度化学研究所、純度99%以上)を含む137Cs放射性溶液200mL(Eckert & Ziegler社、Normal Solution、100kBq/mL、塩化セシウム濃度0.05mg/mL)を加え、セシウム濃度を1本あたり2.5mmol/L(比重1.0)とし、137Csの放射能濃度は40Bq/mL、比放射能は16MBq/moLとした。
Example 1
As the radioactive cesium, 137Cs was used, which is easy to quantify by gamma ray measurement. In order to quantitatively evaluate the water absorption rate and 137Cs adsorption performance of the water-absorbent polymer, it is necessary to separate the water-containing polymer from the liquid, so we followed the Japanese Industrial Standard JIS K 7223-1996 "Test method for water absorption of superabsorbent resins".
A commercially available water-absorbent polymer (BC-283FHA) of partially cross-linked acrylic acid polymer (manufactured by TAISAP) was used as the water-absorbent polymer. 0.2 g of the polymer was placed in a non-woven fabric tea bag measuring 6.5 cm x 9.5 cm and 3 cm in maximum width at the bottom, and then placed in a polyethylene bottle with an internal volume of 250 mL to facilitate easy separation.
Into this polyethylene bottle, 200 mL of 137 Cs radioactive solution (Eckert & Ziegler, Normal Solution, 100 kBq/mL, cesium chloride concentration 0.05 mg/mL) containing non-radioactive cesium iodide (High Purity Chemical Laboratory, purity 99% or more) was added as an electrolyte, making the cesium concentration 2.5 mmol/L (specific gravity 1.0) per bottle, the 137 Cs radioactivity concentration 40 Bq/mL, and the specific radioactivity 16 MBq/moL.
このボトルに吸水性ポリマーを入れた袋を浸漬した。137Csをボトル中で平衡状態にするため、ボトルの蓋を閉めて室温で7日間静置した。その後、不織布製の袋の外側にある液体部分をピペットで全て除去し、質量を測定することで吸水した吸水性ポリマーの吸水率(%)を求めた。
除去した液体のうち10mLをゲルマニウム半導体検出器で各試料を20分間測定して液体の137Csの放射能濃度(Bq/kg)を定量し、水溶液中に残存する137Cs量を求めた。吸水後の吸水性ポリマー中の137Cs濃度A(Bq/kg)は、下記式により求めた。
A=B/W
B:ボトルに加えた137Csの放射能(Bq)-水溶液中の137Csの濃度(Bq/kg)×液体の質量(kg)
W:ボトルに加えた水の質量(kg)-液体の質量(kg)
また、これから計算で吸水性ポリマーに吸着した137Csの吸着率を求めた。更に、吸水後の吸水性ポリマー中の137Cs濃度(Bq/kg)を、残存する水溶液中の137Cs濃度(Bq/kg)で除して分配比Dを求めた。
The bag containing the water-absorbing polymer was immersed in the bottle. To allow the 137 Cs to reach equilibrium in the bottle, the bottle was closed and left to stand at room temperature for 7 days. After that, the entire liquid outside the nonwoven bag was removed with a pipette, and the mass was measured to determine the water absorption rate (%) of the water-absorbing polymer that had absorbed water.
The radioactivity concentration (Bq/kg) of 137 Cs in the liquid was quantified by measuring 10 mL of the removed liquid with a germanium semiconductor detector for 20 minutes, and the amount of 137 Cs remaining in the aqueous solution was calculated. The 137 Cs concentration A (Bq/kg) in the water-absorbent polymer after water absorption was calculated using the following formula.
A = B/W
B: Radioactivity of 137 Cs added to the bottle (Bq) - Concentration of 137 Cs in the aqueous solution (Bq/kg) x Mass of the liquid (kg)
W: Mass of water added to the bottle (kg) - Mass of liquid (kg)
The adsorption rate of 137 Cs adsorbed to the water-absorbent polymer was calculated from the above data. Furthermore, the distribution ratio D was calculated by dividing the 137 Cs concentration (Bq/kg) in the water-absorbent polymer after water absorption by the 137 Cs concentration (Bq/kg) in the remaining aqueous solution.
実施例2
ボトルに入れた137Cs放射性溶液のセシウム濃度を5.0mmol/L(比重1.0)とし、137Csの放射能濃度を40Bq/mL、比放射能を8.0MBq/moLとした以外は実施例1と同様な操作を行った。
Example 2
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that the cesium concentration of the 137 Cs radioactive solution placed in the bottle was 5.0 mmol/L (specific gravity 1.0), the radioactivity concentration of 137 Cs was 40 Bq/mL, and the specific activity was 8.0 MBq/moL.
参考例
実施例1と同じ薬品、容器、装置を使用し、セシウム濃度を10mmol/L(比重1.00)とし、137Csの放射能濃度を40Bq/mL、比放射能を4.0MBq/moLとした以外は実施例1と同様な操作を行った。
Reference Example The same procedures as in Example 1 were carried out using the same chemicals, containers, and equipment as in Example 1, except that the cesium concentration was 10 mmol/L (specific gravity 1.00), the 137 Cs radioactivity concentration was 40 Bq/mL, and the specific radioactivity was 4.0 MBq/moL.
結果をまとめて表1に示す。ここで、吸水率は吸水性ポリマーの吸水率であり、残存137Cs量は水溶液中に残存する137Cs量であり、ポリマー中の137Cs量は吸水性ポリマー中の137Cs量であり、137Cs吸着率は吸水性ポリマー中の137Cs吸着率である。 The results are summarized in Table 1. Here, the water absorption rate is the water absorption rate of the water-absorbing polymer, the residual 137 Cs amount is the amount of 137 Cs remaining in the aqueous solution, the amount of 137 Cs in the polymer is the amount of 137 Cs in the water-absorbing polymer, and the 137 Cs adsorption rate is the amount of 137 Cs adsorption in the water-absorbing polymer.
実施例1、2では、分配係数が1以上を示し、溶液中の137Csが溶液中から吸水性ポリマーに吸着することが示される。また、参考例から、電解質濃度を10mmol/L未満とすることにより、吸着性能が向上することが分かる。 In Examples 1 and 2, the distribution coefficient is 1 or more, which indicates that 137Cs in the solution is adsorbed from the solution to the water-absorbent polymer. In addition, it is understood from the reference example that the adsorption performance is improved by setting the electrolyte concentration to less than 10 mmol/L.
また、溶液から物質への飽和吸着能は、吸着サイトに吸着質分子が単分子層吸着すると仮定される場合には、溶液の濃度を変化させて吸着量の変動を求めることで、Langmuir型吸着等温式から求められる。ここで、C:溶液の濃度(電解質中に含まれる非放射性のセシウムと放射性セシウム137Csの合算濃度)、q:単位あたりの吸着量について、実施例1~2および参考例の結果を表2に示す。 In addition, when it is assumed that the adsorbate molecules are adsorbed to the adsorption site in a monolayer, the saturated adsorption capacity from the solution to the substance can be calculated from the Langmuir adsorption isotherm by changing the concentration of the solution to obtain the change in the amount of adsorption. Here, C is the concentration of the solution (the combined concentration of non-radioactive cesium and radioactive cesium- 137Cs contained in the electrolyte), and q is the amount of adsorption per unit. The results of Examples 1 and 2 and the Reference Example are shown in Table 2.
ここで、C:溶液濃度、q:単位あたりの吸着量、K:吸着平衡定数、qm:飽和吸着能とすると、単位あたりの吸着量qは、(飽和吸着能qm ×吸着平衡定数K ×溶液濃度C)を(1+吸着平衡定数K ×溶液濃度C)で除したものとなる。これを式変形すると、C/qはC/qm+1/(qm×K)となる。
つまり、縦軸C/q、横軸CとしたLangmuirプロットをとって直線近似すれば、その傾きの逆数が飽和吸着能となる。
図1にLangmuirプロットを示す。
Here, C is the solution concentration, q is the amount of adsorption per unit, K is the adsorption equilibrium constant, and qm is the saturated adsorption capacity. The amount of adsorption per unit, q, is calculated by dividing (saturated adsorption capacity, qm, x adsorption equilibrium constant, K, x solution concentration, C) by (1 + adsorption equilibrium constant, K, x solution concentration, C). Rearranging this equation, C/q becomes C/ qm + 1/( qm x K).
In other words, if a Langmuir plot is taken with C/q on the vertical axis and C on the horizontal axis and approximated as a straight line, the reciprocal of the slope will be the saturated adsorption capacity.
The Langmuir plot is shown in FIG.
図1から、近似直線は、y=0.3163x+0.4985(r2= 1)となり、傾きの逆数から、本実施例の吸水性樹脂1gのセシウム飽和吸着能は、3.16(mg/g) となり、137Csに換算とすると、10.1GBq/gに相当する。
From FIG. 1, the approximate straight line is y = 0.3163x + 0.4985 ( r2 = 1), and from the reciprocal of the slope, the cesium saturated adsorption capacity of 1 g of the water absorbent resin of this example is 3.16 (mg/g), which is equivalent to 10.1 GBq/g when converted to 137 Cs.
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