JP2011214971A

JP2011214971A - 使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置

Info

Publication number: JP2011214971A
Application number: JP2010082861A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Haruguchi; 佳子春口; Ayaka Yasui; 彩加安井; Takeo Yamashita; 雄生山下; Masaaki Kaneko; 昌章金子
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】従来に比べて低コストで効率良く使用済みイオン交換樹脂を処分することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置を提供する。
【解決手段】放射性物質が吸着した使用済みイオン交換樹脂を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、前記使用済みイオン交換樹脂の放射性物質吸着部位であるイオン交換基を酸化剤を用いた酸化反応により不能化することによって、放射性物質を前記使用済みイオン交換樹脂から離脱させるイオン交換基不能化処理工程と、放射性物質を離脱させた前記使用済みイオン交換樹脂と、放射性物質とを分離する分離工程と、放射性物質を分離した前記使用済みイオン交換樹脂を減容する減容工程とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置に関する。

原子力施設の運転廃棄物の1つに使用済みイオン交換樹脂がある。この使用済みイオン交換樹脂は、多量の放射性核種を吸着していることから被ばくへの寄与が大きく、余裕深度処分対象廃棄物としての処理が検討されている。

しかしながら、余裕深度処分対象廃棄体は、処分に費用がかかるため、使用済みイオン交換樹脂すべてを余裕深度処分対象廃棄体として処分すると、処分費用の増大を招き、効率的ではない。

このため、使用済みイオン交換樹脂の処理・処分に当たっては、処分に先立ち、処分対象廃棄物の減容を目的とした技術の開発が行われている。このような技術の一例として、焼却により処理する技術、例えばＩＣプラズマによる焼却処理等が知られている。しかし、この技術では、放射能濃度の高い残渣が発生する。また、ガス系に硫黄分が移行するため、硫黄分を回収することで硫酸塩廃液が発生する等の問題がある。

また、使用済みイオン交換樹脂を超臨界水で完全に分解処理し、放射性核種を溶液の中に閉じ込める技術も開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術の場合、分解処理液の放射性核種の化学分離操作が可能であるため、分離操作を行った後、余裕深度処分対象廃棄物とそれ以外に分けて処分することが可能であり、余裕深度処分廃棄物の減容には効果的である。しかしながら、超臨界水処理には、高温・高圧を担保するための大型の機器が必要となり、コストがかかるという問題がある。

また、使用済みイオン交換樹脂から硫酸によって核種を溶離する処理方法がある（例えば、特許文献２参照。）。この処理方法では、溶離の際に使用する多量の硫酸廃液が発生する。また、中和濃縮を行う工程を設置しているが、処理前の使用済みイオン交換樹脂の廃棄物発生量とほぼ等量であり、減容性が低いという問題がある。

特許第４０１８２５３号公報特開２００３−２３２８９０号公報

上記のように、従来においては、低コストで効率良く使用済みイオン交換樹脂を処分することのできる方法がなく、その開発が求められていた。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、従来に比べて低コストで効率良く使用済みイオン交換樹脂を処分することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置を提供することを目的とする。

本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理方法の一態様は、放射性物質が吸着した使用済みイオン交換樹脂を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、前記使用済みイオン交換樹脂の放射性物質吸着部位であるイオン交換基を酸化剤を用いた酸化反応により不能化することによって、放射性物質を前記使用済みイオン交換樹脂から離脱させるイオン交換基不能化処理工程と、放射性物質を離脱させた前記使用済みイオン交換樹脂と、放射性物質とを分離する分離工程と、放射性物質を分離した前記使用済みイオン交換樹脂を減容する減容工程とを具備したことを特徴とする。

本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理装置の一態様は、放射性物質が吸着した使用済みイオン交換樹脂を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理装置において、前記使用済みイオン交換樹脂の放射性物質吸着部位であるイオン交換基を酸化剤を用いた酸化反応により不能化することによって、放射性物質を前記使用済みイオン交換樹脂から離脱させるイオン交換基不能化処理手段と、放射性物質を離脱させた前記使用済みイオン交換樹脂と、放射性物質とを分離する分離手段と、放射性物質を分離した前記使用済みイオン交換樹脂を減容する減容手段とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて低コストで効率良く使用済みイオン交換樹脂を処分することのできる使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る使用済みイオン交換樹脂の処理方法の原理を説明するための概略図であり、（ａ）は放射性物質を吸着した状態を示す概略図、（ｂ）はイオン交換基不能化処理を行った状態を示す概略図。本発明の一実施形態の工程を示すフロー図。酸化剤に対する有機物の分解率を調べた結果を示すグラフ。（ａ）〜（ｃ）は各々酸化試験後のイオン交換樹脂の状態を示す写真。酸化試験後のイオン交換樹脂のＣｏ吸着率を調べた結果を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る使用済みイオン交換樹脂の処理装置の概略構成を模式的に示す概略図。

以下、本発明の使用済みイオン交換樹脂の処理方法及び処理装置の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。

本実施形態では、多量の使用済みイオン交換樹脂を余裕深度処分対象廃棄物外とするために、使用済みイオン交換樹脂に捕捉されている放射性物質（イオン交換樹脂に高線量率をもたらすＣｏ−６０等の放射性核種）を取り除く。

具体的には、放射性核種の吸着部位であるイオン交換基を不能化させ、イオン交換樹脂を中性化するものであり、具体的な不能化処理方法としては、酸化分解処理を用いる。イオン交換基の不能化処理により、使用済みイオン交換樹脂から放射性物質を離脱させることが可能となり、大量の余裕深度処分対象廃棄物である使用済みイオン交換樹脂を、例えば浅地中処分相当の低放射性のイオン交換樹脂に変換できる。

また、使用済みイオン交換樹脂から離脱させたＣｏ−６０等の放射性物質は、イオン交換樹脂骨格から廃液として分離し（液相を回収）、必要に応じて濃縮、あるいは希釈の上、余裕深度処分対象廃棄体として処理することができる。これにより、余裕深度処分対象廃棄物量を減容することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る使用済みイオン交換樹脂の処理方法の原理を説明するための図であり、図２は、一実施形態の工程を示すフロー図である。

図１（ａ）に示すように、使用済みイオン交換樹脂（混床／単床）１００には、放射性核種（放射性物質）１０２（図１（ａ）中の下部に示すＡ，Ｂ）が吸着されている。本実施形態では、まず、この使用済みイオン交換樹脂１００のイオン交換基（官能基）を、反応容器内部で反応用液体（酸化剤を含む溶液）と混合して酸化分解させ、不能化する（官能基を離脱させて電気的に中性化する）イオン交換基不能化処理工程を行う（図２のステップ２０１）。

上記イオン交換基不能化処理工程は、酸化剤として、例えば、後述する過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）及び触媒としての硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）、又は、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）等を用いて行うことができる。この場合、処理温度は、例えば１００℃以下（例えば８０℃程度）とすることが好ましい。また、処理時間は、２時間以上程度とすることが好ましい。

図１（ｂ）に示すように、イオン交換基不能化処理工程を経た処理済イオン交換樹脂１００ａは、放射性核種１０２が離脱した状態となる。なお、このような放射性核種１０２としては、例えば、使用済みイオン交換樹脂１００に高線量率をもたらすＣｏ−６０等が含まれている。

そして、イオン交換基不能化後、使用済みイオン交換樹脂から離脱した放射性核種１０２を含む廃液１０３と、放射性核種脱離後の処理済みイオン交換樹脂（骨格）１００ａとを分離する（図２のステップ２０２）。

放射性核種を離脱させた処理済みイオン交換樹脂１００ａは、減容し（図２のステップ２０３）、固化して（図２のステップ２０４）、比較的低レベルの浅地中処分対象廃棄物として処分する（図２のステップ２０５）。

一方、Ｃｏ−６０等の放射性核種１０２を含む廃液１０３は、中和し（図２のステップ２０６）、濃縮し（図２のステップ２０７）、固化して（図２のステップ２０８）、比較的高レベルの余裕深度処分対象廃棄物として処分する（図２のステップ２０９）。

図３は、有機物に対する酸化分解性能の高い酸化剤を選定するために、有機物（エタノール）を用いて各種の酸化剤の分解率を調べた結果を示すグラフである。試験では過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）を用いる場合は硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を触媒として用いている。図３に示される試験結果からは、酸化剤として過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）が有効であることがわかる。また、この結果から、過硫酸ナトリウム等の過硫酸塩、過マンガン酸ナトリウム等の過マンガン酸塩でも同様の効果が得られると考えられる。

次に、上記した過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）を酸化剤として用いたイオン交換樹脂のイオン交換基の酸化分解試験を行った。この酸化分解試験では、イオン交換樹脂（商品名：アンバーライト（オルガノ製））のアニオン・カチオンの混床イオン交換樹脂を３．３ｇ用いた。

イオン交換水を４０ｍｌ用いた場合（Ｎｏ.１）と、イオン交換水３０ｍｌに硫酸（１/６ｃｏｎｃ）を１０ｍｌ加えたものを用いた場合（Ｎｏ.２）を比較条件に用いた。そして、イオン交換水のみ及びイオン交換水に硫酸を加えた溶液に、酸化剤として、過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）と硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を加えた条件と、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）を加えた条件について酸化分解試験を行った。酸化分解試験は、温度８０℃の恒温槽に２時間放置することにより行い、その後のイオン交換樹脂の状況を目視により確認した。この試験条件を、以下の表1に示す。

酸化分解試験後のイオン交換樹脂の外観写真を図４に示す。図４（ａ）の左側に示されるように、イオン交換水のみの場合（Ｎｏ.１）、及び図４（ｂ）の左側に示されるように、硫酸溶液のみの場合（Ｎｏ.２）は、イオン交換樹脂に変化がないことを確認できた。

これと比較して、図４（ａ）の右側及び図４（ｂ）の右側に示されるように、過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）及び硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を添加した場合（Ｎｏ.３、Ｎｏ.４）は、イオン交換樹脂のかさが低くなっていることを確認できた。

また、図４（ｃ）に示されるように、過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ_４）を添加した場合（Ｎｏ.５、Ｎｏ.６）は、イオン交換樹脂のかさも低く、溶液も黒くなっていることから、明らかにイオン交換基も含めた基材が分解していることを確認できた。

次に、酸化反応によるイオン交換基の不能化を確認するために、上記の酸化分解試験後のイオン交換樹脂を用いて、Ｃｏの吸着試験を行った。上記の酸化分解試験の結果から、イオン交換水に過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）と硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を加えた条件が、最もイオン交換基の不能化が低い可能性があることから、Ｃｏの吸着試験にはこの条件で酸化分解試験を行った後のイオン交換樹脂を用いた。

吸着試験は、酸化分解試験後のイオン交換樹脂を固液分離により回収し、イオン交換水で３回洗浄したのち、これに１ｍmol／ＬのＣｏＳＯ_４溶液を２０ｍｌ加えた。室温（約２５℃）にて３時間静置した後、上澄みを回収し、当該液中のＣｏイオン濃度をＩＣＰ発光分光分析法により定量することで、イオン交換樹脂の性能逸失を評価した。

この結果、イオン交換水のみで処理を行った後のイオン交換樹脂（Ｎｏ.１）では、液相中のＣｏ濃度が０．０２５ｍmol／Ｌとなり、液相中のＣｏイオンを９５％以上吸着していることを確認できた。これに対して、イオン交換水に過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）と触媒としての硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を加えて酸化処理を行った後のイオン交換樹脂（Ｎｏ.３）では、液相中のＣｏイオン濃度は０．４８ｍmol／Ｌとなり、吸着容量が低下していることを確認できた。

イオン交換水のみで処理を行った場合（Ｎｏ.１）と比較して、イオン交換水に過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）と触媒としての硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を加えて酸化処理を行った後のイオン交換樹脂（Ｎｏ.３）のＣｏイオン吸着能は、５０％程度低減されていることが確認できた。このことから、酸化剤による酸化処理により、イオン交換基の分解が可能であることが確認できた。なお、この際、樹脂本体の形状は変化しないため、樹脂本体と廃液とを容易に固液分離できる。使用済みイオン交換樹脂に対して同様の酸化処理を行うことで、交換基の不能化が促進され、捕捉されている放射性核種が使用済みイオン交換樹脂より離脱される。

図６に、本発明の一実施形態に係る使用済イオン交換樹脂の処理装置の概略構成を模式的に示す。この使用済イオン交換樹脂の処理装置は、放射性物質（放射性核種）を捕捉した使用済みイオン交換樹脂を貯留するための使用済みイオン交換樹脂貯留槽１と、酸化剤を貯留する薬液タンク、本実施形態では硝酸銀（ＡｇＮＯ_３）を貯留する薬液タンク２と、過硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_８）を貯留する薬液タンク３を備えており、これらは、ヒーター４を備え、イオン交換基不能化処理工程（酸化分解処理工程）を行う反応槽５に接続されている。

反応槽５の下部には、イオン交換樹脂の官能基とともに脱離した放射性核種を含む廃液と処理済イオン交換樹脂を分離する固液分離機６が設けられている。この固液分離機６は、分離フィルタ等から構成されている。

また、この固液分離機６には、廃液９を中和するための中和剤を貯留する中和剤タンク１０が接続されるとともにヒーター８を有し廃液９を濃縮減容するための濃縮槽７と、処理済イオン交換樹脂１２を減容するための減容装置１１が接続されている。減容装置１１では、放射性核種を離脱させたイオン交換樹脂骨格を、焼却等により減容し、この上で浅地中処分対象廃棄物として処理（一例としてセメント固化がある）する。

放射性核種を含む廃液９は、濃縮槽７内で濃縮され、また必要に応じて中和等の固化前処理がなされたうえで、余裕深度処分対象廃棄物として処理（一例としてセメント固化がある）される。

１……使用済みイオン交換樹脂貯留槽、２，３……薬液タンク、４……ヒーター、５……反応槽、６……固液分離機、７……濃縮槽、８……ヒーター、９……廃液（樹脂官能基分解物、放射性核種）、１０……中和剤タンク、１１……減容装置、１２……処理済樹脂。

Claims

放射性物質が吸着した使用済みイオン交換樹脂を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理方法において、
前記使用済みイオン交換樹脂の放射性物質吸着部位であるイオン交換基を酸化剤を用いた酸化反応により不能化することによって、放射性物質を前記使用済みイオン交換樹脂から離脱させるイオン交換基不能化処理工程と、
放射性物質を離脱させた前記使用済みイオン交換樹脂と、放射性物質とを分離する分離工程と、
放射性物質を分離した前記使用済みイオン交換樹脂を減容する減容工程と
を具備したことを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項１記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記酸化剤として、過硫酸塩を用いることを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項２記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記過硫酸塩として、過硫酸カリウム又は過硫酸ナトリウムのいずれかを用いることを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項２又は３記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
硝酸銀を酸化触媒として用いることを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項１記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記酸化剤として、過マンガン酸塩を用いることを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項５記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記過マンガン酸塩として、過マンガン酸カリウム又は過マンガン酸ナトリウムのいずれかを用いることを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項１〜６いずれか１項記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
イオン交換基を酸化反応によって不能化する際に、前記使用済みイオン交換樹脂と前記酸化剤との接触時間を２時間以上とすることを特徴とする使用済み樹脂イオン交換樹脂の処理方法。
請求項１〜７いずれか１項記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
イオン交換基を酸化反応によって不能化する際に、前記使用済みイオン交換樹脂と前記酸化剤との接触を１００℃以下に加熱した温度条件下行う
ことを特徴とする使用済み樹脂イオン交換樹脂の処理方法。
請求項１〜８いずれか１項記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記分離工程では、使用済みイオン交換樹脂と放射性物質を含む廃液とを、分離フィルタを用いた固液分離によって分離することを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項９記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記固液分離から得られる廃液を、中和処理及び濃縮後、セメント固化することを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
請求項９又は１０記載の使用済みイオン交換樹脂の処理方法であって、
前記固液分離から得られる使用済みイオン交換樹脂を、減容後、セメント固化することを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理方法。
放射性物質が吸着した使用済みイオン交換樹脂を処理する使用済みイオン交換樹脂の処理装置において、
前記使用済みイオン交換樹脂の放射性物質吸着部位であるイオン交換基を酸化剤を用いた酸化反応により不能化することによって、放射性物質を前記使用済みイオン交換樹脂から離脱させるイオン交換基不能化処理手段と、
放射性物質を離脱させた前記使用済みイオン交換樹脂と、放射性物質とを分離する分離手段と、
放射性物質を分離した前記使用済みイオン交換樹脂を減容する減容手段と
を具備したことを特徴とする使用済みイオン交換樹脂の処理装置。