JP2013096737A - 活性炭を含む放射性廃棄物の固化方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】低コストで効率的、且つ安定的な焼却処理を可能にする放射性廃棄物、特に粉末状の活性炭に関する集合固化体の製造方法及び集合固化体を提供する。
【解決手段】原子力関連設備で使用した後の粉末状の活性炭を含む放射性廃棄物スラリーと、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリアクリル酸アルカリ土類金属塩及びセルロース系繊維から選択される吸水材とを、該放射性廃棄物スラリーの含有水１００質量部に対して、該吸水材５質量部以下の比率で混合して、該吸水材に該放射性廃棄物の残留水分を吸水させる吸水工程と、吸水後の放射性廃棄物と吸水材との混合物に、軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋から選択される粉末又は粒状の可燃性結合材を、該放射性廃棄物１００質量部に対して１００質量部〜２００質量部の範囲の比率で添加し混合する可燃性結合材添加工程と、吸水後の放射性廃棄物と吸水材と可燃性結合材との混合物を、可燃性結合材の軟化点以上の温度に維持して成形体を成形する工程と、該成形体を冷却し固体化する冷却固化工程と、を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、スラリー状となっている放射性廃棄物の処理技術に関し、特に、粉末活性炭を焼却処理する処理技術に関する。
本発明は、スラリーとなっている放射性廃棄物、特に粉末活性炭を固化体に成形し、焼却する処理技術に関し、原子力発電施設で発生する放射性粉末活性炭の焼却処理技術として有用である。

原子力発電施設などでは、発電施設の運転において発生する放射能を有する液体の処理に粉末状や粒状の活性炭などの水処理剤が使用されている。これら放射性廃棄物のうち一部は焼却処分されているが、特にランドリー設備から出る廃液の処理に使用されている粉末状の活性炭は、使用後はスラリーとなっているため、そのままでは焼却できず、ドラム缶内に保管されたままになっており、その貯蔵量は増加の一途を辿っている。

これまで、粉末状の活性炭の処理方法として、脱水して焼却する方法などが提案されているが、遠心式、真空式、加圧式等の脱水装置が複雑で制御が困難であること、処理コストがかかり過ぎること、安定した運転ができないこと、故障が多いこと、材料上に問題があること、脱水後に焼却する場合に粉塵爆発の危険性があることなどの種々の理由によって実用化されていないか、または実用化されていても問題が多いのが現状である。

放射性廃棄物のうち、廃イオン交換樹脂を簡易に処理する方法として、本発明者らは可燃性結合材と廃イオン交換樹脂を混合、若しくは更にカルシウム塩を加えてブレンドして集合固化体を製造する方法（特許文献１）や、更に、この固化体製造方法においてアクリル酸化合物などの吸水材を添加して安定的に運転する方法を提唱してきた（特許文献２）。この製造方法は、廃イオン交換樹脂に関するものであり、廃イオン交換樹脂の官能基と結合している水和水を吸水する。一方、スラリー状の活性炭を脱水して焼却する方法も提唱されているが、脱水装置は大規模であり、乾燥させ過ぎると粉塵爆発の可能性が否定できないため、処理には問題が残る（特許文献３）。また、活性炭は燃焼速度が遅く、単純な焼却処理は難しい。

特開2005-31060号公報 特開2007-136274号公報 特開平10-239494号公報

本発明の目的は、低コストで効率的、且つ安定的な焼却処理を可能にする放射性廃棄物、特に粉末状の活性炭に関する集合固化体の製造方法及び集合固化体を提供することにある。なお、「集合固化体」とは、可燃性結合材をバインダとして、粉末状の活性炭を結合させてなる集合体を固形化したもの全般を意味する。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究した結果、粉末状の活性炭と、石油ワックスや植物性ワックスなどの比較的低融点で且つ常温で固体である可燃性結合材と、スラリー中に含まれる水分を吸収する吸水材とを加熱しながら混練し、球状、円柱状、角柱状など所望の形状に成形し、冷却することによって、既設の焼却炉に容易に装荷して焼却処理できる放射性廃棄物の固化体を製造できることを知見した。

本発明によれば、原子力関連設備で使用した後の粉末状の活性炭を含む放射性廃棄物スラリーと、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリアクリル酸アルカリ土類金属塩及びセルロース系繊維から選択される吸水材とを、該放射性廃棄物スラリーの含有水１００質量部に対して、該吸水材５質量部以下の比率で混合して、該吸水材に該放射性廃棄物の残留水分を吸水させる吸水工程と、吸水後の放射性廃棄物と吸水材との混合物に、軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋から選択される粉末又は粒状の可燃性結合材を、該放射性廃棄物１００質量部に対して１００質量部〜２００質量部の範囲の比率で添加し混合する可燃性結合材添加工程と、該放射性廃棄物と吸水材と可燃性結合材との混合物を、可燃性結合材の軟化点以上の温度に維持して成形体を成形する工程と、該成形体を冷却し固体化する冷却固化工程と、を含む、放射性廃棄物の集合固化体の製造方法が提供される。

また、本発明によれば、原子力関連設備で使用した後の放射性廃棄物である粉末状若しくは粒状の活性炭１００質量部と、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリアクリル酸アルカリ土類金属塩及びセルロース系繊維から選択される吸水材１０質量部以下と、軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋から選択される粉末又は粒状の可燃性結合材１００質量部〜２００質量部と、を混合してなる、好ましくは５００℃以上で燃焼可能な集合固化体が提供される。

本発明において処理することができるスラリー状の放射性廃棄物としては、原子力発電施設のランドリー設備などで発生する放射性物質や有機物質を含む洗濯廃液などの低レベル放射性廃液の処理に用いた粉末活性炭を含むスラリーを挙げることができる。しかし、これらに限定されず、およそ焼却処理が必要なスラリー状の活性炭を含む放射性廃棄物全般に適用することができる。

原子力関連施設によって異なるが、放射性廃棄物スラリーには粉末活性炭の質量に対して通常２００wt％以上の水が含まれていることが多い。放射性廃棄物スラリーに対して吸水材を直接添加してもよいが、含水量が多い場合には、放射性廃棄物スラリーに含まれる水が１００〜２００wt％になるまで粗水切りを行うことが好ましい。活性炭の場合には、乾燥しすぎると粉塵爆発の危険性があるため、粉塵爆発が生じない程度の水分を含有した状態に維持することが好ましい。粗水切りは、沈殿槽による重力沈降分離式又はメッシュスクリーンを用いた重力ろ過式などの他、機械濃縮装置を用いて行うことができる。

本発明で使用する吸水材としては、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸のアルカリ金属塩、ポリアクリル酸のアルカリ土類金属塩、グアガム誘導体、ポリアルキレンオキサイド及びセルロース系繊維などを好ましく挙げることができ、特に架橋型ポリアクリル酸ナトリウム、架橋型ポリアクリル酸カルシウムが好ましい。

本発明で用いることができる可燃性結合材は、軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である物質であることが好ましく、石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋などを好ましく挙げることができる。石油ワックスとしては、軟化温度範囲が45〜55℃のパラフィンワックス、例えばＪＩＳＫ２２３５に規定されている１２５Ｐ、１３０Ｐ、１３５Ｐ、１４０Ｐ、１４５Ｐ、１５０Ｐ、１５５Ｐなどを好ましく用いることができる。本発明において可燃性結合材を加熱成形する場合には、可燃性結合材を融点に至らない温度での軟化した状態で用いることが好ましい。融点を超えると可燃性結合材の液状化現象が起こり、収量が極端に低下するので好ましくない。可燃性結合材を粉末又は粒状で用いる場合には、１５５Ｐ（粒状、顆粒状、紛状）や１４０Ｐ（顆粒状）が好ましい。なお、パラフィンワックスについて「融点」とは、溶融した試料を既定の条件で放冷したとき、試料の温度降下速度が規定の速度以下となったときの温度である（ＪＩＳＫ２２３５）。

可燃性結合材の含有量は、前記放射性廃棄物１００質量部に対して１００質量部〜２００質量部、特に１５０〜２００質量部の範囲の比率の範囲であることが好ましい。この範囲であれば、粉末状の活性炭と可燃性結合材の混合体は、安定した形状を保つことが可能であり、その上、可燃性結合材の使用量を減少させることができるので経済的観点からも有利である。

本発明による集合固化体の形状、寸法は、特に限定されるものではないが、原子力発電施設などが保有する通常の焼却設備で焼却処理可能な形状、寸法であることが好ましい。焼却炉の投入口を通過する大きさであれば、焼却処理は可能であるが、人による運搬を考慮し20kg以下が好ましい。さらに、本発明の集合固化体は、一般的な原子力発電所が保有する焼却設備で焼却することができる強度を有することが好ましい。集合固化体は、焼却設備に投入する際に大部分が粉砕しない程度の強度、積載時の荷重や、運搬時の重機を使った衝撃に耐える程度の強度を持つことが好ましい。

本方法により得られた集合固化体は、目視確認により、粉末状の活性炭と可燃性結合材とが均一に混合しており、大きな割れ、引け巣がなく、既存の焼却設備に投入しても粉砕せずに必要な寸法を維持できるので、充分に焼却処理可能である。

また、本方法によれば、従来、脱水機や乾燥器を用いていたが、吸水材を添加するだけでよいので、特殊な、高コストな設備が不要で非常に簡便である。
また、可燃性結合材とブレンドした後の集合固化体の成形も、単に放冷するだけで行うことができるので、非常に簡便である。

図１は、実施例１に記載の集合固化体を形成する各工程及び実施例２に記載の燃焼試験状況を示す写真である。

以下、実施例を参照しながら本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

表１に示す重量比率で粉末活性炭に水を加え、模擬活性炭スラリーを調製した。この模擬活性炭スラリーに、吸水材（ポリアクリル酸ナトリウム）を計量添加して混合し、次に可燃性結合材（石油ワックス：日本製蝋（株）社製顆粒状ワックス：PF-155；適性軟化温度範囲45〜55℃）を計量添加して可燃性結合剤を完全に軟化させ、混練して混合物を形成した。混合物を恒温機中で約７５℃で2時間加熱した後、加圧して固化体を作製した。 その結果、粉末活性炭１００質量部に対して可燃性結合材を１００質量部以上、特に１５０〜２００質量部の比率で添加し混合すれば、安定な固化体が製造できることを確認した。

得られた集合固化体の外観や形状を目視により、試料No.4及びNo.5については有意な割れなどがないことを確認し、更に集合固化体を３メートルの高さからコンクリートの平坦な床に自由落下させて、有意な変形やひび割れが生じないことを確認した。

得られた集合固化体の燃焼性を確認した。常圧の小型電気炉を700℃に予熱し、試料No.1-6各３０グラム程度投入したところ、試料No.3〜No.5は、短時間で着火して良好な燃焼状態を示した（図１参照）。さらに、試料No.3〜No.5は、活性炭のみの試料No.6と比較して燃焼後の残渣が半減した。

実際の焼却処理は、大量の空気が常時供給される雰囲気で行われるため、燃焼効率はさらに高くなると考えられる。

本発明によれば、スラリー状の放射性廃棄物、特に粉末状活性炭を既設の焼却設備で焼却処理可能な形態とした集合固化体及びその成形方法及び焼却処理方法が提供される。
本発明の集合固化体は、従来提案されているスラリー状の粉末活性炭の処理方法の問題点、すなわち乾燥処理により水を除去する前処理工程が必要であること；活性炭が粉末状であり粉塵爆発の可能性があること；など焼却処理の困難さなどをすべて解決し、低コストで効率的、且つ安定的な焼却処理を可能にする。

また、本発明によれば、原子力発電施設などにおいて、これまで適切な処理方法がないため大量に保管され、今後も増加することが予測されている放射性廃棄物を可燃性結合材と一緒に集合固化体として成形することにより、各原子力発電施設などが保有している既設の焼却設備を用いて容易に焼却処理可能にする。よって、新規な処理設備又は既設の処理設備を改良するなどの設備投資を伴わずに、大量に保管されている廃棄物を従来の雑固体を焼却する態様で容易に且つ効率的に、低コストで焼却処理可能とする。

Claims (4)

1. 原子力関連設備で使用した後の粉末状の活性炭を含む放射性廃棄物スラリーと、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリアクリル酸アルカリ土類金属塩及びセルロース系繊維から選択される吸水材とを、該放射性廃棄物スラリーの含有水１００質量部に対して、該吸水材５質量部以下の比率で混合して、該吸水材に該放射性廃棄物の残留水分を吸水させる吸水工程と、
   吸水後の放射性廃棄物と吸水材との混合物に、軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋から選択される粉末又は粒状の可燃性結合材を、該放射性廃棄物１００質量部に対して１００質量部〜２００質量部の範囲の比率で添加し混合する可燃性結合材添加工程と、
   吸水後の放射性廃棄物と吸水材と可燃性結合材との混合物を、可燃性結合材の軟化点以上の温度に維持して成形体を成形する工程と、
   該成形体を冷却し固体化する冷却固化工程と、
   を含む、放射性廃棄物の集合固化体の製造方法。
2. 前記成形体は、前記混合物から混錬成形機を用いて形成される、放射性廃棄物の集合固化体の製造方法。
3. 原子力関連設備で使用した後の放射性廃棄物である粉末状若しくは粒状の活性炭１００質量部と、
   ポリアクリル酸、ポリアクリル酸アルカリ金属塩、ポリアクリル酸アルカリ土類金属塩及びセルロース系繊維から選択される吸水材１０質量部以下と、
   軟化点が水の沸点以下で且つ常温で固体である石油ワックス、植物性ワックス、木蝋、白蝋から選択される粉末又は粒状の可燃性結合材１００質量部〜２００質量部と、
   を混合してなる集合固化体。
4. ５００℃以上で燃焼可能である、請求項３に記載の集合固化体。