JP2013202513A - Device for condensing water including radioactive material using zeolite membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射性物質含有水等の処理方法と装置に関し、さらに詳しくは、耐水性・耐酸性・耐アルカリ性・耐熱性・耐放射線性を有するゼオライト膜を用いて、放射性物質等を含有する廃水を処理して実質的に該放射性物質を含まない除染・浄化水を取得回収すると共に、該放射性物質を濃縮するプロセスと装置、およびゼオライト膜を用いて温度の高い放射性物質等含有水の冷却や定温維持を図ると共に、実質的に該放射性物質を含まない除染・浄化水を取得回収するプロセスと装置に関する。 The present invention relates to a treatment method and apparatus for radioactive substance-containing water, and more specifically, waste water containing radioactive substance and the like using a zeolite membrane having water resistance, acid resistance, alkali resistance, heat resistance, and radiation resistance. Process, equipment and process for concentrating the radioactive material, and cooling of water containing high-temperature radioactive material etc. using a zeolite membrane The present invention relates to a process and an apparatus for obtaining and collecting decontaminated / purified water that substantially maintains a constant temperature and substantially does not contain the radioactive substance.
原子力発電所等で発生する放射性物質を含有する水溶液の処理に関しては、イオン交換樹脂等のイオン交換物質、モルデナイト等のゼオライト物質、スメタイト等の粘土物質、その他各種の吸着材を用いて該放射性物質を吸着・除去する方法や、凝集剤を加えて放射性物質を直接凝集沈殿あるいは凝集浮上させるか、凝集沈殿あるいは凝集浮上する物質と共に放射性物質を共沈あるいは吸着させて除去する方法などが提案あるいは実用化されている(非特許文献1)。 Regarding the treatment of aqueous solutions containing radioactive substances generated at nuclear power plants, etc., ion exchange substances such as ion exchange resins, zeolite substances such as mordenite, clay substances such as smite, and other various adsorbents Proposal or practical use include a method for adsorbing and removing radioactive materials, a method in which a radioactive substance is directly aggregated and precipitated or floated by adding a flocculant, or a radioactive substance is coprecipitated or adsorbed together with a substance that is aggregated and precipitated or aggregated (Non-Patent Document 1).
また、放射性物質を含有する水溶液を高分子製逆浸透膜等で加圧ろ過することにより、該放射性物質の濃縮を図ると共に、放射性物質を含まない浄化水を回収する方法なども提案あるいは実用化されている。
これらの方法は何れも、溶解性物質の主成分が放射性物質でありその含有量が比較的少ない水溶液に対してはかなり有効な処理方法である。しかし、福島第1原子力発電所の津波被災事故で発生した海水等を含む高放射性廃水のように、放射性物質以外の物質をかなり多量に含む放射性物質含有水溶液を処理対象とする場合などでは、共存物質の存在が吸着効果等を阻害して該放射性物質の除去効率をかなり低下させ、放射性物質のみならず溶存物質もほとんど含まない浄化された水を高回収率で取得回収することは実質的にかなり困難である。
We also propose or put into practical use a method for concentrating the radioactive substance by pressure filtration of an aqueous solution containing the radioactive substance through a polymer reverse osmosis membrane, etc., and collecting purified water that does not contain the radioactive substance. Has been.
Any of these methods is a treatment method that is quite effective for an aqueous solution in which the main component of the soluble substance is a radioactive substance and its content is relatively small. However, coexistence is required when treating radioactive material-containing aqueous solutions that contain a large amount of substances other than radioactive substances, such as highly radioactive wastewater containing seawater, etc., generated by the tsunami disaster at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. The presence of substances impedes the adsorption effect, etc., significantly reducing the removal efficiency of the radioactive substances, and it is substantially impossible to acquire and recover purified water that contains almost no dissolved substances as well as radioactive substances. It is quite difficult.
このため、前記福島第1原子力発電所の津波被災時アクシデントで大量に発生した放射性廃水の処理においては、先ず吸着法や凝集沈殿法等で放射性物質を除去あるいは低減化し、共存物質は高分子膜を用いる逆浸透プロセスで別途に除去・濃縮するハイブリッドプロセスが採用されている(非特許文献2)。
しかし、海水濃度に近い共存物質を含む前記福島第1原子力発電所における廃水などでは浸透圧が高いため、浸透圧以上の加圧が必須条件である逆浸透(RO)プロセスにおいては、膜を透過させて浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、膜を透過しない溶存物質を高倍率に濃縮することは原理的に困難である。因みに、海水の浸透圧は約2.5MPaで、逆浸透法の操作圧は通常5〜6MPa程度であるため、このようなケースにおける水回収率は高々50%程度しか期待できない。換言すれば、膜透過しない溶存物質の濃縮倍率は2倍以下と言うことである。
For this reason, in the treatment of radioactive wastewater generated in large quantities by the accident at the time of the tsunami at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, the radioactive material is first removed or reduced by the adsorption method or the coagulation sedimentation method. A hybrid process is separately employed which is separately removed and concentrated in a reverse osmosis process using slag (Non-Patent Document 2).
However, because the osmotic pressure of the wastewater at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station containing coexisting substances close to seawater concentration is high, the reverse osmosis (RO) process, which requires more than the osmotic pressure, permeates the membrane. In principle, it is difficult to obtain and recover the purified water at a high recovery rate and to concentrate dissolved substances that do not permeate the membrane at a high magnification. Incidentally, since the osmotic pressure of seawater is about 2.5 MPa and the operating pressure of the reverse osmosis method is usually about 5 to 6 MPa, the water recovery rate in such a case can be expected to be only about 50%. In other words, the concentration factor of the dissolved substance that does not permeate the membrane is 2 times or less.
さらに、吸着法を利用する場合、共存物質の存在による吸着効率の低下が吸着材の使用量を増加させる。また、逆浸透膜は現状では高分子製のものしか存在せず、濃縮等により放射線量が高くなるほど高分子膜の劣化が激しくなりその消耗も増えるため、何れも結果的に放射性最終廃棄物の発生量をかなり増加させることになる。
逆浸透法以外の膜分離プロセスとしては、膜蒸留法や浸透気化法を利用する装置やプロセス等がいくつか提案されている。膜蒸留法は、膜内の孔の中に液相の水溶液を浸入させず気相が保たれる疎水性の高分子多孔質膜等を用いて水蒸気を膜透過させるプロセスで、膜透過の駆動力が水蒸気圧差であることなど本発明で活用する浸透気化法と形態的には類
似したプロセスであるが、浸透気化膜が水とエタノールなどとの分子オーダーでの分離機能を有するのに対し、膜蒸留法で使用する疎水性多孔質膜の孔径は少なくとも0.1マイクロメーター(μm)以上と大きく、このような蒸発成分に対する分離機能は全くない。しかし、放射性物質含有水の濃縮等への応用に関しては、特許文献1、特許文献2などいくつか提案例がある。いずれも疎水性の高分子多孔質膜を用いているため、高い耐放射線性を期待することは困難で、高温や高放射線量の放射性物質含有水溶液の処理への適用には限界がある。しかも実際には、親水性物質による膜汚染などにより膜の疎水性を維持することが困難となり、水蒸気のみを優先的に膜透過させる膜蒸留作用の長時間維持が困難であるのが実情で、現時点では膜の疎水性を長時間保てる実用的な膜蒸留膜は、高分子製およびセラミックス製とも、いまだ開発されていない。
Furthermore, when the adsorption method is used, a decrease in adsorption efficiency due to the presence of coexisting substances increases the amount of adsorbent used. In addition, reverse osmosis membranes are currently only made of polymers, and as the radiation dose increases due to concentration, etc., the degradation of the polymer membrane becomes more severe and its consumption increases. The amount generated will increase considerably.
As a membrane separation process other than the reverse osmosis method, several apparatuses and processes using a membrane distillation method and a pervaporation method have been proposed. Membrane distillation is a process that permeates water vapor using a hydrophobic polymer porous membrane that keeps the gas phase without penetrating a liquid aqueous solution into the pores in the membrane. It is a process that is similar in form to the pervaporation method utilized in the present invention, such as the difference in water vapor pressure, while the pervaporation membrane has a separation function in the molecular order of water and ethanol, The pore size of the hydrophobic porous membrane used in the membrane distillation method is as large as at least 0.1 micrometer (μm) or more, and there is no separation function for such an evaporated component. However, there are some proposals such as Patent Document 1 and Patent Document 2 regarding application to concentration of radioactive substance-containing water. In any case, since a hydrophobic polymer porous membrane is used, it is difficult to expect high radiation resistance, and there is a limit to application to treatment of aqueous solutions containing radioactive substances at high temperatures and high radiation doses. Moreover, in reality, it is difficult to maintain the hydrophobicity of the membrane due to membrane contamination due to hydrophilic substances, etc., and it is difficult to maintain the membrane distillation action for a long time, which allows only water vapor to permeate through the membrane. At present, practical membrane distillation membranes that can maintain the hydrophobicity of the membrane for a long time have not yet been developed for both polymers and ceramics.
本発明と同様に高い耐放射線性が期待される親水性無機多孔質膜を用いる浸透気化法の適用に関しても、特許文献3、特許文献4などの提案例がある。特許文献3は、細孔径が20Å(2nm)程度の親水性無機多孔質膜を用いて放射性スラッジ等放射性廃棄物から水分の分離・除去を図ろうとする装置構造に関する提案で、使用する浸透気化膜の作製例とそれらを装備する装置構造については記載されているが、共存微細粒子の除去や膜透過水蒸気の捕集等に関する具体的な適用方法に関する記載は全くない。使用する浸透気化膜については特に特定されてはいないが、実施例では細孔径2μm程度の多孔製アルミナ基材の表面にアルミナゾル薄膜を塗布して細孔径20Å(2nm)程度の多孔質層を形成させた全アルミナ製の親水性多孔質膜が用いられている。ゾル層の焼成については特に記述がないが、焼成がなければ化学的に不安定で高温の放射性水溶液への適用は困難であり、焼成されていれば親水性が低下し水蒸気の透過性能がかなり低くなる。 As with the present invention, there are also proposals such as Patent Document 3 and Patent Document 4 regarding application of the pervaporation method using a hydrophilic inorganic porous membrane that is expected to have high radiation resistance. Patent Document 3 proposes an apparatus structure for separating and removing moisture from radioactive waste such as radioactive sludge using a hydrophilic inorganic porous membrane having a pore diameter of about 20 mm (2 nm). However, there is no description regarding a specific application method relating to removal of coexisting fine particles, collection of membrane permeated water vapor, and the like. The pervaporation membrane used is not particularly specified, but in the examples, an alumina sol thin film is applied to the surface of a porous alumina substrate having a pore diameter of about 2 μm to form a porous layer having a pore diameter of about 20 mm (2 nm). An all-alumina hydrophilic porous membrane is used. Although there is no particular description about the firing of the sol layer, it is difficult to apply to a radioactive aqueous solution that is chemically unstable and high temperature without firing, and if it is fired, the hydrophilicity decreases and the water vapor transmission performance is considerable. Lower.
特許文献4は、浸透気化膜による放射性廃液の濃縮と、膜の閉塞抑制目的で中空糸膜フィルターあるいは疎水性多孔質膜をプレフィルターとして微細ろ過を行うことを特定した提案である。使用分離膜は特に特定されていないが、実施例では高分子製の非多孔性浸透気化膜と、プレフィルターとして高分子製中空糸フィルタの使用が記載されており、いずれも高分子膜であるため100℃以上の高温の放射性物質含有水への適用等は困難である。また、微細ろ過用の疎水性多孔質膜についても、前記の膜蒸留で使用される疎水性の高分子製多孔質膜以外の記載はない。 Patent Document 4 is a proposal that specifies that microfiltration is performed using a hollow fiber membrane filter or a hydrophobic porous membrane as a pre-filter for the purpose of concentrating radioactive waste liquid with a pervaporation membrane and suppressing the blockage of the membrane. The separation membrane used is not particularly specified, but in the examples, the use of a polymer non-porous pervaporation membrane and the use of a polymer hollow fiber filter as a prefilter is described, both of which are polymer membranes For this reason, it is difficult to apply to high temperature radioactive substance-containing water at 100 ° C. or higher. Moreover, there is no description about the hydrophobic porous membrane for microfiltration other than the hydrophobic polymer porous membrane used in the membrane distillation.
放射性物質含有廃水の処理等においては、放射性物質と共存物質を各々効果的に分離すると共に、これらの溶解性物質を除去した浄化水をできるだけ多く回収すると共に、該放射性物質をできるだけ濃縮することが要求され、且つ処理により発生する濃縮水や放射性
の最終廃棄物の容量・重量ができるだけ小さくなることが要求されている。また、既往の冷却システムが利用困難な原子力発電所のアクシデント発生時等においては、高温の放射性物質含有水の効率的な冷却や、核燃料中の残存放射性物質による発熱が問題となる核燃料プール水の効率的な定温維持等が要求されている。
In the treatment of wastewater containing radioactive materials, it is possible to effectively separate the radioactive materials and coexisting materials from each other, collect as much purified water from which these soluble materials have been removed as possible, and concentrate the radioactive materials as much as possible. It is required that the volume and weight of concentrated water and radioactive final waste generated by processing be as small as possible. In addition, in the event of an accident at a nuclear power plant where the existing cooling system is difficult to use, efficient cooling of high-temperature radioactive material-containing water and nuclear fuel pool water where heat generation due to residual radioactive material in the nuclear fuel becomes a problem Efficient constant temperature maintenance is required.
本発明者らは、上記目的を達成するために種々の検討を重ねた結果、以下のような装置によって、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の要旨は、下記に示すとおりである。
(1)SiO2/Al2O3モル比が3以上であるゼオライトを含むゼオライト膜を内装する膜モジュールと、被処理液を前記膜モジュールに供給するためのポンプと、膜透過水蒸気を捕集・回収するための装置、および金属製あるいはセラミックス製の微細ろ過装置を有することを特徴とする膜分離装置。
(2)ゼオライト膜が、T型ゼオライト膜、またはチャバサイト型ゼオライト膜、またはMFI型ゼオライト膜、FAU型ゼオライト膜、MOR型ゼオライト膜であることを特徴とする(1)記載の装置。
(3)微細ろ過装置が、金属製であり、30μm以上の微細粒子を分離除去できる機能を有することを特徴とする(1)または(2)記載の装置。
(4)被処理水が膜モジュールに達する前に加熱するための加熱装置を装備する(1)〜(3)のいずれか1項に記載の装置。
(5)耐放射線性を有する金属製の濃縮水用タンクと、金属製あるいはプラスチック製の浄化水用タンクとを有する(1)〜(4)のいずれか1項に記載の装置。
(6)ゼオライト膜で濃縮処理された処理水を被処理水として再び循環供給するための配管と、その戻し量を調節する制御弁を装備することを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の装置。
(7)ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備した(1)〜(6)のいずれか1項に記載の装置。
(8)エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することを特徴とする(7)記載の装置。
(9)膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることを特徴とする(7)または(8)に記載の装置。
(10)処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することを特徴とする(1)〜(9)のいずれか1項に記載の装置。
(11)(1)〜(10)のいずれか1項に記載の装置を用いて、放射性物質含有水の濃縮を行うことを特徴とする水の除染プロセス。
(12)酸性あるいはアルカリ性水溶液を用いて放射能汚染土壌から放射性物質を分離除去した土壌除染廃水の濃縮と放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することを特徴とする(11)に記載のプロセス。
(13)浸透気化(PV)プロセスにおける潜熱移動作用を利用して、温度の高い放射性物質含有水溶液あるいは放射能を有する機器等に接触した熱水等の温度低下や、発熱性物質に接する放射性物質含有水の定温維持を図ると共に、該放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することを特徴とする(11)または(12)に記載のプロセス。
As a result of various studies to achieve the above object, the present inventors have found that the above problems can be solved by the following apparatus, and have completed the present invention.
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A membrane module including a zeolite membrane containing zeolite having a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 3 or more, a pump for supplying a liquid to be treated to the membrane module, and collecting membrane-permeated water vapor A membrane separation apparatus comprising an apparatus for recovery and a microfiltration apparatus made of metal or ceramics.
(2) The apparatus according to (1), wherein the zeolite membrane is a T-type zeolite membrane, a chabasite-type zeolite membrane, an MFI-type zeolite membrane, a FAU-type zeolite membrane, or an MOR-type zeolite membrane.
(3) The apparatus according to (1) or (2), wherein the microfiltration apparatus is made of metal and has a function of separating and removing fine particles of 30 μm or more.
(4) The apparatus according to any one of (1) to (3), which is equipped with a heating device for heating before the water to be treated reaches the membrane module.
(5) The apparatus according to any one of (1) to (4), including a metal concentrated water tank having radiation resistance and a metal or plastic purified water tank.
(6) Equipped with piping for recirculating and supplying treated water concentrated with zeolite membrane as treated water, and a control valve for adjusting the return amount thereof (1) to (5) The apparatus of any one of Claims.
(7) The apparatus according to any one of (1) to (6), which is equipped with an ejector device that sucks and collects water vapor that has passed through the zeolite membrane and has been decontaminated and purified.
(8) The apparatus according to (7), wherein the aqueous solution discharged from the ejector is reused as working water for the ejector.
(9) A cooling device for cooling the working water of the ejector is provided in order to keep the working water vapor pressure of the ejector used for sucking and collecting the membrane permeating water vapor low (7) or (8) ) Device.
(10) The apparatus according to any one of (1) to (9), wherein the apparatus is equipped with a device for removing radioactive substances by an adsorption method, an agglutination method, or a dialysis method alone or a combination of a plurality of methods for the purpose of suppressing a high radiation dose of the treatment system. The apparatus of any one of Claims.
(11) A decontamination process of water characterized in that the radioactive substance-containing water is concentrated using the apparatus according to any one of (1) to (10).
(12) Concentrating soil decontamination wastewater obtained by separating and removing radioactive substances from radioactively contaminated soil using an acidic or alkaline aqueous solution, and acquiring and recovering purified water substantially free of radioactive substances (11) The process described in
(13) Utilizing the latent heat transfer action in the pervaporation (PV) process, the temperature of the hot water contacted with high temperature radioactive substance-containing aqueous solution or radioactive equipment, etc., or the radioactive substance in contact with the exothermic substance The process according to (11) or (12), wherein the temperature of the contained water is maintained and the purified water substantially free of the radioactive substance is obtained and recovered.
そこで本発明は、100℃以上の高温でも安定な分離機能を発現する耐熱水・耐酸・耐アルカリ・耐放射線性に優れたセラミック製のゼオライト膜が有する浸透気化(PV)分離機能を利用することにより、処理対象とする被非処理水中に含まれる放射性物質と共存物質を実質的に含まない浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、該放射性物質と共
存物質の高度濃縮を図る装置およびプロセスを提供する。
また、該ゼオライト膜の浸透気化分離機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下を図る冷却や、使用済み核燃料を保存する燃料プール水の冷却維持等を効率的に行うことができる装置およびプロセスを提供する。
Therefore, the present invention utilizes the pervaporation (PV) separation function possessed by a ceramic zeolite membrane excellent in hot water, acid resistance, alkali resistance, and radiation resistance that exhibits a stable separation function even at a high temperature of 100 ° C. or higher. To obtain and recover purified water substantially free of radioactive substances and coexisting substances contained in non-treated water to be treated at a high recovery rate, and to highly concentrate the radioactive substances and coexisting substances And provide a process.
In addition, by utilizing the latent heat transfer action in the pervaporation and separation function of the zeolite membrane, it is possible to efficiently reduce the temperature of the high-temperature radioactive material-containing water, maintain the cooling of the fuel pool water that stores the spent nuclear fuel, etc. Devices and processes that can be performed automatically.
既述のように、原子力発電所の原子炉を操作するために使用された水や、原子力施設の事故等で発生した放射性物質含有廃水等の処理に関しては、これらの被処理水から該放射性物質を効率的に分離除去すると共に、外部に放流できる程度のレベルまで共存物質を除去した浄化水をできるだけ高い回収率で取得回収できることが要求され、同時にこれらの処理によって発生した放射性廃棄物の重量と容量が最終的にできるだけ小さくなることが要求されている。 As mentioned above, regarding the treatment of water used to operate nuclear power plant reactors and radioactive material-containing wastewater generated by accidents at nuclear facilities, etc. It is required that the purified water from which coexisting substances have been removed to a level that can be discharged to the outside can be obtained and recovered at the highest possible recovery rate, and at the same time, the weight of radioactive waste generated by these treatments The capacity is ultimately required to be as small as possible.
現在までに実施あるいは提案されている溶解性放射性物質を含む廃水等の処理方法としては、前記の技術背景項でも述べたように、ストロンチウム(Sr)などアルカリ土類金属塩やコバルト(Co)など重金属塩類の溶存性放射性物質は主として凝集沈殿法により、セシウム(Cs)などのアルカリ金属塩や沃素(I)などのハロゲン化合物等の溶存放射性物質は主として吸着法により、塩化ナトリウム(NaCl)など非放射性の溶存塩類はイオン交換樹脂あるいは逆浸透(RO)膜などを用いて分離除去され、浄化水が回収されている。 As described in the above-mentioned technical background, alkaline earth metal salts such as strontium (Sr), cobalt (Co), etc. are used as treatment methods for waste water containing soluble radioactive materials that have been implemented or proposed to date. Dissolved radioactive materials such as heavy metal salts are mainly produced by the coagulation precipitation method, and dissolved radioactive materials such as alkali metal salts such as cesium (Cs) and halogen compounds such as iodine (I) are mainly produced by the adsorption method, and non-soluble materials such as sodium chloride (NaCl). Radioactive dissolved salts are separated and removed using an ion exchange resin or a reverse osmosis (RO) membrane, and purified water is recovered.
しかし、放射性物質を多量に含む高放射性廃水を処理する場合は、凝集沈殿や吸着法により放射性物質を捕捉し易いが、放射性物質が比較的低濃度の被処理水の場合にはこれらの方法での捕捉効率が低下するため、ある程度まで濃縮して処理効率を高くしてからこれらの方法を適用して除去することが望ましい。
放射性物質を含まない低濃度の溶存物質を含む水溶液の濃縮には、通常多くの場合逆浸透(RO)膜が用いられる。しかし、放射性物質が比較的低濃度の被処理水を濃縮する場合でも、濃縮された放射性物質の放出放射線量により高分子製逆浸透(RO)膜やそのシール材等が劣化するため、逆浸透(RO)膜を用いて濃縮することは困難で、現在までのところ他に適当な濃縮方法がないのが実情である。
However, when processing highly radioactive wastewater containing a large amount of radioactive material, it is easy to capture the radioactive material by coagulation sedimentation or adsorption methods, but these methods are used when the radioactive material is treated water at a relatively low concentration. Therefore, it is desirable to remove by applying these methods after increasing the concentration to some extent to increase the processing efficiency.
In many cases, a reverse osmosis (RO) membrane is usually used for concentration of an aqueous solution containing a low-concentration dissolved substance that does not contain radioactive substances. However, even when the radioactive material concentrates the water to be treated at a relatively low concentration, the reverse osmosis (RO) membrane made of a polymer and its sealing material deteriorate due to the radiation dose of the concentrated radioactive material. It is difficult to concentrate using (RO) membrane, and there is no other suitable concentration method so far.
なお、現在市販の逆浸透(RO)膜はすべて高分子膜で、耐放射性が高い無機膜はまだ開発されていない。また、前述のように、被処理水の放射性物質が低濃度であっても、福島第1原子力発電所事故におけるように海水などが混入して非放射性塩類を多量に含む場合は、濃縮により浸透圧が高くなり水が膜透過する駆動力となる有効圧力差が小さくなるため、逆浸透(RO)膜では高々2倍程度しか濃縮することができない。このため前記福島第1原子力発電所の津波被災時の事故においては、大量のRO濃縮水が発生し貯留タンクを次々と増設せざるを得ず、その対策に苦慮しているのが実情である(非特許文献2参照)。 Currently, all commercially available reverse osmosis (RO) membranes are polymer membranes, and inorganic membranes with high radiation resistance have not yet been developed. In addition, as described above, even if the radioactive material of the water to be treated is low in concentration, if it contains seawater and other non-radioactive salts in a large amount as in the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident, it will penetrate by concentration. As the pressure increases and the effective pressure difference that becomes the driving force for water to permeate through the membrane is reduced, the reverse osmosis (RO) membrane can only concentrate at most twice. For this reason, in the accident at the time of the tsunami disaster at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, a large amount of concentrated RO water was generated, and it was unavoidable to add more storage tanks one after another. (Refer nonpatent literature 2).
逆浸透法以外の膜分離プロセスとしては、既述のように、膜蒸留法や浸透気化法の適用が提案されている。しかし、膜蒸留法に関しては、現状では疎水性の高分子多孔質膜以外
に適用できる膜が実質的になく、災害時に発生する原子力発電所廃水など100℃以上となる高温の放射性物質含有水の処理への適用等は困難である。浸透気化法に関しては、高温でも耐水性や酸性性、耐アルカリ性等において化学的に安定で高水蒸気透過性を示し工業的利用が可能な実用的浸透気化膜は、まだ開発されておらず、そのような膜の適用例もまだ報告されていない。因みに、高分子は一般にアルカリ性溶液には弱く、フッ素系樹脂以外には高温のアルカリ性水溶液に耐える高分子はほとんどない。なお、疎水性の高分子多孔質膜はフッ素系樹脂製であるが、所謂テフロン(登録商標)製等のバルク材ではないため、高温のアルカリ性水溶液中では多孔質部分の疎水的性質性が親水化されて親水性となるなど、その機能が大きく変質する。
As described above, as a membrane separation process other than the reverse osmosis method, application of a membrane distillation method or a pervaporation method has been proposed. However, with regard to the membrane distillation method, there is substantially no membrane that can be applied other than the hydrophobic polymer porous membrane at present, and high-temperature radioactive material-containing water having a temperature of 100 ° C. or higher, such as nuclear power plant wastewater generated at the time of disaster Application to processing is difficult. With regard to the pervaporation method, a practical pervaporation membrane that is chemically stable in water resistance, acidity, alkali resistance, etc. even at high temperatures and exhibits high water vapor permeability and can be used industrially has not been developed yet. No such membrane application has been reported yet. Incidentally, polymers are generally weak against alkaline solutions, and there are few polymers that can withstand high-temperature alkaline aqueous solutions other than fluororesins. Although the hydrophobic polymer porous membrane is made of a fluororesin, it is not a bulk material made of so-called Teflon (registered trademark), so that the hydrophobic property of the porous portion is hydrophilic in a high-temperature alkaline aqueous solution. Its function is greatly altered, such as becoming hydrophilic.
本発明は、このような状況下において、比較的低濃度あるいは中濃度の放射性物質を溶存する放射性廃水等の被処理水を、他の溶存塩類が共存してもその溶解度近くの高濃度まで効率よく濃縮すると共に、放射性物質や溶存塩類等を実質的にほとんど含まず放水可能な程度まで浄化された水を高回収率で取得回収する方法を提供しようとするものである。
さらに、放射性物質を含む高温の被処理水の温度を下げるためには、現状では、冷却媒体と直接接触をさせない間接熱交換器を用いて冷却水によりその温度を下げる既往の方法以外に他に適当な方法がないのが実情である。しかし、このような間接熱交換器により冷却を行う場合、特に被処理水が高温であったり多量であったりするケースでは、伝熱面積が大きく機器サイズも大きな熱交換器と、多量の冷却水を送液する大型のポンプが必要とされる。
そこで本発明は、耐熱・耐放射線性のゼオライト膜が有する浸透気化分離(PV)機能における潜熱移動作用を利用することにより、高温の放射性物質含有水等の温度低下をコンパクトな機器で効率よく行うことができる新規な冷却方法を提供しようとするものである。
Under such circumstances, the present invention is effective in treating water to be treated, such as radioactive waste water, in which radioactive substances of relatively low or medium concentration are dissolved, even if other dissolved salts coexist. An object of the present invention is to provide a method for obtaining and recovering water with a high recovery rate that is well concentrated and purified to such an extent that it contains substantially no radioactive substances or dissolved salts and can be discharged.
Furthermore, in order to reduce the temperature of high-temperature treated water containing radioactive substances, at present, in addition to the conventional method of lowering the temperature with cooling water using an indirect heat exchanger that does not make direct contact with the cooling medium. The fact is that there is no appropriate method. However, when cooling with such an indirect heat exchanger, especially in cases where the water to be treated is hot or large in volume, a heat exchanger with a large heat transfer area and a large equipment size and a large amount of cooling water are used. A large pump that feeds the liquid is required.
Therefore, the present invention efficiently reduces the temperature of high-temperature radioactive substance-containing water by using a latent heat transfer action in the pervaporation / separation (PV) function of the heat-resistant / radiation-resistant zeolite membrane. It is intended to provide a novel cooling method that can be used.
(浸透気化(PV)プロセス)
本発明の中核となる浸透気化(PV)プロセスは、図1に示すような原理に基づく膜分離プロセスとしては比較的新しい技術で、90wt%以上の含水バイオエタノールの脱水や電子材料の洗浄等に使用されたイソプロピルアルコール(IPA)の脱水などの分野で実用化されている。
この浸透気化プロセスでは、図1に示したように、被処理水を膜の1次側(被処理水側)に供給し、本発明で使用するような親水性が高いゼオライト膜においては水が選択的に膜透過し、膜の2次側表面から水蒸気の形で離脱するので、これを捕集・凝縮させて膜透過水を得る。一方、被処理水はその一部が膜透過することにより結果的に濃縮され、膜装置の出口から排出される。この膜透過の駆動力は、膜透過物質である水の蒸気圧差である。
(Permeate vaporization (PV) process)
The pervaporation (PV) process, which is the core of the present invention, is a relatively new technology as a membrane separation process based on the principle as shown in FIG. 1, and is suitable for dehydration of 90 wt% or more of water-containing bioethanol and washing of electronic materials. It has been put to practical use in the field of dehydration of used isopropyl alcohol (IPA).
In this pervaporation process, as shown in FIG. 1, the water to be treated is supplied to the primary side of the membrane (the water to be treated). Since it selectively permeates and desorbs from the secondary surface of the membrane in the form of water vapor, it is collected and condensed to obtain membrane permeate. On the other hand, a part of the water to be treated is concentrated as a result of permeation through the membrane and discharged from the outlet of the membrane device. The driving force of the membrane permeation is a vapor pressure difference of water which is a membrane permeable substance.
なお、膜の1次側に液体ではなく、被処理液を全蒸発させた蒸気を供給するのが、蒸気透過(VP)プロセスである。現在、蒸留法で90wt%程度まで濃縮したバイオエタノールを、最も親水性が高いA型ゼオライト膜を用いて99.5wt%以上まで脱水・濃縮する工程で実用化されている。
図2に、ゼオライト膜における膜透過機構の概念を示す。ゼオライトはアルミナ(Al
2O3)とシリカ(SiO2)の混合結晶体で、その結合の仕方によって3〜8Å(0.3
〜0.8nm)程度の微細な結晶孔が形成されるため、水はこの孔の中を移動して膜透過する。親水性のゼオライト膜においては、直径約3Å(0.3nm)弱の水分子が膜表面のゼオライト孔入口で気化してこの孔に選択的に取り込まれ、さらにゼオライト孔内を拡散により膜透過する。この水分子の気化によるゼオライト孔内への取り込みとそれに続く孔の中での拡散の駆動力は、水蒸気圧差に基づく化学ポテンシャル差である。また、水分子を取り込んだゼオライト孔は、サイズ的には水分子よりやや大きいがあまり異ならない程度の大きさであるため、言わば水分子で閉塞された状態になり、放射性物質など他の分
子あるいはイオン等が入り込む余地がなくなることにより、水と被処理水中に溶存する物質との分離が起こると推定されている。このようにゼオライト孔のサイズが分子オーダーであるため、溶存物質の分子サイズ(イオンサイズ)が水分子より大きければ、当然篩い効果による分離作用が寄与する。
Note that the vapor permeation (VP) process supplies not the liquid to the primary side of the film but the vapor obtained by completely evaporating the liquid to be treated. Currently, bioethanol concentrated to about 90 wt% by distillation is put to practical use in a process of dehydrating and concentrating to 99.5 wt% or more using the A-type zeolite membrane having the highest hydrophilicity.
FIG. 2 shows the concept of the membrane permeation mechanism in the zeolite membrane. Zeolite is alumina (Al
2 O 3 ) and silica (SiO 2 ) mixed crystal, depending on the bonding method, 3 to 8% (0.3
Since fine crystal holes of about 0.8 nm) are formed, water moves through the holes and permeates the membrane. In a hydrophilic zeolite membrane, water molecules with a diameter of about 3 mm (0.3 nm) are vaporized at the zeolite pore inlet on the membrane surface and are selectively taken into the pores, and further permeate through the zeolite pores by diffusion. . The driving force for the incorporation of water molecules into the zeolite pores by vaporization and the subsequent diffusion in the pores is a chemical potential difference based on the water vapor pressure difference. Also, the zeolite pores that have taken in water molecules are slightly larger than water molecules in terms of size, but are not so different from each other, so they are clogged with water molecules, so other molecules such as radioactive substances or It is estimated that separation of water and substances dissolved in the water to be treated occurs when there is no room for ions or the like to enter. As described above, since the size of the zeolite pores is in the molecular order, if the molecular size (ion size) of the dissolved substance is larger than the water molecule, naturally the separation action by the sieving effect contributes.
このような分離機能を発現するゼオライト膜を用いる浸透気化(PV)プロセスが、比較的高濃度のアルコール水溶液から水を除去する脱水濃縮に利用できることは公知の事実であり、すでに国内外で実際に利用されている。しかし、一般にゼオライトはSiO2/Al2O3モル比が大きくなるほど耐酸性など化学的安定性が高くなるが、現在実用化されているA型ゼオライト膜はそのモル比が1と小さく実質的に耐水性がほとんどなく、熱水中では時間の経過と共に膜の結晶構造が破壊されるため、含水量が20%程度以下の有機溶剤の脱水用途以外への適用は実質的に困難で、現在までのところ水処理分野への工業的適用の報告例はない。 It is a well-known fact that the pervaporation (PV) process using a zeolite membrane that exhibits such a separation function can be used for dehydration concentration to remove water from a relatively high concentration aqueous alcohol solution. It's being used. However, in general, zeolite has higher chemical stability such as acid resistance as the SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio increases. However, the A-type zeolite membrane currently in practical use has a small molar ratio of 1 and is substantially reduced. Since there is almost no water resistance and the crystal structure of the film is destroyed over time in hot water, it is practically difficult to apply organic solvents with a water content of about 20% or less for purposes other than dehydration. However, there are no reports of industrial application in the water treatment field.
そこで本発明者らは、SiO2/Al2O3モル比が3以上と大きく、既往のゼオライト膜よりはるかに耐水性・耐熱性・耐酸性・耐放射線性等に優れているが、親水性が高く水蒸気透過性に優れたA型ゼオライト膜と同程度の水蒸気透過性を有し、且つ100℃以上の高温の熱水中でも膜構造が破壊せず、安定な分離性能を発現するT型ゼオライト膜や新規なチャバサイト型ゼオライト膜等を開発し、水処理分野での利用を可能ならしめるに至った。そしてさらに、このような高機能なゼオライト膜を用いて、放射性物質を含有する水溶液を被処理水とし水と該放射性物質および共存する溶解性物質とを分離し、浄化された水を高回収率で取得回収すると共に、該放射性物質を既往の逆浸透(RO)プロセスでは得られない程度の高倍率に濃縮できる方法について鋭意技術開発し、そのプロセスと装置を発明するに至った。 Therefore, the present inventors have a large SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 3 or more, which is far superior to conventional zeolite membranes in water resistance, heat resistance, acid resistance, radiation resistance, etc., but is hydrophilic. T-zeolite that has high water vapor permeability comparable to that of A-type zeolite membranes with high water vapor permeability and that exhibits stable separation performance without destroying the membrane structure even in high-temperature hot water at 100 ° C or higher Membranes and new chabazite-type zeolite membranes have been developed, making it possible to use them in the water treatment field. Furthermore, using such a highly functional zeolite membrane, the aqueous solution containing the radioactive substance is treated water, the water is separated from the radioactive substance and the coexisting soluble substance, and the purified water is recovered at a high recovery rate. In addition, the inventors have intensively developed a method capable of concentrating the radioactive substance at a high magnification that cannot be obtained by the conventional reverse osmosis (RO) process, and invented the process and apparatus.
また、浸透気化(PV)プロセスにおいては、膜を界して相変化が起こるため、膜透過が進行するに伴いその潜熱も熱移動し、結果的に被処理水の温度が低下する。この温度低下は膜透過成分が潜熱の大きな水においては特に大きく、被処理水の2%相当量が膜透過することにより被処理水は10℃程度の温度低下が起こるため、10%相当量を膜透過させることにより50℃程度の温度低下を図ることができる。 Further, in the pervaporation (PV) process, a phase change occurs across the membrane, so that the latent heat is also thermally transferred as the membrane permeates, resulting in a decrease in the temperature of the water to be treated. This temperature drop is particularly large in the case of water having a large membrane permeation component, and 2% equivalent of the water to be treated permeates through the membrane. A temperature drop of about 50 ° C. can be achieved by passing through the membrane.
そこで本発明提案者は、この現象を原子力発電施設等における熱水の冷却方法として利用する方法を詳しく検討し、そのプロセスと装置を発明するに至った。
既述のように本発明と同目的で利用可能な膜分離法としては、現在のところ実質的には逆浸透(RO)プロセスのみであるが、現状では耐放射線性に乏しい高分子膜しか存在しないため、放射性物質等の高度濃縮目的で利用することは困難である。特に、被処理水中に放射性物質と共に多量の溶存物質が共存する系では、前述のように浸透圧の問題が存在するため、該放射性物質と共に該共存物質を高濃度濃縮することは原理的に困難である。
Therefore, the present inventors have studied in detail how to use this phenomenon as a method for cooling hot water in nuclear power generation facilities and the like, and have invented the process and apparatus.
As already mentioned, the only membrane separation method that can be used for the same purpose as the present invention is currently only a reverse osmosis (RO) process, but currently there are only polymer membranes with poor radiation resistance. Therefore, it is difficult to use it for the purpose of highly concentrated radioactive materials. In particular, in a system where a large amount of dissolved substances coexist with radioactive substances in the water to be treated, there is a problem of osmotic pressure as described above, so it is theoretically difficult to concentrate the coexisting substances together with the radioactive substances at a high concentration. It is.
しかし、本発明で中核技術として利用する浸透気化(PV)プロセスでは、耐水性・耐熱性・耐熱水性・耐放射線性と高分離性能を有する高機能なゼオライト膜を利用し、膜透過の駆動力に水蒸気圧差を用いるため、濃縮が進行しても被処理水の温度を必要な分やや高めることにより水の膜透過に必要な水蒸気圧差を容易に確保することができ、静水圧差を膜透過の駆動力とする逆浸透プロセスのように浸透圧に基づく濃縮限界は存在せず、ほぼ溶存物質の溶解限界まで濃縮することが可能である。 However, in the pervaporation (PV) process used as the core technology in the present invention, a high-performance zeolite membrane having water resistance, heat resistance, hot water resistance, radiation resistance and high separation performance is used, and the driving force for membrane permeation Since the water vapor pressure difference is used, the water pressure difference required for the water permeation of the water can be easily secured by increasing the temperature of the water to be treated as much as necessary even if the concentration progresses. There is no concentration limit based on osmotic pressure as in the reverse osmosis process with the driving force, and it is possible to concentrate to the solubility limit of dissolved substances.
そして平均孔径10Å(0.1nm)以下で親水性のゼオライト製浸透気化膜においては、既述のようにゼオライト孔への水の選択的取り込みとそれに起因する他分子の排除効果、並びに水と他の溶質との分子サイズの差に起因する篩い効果などによる高度な分離機能が発現されるため、得られた水は実質的に溶存物質がない程度まで高度に浄化されてい
る。
In the case of a hydrophilic zeolite pervaporation membrane having an average pore diameter of 10 mm (0.1 nm) or less, as described above, selective incorporation of water into the zeolite pores and the effect of eliminating other molecules resulting therefrom, as well as water and others. Since the advanced separation function due to the sieving effect due to the difference in molecular size from the solute of the solute is expressed, the obtained water is highly purified to the extent that there is substantially no dissolved substance.
また、膜を透過した水分子は、膜裏側の2次側(透過側)表面で水蒸気として膜を離脱するため、この水蒸気を捕集・凝縮させた膜透過水は、イオンか塩の形で被処理水に溶存すると考えられるセシウム(Cs131やCs137)などの放射性物質が混入することは原理的に困難と考えられ、極めて高度に浄化される。
なお、浸透気化プロセスにおける膜透過の駆動力が蒸気圧差であり、水の膜透過に蒸発潜熱の供給も必要であるため、蒸発により濃縮操作を行い、その発生蒸気の凝縮水を浄化水として回収する通常の蒸発法と基本的には同じではないかとの指摘もある。しかし、少なくとも本発明が処理対象とする放射性物質を含む水溶液系での処理に関しては、浸透気化プロセスには次のような利点が存在する。
In addition, since water molecules that have permeated the membrane leave the membrane as water vapor on the secondary side (permeation side) surface on the back side of the membrane, the membrane permeated water collected and condensed is in the form of ions or salts. It is considered that it is difficult in principle to mix radioactive substances such as cesium (Cs131 and Cs137) which are considered to be dissolved in the water to be treated, and it is highly purified.
In addition, since the driving force of membrane permeation in the pervaporation process is a difference in vapor pressure, and it is necessary to supply latent heat of vaporization for water membrane permeation, it is concentrated by evaporation and the condensed water of the generated vapor is recovered as purified water. Some point out that it is basically the same as the usual evaporation method. However, the following permeation vaporization process has the following advantages with respect to treatment with an aqueous solution system containing at least a radioactive substance to be treated by the present invention.
先ず利用熱源に関して、一般に大気圧下で利用されている処理対象が水溶液の蒸発法は通常100℃以上で操作されるため、少なくとも120℃程度以上の良質熱源が必要である。しかしながら、浸透気化プロセスでは、膜透過の駆動力が蒸気圧差であるため100℃以上の加熱が原理的に必ずしも必要であるわけではなく、実際に通常は40〜80℃程度で操作されており、熱源としては100℃以下の廃熱など低質熱源を利用することが可能である。 First, regarding the heat source to be used, a processing target that is generally used under atmospheric pressure is usually operated at 100 ° C. or higher in the evaporation method of an aqueous solution. Therefore, a high-quality heat source at least about 120 ° C. or higher is required. However, in the pervaporation process, since the driving force of membrane permeation is a vapor pressure difference, heating at 100 ° C. or higher is not necessarily required in principle, and actually it is usually operated at about 40 to 80 ° C., As the heat source, a low-quality heat source such as waste heat of 100 ° C. or less can be used.
次に、浸透気化プロセスにおいては、水分子の蒸発は界面張力の存在によりゼオライト膜の結晶孔入口で行われると考えられ、その選択性から放射性物質と分離されて水分子のみが蒸発する。しかも被処理水は、処理が完結するまで常に液相に維持され、水蒸気圧を高めるために加熱が必要な場合でも、該液相は閉鎖系に閉じ込められた形で蒸気相の空間を生じさせない状態におかれている。 Next, in the pervaporation process, water molecules are considered to evaporate at the entrance of the crystal pores of the zeolite membrane due to the presence of interfacial tension. From the selectivity, only water molecules evaporate by being separated from radioactive substances. Moreover, the water to be treated is always maintained in the liquid phase until the treatment is completed, and even when heating is necessary to increase the water vapor pressure, the liquid phase does not create a space for the vapor phase in a form confined in a closed system. It is in a state.
一方、蒸発法においては、溶存物質を含む系でその分離作用が働かず選択性が機能しない状態で水分等を蒸発させているため、セシウム(Cs)系や沃素(I)系など揮発性の放射性
物質も蒸気側に移行することになる。しかも、これらの該放射性蒸気は一般に水と凝縮温度が異なり水と共に凝縮する保証は全くなく、該放射性蒸気の外部漏出を避けるためには、気体状の放射性物質を吸着除去することができる適当な機器を別途装備する必要があり、このことは最終的な放射性廃棄物の増大にも繋がる。
On the other hand, in the evaporation method, water and the like are evaporated in a state where the separation action does not work and the selectivity does not function in a system containing dissolved substances, so volatile substances such as cesium (Cs) system and iodine (I) system are used. Radioactive materials will also move to the vapor side. In addition, these radioactive vapors are generally different in condensation temperature from water and are not guaranteed to condense together with water, and in order to avoid external leakage of the radioactive vapors, it is possible to adsorb and remove gaseous radioactive substances. It is necessary to equip equipment separately, and this leads to increase of the final radioactive waste.
さらに、浸透気化プロセスにおける水の膜透過に伴う蒸発潜熱の移動作用を活用して、放射性物質を含む高温熱水の冷却等に利用する本発明の冷却用浸透気化プロセスにおいては、実質的に膜が伝熱面となる熱交換器と考えることができ、しかもその熱交換が蒸発潜熱の形で行われるため極めて効率的な熱交換装置となる。すなわち、同熱量を熱交換する通常のシェル&チューブ型の間接式熱交器と比較すると、潜熱移動を利用した本発明の冷却用浸透気化装置は、その容積において少なくとも1/5以下のコンパクトな装置となる。 Furthermore, in the osmotic vaporization process for cooling of the present invention, which is utilized for cooling high-temperature hot water containing a radioactive substance by utilizing the moving action of latent heat of evaporation accompanying the permeation of water in the osmotic vaporization process, the membrane is substantially Can be considered as a heat exchanger serving as a heat transfer surface, and since the heat exchange is performed in the form of latent heat of vaporization, the heat exchange device is extremely efficient. That is, as compared with a normal shell and tube type indirect heat exchanger that exchanges the same amount of heat, the cooling pervaporation device of the present invention using latent heat transfer has a compact size of at least 1/5 or less in its volume. It becomes a device.
また、顕熱交換を行うシェル&チューブ型の間接式熱交器では、本発明の熱交換方式より概ね10倍以上の大量の冷却水が必要とされ、それに対応できる冷却水(施設)の用意と10倍近いポンプ動力が必要となる。通常の間接式熱交換器を使用する既往の冷却システムより所要冷却水量が実質的に1/10程度と少なくて済むことは、既述の福島第1原子力発電所におけるようなトラブル発生時のバックアップシステムとして利用する場合などに極めて大きな利点となる。さらに、この冷却のために結果的に流出する膜透過水は、上述のように高度に浄化されているため、基本的には特別な処理をすることなく、そのまま外部放流が可能である。 In addition, shell-and-tube type indirect heat exchangers that perform sensible heat exchange require a large amount of cooling water approximately 10 times more than the heat exchange method of the present invention, and provide cooling water (facility) that can cope with that. Pump power nearly 10 times is required. The fact that the required amount of cooling water is substantially 1/10 less than the conventional cooling system that uses a normal indirect heat exchanger is a backup in the event of a trouble such as that at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. This is a great advantage when used as a system. Furthermore, since the membrane permeated water that flows out as a result of this cooling is highly purified as described above, it can be discharged to the outside without any special treatment.
本発明提案者らは、ゼオライト膜の開発とそのバイオエタノール脱水濃縮への応用等の
技術開発を長年鋭意実施してきた。そして本発明者らは、前述のようなゼオライト浸透気化膜の膜透過機構と現象を具体的に且つ詳細に把握するに至り、新たに開発した耐熱水性・耐放射線性で高分離性能を発現する高機能なゼオライト膜を用いて、原子力施設等で発生する放射性物質等を含む被処理水を効率的に除染処理すると共に、該放射性物質を効率的に濃縮でき、しかも放射性物質等を含む高温の熱水を効率的に冷却することも可能なプロセスと装置を発明するに至った。
以下に、その具体的な実施形態等を詳細に説明する。
The proponents of the present invention have intensively conducted technical development for many years, such as the development of zeolite membranes and their application to bioethanol dehydration concentration. And the present inventors came to grasp the membrane permeation mechanism and phenomenon of the above-mentioned zeolite pervaporation membrane specifically and in detail, and developed a high separation performance with newly developed hot water resistance and radiation resistance. Using a high-performance zeolite membrane, it is possible to efficiently decontaminate the water to be treated containing radioactive substances generated at nuclear facilities, etc., and to concentrate the radioactive substances efficiently, and at the same time, high temperature containing radioactive substances etc. The inventors have invented a process and apparatus that can efficiently cool the hot water.
Specific embodiments and the like will be described in detail below.
(装置とプロセスの基本構成)
本発明の放射性物質含有水処理用の浸透気化(PV)装置とプロセスの概要を、図3に示す。該装置とプロセスは、内部に耐酸性・耐熱水性・耐放射線性と高分離性能を有する高機能なゼオライト分離膜を装備した膜モジュール、この膜モジュールに被処理水を供給する送液ポンプ、膜モジュール内のゼオライト膜を透過した水蒸気を捕集して凝縮するための熱交換器、膜モジュールの透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプを最低限の構成要素とするが、特に汚濁物質を含む放射性物質含有廃水の濃縮等を処理目的とする装置とプロセスでは、共存微細粒子の沈着等によりゼオライト膜の表面が汚染されるいわゆる膜汚染による膜の分離機能低下が起こるため、膜モジュールに供給する被処理水中の微細粒子を予め捕捉・除去する微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
(Basic configuration of equipment and process)
FIG. 3 shows an outline of the pervaporation (PV) apparatus and process for the treatment of radioactive substance-containing water of the present invention. The apparatus and process include a membrane module equipped with a highly functional zeolite separation membrane having acid resistance, hot water resistance, radiation resistance and high separation performance inside, a liquid feed pump for supplying treated water to the membrane module, a membrane A heat exchanger for collecting and condensing water vapor that has passed through the zeolite membrane in the module and a vacuum pump for maintaining the permeation side of the membrane module in a reduced pressure state are the minimum components, but especially pollutants In the equipment and process for the purpose of concentrating radioactive water containing radioactive materials containing selenium, the membrane separation function deteriorates due to so-called membrane contamination, where the surface of the zeolite membrane is contaminated by the deposition of coexisting fine particles. It is equipped with a microfiltration device that captures and removes fine particles in the treated water to be supplied in advance.
(ゼオライト膜)
本発明の水処理プロセスで使用するゼオライト製の浸透気化膜としては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ・耐放射線性と高水蒸気高透過性に優れると共に、100℃以上の高温でも安定な分離性能を示すことが必要不可欠である。そのため、A型ゼオライト膜やアルミナゾルから形成する全アルミナ製多孔質膜、あるいはシリカ系多孔質膜など化学的安定性に問題のある既往のセラミックス製浸透気化膜を利用することは困難である。したがって、本発明においては、耐水・耐熱・耐酸・耐アルカリ製・耐放射線性と高い水蒸気高透過性能を有すSiO2/Al2O3モル比が少なくとも3以上、望ましくは5以上であるゼオライトを主成分とするゼオライト膜である。なお、その平均孔径は10Å(1nm)以下であることが好ましい。より具体的には、T型ゼオライト膜、チャバサイト型ゼオライト膜、MFI型ゼオライト膜、FAU型ゼオライト膜、MOR型ゼオライト膜、炭素膜の利用が望ましく、特に耐水・耐酸・高放射線性と水蒸気高透過性の視点から、T型ゼオライト膜あるいはチャバサイト型ゼオライト膜の利用が好ましい。なお、これらのゼオライト膜は、いずれもアルミナ質多孔体等の表面に該ゼオライト膜が層状に形成されたものであり、そのゼオライト孔径は8Å(0.8nm)以下である。なお、チャバサイト型(CHA型)ゼオライト膜は、特開2011−121040に記載のものが好ましい。
(Zeolite membrane)
The zeolite pervaporation membrane used in the water treatment process of the present invention is excellent in water resistance, heat resistance, acid resistance, alkali resistance, radiation resistance, high water vapor and high permeability, and stable separation performance even at a high temperature of 100 ° C or higher. It is essential to show. Therefore, it is difficult to use a conventional ceramic pervaporation membrane having a chemical stability problem such as an all-alumina porous membrane formed from an A-type zeolite membrane or alumina sol, or a silica-based porous membrane. Therefore, in the present invention, a zeolite having a water / heat resistant / acid resistant / alkali resistant / radiation resistant high water vapor high permeability performance and a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of at least 3 or more, preferably 5 or more. Is a zeolite membrane containing as a main component. The average pore diameter is preferably 10 mm (1 nm) or less. More specifically, it is desirable to use T-type zeolite membrane, chabazite-type zeolite membrane, MFI-type zeolite membrane, FAU-type zeolite membrane, MOR-type zeolite membrane, and carbon membrane, particularly water resistance, acid resistance, high radiation resistance and high water vapor. From the viewpoint of permeability, it is preferable to use a T-type zeolite membrane or a chabazite-type zeolite membrane. Each of these zeolite membranes is a layer of the zeolite membrane formed on the surface of an alumina porous body or the like, and the zeolite pore diameter is 8 mm (0.8 nm) or less. Note that the chabasite type (CHA type) zeolite membrane described in JP2011-121040 is preferable.
(微細ろ過装置)
本発明では、上述のとおり、微細ろ過装置を装備することを特徴としている。
しかし、既往の逆浸透プロセスにおいては、多くの場合この目的で高分子製フィルターや高分子製の精密ろ過膜(MF)などが利用されているが、放射性物質等を含む高温の廃水等を被処理水とすることが多い本発明のプロセスにおいては、耐熱性と耐放射線性が必要不可欠な特性であるため、アルミナなど無機酸化物や金属の粉末を焼結して作製するセラミックス製や金属製の多孔質ろ過体の利用が望ましい。特に、金属線を金属製支持体の周囲に捻りながら巻くことにより形成された線と線の間の微細な隙間を利用する金属製フィルターや、細い金属繊維を圧縮成型して微細な網目状の隙間を利用する金属製フィルター等を用いた全金属製の微細ろ過装置の利用が好ましい。この種の全金属製フィルターは、被処理水のろ過抵抗が小さく、空気や窒素等の気体を用いて極めて容易に逆洗を行うことができるからである。なお、該金属製フィルターは、少なくとも70℃以上望ましくは100℃以上の熱水のろ過に利用可能なものの使用が好ましく、少なくとも30μm以上、好ましくは10μm以上、特に好ましくは1μm以上の微細粒子が分離除去できる性能を
有すものの使用が好ましい。
(Microfiltration device)
As described above, the present invention is equipped with a microfiltration device.
However, in conventional reverse osmosis processes, polymer filters and polymer microfiltration membranes (MF) are often used for this purpose. However, high-temperature wastewater containing radioactive materials and the like are covered. In the process of the present invention, which is often treated water, heat resistance and radiation resistance are indispensable properties, so ceramic or metal made by sintering inorganic oxide or metal powder such as alumina. It is desirable to use a porous filter. In particular, metal filters that use fine gaps between wires formed by twisting and winding metal wires around a metal support, and fine mesh-like fibers by compression molding thin metal fibers It is preferable to use an all-metal microfiltration device using a metal filter or the like that uses a gap. This is because this type of all-metal filter has a low filtration resistance of water to be treated and can be backwashed very easily using a gas such as air or nitrogen. The metal filter is preferably at least 70 ° C. or higher, preferably 100 ° C. or higher, which can be used for the filtration of hot water. At least 30 μm or higher, preferably 10 μm or higher, particularly preferably 1 μm or higher fine particles are separated. It is preferable to use one having a performance that can be removed.
(被処理水の加熱装置)
浸透気化法による放射性物質含有水溶液の処理においては、その処理速度は浸透気化膜を界して与えられる水蒸気圧差に比例するため、膜モジュールに供給する被処理水を予め加温する加熱装置の装備が有効で、この被処理水の加熱は装置固定費の支配的要因である使用浸透気化膜の膜面積の低減化にも極めて有効な手段である。特に放射能汚染土壌除染廃水の処理に際しては、実際には現地での実施が想定されるため、本加熱装置の装備は必要不可欠である。
(Heating device for treated water)
In the treatment of aqueous solution containing radioactive substances by the pervaporation method, the treatment speed is proportional to the water vapor pressure difference given across the pervaporation membrane, so it is equipped with a heating device that preheats the water to be treated supplied to the membrane module The heating of the water to be treated is an extremely effective means for reducing the membrane area of the used pervaporation membrane, which is the dominant factor of the apparatus fixing cost. In particular, in the treatment of radioactively contaminated soil decontamination wastewater, since it is actually assumed to be implemented locally, the equipment of this heating device is indispensable.
(濃縮水用、膜透過水用各貯蔵タンク)
本発明においては、被処理水用や、濃縮水用、膜透過水用の各タンクの設置は、必ずしも必須の条件ではない。しかしながら、物質含有水溶液や放射能を有す機器等に接触して放射性物質を含むと推定される水溶液等を処理対象とする場合は、放射性物質含有水の他所への流出を可能な限り防ぐ予防措置の観点から、被処理水用、濃縮水用、膜透過水用の各タンクを設置することが望ましく、それらは何れも耐放射線性を有する金属製タンクであることが好ましい。
(Storage tanks for concentrated water and membrane permeated water)
In the present invention, the installation of tanks for water to be treated, concentrated water, and membrane permeated water is not necessarily an essential condition. However, when treating substances containing aqueous solutions or radioactive materials that are estimated to contain radioactive substances by contact with radioactive materials, etc., prevention to prevent the outflow of radioactive substance containing water to other places as much as possible From the viewpoint of measures, it is desirable to install tanks for water to be treated, concentrated water, and membrane permeated water, all of which are preferably metal tanks having radiation resistance.
但し、被処理水用のタンクについては、本発明の浸透気化(PV)プロセスが原子力施設等のライン内に設けられている場合などには省略することも可能である。また、膜透過水用のタンクは、膜透過水がゼオライト膜の透過により浄化されているため、強化プラスチック製等のタンクで代替可能である。しかし、通常は十分浄化されているとはいえ膜透過水を直接外部に放流すると、膜モジュール内でトラブルが生じた場合などに放射性物質の漏洩等が懸念されるため、膜透過水を一時貯蔵するタンクをできるだけ設置することが望ましい。 However, the tank for water to be treated can be omitted when the pervaporation (PV) process of the present invention is provided in a line of a nuclear facility or the like. The membrane permeated water tank can be replaced with a tank made of reinforced plastic or the like because the membrane permeated water is purified by permeation of the zeolite membrane. However, although the membrane permeated water is discharged directly to the outside even though it is usually sufficiently purified, there is a concern about the leakage of radioactive materials when trouble occurs in the membrane module. It is desirable to install as many tanks as possible.
(処理済み水を膜モジュールに循環供給)
本発明のように被処理水を分離膜で処理する場合、被処理水の膜モジュールへの供給はワンパスでその分の膜処理をほぼ完結させることが原則で、通常はその処理完結に必要な膜面積を装備する。被処理水が生産ラインで多量に発生するような場合は、ワンパスでの連続的処理が必要であるが、放射性物質含有廃水を処理するケースなどでは、すでに存在する所定量の廃水を所定の時間内で処理すれば良く、その処理時間にある程度の時間的余裕が許容されることも多い。このような場合には、被処理水タンクに膜処理をした処理水を戻すバッチ形式の循環処理を行うことにより、ワンパスの連続処理を行う場合より膜面積を少なくして使用膜モジュール数を節約することができる。換言すれば、処理時間を犠牲にして膜装備の固定費を節約することができる。但し、そのどちらに重きを置くかは、設定条件と目的や環境条件等によるため、実際にはその最適化を図ることが必要である。
このように、ワンパス処理方式のみならず循環処理方式をも可能とするためには、膜処理した処理水を被処理水タンクに戻すための配管と、その戻し量を調節できる制御弁の装備することが好ましい。
(Circulating and supplying treated water to the membrane module)
When the water to be treated is treated with a separation membrane as in the present invention, the supply of the water to be treated to the membrane module is basically completed in one pass and the membrane treatment is generally completed. Equipped with membrane area. When a large amount of water to be treated is generated on the production line, continuous treatment with one pass is necessary. However, in cases such as when treating radioactive material-containing wastewater, a predetermined amount of wastewater that already exists is treated for a predetermined time. In some cases, a certain amount of time is allowed for the processing time. In such a case, by performing a batch-type circulation process that returns the treated water that has undergone membrane treatment to the treated water tank, the membrane area can be reduced and the number of membrane modules used can be reduced compared to the case of one-pass continuous treatment. can do. In other words, the fixing cost of the membrane equipment can be saved at the expense of processing time. However, since it depends on the setting conditions, purpose, environmental conditions, etc., which one should be emphasized, it is actually necessary to optimize them.
As described above, in order to enable not only the one-pass treatment method but also the circulation treatment method, a pipe for returning the membrane-treated treated water to the treated water tank and a control valve capable of adjusting the return amount are equipped. It is preferable.
(エジェクターの利用)
本発明を実施する中核技術である浸透気化(PV)プロセスにおいては、膜モジュールに供給された被処理水中の水分の多くは、膜モジュール内で膜を界しての水蒸気圧差を駆動力としてゼオライト膜を透過し、該ゼオライト膜裏面(透過側の表面)で水蒸気となり、膜透過側を減圧状態に維持するための真空ポンプの前に設置された凝縮用熱交換器へと導かれて凝縮液化される。この液化された膜透過水は、さらに該熱交換機と該真空ポンプの中間に位置する気液分離器へと導かれ、その下部に貯留された液状の膜透過水はポンプを介して外部の膜透過水タンクへと送液される。
(Use of ejector)
In the pervaporation (PV) process that is the core technology for carrying out the present invention, most of the water in the water to be treated supplied to the membrane module is driven by the difference in water vapor pressure across the membrane in the membrane module as a driving force. It passes through the membrane and becomes water vapor on the back side of the zeolite membrane (the surface on the permeate side), and is led to a heat exchanger for condensation installed in front of a vacuum pump for maintaining the membrane permeate side under reduced pressure. Is done. The liquefied membrane permeated water is further guided to a gas-liquid separator located between the heat exchanger and the vacuum pump, and the liquid membrane permeated water stored in the lower part of the liquefied membrane permeated water is supplied to an external membrane via the pump. It is sent to the permeate tank.
しかし、ゼオライト膜を透過して水蒸気となった“膜透過水蒸気”を捕集・凝縮させて気液分離器を経て外部に流出させるこれらの膜透過系機器は、エジェクターに置き換えることが可能である。エジェクターは、流路中間部が狭くなるように工夫された断面が円形の管状機器で、その内部に作動流体を高速で流した場合に、流路が狭くなるベンチュリー部分が減圧となる現象を利用して真空ポンプ機能を発現させる機器である。本発明で利用する上記の浸透気化プロセスにおいては、上記膜透過系機器をこのエジェクターで置き換えると、凝縮用熱交換器と気液分離器と減圧維持用の真空ポンプおよび気液分離器からの送液ポンプの5機能をすべて1本のエジェクターで代替させることが可能となり、膜透過系のシステムを著しく簡素化することができ、そのメリットは極めて大きい。この場合、膜透過した水蒸気は、エジェクター流路中間部に設けられた内径を狭めたベンチュリー部内部に外部配管を通じて直接導かれ、エジェクターの作動用水に吸収される形となる。すなわち、該エジェクターは、膜透過水蒸気の捕集、膜透過側の減圧状態維持、膜透過水蒸気の凝縮、液化膜透過水の送液、の全ての役割を果たさせることが可能である。従って、ゼオライト膜を透過して除染・浄化された水蒸気を吸引・捕集するためのエジェクター装置を装備することが好ましい。 However, these membrane permeation equipment that collects and condenses “membrane permeation water vapor” that has permeated through the zeolite membrane and flows out through the gas-liquid separator can be replaced with an ejector. . The ejector is a tubular device with a circular cross section devised so that the middle part of the flow path becomes narrow, and when the working fluid flows at a high speed inside it, the venturi part that narrows the flow path uses the phenomenon of decompression This is a device that exhibits a vacuum pump function. In the permeation vaporization process used in the present invention, when the membrane permeation system device is replaced with this ejector, the heat exchanger for condensation, the gas-liquid separator, the vacuum pump for maintaining the reduced pressure, and the gas-liquid separator are used. All the five functions of the liquid pump can be replaced with one ejector, and the membrane permeation system can be remarkably simplified. In this case, the water vapor that has permeated through the membrane is directly guided to the inside of the venturi portion with a narrowed inner diameter provided in the middle portion of the ejector flow path through an external pipe, and is absorbed by the working water for the ejector. That is, the ejector can perform all of the functions of collecting the membrane permeation water vapor, maintaining the reduced pressure state on the membrane permeation side, condensing the membrane permeation water vapor, and feeding the liquefied membrane permeate water. Therefore, it is preferable to equip an ejector device for sucking and collecting water vapor that has passed through the zeolite membrane and has been decontaminated and purified.
(エジェクター作動用水への膜透過水の再利用)
エジェクターの作動流体としては、膜透過水タンクに貯留された“膜透過水”自体を利用することができる。この場合も、膜を透過した水蒸気は、エジェクターのベンチュリー部内部に外部配管を通じて直接導かれ、作動用水として利用された該“膜透過水”に吸収されることになる。従って、エジェクターから排出された水溶液をエジェクターの作動用水として再利用することが好ましい。
(Reuse of membrane permeated water to ejector operation water)
As the working fluid of the ejector, “membrane permeated water” stored in the membrane permeated water tank can be used. In this case as well, the water vapor that has passed through the membrane is directly introduced into the venturi portion of the ejector through the external pipe and absorbed by the “membrane permeated water” used as the working water. Therefore, it is preferable to reuse the aqueous solution discharged from the ejector as working water for the ejector.
(エジェクター作動用水の冷却)
エジェクターの吸引作動圧は、一般に作動用水の供給速度と水蒸気圧に支配され、特に作動用水の水蒸気圧はベンチュリー部内部における吸引作動圧の低限を支配する。
このため上記のように、エジェクター作動用水に膜透過水を再利用する場合は、循環利用を進めて膜処理による被処理水の濃縮が進むにつれて、該エジェクター作動用水は膜透過水の凝縮熱により次第にその温度が上昇し、結果的にエジェクターの吸引作動圧を増加させることにより、膜透過水蒸気の捕集能力とシステム全体の処理能力を低下させる。
また、被処理水の操作温度が40〜60℃程度とあまり高くない場合などでは、膜透過の水蒸気圧差を大きくするために膜透過側の水蒸気圧を低くすることが必要で、そのためにはエジェクター作動用水の温度を十分低く維持することが必要とされる。
(Cooling water for ejector operation)
The suction operating pressure of the ejector is generally governed by the supply speed of the working water and the water vapor pressure. In particular, the water vapor pressure of the working water governs the lower limit of the suction working pressure inside the venturi section.
For this reason, as described above, when the membrane permeated water is reused for the ejector operating water, the concentration of the water to be treated by the membrane treatment advances as the circulation operation proceeds, and the ejector operating water is condensed by the heat of condensation of the membrane permeated water. The temperature gradually rises, and as a result, the suction operating pressure of the ejector is increased, thereby reducing the trapping ability of the membrane permeation water vapor and the processing capacity of the entire system.
Further, when the operation temperature of the water to be treated is not so high as about 40 to 60 ° C., it is necessary to lower the water vapor pressure on the membrane permeation side in order to increase the water vapor pressure difference of the membrane permeation. It is necessary to keep the temperature of the working water sufficiently low.
したがって、これらの状況に対処するためには、エジェクター作動用水の温度を低くするための冷却用機器の装備が必要である。その冷却には、地下水や海水など自然界に存在する比較的定温の水を冷却水として用いてもよく、生産工場やビル等で多用されているような冷却塔(クーリングタワー)を用いて温度が下げられた通常の冷却水を用いてもよい。また、これらの冷却水より温度が低い冷却水が必要なケースなど特に必要な場合には、ヒートポンプ式の冷却装置等を用いて冷却された冷却液等を用いてもよい。 Therefore, in order to cope with these situations, it is necessary to equip a cooling device for lowering the temperature of the ejector operating water. For cooling, water of relatively constant temperature existing in nature such as groundwater and seawater may be used as cooling water, and the temperature is lowered by using a cooling tower (cooling tower) that is often used in production factories and buildings. Ordinary cooling water produced may be used. In addition, when a cooling water having a temperature lower than that of these cooling waters is particularly necessary, a cooling liquid cooled using a heat pump type cooling device or the like may be used.
なお、これまで説明してきたように、本発明のゼオライト製浸透気化膜を用いた処理プロセスにおいては、膜透過側の水蒸気圧が膜透過水の増減を左右する極めて重要な要素であるため、エジェクターの作動効率に大きく影響するエジェクター作動用水の温度制御は、本発明の目的とする放射性物質含有水の濃縮と浄化水を回収する処理プロセス全体の処理効果を簡便にコントロールすることに利用可能である。従って、膜透過水蒸気を吸引・捕集するために使用されるエジェクターの作動水蒸気圧を低く維持するため、エジェクターの作動用水を冷却する冷却装置を備えることが好ましい。 As described above, in the treatment process using the zeolite pervaporation membrane of the present invention, the water vapor pressure on the membrane permeation side is an extremely important factor that affects the increase / decrease in the membrane permeation water. The temperature control of the ejector operation water that greatly affects the operation efficiency of the present invention can be used to easily control the concentration of the radioactive substance-containing water and the treatment effect of the entire treatment process for collecting the purified water, which is the object of the present invention. . Accordingly, it is preferable to provide a cooling device for cooling the working water for the ejector in order to keep the working water vapor pressure of the ejector used for sucking and collecting the membrane permeating water vapor low.
(濃縮による高放射線量化の抑制)
本発明のゼオライト製浸透気化(PV)膜を用いた放射性物質含有水等の濃縮プロセスでは、容易に高濃度濃縮が可能であるため、被処理水の放射線量が最初からある程度高い場合などでは、濃縮により安全な作業環境が維持できなくなるほど高放射線量となることに注意する必要がある。
このような場合には、吸着法あるいは凝集法あるいは透析法あるいはこれらを2種以上組み合わせた方法を利用することにより、被処理水の放射線量を低下させることが望ましい。吸着法における吸着材としては、イオン交換樹脂、ゼオライト、活性炭、ベントナイト、スメタイト、フェロシアン系化合物等が利用できるが、特にこれらに限定されるものではなく、これらの吸着材の単独使用のみならず2種以上組み合わせて利用してもよく、また、異なる吸着材を各々用いる2種以上の吸着法を組み合わせて利用してもよい。
(Suppression of high radiation dose by concentration)
In the concentration process of radioactive substance-containing water using the zeolite pervaporation (PV) membrane of the present invention, it is possible to easily concentrate at a high concentration. It should be noted that the radiation dose is so high that no safe working environment can be maintained due to concentration.
In such a case, it is desirable to reduce the radiation dose of the water to be treated by using an adsorption method, a coagulation method, a dialysis method, or a combination of two or more of these. As an adsorbent in the adsorption method, ion exchange resin, zeolite, activated carbon, bentonite, smite, ferrocyanic compound, etc. can be used, but are not particularly limited to these, and not only the use of these adsorbents alone. Two or more types may be used in combination, or two or more types of adsorption methods using different adsorbents may be used in combination.
凝集法としては、酸、アルカリ、アルミニウム化合物、鉄化合物、アクリル系凝集剤等の1種あるいは2種以上の添加による凝集沈殿法あるいは凝集浮上法が有効であるが、添加剤は特にこれらに限定されるものではない。
透析法としては、(強・弱)陽イオン交換膜、(強・弱)陰イオン交換膜、中性の透析膜等を適宜用いる拡散透析法や電気透析法等を利用することができる。
As the aggregating method, an agglomerating precipitation method or agglomerating flotation method by adding one or more of acid, alkali, aluminum compound, iron compound, acrylic type aggregating agent and the like are effective, but the additive is particularly limited to these. Is not to be done.
As the dialysis method, a diffusion dialysis method or an electrodialysis method using a (strong / weak) cation exchange membrane, a (strong / weak) anion exchange membrane, a neutral dialysis membrane or the like as appropriate can be used.
これらの諸方法を単独あるいは2種以上組み合わせて利用し被処理水の放射線量を低下させる処理は、ゼオライト膜を用いた浸透気化プロセスによる濃縮の途中、あるいは濃縮後の濃縮水に対して実施してもよいが、被処理水の放射線量が最初から高い場合などには、該浸透気化プロセスに被処理水を供給する以前の段階の被処理水に対して予め実施することが好ましい。従って、処理システムの高放射線量抑制目的で放射性物質を吸着法あるいは凝集法あるいは透析法を単独もしくは複数組み合わせた方法で除去する装置を装備することが好ましい。 The treatment to reduce the radiation dose of the water to be treated by using these methods alone or in combination of two or more is performed during the concentration by the pervaporation process using the zeolite membrane or on the concentrated water after the concentration. However, when the radiation amount of the water to be treated is high from the beginning, it is preferable to perform the treatment on the water to be treated before the treatment water is supplied to the pervaporation process. Therefore, it is preferable to equip a device for removing radioactive substances by an adsorption method, an agglutination method, or a dialysis method alone or in combination with each other for the purpose of suppressing a high radiation dose of the treatment system.
(放射性含有水の濃縮処理)
本発明の別の要旨としては、前述の装置を用いて、放射線含有水の濃縮を行うことが好ましい。
(放射能汚染土壌の除染廃水の処理)
本発明のゼオライト製浸透気化(PV)膜を用いた処理プロセスは、放射性セシウム(C
s)や放射性ストロンチウム(Sr)、放射性沃素(I)などの放射性物質で汚染された土壌
の除染工程で発生する放射性物質含有廃水等の濃縮と放射性物質等を除去した浄化水の回収等の目的で適用された場合には、極めて効果的な成果が得られる。
(Concentration treatment of radioactive water)
As another gist of the present invention, it is preferable to perform concentration of radiation-containing water using the above-described apparatus.
(Treatment of decontaminated wastewater from radioactively contaminated soil)
The treatment process using the zeolite pervaporation (PV) membrane of the present invention is a radioactive cesium (C
s), radioactive strontium (Sr), radioactive iodine (I), etc., concentration of radioactive material-containing wastewater generated in the decontamination process of soil contaminated with radioactive materials, and recovery of purified water from which radioactive materials have been removed When applied for the purpose, extremely effective results are obtained.
放射性物質で汚染され放射能を有する汚染土壌は、放射性物質が土壌に付着あるいは吸着あるいは化学結合していると考えられる。このため、これらの汚染土壌を除染するためには、重金属汚染土壌の除染などのケースと同様に、先ず該放射性物質を溶解させるような酸性あるいはアルカリ性の水溶液等を土壌に注ぎ、土壌中の該放射性物質を溶解・抽出し、次に浄水を土壌に注ぎ、土壌に付着した該酸性水溶液の洗浄が行われる。除染効果を高めるためには、酸性あるいはアルカリ性水溶液等による抽出作業や浄水による土壌洗浄作業が、各々複数回実施されることが望ましい。これらの該放射性物質等を溶解・抽出させた酸性水溶液等と土壌洗浄水との混合物が、汚染土壌除染廃水である。 Contaminated soil contaminated with radioactive material and having radioactivity is considered to be attached, adsorbed or chemically bonded to the soil. For this reason, in order to decontaminate these contaminated soils, as in the case of decontamination of heavy metal-contaminated soils, first, an acidic or alkaline aqueous solution or the like that dissolves the radioactive substances is poured into the soil. The radioactive material is dissolved and extracted, and then purified water is poured into the soil, and the acidic aqueous solution adhering to the soil is washed. In order to enhance the decontamination effect, it is desirable that the extraction operation with an acidic or alkaline aqueous solution or the like and the soil washing operation with purified water are each performed a plurality of times. A mixture of an acidic aqueous solution in which these radioactive substances are dissolved and extracted and soil washing water is contaminated soil decontamination wastewater.
汚染放射性物質等の溶解・抽出に用いる酸性水溶液等や土壌洗浄水などは、その抽出・除染・洗浄効果を高めるために、必要に応じて60℃以上のかなりの高温まで加温されることも多く、特に溶解・抽出用酸性水溶液等には、難溶性の放射性物質を溶解し易くするために、錯化剤のような有機化合物やハロゲン化物・フェロシアン化物など特殊な化学薬品が添加されて使用されることもある。このため、汚染土壌除染廃水の処理は、このように高温で特殊な化学品を含む酸性あるいはアルカリ性等の廃水を処理対象とせざる得なく、溶存物質の除去・脱塩などの目的で現在多用されている逆浸透膜を用いた処理プロセス
は適用困難で、実質的に本発明のセラミックス製ゼオライト膜を用いた浸透気化(PV)プロセスのみが、その高度濃縮と浄化水回収を図れる唯一の適用可能な処理プロセスである。
Acidic aqueous solution used for dissolution / extraction of contaminated radioactive materials, soil washing water, etc. must be heated to a fairly high temperature of 60 ° C or higher as necessary to enhance the extraction / decontamination / cleaning effect. In particular, special chemicals such as organic compounds such as complexing agents and halides and ferrocyanides are added to acidic aqueous solutions for dissolution / extraction to facilitate the dissolution of poorly soluble radioactive materials. Sometimes used. For this reason, the treatment of contaminated soil decontamination wastewater must be treated with acidic or alkaline wastewater containing special chemicals at such high temperatures, and is currently widely used for the purpose of removing dissolved substances and desalting. The treatment process using the reverse osmosis membrane is difficult to apply, and only the pervaporation (PV) process using the ceramic zeolite membrane of the present invention is the only application that can achieve high concentration and purified water recovery. It is a possible processing process.
また、2011年3月の福島第1原子力発電所事故の影響で汚染された福島県や茨城県等の学校における校庭の表面残土など、汚染度が低く放射線量が比較的低い土壌でも除染せざるを得ないケースも実際には多々存在する。これらの土壌除染廃水中には放射性物質の溶存量は低く、凝集法や吸着法等既往の除染技術ではその除去効率が高くなく、結果的に吸着剤等の多量使用により最終的な放射性廃棄物の多量発生を招くことになる。 Also, decontamination of soil with low contamination and relatively low radiation levels, such as the residual soil on the surface of schoolyards in schools in Fukushima and Ibaraki prefectures, etc. that were contaminated by the Fukushima Daiichi nuclear power plant accident in March 2011 There are actually many cases where this is unavoidable. In these soil decontamination wastewaters, the dissolved amount of radioactive substances is low, and the conventional decontamination techniques such as the agglutination method and adsorption method do not have high removal efficiency. A large amount of waste will be generated.
このような場合も、本発明のゼオライト製浸透気化膜を用いた放射性物質含有廃水の濃縮プロセスを適用することにより、該放射性汚染物質の溶存濃度を高くしてから、その濃縮水に対して凝集法や吸着法等の既往除染技術を適用すれば、十分高い除去効率を容易に得ることができる。従って、酸性あるいはアルカリ性水溶液を用いて放射能汚染土壌から放射性物質を分離除去した土壌除染廃水の濃縮と放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することが好ましい。 In such a case as well, by applying the concentration process of radioactive material-containing wastewater using the zeolite pervaporation membrane of the present invention, the concentration of the radioactive pollutant is increased, and then the aggregated water is agglomerated. A sufficiently high removal efficiency can be easily obtained by applying a conventional decontamination technique such as a method or an adsorption method. Therefore, it is preferable to acquire and collect the decontamination waste water from which radioactive substances are separated and removed from radioactively contaminated soil using an acidic or alkaline aqueous solution and purified water substantially free of radioactive substances.
(高温熱水等の効率的冷却)
既述のように浸透気化プロセスにおいては、水が液相から蒸気相へと膜透過し膜を界して相変化するため、膜透過が進行するに伴いその蒸発潜熱が膜内を熱移動し、結果的に被処理水の温度が低下する。このことは、実質的に膜が伝熱面となる熱交換器と考えることができる。
因みにこの際の温度低下は、膜透過成分が水でその蒸発潜熱が大きいために特に大きく、被処理水の6%相当量が膜透過すると残された被処理水は約30℃の温度低下が起こり、12%相当量では約60℃の温度低下となる。
そこで本発明提案者は、この現象を原子力発電施設等における熱水の冷却方法として利用する方法を詳しく検討し、以下のようなプロセスと装置を発明すると共に、その画期的効果を明らかにした。
(Efficient cooling of hot hot water, etc.)
As described above, in the pervaporation process, water permeates from the liquid phase to the vapor phase and changes through the membrane, so that the latent heat of vaporization moves through the membrane as the membrane permeates. As a result, the temperature of the water to be treated decreases. This can be thought of as a heat exchanger in which the membrane is essentially a heat transfer surface.
Incidentally, the temperature drop at this time is particularly large because the membrane permeation component is water and its latent heat of vaporization is large, and when the amount equivalent to 6% of the water to be treated passes through the membrane, the remaining water to be treated has a temperature drop of about 30 ° C. Occurs and the equivalent of 12% results in a temperature drop of about 60 ° C.
Therefore, the present inventors have studied in detail how to use this phenomenon as a method of cooling hot water in nuclear power generation facilities, etc., invented the following process and apparatus, and clarified its epoch-making effect. .
本目的の被処理水冷却用の浸透気化プロセスは、その基本構成において、前記説明の放射性物質含有水の濃縮と浄化水回収用の浸透気化プロセスとあまり異ならない。しかし、被処理水の加熱装置は基本的に不要であるが、この冷却用浸透気化プロセスが原子力施設内の本来のライン近くに設置される場合などには、被処理水タンクや濃縮水タンクを省略することができる。なお、膜透過水は外部放出予定なら安全対策の見地等から一時貯留用タンクの設置が望ましい。 The permeation vaporization process for cooling water to be treated for this purpose is not much different from the permeation vaporization process for concentration of radioactive material-containing water and recovery of purified water described above in its basic configuration. However, a heating device for the treated water is basically unnecessary, but when this permeation vaporization process for cooling is installed near the original line in the nuclear facility, the treated water tank or the concentrated water tank is not installed. Can be omitted. If the membrane permeated water is to be discharged outside, it is desirable to install a temporary storage tank from the viewpoint of safety measures.
また、この被処理水冷却用の浸透気化プロセスにおいては、膜透過水蒸気の捕集・凝縮系装置としてエジェクターの利用が特に望ましく、この場合はエジェクターの作動用水として通常の冷却水や、比較的定温の貯留水や海水など自然冷却水などを直接供給することも考えられるが、特にそれに限定するものではない。但し、大量の熱水等を冷却する場合には、その冷却の必要熱量に相当する冷却水量が別途必要である。 In the pervaporation process for cooling the water to be treated, it is particularly desirable to use an ejector as a membrane permeation water vapor collection / condensation system. In this case, normal cooling water or a relatively constant temperature can be used as the operation water for the ejector. Although it is conceivable to directly supply natural cooling water such as stored water or seawater, it is not particularly limited thereto. However, when a large amount of hot water or the like is cooled, a cooling water amount corresponding to the required heat amount for cooling is separately required.
しかし、この冷却用浸透気化プロセスにおいては、冷却作用が蒸発潜熱移動の形で行われるため極めて効率的で、同熱量を熱交換する通常のシェル&チューブ型の間接式熱交器の場合より、その容積は少なくとも1/5以下のコンパクトな装置となる。また、本発明の潜熱移動による熱交換の場合には、シェル&チューブ型等の間接式熱交器が不要で、冷却水も顕熱交換ではないため、間接熱交換器を用いる場合の1/10以下で済む。換言すれば、間接熱交換器を用いる場合には、冷却用浸透気化プロセスより概ね10倍以上の大量の冷却水が必要とされ、それに対応できる冷却水(施設)の用意と10倍近いポンプ動力が必要となる。 However, in this cooling pervaporation process, the cooling action is performed in the form of latent heat transfer of evaporation, which is extremely efficient. Compared to the case of a normal shell & tube type indirect heat exchanger that exchanges the same amount of heat, Its volume is at least 1/5 or less. In addition, in the case of heat exchange by latent heat transfer according to the present invention, an indirect heat exchanger such as a shell and tube type is unnecessary, and cooling water is not sensible heat exchange. Less than 10 is enough. In other words, in the case of using an indirect heat exchanger, a large amount of cooling water approximately 10 times or more than the cooling pervaporation process is required. Is required.
なお、この冷却のために結果的に流出することになる膜透過水は、前述の放射性物質濃縮等の項目で説明したように、実質的に放射性物質を含まない程度まで高度に浄化されており、一時貯留タンクなどを経て基本的には外部放流が可能である。
因みに原子力発電施設などにおいては、自然災害等に起因する通常の冷却システムの異常事態発生時等に、比較的高温で温度低下を図る必要のある放射性物質含有熱水や冷却維持が必要不可欠な比較的低温の放射性物質含有水などが各種存在する。例えば、前者の代表例としては原子炉格納容器付属のサプレッションプール水などがあり、後者の代表例としては自己発熱性を有す使用済み核燃料を暫定保存する燃料用プール水などがある。特に後者の場合は発熱量に対応した熱量のみを冷却除去する定温維持が主な目的となる。
In addition, the membrane permeated water that will eventually flow out due to this cooling is highly purified to such an extent that it does not substantially contain radioactive substances, as explained in the above-mentioned items such as concentration of radioactive substances. Basically, external discharge is possible via a temporary storage tank.
By the way, in nuclear power generation facilities, it is essential to maintain radioactive materials containing hot water that needs to be lowered at a relatively high temperature or to maintain cooling in the event of an abnormal situation in a normal cooling system due to a natural disaster, etc. There are various kinds of water containing radioactive substances at low temperatures. For example, a typical example of the former is a suppression pool water attached to a reactor containment vessel, and a typical example of the latter is a pool water for fuel that temporarily stores used nuclear fuel having self-heating properties. In the latter case in particular, the main purpose is to maintain a constant temperature by cooling and removing only the amount of heat corresponding to the amount of heat generated.
ゼオライト膜を用いる本発明の冷却用浸透気化プロセスは、高温あるいは比較的低温のこれら放射性物質含有水の冷却目的等には既往冷却システムよりはるかにコンパクトで所要冷却水量も1/10程度と少なくて済む最適な方法である。従って、浸透気化(PV)プロセスにおける潜熱移動作用を利用して、温度の高い放射性物質含有水溶液あるいは放射能を有する機器等に接触した熱水等の温度低下や、発熱性物質に接する放射性物質含有水の定温維持を図ると共に、該放射性物質を実質的に含まない浄化水を取得回収することが好ましい。 The cooling pervaporation process of the present invention using a zeolite membrane is much more compact than conventional cooling systems and requires less than about 1/10 of the cooling water for the purpose of cooling these radioactive substance-containing waters at high or relatively low temperatures. It ’s the best way. Therefore, by using the latent heat transfer action in the pervaporation (PV) process, the temperature of hot water contacted with high temperature radioactive substance-containing aqueous solution or radioactive equipment, etc., or the inclusion of radioactive substances in contact with exothermic substances It is preferable to obtain and collect purified water substantially free of the radioactive substance while maintaining a constant temperature of water.
図4に、本発明のこれらのプロセスと装置の具体例を概念的に示すが、この例に限定されるものではない。なお、これら本発明のプロセスと装置、すなわち、放射性物質含有水を濃縮すると共に実質的に放射性物質を含まない浄化水を高回収率で回収する耐熱水性・耐酸性・耐放射線性ゼオライト浸透気化膜を用いた濃縮用浸透気化プロセスと装置、あるいは高温の放射性物質含有水等の冷却あるいは冷却維持等を図るための冷却用浸透気化プロセスと装置は、その処理対象が放射性物質含有水にのみ限定されるものではなく、外部漏出が厳しく法規制される毒物等を含有する水溶液や、他の分離法では実質的に分離・濃縮が困難な溶質を含む水溶液等にも適用が可能である。 FIG. 4 conceptually shows a specific example of these processes and apparatuses of the present invention, but is not limited to this example. These processes and devices of the present invention, that is, a hot water-resistant, acid-resistant, radiation-resistant zeolite pervaporation membrane that concentrates radioactive substance-containing water and recovers purified water substantially free of radioactive substance at a high recovery rate. The osmosis vaporization process and device for concentration using water, or the osmosis vaporization process and device for cooling for cooling or maintaining cooling of high-temperature radioactive material-containing water, etc. are limited to water containing radioactive material. However, the present invention can also be applied to an aqueous solution containing a toxic substance or the like whose external leakage is strictly regulated and an aqueous solution containing a solute that is substantially difficult to separate and concentrate by other separation methods.
以下、参考例および実施例に基づいて本発明を更に具体的に説明するが本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、本願発明では、ゼオライト膜での放射線含有水の処理を模式的に示すため、塩化セシウムや塩化ストロンチウムを含有する水を濃縮する模擬実験を参考例として示す。(参考例1)
脱イオン水を使用し、塩化セシウム0.13重量%、塩化ストロンチウム0.18重量%の水溶液を1L調整し、被分離液とした。CHA型ゼオライト膜(特開2011−121040に記載の無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体)を用いて40℃で、パーベーパレーション法により上記被分離液から水を選択的に透過させた。
なお、このCHA型ゼオライト膜のSiO2/Al2O3モル比は、16であった。 パーベーパレーション法に用いた装置の概略図を図5に示す。図5において5のゼオライト膜複合体は9の真空ポンプによって内側が減圧され、4の被分離液が接触している外側と圧力差が約1気圧になっている。この圧力差によって4の被分離液中透過物質の水が5のゼオライト膜複合体に浸透気化して透過する。透過した物質は7のトラップで捕集される。一方、透過しないイオン成分は5のゼオライト膜の外側に滞留する。2時間後、トラップに補修した水の重量と透過液中に浸漬したゼオライト膜の有効面積から、水の透過流束を計算した。
透過流束は2.67kg/(m2・h)であった。測定結果を表1に示す。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on reference examples and examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist. In the present invention, in order to schematically show treatment of radiation-containing water with a zeolite membrane, a simulation experiment for concentrating water containing cesium chloride or strontium chloride is shown as a reference example. (Reference Example 1)
Using deionized water, 1 L of an aqueous solution containing 0.13% by weight of cesium chloride and 0.18% by weight of strontium chloride was prepared as a liquid to be separated. Using a CHA-type zeolite membrane (inorganic porous support described in JP2011-121040-CHA-type zeolite membrane composite) at 40 ° C., water is selectively permeated from the liquid to be separated by a pervaporation method. It was.
The CHA zeolite membrane had a SiO 2 / Al 2 O 3 molar ratio of 16. A schematic diagram of the apparatus used for the pervaporation method is shown in FIG. In FIG. 5, the inside of the zeolite membrane composite of 5 is depressurized by a vacuum pump of 9, and the pressure difference is about 1 atm with the outside where the liquid to be separated is in contact with 4. Due to this pressure difference, water of the permeated substance 4 in the liquid to be separated permeates and permeates through the zeolite membrane composite 5. The permeated material is collected by 7 traps. On the other hand, the non-permeating ionic component stays outside the 5 zeolite membrane. After 2 hours, the water permeation flux was calculated from the weight of the water repaired in the trap and the effective area of the zeolite membrane immersed in the permeate.
The permeation flux was 2.67 kg / (m 2 · h). The measurement results are shown in Table 1.
(参考例2)
被分離液の温度を75℃に保持する以外は、実施例1と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウムと塩化スト
ロンチウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は11.97kg/(m2・h)であった。測定結果を表1に示す。
(Reference Example 2)
A liquid to be separated containing cesium chloride and strontium chloride by a pervaporation method using an inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite as in Example 1 except that the temperature of the liquid to be separated was maintained at 75 ° C. From which water was selectively permeated.
The permeation flux at that time was 11.97 kg / (m 2 · h). The measurement results are shown in Table 1.
(参考例3)
被分離液を水96.2重量%、塩化セシウム0.13重量%、塩化ストロンチウム0.18重量%、塩化ナトリウム重量2.79%、塩化カルシウム0.524重量%、塩化マグネシウム重量%、の水溶液とする以外は、実施例1と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は2.58kg/(m2・h)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例1と同等の透過流束が得られた。測定結果を表1に示す。
(Reference Example 3)
The liquid to be separated is an aqueous solution of 96.2% by weight of water, 0.13% by weight of cesium chloride, 0.18% by weight of strontium chloride, 2.79% by weight of sodium chloride, 0.524% by weight of calcium chloride, and wt% of magnesium chloride. In the same manner as in Example 1, water was separated from the liquid to be separated containing cesium chloride, strontium chloride, calcium chloride, and magnesium chloride by the pervaporation method using the inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite. Permeated selectively.
The permeation flux at that time was 2.58 kg / (m 2 · h), and a permeation flux equivalent to that in Example 1 in which sodium ions, magnesium ions, and calcium ions did not coexist was obtained. The measurement results are shown in Table 1.
(参考例4)
被分離液の温度を75℃に保持する以外は、実施例3と同様に無機多孔質支持体−CHA型ゼオライト膜複合体を用いてパーベーパレーション法により塩化セシウム、塩化ストロンチウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウムを含む被分離液から水を選択的に透過させた。
その時の透過流束は11.90kg/(m2・h)であり、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、およびカルシウムイオンが共存しない実施例3と同等の透過流束が得られた。測定結果を表1に示す。
(Reference Example 4)
Except for maintaining the temperature of the liquid to be separated at 75 ° C., a cesium chloride, strontium chloride, calcium chloride, chloride, and the like by the pervaporation method using the inorganic porous support-CHA type zeolite membrane composite as in Example 3. Water was selectively permeated from the liquid to be separated containing magnesium.
The permeation flux at that time was 11.90 kg / (m 2 · h), and a permeation flux equivalent to that in Example 3 in which sodium ions, magnesium ions, and calcium ions did not coexist was obtained. The measurement results are shown in Table 1.
また、透過液中の陽イオン濃度を、セシウムイオンとストロンチウムイオンについては、Agilent Technologies社製ICP質量分析装置7500ce型を
用いて、ナトリウムイオン、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンについては、Thermo Fisher Scientific社製高分解能ICP質量分析装置ELEMENT2型を用いてそれぞれ測定した。
透過液中のセシウムイオン濃度は、測定法の検出下限である0.1ppb以下であった。
ストロンチウムイオンも1.3ppbであり、ほとんど漏洩していない事がわかる。 測定結果を表2に示す。
In addition, the cation concentration in the permeated liquid was measured using an ICP mass spectrometer 7500ce manufactured by Agilent Technologies for cesium ions and strontium ions, and high by Thermo Fisher Scientific for sodium ions, calcium ions, and magnesium ions. Each was measured using a resolution ICP mass spectrometer ELEMENT2 type.
The cesium ion concentration in the permeate was 0.1 ppb or less, which is the detection lower limit of the measurement method.
Strontium ions are also 1.3 ppb, and it can be seen that there is almost no leakage. The measurement results are shown in Table 2.
1 スターラー
2 湯浴
3 撹拌子
4 被分離液
5 ゼオライト膜複合体
6 ピラニゲージ
7 透過液捕集用トラップ
8 コールドトラップ
9 真空ポンプ
1 Stirrer 2 Hot water bath 3 Stirrer 4 Liquid to be separated 5 Zeolite membrane composite 6 Pirani gauge 7 Trap for permeate collection 8 Cold trap 9 Vacuum pump
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