JP2014032110A - 土壌からのセシウム除去のための前処理方法およびセシウム除去方法 - Google Patents
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- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
【解決手段】放射性セシウムを含有する土壌中に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの1種または2種と、酸と水とを添加して混練した状態で所定の時間保持した後、混練した土壌に水を加えてスラリー状態とし、放射性セシウムを水相に移行させることにより、放射性セシウムを汚染土壌から分離・除去する。
【選択図】なし
Description
非特許文献2に記載の処理方法は、処理液として有機酸であるシュウ酸の水溶液を用いるものであるが、放射性セシウムの良好な溶離率を得るためには95℃という高温を必要とするものである。そのため、非特許文献2に記載の処理方法に用いる設備は複雑、かつ高額なものになるという問題があった。
非特許文献3に記載の処理方法は、処理液として酸の水溶液中にフッ化物またはフッ化物とカリウム塩とを添加した水溶液を用いるものである。この方法は、処理自体は室温で可能であるが、処理に用いるフッ化物が土壌汚染対策法上の第二種特定有害物であるため、放射性セシウムを分離・除去した後の土壌を再度処理する必要があり、実用性に劣るという問題があった。
[1]セシウムを含有する土壌100質量部に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの1種または2種を含む塩を土壌100質量部に対し1.0〜15質量部、酸並びに水を加えて土壌中の水の含有量を5〜40質量%とし、該土壌を混練した後1〜30日間保持する、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
[2]前記の酸が、塩酸および硫酸の1種または2種である、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
[3]前記の混練後の保持を常温で行う、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
[4]上記[1]〜[3]の前処理方法により処理した土壌に水を加えてスラリーとし、土壌に吸着したセシウムを水相に移行させる、土壌からのセシウム除去方法、である。
本発明の前処理においては、水を加えて水分含有量を調整した土壌に、K+イオンまたはNH4 +イオンを含む水可溶性の無機塩、有機塩もしくはそれらの混合物を混練する。これらのイオンは、粘土鉱物の層間に吸着したセシウムイオンと交換吸着する作用を有しており、吸着したセシウムイオン量に対して過剰量を存在させることにより、層間の吸着サイトからセシウムイオンを脱着させ、再吸着を防止する働きをする。
使用可能な塩としては、塩化物、硫酸塩、過硫酸塩、リン酸塩等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩等の有機酸塩等があり、水可溶性のものであればいずれを用いても構わないが、価格の面から、塩化物、硫酸塩、過硫酸塩の使用が好ましい。フッ化物および硝酸塩は、フッ素および硝酸性窒素が地下水環境基準項目に含まれるので、セシウムイオン除去後の処理液の処理を考えると、好ましくない。
これらのイオンの添加量としては、土壌100質量部に対して1.0〜15質量部が好適であり、2.5〜15質量部がより好ましい。添加量が1.0質量部未満では、粘土鉱物の層間からセシウムイオンを脱着させる効果が十分ではない。また、添加量が15質量部を超えると、セシウムイオンを脱着させる効果が飽和するとともに、処理費用の増大を招くので、好ましくない。
本発明の前処理においては、水を加えて水分含有量を調整した土壌に、酸を添加し、混練する。酸は、前述のフレイドエッジの開口部において粘土鉱物を一部溶解することにより、セシウムイオンを脱着させる効果を示すとともに、K+イオンおよびNH4 +イオンがセシウムイオンと交換吸着することを助長する作用を有している。
使用可能な酸としては、塩酸、硫酸、リン酸等の無機酸、および、酢酸、シュウ酸等の有機酸が挙げられるが、価格の面から、塩酸および硫酸の使用が好ましい。フッ酸および硝酸は、フッ素および硝酸性窒素が地下水環境基準項目に含まれるので、セシウムイオン除去後の処理液の処理を考えると、好ましくない。また、有機酸は高価であり、処理費用の増大を招くので、好ましくない。
酸の添加量としては、土壌100gに対して、濃塩酸(HCl濃度:35質量%程度)および濃硫酸(H2SO4濃度:96質量%程度)の1種または2種の1.0〜25mL(水素イオンmol数として概ね0.01mol〜1.0mol)が好ましく、4.0〜25mL(水素イオンmol数として概ね0.05mol〜1.0mol)がより好ましい。添加量が1.0mL未満では、粘土鉱物の層間からセシウムイオンを脱着させる効果が十分ではない。また、添加量が25mLを超えると、セシウムイオンを脱着させる効果が飽和するとともに、処理費用の増大を招くので、好ましくない。なお、土壌への酸の添加方法としては、濃塩酸もしくは濃硫酸をそのまま添加しても良いし、水で希釈した後に添加しても構わない。
本発明の前処理方法において、土壌に添加する水は重要な作用を有する。すなわち、水の存在は、酸のプロトン解離、および、カリウム塩もしくはアンモニウム塩の解離・イオン化を促進し、それぞれ水和イオンとして粘土鉱物の層間に拡散させると同時に、脱着したセシウムを水和イオンとして粘土鉱物の系外に運び去る作用を有している。
水の添加量としては、セシウムを含有する土壌にカリウム塩およびアンモニウム塩の1種または2種と酸と水とを添加し、混練する時点での水分の含有量として5〜40質量%に調整することが好ましい。この水は酸溶液の溶媒の形態で添加することができる。なお、汚染土壌が採取時点で充分な水分を含んでおり、塩と酸とを加えた時点でその水分の含有量がこの範囲にある時は、水をさらに添加しなくても良い。水分の含有量が5質量%未満では、酸およびカリウム塩、アンモニウム塩の解離・イオン化が不十分となり、好ましくない。また、水分の含有量が40質量%を超えると、土壌が流動・流出しやすくなり、仮置きする際のハンドリングに支障をきたすため、好ましくない。
本発明者らは、放射性セシウムで汚染された土壌から、カリウムおよびアンモニウムイオンと酸と水との複合作用によりセシウムを除去するに当たっては、反応温度を高くするよりも、混練後の保持時間を長くする方が効果的であることを見出して本発明を完成させた。この現象は、以下の様に理解できる。すなわち、混練直後には、混練された土壌に接し、かつ、比較的層間距離の大きなフレイドエッジにプロトンおよびカリウムイオン、アンモニウムイオンが短時間に供給されるので、その部分に吸着したセシウムが最初にイオン交換により脱着すると考えられる。しかし、粘土鉱物内部では層間距離が狭いので、水の浸透、および、プロトン並びにカリウムイオン、アンモニウムイオンの拡散に時間を要し、結果として脱着したセシウムの逆拡散に長時間を要するものと考えられる。したがって、これらの拡散プロセスについては、反の温度を上昇するよりも、反応時間を長く取る方が効果的であると考えられる。
混練後の土壌の保持時間としては1〜30日間が好ましく、3〜30日間がさらに好ましい。保持時間が1日間未満では、セシウムの脱着反応が充分に進行しないので、好ましくない。保持時間が30日間を超えると反応が飽和し、処理費用も増大するので、好ましくない。
本発明の前処理方法は、混練後の土壌の保持温度を特に規定するものではなく、常温下で保持しても、加温状態で保持してもどちらでも構わない。ここで、常温下で保持とは、屋外では外気温の状態で、屋内では室温の状態で、それぞれ特別な加熱手段を用いることなしに保持することを意味する。通常の外気温は、季節によって変動するが、10〜35℃程度である。汚染土壌の処理において、土壌の加温設備を設けると、設備が大型化して処理コストが増大するので、費用の観点からは常温で保持することが好ましい。なお、屋外で外気温が0℃を下回ると、土壌中の水が凍結する可能性があるので、その条件下で混練した土壌を保持することは好ましくない。
本発明の前処理方法において、特別な加温を必要としないのは、土壌に添加する水の量が少なく、混練後の土壌に含まれる水分中のカリウムイオンおよびアンモニウムイオンの濃度や、酸の濃度が高い状態に保たれているためと考えられる。
カリウム塩、アンモニウム塩と酸と水とを混練した状態で土壌を保持すると、時間の経過とともに、粘土鉱物の層間に吸着していたセシウムが脱着し、拡散等の作用により、土壌に含まれる水分中に移動する。所定の保持時間経過後に、混練した土壌に水を加え、スラリー状態にすると、粘土鉱物から脱着したセシウムは、水相に移行する。混練した土壌に加える水には、粘土鉱物からさらにセシウムを脱着させるため、カリウムイオン、アンモニウムイオン、酸等を添加しても良いが、混練後の保持により、セシウムの脱着が飽和状態に近づいているので、基本的には薬剤を添加しない水を用いて構わない。スラリー状態にするために、水のみを添加する場合には、処理に使用する薬剤は、混練時に添加するものだけになるので、本発明の前処理方法を使用することにより、薬剤の使用量を低減することが出来る。
土壌からのセシウムの分離を促進するために、スラリーを一定時間撹拌した後、ろ過、フィルタープレス等の公知の分離方法を用いて土壌と水とを分離することにより、放射性セシウムにより汚染された土壌から、放射性セシウムを除去することができる。スラリーの撹拌は、常温または加温状態のどちらで行っても構わない。放射性セシウムを含有した処理後の水は、フェロシアン化物を用いた凝集沈澱法等、公知のセシウムの分離方法を用いて処理する。
供試サンプルとして、実際に採取した放射性セシウム含有土壌を用いた。供試した土壌の水分含有量は20質量%であり、平成24年3月1日付け厚生労働省事務連絡「食品中の放射性セシウムスクリーニング法」の内容を満足するNaI検出器による放射能測定装置を用いて得られた放射性セシウムの濃度は、137Csについて7320Bq/Kg−dry、134Csについて5360Bq/Kg−dryであった。
採取した放射性セシウム含有土壌を有姿で、目開き10mmの標準篩で篩分けし、得られた網下10mm以下の土壌をサンプルとした。
[前処理]
サンプル100gを蓋付の容器に採取し、下記表1および表2に示す抽出剤を加えて混練し、密栓した後、空調温度25℃の室内で、10分〜30日間保持した。なお、サンプル土壌の水分含有量が20質量%であったため、水は添加しなかった。
[抽出試験]
所定の期間保持した後、容器に水500mLを加え、振とう器を用いて10分間振とうした。振とう後のサンプルを、5Cのろ紙を用いて吸引ろ過し、ろ液と洗浄土とを分離した。ろ過に際しては、200mLの水をすすぎ水として使用した。
[評価]
得られた脱水土壌とろ液とをそれぞれ秤量し、前述の放射能測定装置を用いて、放射性セシウム濃度を測定し、放射性セシウムの水への抽出率を算出した。なお、抽出率30%以上を良好と判断した。
また、参考値として、ろ液のpHを測定した。pHの測定はガラス電極法により行い、ガラス電極の較正には、中性のリン酸塩標準液と酸性のフタル酸塩標準液を用いた。実験結果で示すpH値は、pHの表示した値である。
サンプル100gに、抽出剤として35%濃塩酸(以下HClとも表示する)20mLと塩化カリウム(KCl)20g(Kとして10.5gに相当)を添加し、前記の実験手順に従って、セシウム抽出率の経時変化を測定した。結果を表1に示す。この場合、セシウム抽出率は1日でほぼ飽和した。なお、他の抽出剤についても、同様な傾向が観察された。表1には、参考値のpHも併せて示してある。ろ液のpHは、保持時間とともに徐々に上昇している。
抽出剤を種々変化させただけで、実施例1と同じ抽出試験を行った結果を、表2に示す。ここでH2SO4とは、96%濃硫酸を意味する。硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)20gは、NH4として5.45gに、過硫酸カリウム(KHSO5)20gはKとして5.12gにそれぞれ相当する。表中のpH値は、14日保持後の、ろ液のpH値である。本発明の実施例である実験番号1〜8は、セシウムの抽出率が飽和する保持時間7日において、抽出率の値がいずれも30%以上となっている。酸については、塩酸よりも硫酸の方が高い抽出率を示す。これは、同体積では、硫酸の方が酸としての濃度が高いためと考えられる。酸の単独添加(実験番号10)、カリウム(実験番号9、12)およびアンモニウム(実験番号11)の単独添加では、充分な効果が得られなかった。土壌をアルカリ性にすることは(実験番号13〜15)、セシウムの除去に効果を示さなかった。
Claims (4)
- セシウムを含有する土壌に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの1種または2種を含む塩を土壌100質量部に対し1.0〜15質量部、酸、並びに水を加えて土壌中の水の含有量を5〜40質量%とし、該土壌を混練した後1〜30日間保持する、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
- 前記の酸が塩酸および硫酸の1種または2種である、請求項1に記載の土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
- 前記の混練後の保持を常温で行う、請求項1または2に記載の土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
- 請求項1〜3に記載の前処理方法により処理した土壌に水を加えてスラリーとし、土壌に吸着したセシウムを水相に移行させる、土壌からのセシウム除去方法。
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