JP2014044125A - 植物材料の燃料化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】植物組織内に入り込んだ汚染物質を容易に除去できる技術を提供する。
【解決手段】放射性物質に汚染された植物材料の燃料化方法であって、植物材料を夫々小塊の小片に破砕し、破砕後の小片をアルカリ水溶液と接触させ、そのアルカリ水溶液により小片の植物組織を部分溶解させて、放射性物質を含む付着物質を小片から剥離させ、アルカリ水溶液に移行させることにより除染した燃料とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、放射性物質に汚染された植物材料の燃料化方法に関する。

放射性物質に汚染された植物材料として、例えば、木材や穀物残渣等の葉枝類は、一般的には水により洗浄して除染した後に燃料とすることが考えられる（周知技術であり特に文献を示すことができない）。

しかし、植物組織内に入り込んだ汚染物質を除去するのは困難で、燃焼時に排出される排気ガスや焼却灰に残存する汚染物質として、特に放射性物質を規制値濃度以下にするには、多くの手間と時間が必要となり、更に高濃度汚染物質は、焼却や溶融処理等による減容化手段により、ガスや焼却灰を濃縮してしまう危険性があり、人体に影響を及ぼさない濃度にまで除染するのは困難で現実的ではなかった。

従って、本発明の目的は、上記問題点を解消し、植物組織内に入り込んだ汚染物質を容易に除去できる技術を提供するところにある。

本発明の第１の特徴構成は、放射性物質に汚染された植物材料の燃料化方法であって、前記植物材料を夫々小塊の小片に破砕し、破砕後の前記小片をアルカリ水溶液と接触させ、そのアルカリ水溶液により前記小片の植物組織を部分溶解させて、放射性物質を含む付着物質を前記小片から剥離させ、アルカリ水溶液に移行させることにより除染した燃料とするところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、小塊に破砕された小片をアルカリ水溶液と接触させることにより、小片の植物組織は加水分解反応により、溶解しながら変形しようとする。この時、変形しようとする植物組織とその組織壁に付着していた付着物質との間に剪断力が働き、植物組織内に侵入して付着していた汚染物質を含む付着物質は剥離し、アルカリ水溶液中に移行して、小片から分離する。
従って、小片の植物組織内部に侵入して付着していた汚染物質が、小片及びその内部から流出して除染された燃料とすることができる。
しかも、小片の植物組織は、アルカリ水溶液との接触により部分溶解させるだけにすることにより、燃料としてのエネルギー源である植物組織の減量化を抑えながら、小片を単に水洗するよりも汚染物質を植物組織の内部から効率よく取り除くことができ、燃料として使用した時の燃焼排ガスや焼却灰中の汚染物質濃度を、規制値以下にしやすくなり、換言すれば、一度に燃焼させることのできる燃料を増加して、エネルギー利用としての効率を簡単に上げることができる。

本発明の第２の特徴構成は、前記アルカリ水溶液は、０．１％〜５％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液である。

本発明の第２の特徴構成によれば、本発明の第１の特徴構成による上述の作用効果を叶えることができるのに加えて、アルカリ水溶液は０．１％未満では、加水分解効率が低くなり、その反面５％よりも多くなれば、付着物質が剥離してアルカリ水溶液中に移行する除去率は高くなるものの、放射性物質を含む付着物質のみならず、燃料としてのエネルギー源である植物組織そのものも過剰に加水分解してアルカリ水溶液中に流出するために、アルカリ水溶液の粘性が高くなり、小片の除染後の排水処理に多くの手間が必要となり、しかも、エネルギー源である残存する植物組織そのものも減少しすぎ、経済性が悪くなる。
従って、アルカリ水溶液は、０．１％〜５％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液にすることにより、小片の除染後の水処理も簡単で、しかも除染率も高く実現できる。

本発明の第３の特徴構成は、破砕後の前記小片を、アルカリ水溶液と接触させる際に撹拌を行い、そのアルカリ水溶液による洗浄後に、水により洗浄するところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、前記破砕後の小片を、アルカリ水溶液と接触させる際に撹拌を行うことにより、小片とアルカリ水溶液との接触効率が上がり、植物組織の加水分解効率を上げることができる。
その上、アルカリ水溶液による洗浄後に、水により洗浄することにより、植物組織内部に剥離して残存する汚染物質を、より多く小片の外方に流出させることができる。

本発明の第４の特徴構成は、前記付着物質を前記小片から剥離させて移行させたアルカリ水溶液の色を光学的に測定し、その測定値を基に前記小片からの付着物質の剥離に適当な前記植物組織の部分溶解程度を制御するところにある。

本発明の第４の特徴構成によれば、小片と接触させたアルカリ水溶液には、加水分解が進むにつれて、付着物質のみならず植物組織内から溶出する着色原因になるリグニンやタンニンが存在し、そのために、アルカリ水溶液の色を光学的に測定して、その測定値を基に前記小片からの付着物質の剥離に適当な前記植物組織の部分溶解程度を制御することにより、簡単に小片に対するアルカリ水溶液の接触処理をコントロールして、効率の良い燃料化処理を行うことができる。

各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム除去率を表わすグラフである。 各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム残留濃度を表すグラフである。 各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム除去率を表わすグラフである。 各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム残留濃度を表すグラフである。 温度の異なった水酸化ナトリウム水溶液による放射性セシウム残留濃度を表すグラフである。 各濃度の異なる水酸化ナトリウム水溶液による洗浄での吸光度の変化を表すグラフである。 色度の変化に基づく放射性セシウム（Ｃｓ）除去率の変化を表すグラフである。 未処理木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は（ａ）における四角枠部分の拡大部分で７００倍の拡大写真、（ｃ）は(ｂ)における四角枠部分の２０００倍の拡大写真を示す。 未処理木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後の木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は（ａ）における四角枠部分の拡大部分で７００倍の拡大写真、（ｃ）は(ｂ)における四角枠部分の２０００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後の木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真、（ｃ）は２０００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真、（ｃ）は２０００倍の拡大写真を示す。 アルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した木質チップ表面の電子顕微鏡写真で、８０倍の拡大写真を示す。 木質チップを手で破断した時の断面の電子顕微鏡写真で、（ａ）は２００倍の拡大写真、（ｂ）は７００倍の拡大写真、（ｃ）は２０００倍の拡大写真を示す。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
建築廃材や産業廃棄物あるいは津波などの自然災害により発生した廃棄木材、間伐材、その他放射性物質に汚染された植物を、セメント燃料等の燃料として使用する場合、その他埋め立て処理や再資源化する場合に、燃焼排ガスや焼却灰に含まれる有害物質の含有量を少なくするために、それらの植物材料の表面に付着したり、植物組織内部に含浸した汚泥、砂、海水、放射性物質等は、洗浄により除去する必要が有る。

そこで、次の処理により植物材料を燃料化する方法を提案する。
前記植物材料の一例としての木質材料を、夫々小塊の木片（小片）に破砕し、破砕後の木片をアルカリ水溶液として、０．１％〜５％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液と撹拌しながら接触させ、そのアルカリ水溶液により木片の木部組織を加水分解により部分溶解させて、放射性物質を含む付着物質を木片から剥離させ、アルカリ水溶液に移行させることにより除染した燃料とする。

そのアルカリ水溶液による木部組織の加水分解により、放射性物質以外にリグニンやタンニン等の通常木部組織内に含まれる着色物質も木片から剥離してアルカリ水溶液中に移行する。
従がって、アルカリ水溶液中への付着物質の移行を管理して、適切な洗浄操作を行うのに、付着物質を木片から剥離させて移行させたアルカリ水溶液の色を光学的に測定し、その測定値を基に木片からの付着物質の剥離に適当な木部組織の部分溶解程度を制御する。
また、アルカリ水溶液による木片の洗浄後、その木片を更に水により洗浄する。

アルカリ水溶液による洗浄と、水による洗浄により排出される廃水は、中和処理によりＰＨ調整した後に、凝集沈殿処理によりリグニン等の着色物質の除去を行い、その後、活性炭処理や逆浸透膜によるろ過処理を行い、場合によっては、残存有機物分解のためにオゾンや過酸化水素、次亜塩素酸による酸化分解により排水基準を満たすようにする。

次に、アルカリ水溶液による洗浄処理についての実施例を示す。

洗浄実験の手順として、以下の通り行う。
１．生木からなる木屑試料の分析を行う。
分析結果から実験試料としての生木の含水率は、４０〜４５％で、初期放射能は、３６００〜４０００Ｂｑ／ｋｇである。
２．洗浄液として使用したアルカリ水溶液は、０％、０．１％、０．２５％、０．５％、１％の夫々濃度の異なった水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を各種準備し、汚染物質除去率を調べる。
３．洗浄液に木屑試料を投入（水溶液１０００ｇで木屑試料１００ｇを洗浄する）。
４．３０分攪拌する。
５．２ｍｍの篩で濾過する。
６．脱水する。
７．木屑及び洗浄液の残留放射能濃度を、夫々分析する。
８．同じ洗浄プロセスで繰り返し水洗し、夫々の残留放射能濃度を確認する。

上記の実験結果を、図１、図２のグラフで表した。
図１は、各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム（Ｃｓ）除去率を表し、図２は、各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム（Ｃｓ）残留濃度を表す。尚、洗浄回数１回目は、アルカリ水溶液による洗浄結果を表し、２回目以降は、夫々水道水のみによる洗浄を表す。
これによると、水酸化ナトリウムを含有しない水のみによる洗浄に比べ、０．１〜１％の水酸化ナトリウム水溶液による洗浄により放射性セシウム（Ｃｓ）除去率は向上することが明確である。
つまり、アルカリ水溶液中で、木質が膨張し、セルロース分子間及び分子内部の水素結合が破壊され、多糖類、リグニン類などが溶かされ、セシウム（Ｃｓ）等の木質内部に侵入していた放射性物質やその他の汚染物質が、アルカリ水溶液中に移行するものと思われる。
また、水酸化ナトリウム水溶液の濃度が高いほど木質内部に浸透しやすくなり、セシウム（Ｃｓ）の脱着もしやすくなると考えられる。
その上、アルカリ洗浄（アルカリ水溶液による洗浄）に引き続く水洗浄の回数を上げれば、より除染効果は向上する。
尚、図１、図２中で、０．５％の水酸化ナトリウム水溶液と、１％の水酸化ナトリウム水溶液との濃度差による放射性セシウム（Ｃｓ）除去率の差はほとんどない。

実施例１と同様の手順で、１％、２％、５％の各種濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液による洗浄実験を行い、夫々の放射能濃度を測定して、図３、図４のグラフに表した。
図３は、各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム（Ｃｓ）除去率を表し、図４は、各種濃度による水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム（Ｃｓ）残留濃度を表す。
これによると、図３、図４より、１％の水酸化ナトリウム水溶液と２％の水酸化ナトリウム水溶液の放射性セシウム（Ｃｓ）除去率に差はなく、５％の水酸化ナトリウム水溶液になると、放射性セシウム（Ｃｓ）除去率が上がることが分かる。しかし、５％の水酸化ナトリウム水溶液による洗浄では、洗浄廃液の粘性が高くなり、後の廃液処理に手間と費用がかかる。
従って、５％より高濃度の水酸化ナトリウム水溶液では、経済的ではない。
また、アルカリ洗浄で木屑の放射能は、約１０００〜１５００Ｂｑ/ｋｇ（ｗｅｔ ｂａｓｅ）になり、アルカリ洗浄後の水洗浄の回数を増やすことにより、放射能が３５０Ｂｑ/ｋｇ（ｗｅｔ ｂａｓｅ）まで落ちることを確認した。

次に、１％濃度の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液による洗浄を、２３〜２５℃と場合と、４０℃の場合とで温度を変えて行い、図５のグラフに表した。
これによると、温度の違いによる残留放射能濃度には、あまり差が無かった。

夫々の前記アルカリ洗浄液の濃度差による洗浄実験で、洗浄廃液の３９０ｎｍでの洗浄回数に伴う吸光度の変化を図６に表した。また、上記の吸光度の測定値を基に、色度による放射性セシウム（Ｃｓ）除去率を図７のグラフに表した。
これによると、水酸化ナトリウム水溶液の濃度差により吸光度に差が有る事がわかる。
また、色度が高いほど放射性セシウム（Ｃｓ）除去率が高いことが分かり、色度を測定することにより、除染の程度を知ることができ、除染制御を行うことができる。

〔比較例１〕
上記と同様の手順で行う洗浄方法を、洗浄液として、アルカリ水溶液に代えて各種の水溶液による洗浄を行い、夫々の放射性セシウム（Ｃｓ）除去率を測定した。
つまり、以下の除去率が得られた。
１％ ＫＣｌ溶液・・・・・０％（除去率）
３％ ＫＣｌ溶液・・・・・１２％(除去率)
１％ ＮａＣｌ溶液・・・・１６％(除去率)
３％ ＮａＣｌ溶液・・・・７％(除去率)
１％ Ｎａ２ＳＯ４溶液・・４２％(除去率)
１％ 酢酸溶液・・・・・・２５％(除去率)
１％ 硫酸溶液・・・・・・１８％(除去率)
１％ 塩酸溶液・・・・・・３８％(除去率)
１％ シュウ酸溶液・・・・３４％(除去率)

次に廃棄木材のアルカリ水溶液による洗浄処理において、洗浄前の未処理木質チップ表面の電子顕微鏡写真（図８、図９）と、アルカリ水溶液による洗浄後の木質チップ表面の電子顕微鏡写真(図１０〜図１５)の撮像結果を示す。

図８（ａ）〜（ｃ）の洗浄前の未処理木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、全体的に粘土鉱物がモコモコと付着していることが分かり、図８（ｃ）における矢印部分Ａは、粘土鉱物が付着していない部分であるが、矢印部分Ｂ，Ｃは、粘土鉱物が付着している。
別の未処理木質チップ表面の電子顕微鏡写真においても、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、矢印部分Ｄを除いて、ほぼ全面にわたって粘土鉱物が付着していることが分かる。

図１０（ａ）〜（ｃ）のアルカリ水溶液による洗浄後の木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、全体的に粘土鉱物の付着は見られず、(ｂ)及び(ｃ)における矢印部分Ｅに示す導管壁面部分は薄くなり、これは、図１６の比較写真で示すように、機械的に破断した場合のような微細な繊維の毛羽立ちや曲り変形の発生部分と比べ、断面が滑らかになっており、アルカリ水溶液により木質部分が溶解されたことが分かる。

図１１（ａ）、（ｂ）のアルカリ水溶液による洗浄後の別の木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、上記と同様に粘土鉱物の付着は見られず、矢印部分Ｅに示す導管壁面部分は薄くなり、アルカリ水溶液により木質部分が溶解されたことが分かる。

図１２（ａ）〜（ｃ）のアルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、（ｂ）の矢印部分Ｅの導管壁面部分は薄くなり、（ｃ）の矢印部分Ｆの気孔の膜が溶解していることが分かる。

図１３（ａ）、（ｂ）のアルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した別の木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、もともと直列に複数並んでいた矢印部分Ｆの気孔が、アルカリ水溶液により溶解して気孔間の膜がなくなり、大きな孔になっていることわかる。

図１４（ａ）〜（ｃ）のアルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した別の木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、上記と同様に、矢印部分Ｅの導管壁面部が薄くなってカールしていることが分かる。

図１５のアルカリ水溶液による洗浄後に、水洗浄した別の木質チップ表面の電子顕微鏡写真においては、導管壁面部の溶解が全面的に進行していることが分かり、明らかに、図１６に示す機械的破断の場合の表面形状とは異なることが分かる。

〔別実施形態〕
以下に他の実施の形態を説明する。
〈１〉 洗浄液としてのアルカリ水溶液は、水酸化ナトリウム水溶液以外の水酸化カリウム水溶液、その他、加水分解により部分溶解させる性質の材料等の水溶液でもよい。
〈２〉 水洗浄を行わずにアルカリ洗浄のみを行っても良いが、アルカリ洗浄後に、水洗浄を行ったほうがより洗浄効果が上がり、その回数が増えるほど洗浄効果が上がる。
〈３〉 本発明の前記植物材料としては、廃棄木材以外に、間伐材を含む森林伐採による木材、藁等の穀物残渣を含むものである。
〈４〉 本発明は、植物材料の燃料化の用途を上げたが、別の用途として製紙や堆肥等の再資源化にも利用できるものである。
〈５〉 前記洗浄液に木屑試料を投入した際の撹拌処理については、３０分間撹拌する実施例を上げたが、その撹拌処理は、効率化を上げて時間短縮を図ってもよい。

尚、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。

Claims (4)

1. 放射性物質に汚染された植物材料の燃料化方法であって、
   前記植物材料を夫々小塊の小片に破砕し、
   破砕後の前記小片をアルカリ水溶液と接触させ、そのアルカリ水溶液により前記小片の植物組織を部分溶解させて、放射性物質を含む付着物質を前記小片から剥離させ、アルカリ水溶液に移行させることにより除染した燃料とする植物材料の燃料化方法。
2. 前記アルカリ水溶液は、０．１％〜５％の水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液である請求項１に記載の植物材料の燃料化方法。
3. 破砕後の前記小片を、アルカリ水溶液と接触させる際に撹拌を行い、そのアルカリ水溶液による洗浄後に、水により洗浄する請求項１または２に記載の植物材料の燃料化方法。
4. 前記付着物質を前記小片から剥離させて移行させたアルカリ水溶液の色を光学的に測定し、その測定値を基に前記小片からの付着物質の剥離に適当な前記植物組織の部分溶解程度を制御する請求項１〜３のいずれか１項に記載の植物材料の燃料化方法。