JP2014190882A - 放射性セシウムが付着したバイオマスの処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】放射性セシウムが付着したバイオマスからバイオオイルを回収すると共に、放射性セシウムを減容化且つ化学的に安定化した状態で確実に除去できる除染処理方法を提供する。
【解決手段】 放射性セシウムが付着したバイオマス原料を粉砕する粉砕工程と、粉砕したバイオマス原料を無酸素雰囲気下で且つ前記放射性セシウムが気化しない温度で急速熱分解することで、バイオオイルの原料を含む液体、Si-O-Cs系物質を含む固体及び気体の三相に分ける急速熱分解工程と、前記液体を回収するバイオオイル回収工程と、前記固体を回収する放射性セシウム回収工程とを少なくとも含み、必要に応じて前記粉砕工程又は前記急速熱分解工程においてシリカを添加するシリカ添加工程も含む。
【選択図】図１
【解決手段】 放射性セシウムが付着したバイオマス原料を粉砕する粉砕工程と、粉砕したバイオマス原料を無酸素雰囲気下で且つ前記放射性セシウムが気化しない温度で急速熱分解することで、バイオオイルの原料を含む液体、Si-O-Cs系物質を含む固体及び気体の三相に分ける急速熱分解工程と、前記液体を回収するバイオオイル回収工程と、前記固体を回収する放射性セシウム回収工程とを少なくとも含み、必要に応じて前記粉砕工程又は前記急速熱分解工程においてシリカを添加するシリカ添加工程も含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、放射性セシウムが付着したバイオマスから燃料を回収すると共に、放射性セシウムを減容化且つ安定化した状態で確実に除去できる除染処理方法に関する。
近年、原子力発電施設から大気中に拡散した放射性物質（特に放射性セシウム）が稲わら、籾殻等の農産物残渣や間伐材等に付着するという問題が生じており、放射性セシウムの除染処理に関する研究が進んでいる。
放射性セシウムの除染処理方法としては、例えば、放射性セシウムが付着した農産物残渣を焼却し、焼却灰を洗浄して放射性セシウムをイオン化させ、これをゼオライトで吸着する方法が知られているが、ゼオライトは放射性セシウム以外の物質も吸着してしまうため処理効率が悪いという問題がある。
放射性セシウムの除染処理方法としては、例えば、放射性セシウムが付着した農産物残渣を焼却し、焼却灰を洗浄して放射性セシウムをイオン化させ、これをゼオライトで吸着する方法が知られているが、ゼオライトは放射性セシウム以外の物質も吸着してしまうため処理効率が悪いという問題がある。
他には、農産物残渣等に付着した放射性セシウムの除染処理方法ではないが、例えば原子力発電施設で生じる放射性廃液の処理方法として、当該廃液を濃縮・乾燥させて粉体としたうえで、セメント、アスファルト、プラスチック等に混合し、そのまま固化体とする方法が知られているが、この方法では放射性濃縮廃液の粉体よりも固化体の体積が大きくなるため、減容効果が小さいという問題がある。
あるいは、特許文献１には、放射性濃縮廃液の粉体をシリカを主成分とする助剤及び炭素を主成分とする反応促進剤とともに溶融し、生成されたガラス質中に放射性物質を閉じ込める溶融固化法が提案されている。この方法では放射性濃縮廃液の粉体の主成分である硫酸ソーダがガラス原料となるため助剤の添加量が少なくて済むと共に大きな減容効果を得ることができる。またガラス質の固化体となるために燃焼のおそれがなく、化学的に安定するという利点がある。
あるいは、特許文献１には、放射性濃縮廃液の粉体をシリカを主成分とする助剤及び炭素を主成分とする反応促進剤とともに溶融し、生成されたガラス質中に放射性物質を閉じ込める溶融固化法が提案されている。この方法では放射性濃縮廃液の粉体の主成分である硫酸ソーダがガラス原料となるため助剤の添加量が少なくて済むと共に大きな減容効果を得ることができる。またガラス質の固化体となるために燃焼のおそれがなく、化学的に安定するという利点がある。
一方、近年、石油資源の枯渇及び価格高騰の問題や、石油資源の利用による大気中の二酸化炭素濃度の上昇が懸念されており、石油資源の代替物としてバイオマスが注目されている。
バイオマスとは「再生可能な、生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの」と定義されており、理論的にカーボンニュートラルとなるため、その積極活用が期待されている。バイオマスは林業系（製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、籾殻、果樹剪定枝、麦わら、サトウキビ糠、米糠、草木等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、廃棄物系（生ごみ、街路樹、刈草、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。
バイオマスとは「再生可能な、生物由来の有機性資源で化石資源を除いたもの」と定義されており、理論的にカーボンニュートラルとなるため、その積極活用が期待されている。バイオマスは林業系（製材廃棄物、間伐材、製紙廃棄物等）、農業系（稲わら、籾殻、果樹剪定枝、麦わら、サトウキビ糠、米糠、草木等）、畜産系（家畜廃棄物等）、水産系（水産加工残滓等）、廃棄物系（生ごみ、街路樹、刈草、庭木、建築廃材、下水汚泥等）等に分類される。
バイオマスをエネルギーに転換する技術としては、これを直接燃焼して蒸気タービン等により発電する方法以外に、ペレット等の固形燃料化する方法や、加熱による熱化学的変換、発酵等による生物化学的変換、触媒変換等を行うことで燃料油（バイオオイル）を抽出する方法が知られている。
上記熱化学的変換の一例として、特許文献２にはバイオマスを急速熱分解して発生した熱分解ガスから多段階の分留により少なくともタールとバイオオイルを回収するバイオマス由来液体燃料の製造方法が開示されている。
上記熱化学的変換の一例として、特許文献２にはバイオマスを急速熱分解して発生した熱分解ガスから多段階の分留により少なくともタールとバイオオイルを回収するバイオマス由来液体燃料の製造方法が開示されている。
ところが、上記従来の技術では以下のような問題がある。
すなわち、従来の放射性セシウムの除染処理方法では、放射性セシウムを化学的に安定化させて安全に除去する点に主眼が置かれているため、放射性セシウムが付着したバイオマスをエネルギーとして有効活用する点が考慮されていないという問題がある。
また、従来のバイオマスの利用方法では、バイオマスに放射性セシウムが付着していることを想定していない。したがって、従来の方法を放射性セシウムが付着しているバイオマスに適用した場合、放射性セシウムが再び大気中に拡散してしまう等の２次被害を招くおそれがある。
すなわち、従来の放射性セシウムの除染処理方法では、放射性セシウムを化学的に安定化させて安全に除去する点に主眼が置かれているため、放射性セシウムが付着したバイオマスをエネルギーとして有効活用する点が考慮されていないという問題がある。
また、従来のバイオマスの利用方法では、バイオマスに放射性セシウムが付着していることを想定していない。したがって、従来の方法を放射性セシウムが付着しているバイオマスに適用した場合、放射性セシウムが再び大気中に拡散してしまう等の２次被害を招くおそれがある。
本発明はこのような問題に鑑み、放射性セシウムが付着したバイオマスからバイオオイルを回収すると共に、放射性セシウムを減容化且つ化学的に安定化した状態で確実に除去できる除染処理方法を提供することを目的とする。
本発明の放射性セシウムが付着したバイオマスの処理方法は、放射性セシウムが付着したバイオマス原料を粉砕する粉砕工程と、粉砕したバイオマス原料を無酸素雰囲気下で且つ前記放射性セシウムが気化しない温度で急速熱分解することで、バイオオイルの原料を含む液体、Si-O-Cs系物質を含む固体及び気体の三相に分ける急速熱分解工程と、前記液体を回収するバイオオイル回収工程と、前記固体を回収する放射性セシウム回収工程とを少なくとも含み、必要に応じて前記粉砕工程又は前記急速熱分解工程においてシリカを添加するシリカ添加工程も含むことを特徴とする。
また、前記放射性セシウムが気化しない温度が４００℃〜６００℃の範囲であることを特徴とする。
また、前記気体を前記急速熱分解工程の熱源の一部として再利用する気体再利用工程を含むことを特徴とする。
また、前記放射性セシウムが気化しない温度が４００℃〜６００℃の範囲であることを特徴とする。
また、前記気体を前記急速熱分解工程の熱源の一部として再利用する気体再利用工程を含むことを特徴とする。
本発明の放射性セシウムが付着したバイオマスの処理方法によれば、急速熱分解法を用いることでバイオマスから高い収率でバイオオイルを回収できる。
また、放射性セシウムが気化しない温度（４００℃〜６００℃）で加熱するため、当該放射性セシウムがバイオマスに含まれるシリカ及び必要に応じて別途添加するシリカと固相反応を起こし、Si-O-Cs系物質に変化する。したがって、このSi-O-Cs系物質を含有するチャー（固体）を回収することで、放射性セシウムを化学的に安定化した状態で確実に回収することができる。また、回収したチャーはセメント等の周知の固化手段により固化体とすることで、粉砕処理する前の状態のバイオマスと比較して大幅に減容化できる。
また、気体はバイオガスとして急速熱分解工程の熱源の一部として再利用することができる。
また、放射性セシウムが気化しない温度（４００℃〜６００℃）で加熱するため、当該放射性セシウムがバイオマスに含まれるシリカ及び必要に応じて別途添加するシリカと固相反応を起こし、Si-O-Cs系物質に変化する。したがって、このSi-O-Cs系物質を含有するチャー（固体）を回収することで、放射性セシウムを化学的に安定化した状態で確実に回収することができる。また、回収したチャーはセメント等の周知の固化手段により固化体とすることで、粉砕処理する前の状態のバイオマスと比較して大幅に減容化できる。
また、気体はバイオガスとして急速熱分解工程の熱源の一部として再利用することができる。
本発明の放射性セシウムが付着したバイオマスの処理方法の実施の形態について図を用いて説明する。
本実施の形態ではバイオマスの一例として稲わらを用いるものとする。稲わらの成分比はおおよそセルロース４１％、ヘミセルロース２７％、リグニン５％、灰分（SiO2：シリカ）１２％、水分・金属その他不純物が１５％程度である。放射性セシウムはシリカに付着し易い性質を持つことから、バイオマスの中でもシリカの成分比が比較的高い稲わらや籾殻に多く付着する。
本実施の形態ではバイオマスの一例として稲わらを用いるものとする。稲わらの成分比はおおよそセルロース４１％、ヘミセルロース２７％、リグニン５％、灰分（SiO2：シリカ）１２％、水分・金属その他不純物が１５％程度である。放射性セシウムはシリカに付着し易い性質を持つことから、バイオマスの中でもシリカの成分比が比較的高い稲わらや籾殻に多く付着する。
放射性セシウムが付着した稲わらは、まず高速ロータリーカッターによって粉砕する（粉砕工程）。一般的にバイオマス原料は伝熱特性が低く、水分を多く含むため、稲わらを粉砕し、乾燥させておくことで、後の急速熱分解工程においてバイオマス原料の温度管理を正確に行うことができる。
次に、粉砕した稲わらをスクリューフィーダ等の周知の搬送手段で加熱炉まで搬送する。搬送手段としては粉砕した稲わらを閉鎖空間内で搬送できる構造を備えることが好ましい。粉砕した稲わらを開放空間で搬送する場合、稲わらが風雨に曝されることで風で飛ばされたり、放射性セシウムが大気中に再び拡散したり、水分含有量が上昇してしまうおそれがあるためである。
次に、粉砕した稲わらをスクリューフィーダ等の周知の搬送手段で加熱炉まで搬送する。搬送手段としては粉砕した稲わらを閉鎖空間内で搬送できる構造を備えることが好ましい。粉砕した稲わらを開放空間で搬送する場合、稲わらが風雨に曝されることで風で飛ばされたり、放射性セシウムが大気中に再び拡散したり、水分含有量が上昇してしまうおそれがあるためである。
加熱炉では急速熱分解を行う（急速熱分解工程）。
具体的には、炉内を水蒸気雰囲気下で無酸素状態（又は酸素がほとんど存在しない状態）に保ち、加熱速度1,000 K/sで１００℃以下の状態から５００℃程度まで一気に昇温させた後、冷却速度1,000
K/sで５００℃から１００℃以下まで一気に冷却する。実質的な滞留時間は２秒以下となる。
急速熱分解によりバイオマス原料は液体、固体及び気体の三相に分けられ、そのうち液体をバイオオイルの原料として回収し（バイオオイル回収工程）、放射性セシウムを含んだ固体をチャーとして回収する（放射性セシウム回収工程）。また、気体（H2、CH4、CO等）をバイオガスとして急速熱分解工程の熱源の一部として再利用したり（気体再利用工程）、あるいは熱を利用して蒸気タービン等の周知の方法により発電の用に供してもよい。
具体的には、炉内を水蒸気雰囲気下で無酸素状態（又は酸素がほとんど存在しない状態）に保ち、加熱速度1,000 K/sで１００℃以下の状態から５００℃程度まで一気に昇温させた後、冷却速度1,000
K/sで５００℃から１００℃以下まで一気に冷却する。実質的な滞留時間は２秒以下となる。
急速熱分解によりバイオマス原料は液体、固体及び気体の三相に分けられ、そのうち液体をバイオオイルの原料として回収し（バイオオイル回収工程）、放射性セシウムを含んだ固体をチャーとして回収する（放射性セシウム回収工程）。また、気体（H2、CH4、CO等）をバイオガスとして急速熱分解工程の熱源の一部として再利用したり（気体再利用工程）、あるいは熱を利用して蒸気タービン等の周知の方法により発電の用に供してもよい。
急速熱分解法では、バイオマス原料を燃焼させずに急速に昇温・冷却することで高次の熱分解反応が抑制されるので、液体（バイオオイル原料）を約６０〜７０％程度の高い収率で得ることができる。固体と気体の収率はそれぞれ１５〜２５％、１０〜２０％程度になる。
なお、急速熱分解以外の方法、例えば８００℃程度の高温で長時間（６０分程度）加熱する高温熱分解法の場合、バイオマス原料のほとんど（８５％程度）がガス化されるために液体の収率は５％程度に留まる。
なお、急速熱分解以外の方法、例えば８００℃程度の高温で長時間（６０分程度）加熱する高温熱分解法の場合、バイオマス原料のほとんど（８５％程度）がガス化されるために液体の収率は５％程度に留まる。
バイオオイルは茶褐色又は黒褐色のタール状の物質であり、セルロース、ヘミセルロース及びリグニンの３種の木質構成成分を急速加熱することで生じた中間生成物が凍結された状態にあり、炭水化物由来の分解成分の水溶液にリグニンフラグメントが分散したエマルジョン様になっていると考えられる。
バイオオイルの用途としては重油代替燃料や化学品等の原料が挙げられる。
バイオオイルの用途としては重油代替燃料や化学品等の原料が挙げられる。
上記説明では熱分解温度（最高到達温度）を５００℃程度としたが、実際には４００℃〜６００℃の範囲内であればよい。すなわち、放射性セシウムの沸点が約６７１℃であるため、熱分解温度を４００℃〜６００℃の範囲内に調節することで、放射性セシウムは気化せず、そのほとんど全てを固体（チャー）として回収することができる。
具体的には、急速熱分解工程において、バイオマス原料に含まれるシリカ(SiO2)と放射性セシウム(Cs)とが固相反応によりSi-O-Cs系の安定した物質に変化してチャーに濃縮されて残るので、放射性セシウムを化学的に安定化した状態で確実に回収することができる。
回収したチャーはセメント等の周知の固化手段により固化体とすることで、粉砕処理する前の状態の稲わらと比較して体積比で1/10以下と大幅に減容化できる。なお、チャーの放射性セシウム濃度が低い場合にはチャーをそのまま炭素素材として土質改良用資材等として利用してもよい。
具体的には、急速熱分解工程において、バイオマス原料に含まれるシリカ(SiO2)と放射性セシウム(Cs)とが固相反応によりSi-O-Cs系の安定した物質に変化してチャーに濃縮されて残るので、放射性セシウムを化学的に安定化した状態で確実に回収することができる。
回収したチャーはセメント等の周知の固化手段により固化体とすることで、粉砕処理する前の状態の稲わらと比較して体積比で1/10以下と大幅に減容化できる。なお、チャーの放射性セシウム濃度が低い場合にはチャーをそのまま炭素素材として土質改良用資材等として利用してもよい。
なお、上述の通り、稲わらや籾殻はシリカの成分比が高いために、稲わらに付着している放射性セシウムと完全に反応できる量のシリカを得られるが、バイオマスのうちシリカの成分比が低いものを処理する場合には、必要に応じて粉砕工程又は急速熱分解工程においてシリカを別途添加することにしてもよい（シリカ添加工程 図１の破線）。
また、本発明に係る処理方法では、急速熱分解法を用いるために反応時間が短くなり、また、熱分解温度を比較的低温（４００℃〜６００℃）とするため、必ずしも熱耐久性が高い加熱炉を利用する必要がない。したがって、本発明に係る処理方法で用いる装置としては、高速ロータリーカッター等の粉砕機と温度調節機能を有する小型・軽量の加熱炉を備えていれば足り、比較的シンプルな装置構成で済むため、トラック等に積載することで可搬型の装置としても利用できる。
また、本発明に係る処理方法では、急速熱分解法を用いるために反応時間が短くなり、また、熱分解温度を比較的低温（４００℃〜６００℃）とするため、必ずしも熱耐久性が高い加熱炉を利用する必要がない。したがって、本発明に係る処理方法で用いる装置としては、高速ロータリーカッター等の粉砕機と温度調節機能を有する小型・軽量の加熱炉を備えていれば足り、比較的シンプルな装置構成で済むため、トラック等に積載することで可搬型の装置としても利用できる。
次に、本発明のバイオマスの処理方法の実施例について説明する。
［実施例１］
なお、本実施例ではCsの代替物としてナトリウム（Na）を使用した。CsとNaは共に一価のアルカリ金属であり且つCsはNaと比較して反応性が高いことから、Naを用いた本実施例の結果と同様の結果をCsを用いた場合にも得られると推測できる。
（試料の説明）
バイオマスの成分の大半を占めるセルロースと、シリカ(SiO2)と、Na2CO3を次の割合で混ぜ合わせて試料を作成した。
重量比（ｇ） Na2CO3：SiO2：セルロース＝0.2：0.56：3.08
モル比 Na2CO3：SiO2＝1：5
Na2CO3＋SiO2：セルロース＝1：4
（急速熱分解処理）
次に、試料を水蒸気雰囲気下且つ無酸素状態で急速熱分解法により６００℃まで一気に昇温させた後、冷却し、洗浄及び濾過した。
（結果）
（１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）によると、Na2CO3のピークが消滅していたことから、Naは全て固相反応によりSi-O-Na系物質に変化したと考えられる。
（２）濾液には色が付いていたため、加熱過程で有機物が生成されたと考えられる。
（３）濾液を蒸発させ、乾燥物の重量を測定したところ0.2gであり、これは試料中のNa2CO3の重量と一致することから、Na2CO3は急速熱分解によって蒸発（気化）せず、すべて固体残渣に残るため、全てのNaを回収できることが確認された。
［実施例１］
なお、本実施例ではCsの代替物としてナトリウム（Na）を使用した。CsとNaは共に一価のアルカリ金属であり且つCsはNaと比較して反応性が高いことから、Naを用いた本実施例の結果と同様の結果をCsを用いた場合にも得られると推測できる。
（試料の説明）
バイオマスの成分の大半を占めるセルロースと、シリカ(SiO2)と、Na2CO3を次の割合で混ぜ合わせて試料を作成した。
重量比（ｇ） Na2CO3：SiO2：セルロース＝0.2：0.56：3.08
モル比 Na2CO3：SiO2＝1：5
Na2CO3＋SiO2：セルロース＝1：4
（急速熱分解処理）
次に、試料を水蒸気雰囲気下且つ無酸素状態で急速熱分解法により６００℃まで一気に昇温させた後、冷却し、洗浄及び濾過した。
（結果）
（１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）によると、Na2CO3のピークが消滅していたことから、Naは全て固相反応によりSi-O-Na系物質に変化したと考えられる。
（２）濾液には色が付いていたため、加熱過程で有機物が生成されたと考えられる。
（３）濾液を蒸発させ、乾燥物の重量を測定したところ0.2gであり、これは試料中のNa2CO3の重量と一致することから、Na2CO3は急速熱分解によって蒸発（気化）せず、すべて固体残渣に残るため、全てのNaを回収できることが確認された。
［実施例２］
本実施例でもCsの代替物としてNaを使用した。
（試料の説明）
セルロースと、シリカ(SiO2)と、Na2CO3を次の割合で混ぜ合わせて試料を作成した。
重量比（ｇ） Na2CO3：SiO2：セルロース＝0.12：0.14：1.06
（急速熱分解処理）
次に、試料を水蒸気雰囲気下且つ無酸素状態で急速熱分解法により６００℃まで一気に昇温させた後、冷却し、洗浄及び濾過した。
（結果）
（１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）によると、Na2Si2O5のピークが生成されたことから、Naは全て固相反応によりSi-O-Na系物質に変化したと考えられる。
（２）濾液を蒸発させ、乾燥物の重量を測定したところ0.211gであり、これは試料中のNa2CO3とSiO2とを足し合わせた重量(0.26g)とほぼ一致することから、Na2CO3は急速熱分解によって蒸発（気化）せず、すべて固体残渣に残るため、全てのNaを回収できることが確認された。
本実施例でもCsの代替物としてNaを使用した。
（試料の説明）
セルロースと、シリカ(SiO2)と、Na2CO3を次の割合で混ぜ合わせて試料を作成した。
重量比（ｇ） Na2CO3：SiO2：セルロース＝0.12：0.14：1.06
（急速熱分解処理）
次に、試料を水蒸気雰囲気下且つ無酸素状態で急速熱分解法により６００℃まで一気に昇温させた後、冷却し、洗浄及び濾過した。
（結果）
（１）Ｘ線回折（ＸＲＤ）によると、Na2Si2O5のピークが生成されたことから、Naは全て固相反応によりSi-O-Na系物質に変化したと考えられる。
（２）濾液を蒸発させ、乾燥物の重量を測定したところ0.211gであり、これは試料中のNa2CO3とSiO2とを足し合わせた重量(0.26g)とほぼ一致することから、Na2CO3は急速熱分解によって蒸発（気化）せず、すべて固体残渣に残るため、全てのNaを回収できることが確認された。
本発明は、放射性セシウムが付着したバイオマスからバイオオイルを回収すると共に、放射性セシウムを減容化且つ化学的に安定化した状態で確実に除去できる除染処理方法に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
Claims (3)
- 放射性セシウムが付着したバイオマス原料を粉砕する粉砕工程と、粉砕したバイオマス原料を無酸素雰囲気下で且つ前記放射性セシウムが気化しない温度で急速熱分解することで、バイオオイルの原料を含む液体、Si-O-Cs系物質を含む固体及び気体の三相に分ける急速熱分解工程と、前記液体を回収するバイオオイル回収工程と、前記固体を回収する放射性セシウム回収工程とを少なくとも含み、必要に応じて前記粉砕工程又は前記急速熱分解工程においてシリカを添加するシリカ添加工程も含むことを特徴とする放射性セシウムが付着したバイオマスの処理方法。
- 前記放射性セシウムが気化しない温度が４００℃〜６００℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
- 前記気体を前記急速熱分解工程の熱源の一部として再利用する気体再利用工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の処理方法。
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