JP2014232058A - Mesoporous ceramic applied to technology of removing environmental pollutant using natural porous inorganic mineral capable of burying processed product underground - Google Patents

Mesoporous ceramic applied to technology of removing environmental pollutant using natural porous inorganic mineral capable of burying processed product underground Download PDF

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JP2014232058A
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清家捷二
Seiji Seike
高田忠彦
Tadahiko Takada
高田哲也
Tetsuya Takada
清家晃
Akira Seike
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of efficiently removing a radioactive material and storing and managing it safely for a long time.SOLUTION: A radioactive material is firmly adsorbed to a mesoporous ceramic having a specific pore structure, or a material containing a radioactive material is mixed into a mesoporous ceramic raw material. Then, the product is molded and burned to immobilize the radioactive material. Thus, the radioactive material can be safely stored underground for a long time.

Description

本発明は、環境汚染物質の除染技術に関して最終処分を見越した環境物質吸着用メソポーラスセラミックスとその作製法、及びセラミックス的手法によって吸着した環境物質を固定化する技術に関するものである。   The present invention relates to a mesoporous ceramic for adsorbing an environmental substance, which is expected to be disposed of with regard to a decontamination technique for environmental pollutants, a manufacturing method thereof, and a technique for immobilizing an environmental substance adsorbed by a ceramic technique.

重大な環境汚染を招いている放射性物質の除染に関して、各分野で様々な除染技術が研究され提案されている。その技術のほとんどは、汚染物質の除去及び汚染物質から放射性物質を分離濃縮する技術であり、最終処分を見越した除染技術は無い。したがって、実効性のある除染技術は見通しが見えない状態に留まっている。   Various decontamination techniques have been researched and proposed in various fields for decontamination of radioactive materials that have caused serious environmental pollution. Most of the techniques are techniques for removing pollutants and separating and concentrating radioactive substances from the pollutants, and there is no decontamination technique in anticipation of final disposal. Therefore, effective decontamination technology remains invisible.

放射性物質の除染方法には、その形態によって、各々の除染方法が提案されている。原子炉内の核燃料を冷却する水には、高濃度の放射性物質が混在している。原子炉の爆発に伴って、放射性物質は原子炉外に放散し、気流に乗って、雨に溶解して、原子炉の周辺の森林の樹木、家屋、ビル、道路、田畑の土壌等の広範囲の物質に付着している。空中に飛散した放射性物質は、塵埃に付着し、微粒子の状態で体内に侵入する可能性がある。樹木や土壌等に付着した放射性物質は、長期間にわたり放射能を出し続け、この地域に住む人や動物の健康に被害を生じさせるので、重要な問題である。   As a method for decontaminating radioactive substances, each decontamination method has been proposed depending on its form. The water that cools the nuclear fuel in the reactor contains a high concentration of radioactive material. Along with the explosion of the nuclear reactor, radioactive materials are dissipated outside the reactor, riding in an air stream, dissolving in the rain, and a wide range of forest trees, houses, buildings, roads, field soil, etc. around the reactor Is attached to the substance. Radioactive material scattered in the air may adhere to dust and enter the body in the form of fine particles. Radioactive materials adhering to trees and soils are an important problem because they continue to emit radioactivity over a long period of time, causing damage to the health of people and animals living in this area.

珪藻土や鹿沼土を使用したメソポーラスセラミックスは、既に特許出願されている。該セラミックスは、調湿建材として、タイル状のセラミックスや、消臭剤として塊状セラミックス、又は、透水性セラミックス、通気性セラミックスとして、花瓶状セラミック容器、板状セラミックス又はパイプ状セラミックスが使用されている。これらの使用目的は、空気及び水等の透過及び貯蔵の目的のためのものである。本特許は、同じメソポーラス原料を使用したセラミックスであるが、社会的な大きな課題になっている放射性物質の吸着、除去を目的としたものである。これまでのメソポーラスセラミックスに関する情報が、放射性物質の吸着機能があることを示唆するものでない。発明者らは、アルカリ金属であるセシウムやアルカリ土類金属であるストロンチウム等が、シリカ成分を多量に含んでいる天然鉱物と結合性が強く、また、比表面積が大きいメソポーラスセラミックスがこれらの放射性物質を良好に吸着し、また、その結合力の強さから、長期間にわたり、安全に保管できる吸着剤としてのセラミックス及びそれを使用した吸着除去方法を考案した。ゼオライト鉱物又は粘土鉱物は、放射性物質の吸着剤として実用化され、又、研究されているが、これらの鉱物は、700℃以上の温度で結晶構造が壊れ、吸着能力が著しく低下する。また、結晶が壊れるより低い温度で、焼結できず、形を形成する半焼結状態になったとしても、水分と接触して、膨潤崩壊等の現象を起こし、安定な吸着剤として使用することに問題があった。   Patent applications have already been filed for mesoporous ceramics using diatomaceous earth and Kanuma earth. The ceramics use tile-shaped ceramics as humidity conditioning materials, bulk ceramics as deodorants, or vase-shaped ceramic containers, plate-shaped ceramics, or pipe-shaped ceramics as water-permeable ceramics and breathable ceramics. . These uses are for the purpose of permeation and storage of air and water. This patent is a ceramic that uses the same mesoporous raw material, but aims to adsorb and remove radioactive substances, which is a major social issue. Previous information on mesoporous ceramics does not suggest that it has a function of adsorbing radioactive materials. The inventors of the present invention have found that mesoporous ceramics, such as cesium, which is an alkali metal, and strontium, which is an alkaline earth metal, have a strong binding property with a natural mineral containing a large amount of a silica component and have a large specific surface area. Due to its strong binding force, ceramics as an adsorbent that can be safely stored for a long period of time and an adsorption removal method using the same have been devised. Zeolite minerals or clay minerals have been put into practical use as radioactive material adsorbents and have been studied. However, these minerals have a crystal structure broken at a temperature of 700 ° C. or higher, and the adsorption capacity is significantly reduced. In addition, even if it cannot be sintered at a lower temperature than the crystal breaks and it becomes a semi-sintered state that forms a shape, it will come into contact with moisture and cause phenomena such as swelling and collapse, and it should be used as a stable adsorbent There was a problem.

特許文献1では、調湿建材として調湿機能を得るための珪藻土セラミックスに記述されている。この文献においては、珪藻土セラミックスは、メソポーラスセラミックスがセシウム及びストロンチウム等の放射性物質の吸着機能を示唆する記述はなく、また、それを実現するためのメソポーラスセラミックスの材料特性の記述もない。   In patent document 1, it describes in the diatomaceous earth ceramic for obtaining a humidity control function as a humidity control building material. In this document, there is no description that diatomaceous earth ceramics suggests that mesoporous ceramics have a function of adsorbing radioactive substances such as cesium and strontium, and there is no description of material properties of mesoporous ceramics for realizing it.

特許文献2では、放射性吸着は、PE樹脂又はPP樹脂の発泡体であり、樹脂原料にフェロシアン化鉄の微粉末を混合し、この混合したものの材料を発泡成形体金平糖の形状に成形し、放射性物質との接触をよくし、吸収をよくする方法が提案されている。   In Patent Document 2, radioactive adsorption is a foam of PE resin or PP resin, a fine powder of iron ferrocyanide is mixed into a resin raw material, and the material of this mixture is molded into the shape of a foam-molded gold saccharose, Methods have been proposed to improve contact with radioactive material and improve absorption.

特許文献3では、浸透膜によって、一方の槽に未処理に汚染物質を含む液を配置し、電気浸透によって、他方の槽に放射性物質を移動することによって、分離することが提案されている。この方法においても、分離された放射性物質は、液中に存在し、これを、保管し、管理する方法は提供されておらず、長期間の安全な保管は難しい。   In Patent Document 3, it is proposed to separate by disposing a liquid containing a contaminant in one tank untreated by an osmosis membrane and moving a radioactive substance to the other tank by electroosmosis. Also in this method, the separated radioactive substance is present in the liquid, and there is no method for storing and managing this, and it is difficult to store it safely for a long time.

特許文献4は、アルギン酸金属塩を粒径1mm以上の多孔質体を基体粒子とし、粘土鉱物、難溶性フェロシアン化合物、活性炭及びゼオライトからなる放射性物質除去剤である。後処理を容易にするために、粒状の吸着剤が提案されている。この方法は、粉末あるいは有機物の吸着剤に比較すると後処理を容易にするが、鉱物吸着剤が高濃度に吸着するための吸着剤の材料特性を示すものでなく、吸着後の長期間の安全な保管に言及するものでない。   Patent Document 4 is a radioactive substance removing agent composed of a metal alginate with a porous body having a particle diameter of 1 mm or more as a base particle, and comprising a clay mineral, a hardly soluble ferrocyan compound, activated carbon, and zeolite. Granular adsorbents have been proposed to facilitate post-treatment. This method makes post-treatment easier compared to powder or organic adsorbents, but does not show the material properties of the adsorbents for the adsorption of mineral adsorbents at high concentrations, and the long-term safety after adsorption. It does not refer to safe storage.

特許文献5は、合成した多孔質材料の特性として、メソポアの状態を規定しているが、材料がリン酸カルシウムに関するものであり、生理活性物質、生体触媒などを吸着するものである。放射性物質を吸着することが目的でなく、本特許の放射性物質吸着用メソポーラスセラミックスを示唆するものではない。   Patent Document 5 defines the mesopore state as a characteristic of the synthesized porous material. However, the material relates to calcium phosphate and adsorbs a physiologically active substance, a biocatalyst, and the like. It is not intended to adsorb radioactive material, and does not suggest the mesoporous ceramic for adsorbing radioactive material of this patent.

これらの特許文献の他に、2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖震災に伴い爆発事故を起こし、多くの放射性物質を飛散した後に、各種の対策試験が実施されている。非特許文献1の中の「No.1放射性物質汚染土壌等からの乾式セシウム除去技術の開発」(P−31)によると、汚染土壌に付着したセシウムは、1200℃加熱によっても遊離しないことが報告されている。土壌と結合したセシウムは、1200℃加熱によって土壌との結合を切断できない程度に強固の結合していることを意味している。同非特許文献の中の「No.13超高圧水表面処理工法『Jリムーバー』による除染技術」(P−55)によると、「超高圧水(最大280MPa)によって、道路表面に付着した放射性物質を除去できるとある。水圧が高くなりと、除染率が大きくなる結果は、放射性物質が化学的に強固に結合しており、物理的な剥離が有効であることが推定できる。同非特許文献の中の「No.20フェロシアン化鉄配合吸着凝集沈殿剤を使用した放射能汚染水浄化システムの提案」(P−69)によると、プール水をフェロシアン化鉄によって、放射性物質を吸着除去できることを示している。「No.22放射能汚染された木材・樹皮の水洗及び焼却による除染・廃棄物減容化技術の実証」(p−73)によると、樹木などの有機物は、焼却炉の燃焼で遊離し、焼成灰に付着する。汚染土壌などに付着した放射性物質に比較すると低温で分離することが予測される。その他の事項として、土壌、焼成灰等の粒度分けによる放射性物質の除去、薬品による分離・除去の試験結果が報告されている。 In addition to these patent documents, various countermeasure tests have been carried out after an explosion accident occurred due to the 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake and many radioactive materials were scattered. According to "No. 1 Development of dry cesium removal technology from radioactive material contaminated soil" in Non-Patent Document 1 (P-31), cesium adhering to contaminated soil may not be released even by heating at 1200 ° C. It has been reported. The cesium combined with the soil means that the cesium is firmly bonded to the extent that the bond with the soil cannot be cut by heating at 1200 ° C. According to the “No. 13 Decontamination Technology by Ultra High Pressure Water Surface Treatment Method“ J Remover ”” (P-55) in the non-patent document, “Radioactivity attached to road surface by ultra high pressure water (maximum 280 MPa). As the water pressure increases, the decontamination rate increases, and it can be estimated that the radioactive material is chemically bonded and physical separation is effective. According to “No.20 Proposal of Radioactive Contaminated Water Purification System Using Adhesive Aggregation Precipitant with Iron Ferrocyanide” (P-69) in the patent literature, the pool water is converted to radioactive material by ferrocyanide. It shows that it can be removed by adsorption. According to “No.22 Demonstration of decontamination and waste volume reduction technology by washing and incineration of radioactively contaminated wood and bark” (p-73), organic substances such as trees are released by combustion in incinerators. , Adheres to the burned ash. Compared to radioactive materials attached to contaminated soil, it is expected to separate at low temperatures. As other matters, the test results of removal of radioactive materials by particle size classification such as soil and calcined ash and separation / removal by chemicals have been reported.

非特許文献2のP−859〜863に、東北地方太平洋沖地震による放射性物質の汚染状況、汚染の形態、発電所内の高濃度汚染水及び瓦礫等の除染方法、除染による廃棄物処理の問題等記載されている。吸着剤としては、鉱物であるゼオライトや有機物であるフェロシアン化合物が使用されているが、それらの処分に問題があることが記載されている。P−862に、吸着した放射性物質セシウム137は、発熱性核種であり、保管中に、360℃から500℃に加熱されることが記載されている。P867には、「Cs吸着不溶性フェロシアン化合物は、熱分解しやすく、高温ではCs揮発が伴う。さらに、不活性および還元性雰囲気では、シアン発生が懸念される」と記載され、長期間、安全に、吸着剤を保管するには、これらの吸着剤は適切でない。   P-859 to 863 of Non-Patent Document 2 includes the status of radioactive material contamination caused by the Tohoku-Pacific Ocean Earthquake, the form of contamination, decontamination methods for highly-contaminated water and debris in power plants, and waste treatment by decontamination. Problems etc. are described. As the adsorbent, zeolite that is a mineral or ferrocyan compound that is an organic substance is used, but it is described that there is a problem in the disposal thereof. P-862 describes that the adsorbed radioactive substance cesium 137 is an exothermic nuclide and is heated from 360 ° C. to 500 ° C. during storage. P867 states that “Cs-adsorbing insoluble ferrocyan compounds are easily decomposed by heat and accompanied by Cs volatilization at high temperatures. Furthermore, there is a concern about the generation of cyanide in inert and reducing atmospheres”. Furthermore, these adsorbents are not suitable for storing adsorbents.

非特許文献3は、メソポーラスセラミックスの材料特性を規定する微細気孔の開口径及びその量の簡易的な測定方法を記載してある。多孔質体の比表面及び細孔の分布状態を測定するには、ガス吸着法及び水銀圧入法が広く使用されてきたが、最近は、機器分析も用いられるようになった。簡易的に、メソポーラス材料の気孔分布を簡易的に評価する方法として、恒温恒湿槽を用いた簡易法を使用した。 Non-Patent Document 3 describes a simple method for measuring the opening diameter and the amount of fine pores that define the material properties of mesoporous ceramics. Gas adsorption and mercury intrusion methods have been widely used to measure the specific surface and pore distribution of porous materials, but recently instrumental analysis has also been used. As a simple method for simply evaluating the pore distribution of the mesoporous material, a simple method using a constant temperature and humidity chamber was used.

特許公開平10−2044Patent Publication 10-2044 特許公開2013-057534Patent Publication 2013-057534 特許公開2006-194621Patent Publication 2006-194621 特許公開2013-068438Patent Publication 2013-068438 特許公開2006-131470Patent Publication 2006-131470

平成23年度「除染技術実証試験事業」結果報告 平成24年8月環境省、水・大気環境局Report on 2011 “Decontamination Technology Demonstration Test Project” August 2012 Ministry of the Environment, Water and Air Environment Bureau CERAMICS JAPAN 2012.11、P−859〜P−863CERAMICS JAPAN 2012.11.1, P-859 to P-863 「壁装と調湿」PP.40〜45 壁装材料協会(1991年2月8日)“Wall and humidity control” PP. 40-45 Wall Material Association (February 8, 1991)

放射性物質の除染の問題には、放射性物質が付着あるいは溶解した物体から、放射性物質を除去し、放射能の小さい安全な物にするかという課題と、放射性物質を吸着した吸着剤が高濃度に放射性物質を吸着し、その容積を小さくし、長期間にわたり、それを安全に、管理あるいは処分できるかという課題の2つの課題がある。前者を実現するためには、被汚染物質からできるだけ多くの汚染物質を除去し、吸着材の汚染物質濃度を高くし、すなわち、減容率を高くすることが必要である。後者の課題を解決するためには、発熱性核種による発熱に対して、耐熱性があり、外部から水や空気の流入に遮断する機能を持つことである。   The problem of decontamination of radioactive materials is the problem of removing radioactive materials from objects with radioactive materials attached or dissolved to make them safe with low radioactivity, and the high concentration of adsorbents that adsorb radioactive materials. There are two problems of adsorbing radioactive material on the surface, reducing its volume, and whether it can be safely managed or disposed of over a long period of time. In order to realize the former, it is necessary to remove as much pollutants as possible from the pollutants, and to increase the pollutant concentration of the adsorbent, that is, to increase the volume reduction rate. In order to solve the latter problem, it has heat resistance against heat generated by the exothermic nuclides and has a function of blocking the inflow of water and air from the outside.

放射性物質で汚染した廃棄物を、放射能の小さい物資に変換するには、汚染廃棄物から放射物質をできるだけ多く除去し、一般廃棄物と同様の廃棄ができる汚染濃度100Bq/Kg以下にすることが好ましい。さらに、処理した廃棄物は、できるだけ低濃度に除染することが好ましい。そのためには、吸着材によって、放射性物質を高濃度に吸着する必要がある。   To convert waste contaminated with radioactive materials into materials with low radioactivity, remove as much radioactive material as possible from the contaminated waste and reduce it to a pollution concentration of 100 Bq / Kg or less, which can be disposed of in the same way as general waste. Is preferred. Furthermore, it is preferable to decontaminate the treated waste as low as possible. For that purpose, it is necessary to adsorb the radioactive substance at a high concentration by the adsorbent.

放射性物質の処理剤としての吸着材も、処分しなければならない。汚染濃度8000Bq/Kgから100000Bq/Kgは特別な処分方法が規定されている。吸着剤の汚染濃度を高くすると減容率は大きくなり、処分量は小さくなり好ましい。吸着量を調節できる形態が好ましい、例えば、吸着剤が粉体である場合、カラム等挿入して、汚染物との接触時間を調節して、放射性物質の汚染濃度を調整することができる。吸着材は、吸着量が大きく、吸着速度が大きいことが好ましい。吸着材としては、有機物としては、フェロシアン化合物が、無機物としては、ゼオライト及び粘土鉱物が、吸着量が大きく好まれて使用されている。   Adsorbents as treatments for radioactive materials must also be disposed of. A special disposal method is defined for the contamination concentration of 8000 Bq / Kg to 100,000 Bq / Kg. Increasing the concentration of adsorbent contamination is preferable because the volume reduction rate increases and the disposal amount decreases. A form in which the amount of adsorption can be adjusted is preferable. For example, when the adsorbent is powder, a column or the like can be inserted to adjust the contact time with the contaminants to adjust the contamination concentration of the radioactive substance. The adsorbent preferably has a large adsorption amount and a high adsorption rate. As adsorbents, ferrocyan compounds are used as organic substances, and zeolites and clay minerals are used as inorganic substances because of their large adsorbed amounts.

吸着剤が粉体であると、汚染物と吸着剤の分離が課題となる。汚染物質が気体あるいは液体の場合は、カラムの中を通過させると、吸着剤との接触は可能であるが、カラムを通過させる通過抵抗を小さくすること及び吸着剤と汚染物質との分離が課題である。   When the adsorbent is powder, separation of contaminants and adsorbent becomes a problem. If the pollutant is a gas or liquid, it can be contacted with the adsorbent when it is passed through the column. However, it is difficult to reduce the passage resistance through the column and to separate the adsorbent from the pollutant. It is.

汚染物質が固体であり、吸着助剤との接触が難しい場合は、汚染物質を薬品などによって、放射性物質を遊離して、吸着剤と接触して吸着する、あるいは、燃焼して焼成灰に結合した放射性を水に溶解して吸着剤で分離することが行なわれている。固体汚染物質から放射性物質の分離が難しく効率的に除染ができないことが課題である。   If the pollutant is solid and it is difficult to contact the adsorbent, the radioactive material is liberated by chemicals, etc., and adsorbed by contact with the adsorbent, or burned and bonded to the burned ash. It is practiced to dissolve the radioactivity in water and separate it with an adsorbent. The problem is that it is difficult to separate radioactive materials from solid pollutants and it cannot be efficiently decontaminated.

結晶性の鉱物であるゼオライトは、セシウム等の放射性物質を結晶内の網目構造内に閉じ込め吸着する。ゼオライトの結晶構造は、700℃以上に加熱すると結晶構造が壊れ、セラミック化(固形化)することができない。吸着後に固形化しようとすると、結晶が壊れ、吸着した放射性物質が飛散する可能性がある。放射性物質を吸着したゼオライトを処分するには、放射性物質との結合安定性の問題など、解決しなければならない問題が残っている。   Zeolite, which is a crystalline mineral, traps and adsorbs radioactive substances such as cesium in a network structure in the crystal. When the crystal structure of zeolite is heated to 700 ° C. or higher, the crystal structure is broken and cannot be ceramicized (solidified). If solidification is attempted after adsorption, the crystals may be broken and the adsorbed radioactive material may be scattered. In order to dispose of zeolite adsorbed with radioactive material, problems remain to be solved such as the problem of stability of binding with radioactive material.

シアン化化合物やキレート物質が吸着剤として使用することがある。これらは、有機物を主成分とし、あるいは結合材として使用されているために、高温で使用することはできない。放射性物質を吸着した原子核燃料の冷却水の除染のために、これらの吸着材が使用されることがある。汚染物質の保管には、数十年の保管中に核熱発熱により300℃あるいは500℃に発熱するといわれている。有機物は高温で分解し、吸収した放射性物質を放出する可能性がある。また、シアン化化合物は、分解によって、有毒であるシアンを発生する可能性がある。   Cyanide compounds and chelating substances may be used as adsorbents. Since these are mainly composed of an organic substance or used as a binder, they cannot be used at high temperatures. These adsorbents are sometimes used for decontamination of cooling water of nuclear fuel that has adsorbed radioactive material. In storage of pollutants, it is said that heat will be generated at 300 ° C or 500 ° C due to nuclear heat generation during storage for several decades. Organic matter can decompose at high temperatures and release absorbed radioactive material. In addition, cyanide compounds may generate toxic cyanide by decomposition.

これらの課題を解決するために本発明においては、種々の試験研究から、吸着剤として、放射性物質の吸着能力が高く、耐熱性の優れたメソポーラスセラミックスを開発した。メソポーラスセラミックスは、珪藻土を主原料とし、成形を容易にするために粘土鉱物を配合し、任意の形状に成形した後に、例えば、800℃の温度で焼成し、セラミックスとする。珪藻土は、シリカ成分が多く非晶質体からなり、その成因から4〜20ナノメータのメソポアが存在し、また、セラミックスにすることによって、マクロポアが混在している。シリカ成分は、76%以上と多く、多孔質体で比表面積は4200cm/gと多い。シリカ成分が多く、多孔質であるために、放射性物質であるセシウムやストロンチウムなどのイオン性物質との反応性に富んでいる。また、メソポアが崩壊する800℃の温度まで使用可能である。珪藻土セラミックスを放射性物質の吸着、除染材として適用することによって、これまでの吸着材の課題を解決することを可能とした。 In order to solve these problems, in the present invention, mesoporous ceramics having high adsorption ability of radioactive substances and excellent heat resistance were developed as adsorbents from various test studies. Mesoporous ceramics is mainly made of diatomaceous earth, blended with clay minerals to facilitate molding, and formed into an arbitrary shape, and then fired at a temperature of, for example, 800 ° C. to form ceramics. Diatomaceous earth has a lot of silica components and is made of an amorphous material. From its origin, diatomaceous earth has mesopores of 4 to 20 nanometers, and macropores are mixed by using ceramics. The silica component is as large as 76% or more, and is a porous body with a specific surface area as large as 4200 cm 2 / g. Since it has many silica components and is porous, it is highly reactive with ionic substances such as cesium and strontium, which are radioactive substances. Further, it can be used up to a temperature of 800 ° C. at which the mesopores collapse. By applying diatomaceous earth ceramics as a radioactive material adsorption and decontamination material, it has become possible to solve the problems of conventional adsorption materials.

原子力発電所の爆発事故により、発電所の周辺の広範囲な森林が汚染した。森林の樹木あるいは草に付着した放射性物質は、800℃以下の焼成で遊離することが判明した。遊離した放射性物質は、植物に含まれる灰分に付着される。灰分は、微細な無機質からなるが、必ずしも放射性物質を吸着するのに最適な形態ではない。焼成灰が吸着するセシウム濃度は、
「No.22放射能汚染された木材・樹皮の水洗及び焼却による除染・廃棄物減容化技術の実証」(p−73)の報告から、10000弱Bq/Kg以上、130000Bq/Kg以下である。焼成灰の吸着能力が小さいと処理必要容積は大きくなり、多くの手間と費用、場所を必要とする。珪藻土セラミックスは、800℃以下の環境で使用することができる。焼成炉の煙道に常時設置することによって、吸着量の大きい温度範囲を調査すると600〜800℃であり、吸着量は98000〜257000Bq/Kgであった。この時の焼成灰の濃度は、60Bq/Kgであり、一般廃棄物処理が可能なレベルである。現在の廃棄物汚染濃度は100000Bq/Kgであるが、適切な埋設処理方法に基づき管理方法が変更されれば、珪藻土セラミックスによって、さらに高濃度に除染することができ、減容率を高めることができ、廃棄物の管理及び処分には好ましい。焼成処理による放射性物質処分には、下水汚泥の処理、一般焼却ごみの処分にも活用できる。
A wide range of forests around the power plant was contaminated by an explosion at the nuclear power plant. It has been found that radioactive substances attached to forest trees or grasses are liberated by firing at 800 ° C. or lower. The released radioactive material is attached to the ash contained in the plant. Ash is composed of fine inorganic substances, but is not necessarily in an optimum form for adsorbing radioactive substances. The concentration of cesium adsorbed by the burned ash is
From the report of “No.22 Demonstration of decontamination / waste volume reduction technology by washing and incineration of radioactively contaminated wood and bark” (p-73), it is less than 10,000 Bq / Kg and less than 130,000 Bq / Kg. is there. If the adsorption capacity of the baked ash is small, the required processing volume becomes large, requiring a lot of labor, cost and space. Diatomaceous earth ceramics can be used in an environment of 800 ° C. or lower. When the temperature range where the adsorption amount is large was investigated by always installing in the flue of the firing furnace, it was 600 to 800 ° C., and the adsorption amount was 98000 to 257000 Bq / Kg. The concentration of the burned ash at this time is 60 Bq / Kg, which is a level at which general waste treatment is possible. The current waste contamination concentration is 100,000 Bq / Kg, but if the management method is changed based on an appropriate burying treatment method, it can be decontaminated to a higher concentration by diatomaceous earth ceramics and increase the volume reduction rate. It is preferable for waste management and disposal. It can also be used for disposal of radioactive materials by firing treatment, for treatment of sewage sludge and disposal of general incineration waste.

核燃料の冷却に使用した冷却水は、高濃度に放射性物質に汚染している。高濃度汚染水は、放射性物質の吸着材としてフェロシアン化合物、ゼオライト等の鉱物物質、キレート化合物などが用いられている。これらの吸着剤のうち、有機物あるいは結晶構造を持つ粘土鉱物は、後処理に、加熱処理を行うと分解してその機能を失うことがある。有機物は、除染作業の後、保管、処理を行う場合に、発熱により分解し、吸着した放射性物質を放出することがある。また、結晶構造により放射性物質を吸着するゼオライト、ベントナイト等の鉱物は、ガラス固化などの熱処理によって、結晶構造が崩壊し、吸着した放射性物質を排出する可能性がある。これに対して、メソポーラスセラミックスは、結晶成分でなく非晶質であるために、加熱によって結晶形態が変化することはない。メソポアの微細気孔が900℃以上で焼結し、吸着機能を低下することがある。放射性物質を吸着した珪藻土セラミックスは、アルカリ金属であるセシウム及びアルカリ土類金属であるストロンチウムと強固に結合し、低温流水や空気との接触により、放射性物質を分離することはないが、より安全に長期間の管理及び保管するには、メソポーラスセラミックスの配合組成として、800℃以下ではメソポアを減少するような焼結が発生しなくて、1200℃程度の加温で、開気孔を1%以下になるように調整し、放射性物質を吸着した後に、水分を除去し、乾燥した後に1200℃程度の焼成によって、外部との水及び空気を遮断する磁器化処理を行うことができる。   The cooling water used for cooling the nuclear fuel is highly contaminated with radioactive materials. High-concentration contaminated water uses ferrocyan compounds, mineral substances such as zeolite, chelate compounds, and the like as radioactive material adsorbents. Among these adsorbents, organic minerals or clay minerals having a crystal structure may be decomposed and lose their functions when subjected to heat treatment for post-treatment. In the case of storage and processing after decontamination work, the organic matter may decompose due to heat generation and release the adsorbed radioactive material. Further, minerals such as zeolite and bentonite that adsorb radioactive substances by their crystal structure may have their crystal structure collapsed by heat treatment such as vitrification and discharge the adsorbed radioactive substances. On the other hand, since mesoporous ceramics are not crystalline components but amorphous, the crystalline form does not change by heating. The fine pores of the mesopores may sinter at 900 ° C. or higher, reducing the adsorption function. Diatomaceous earth ceramics adsorbed with radioactive substances are firmly bonded to alkali metal cesium and alkaline earth metal strontium, and do not separate radioactive substances by contact with low-temperature flowing water or air. For long-term management and storage, the mesoporous ceramic composition does not cause sintering that reduces mesopores at 800 ° C or lower, and the open pores are reduced to 1% or lower by heating at about 1200 ° C. After being adjusted so that the radioactive substance is adsorbed, moisture can be removed, and after drying, firing at about 1200 ° C. can perform porcelain treatment to block water and air from the outside.

本発明は、放射性セシウムなどの吸着を可能とするセラミックスを提供する。セラミックスとする効果は、高温での使用が可能で、さらに、磁器化を促す再焼成により、外部との水及び空気を遮断効果が得られ、簡易的な方法で、地中への埋設処置を可能にする。セラミックスとするには、任意の形状に成形をし、焼結する温度で焼結する。焼結温度が低いと十分な焼結ができず、水中に設置すると、膨潤崩壊する。膨潤崩壊とは、半焼結セラミックスを水に入れると、粒子の結合が切断されて、形状を維持できなく現象である。焼成温度が高いと、多孔質体の気孔が潰れ、吸着性能が低下する。ゼオライトは、結晶性鉱物で、セシウム等を吸着できる結晶孔を持つために、セシウム等の放射性物質を吸着するが、膨潤崩壊を起こさない程度の温度で焼結すると、結晶が壊れるために、吸着機能を維持する温度で焼結することができない。   The present invention provides a ceramic capable of adsorbing radioactive cesium or the like. The effect of ceramics can be used at high temperatures, and by refiring to promote porcelain, the effect of blocking water and air from the outside can be obtained. to enable. In order to make ceramics, it is molded into an arbitrary shape and sintered at a sintering temperature. If the sintering temperature is low, sufficient sintering cannot be performed, and if it is placed in water, it will swell and collapse. Swelling / disintegration is a phenomenon in which, when semi-sintered ceramics are placed in water, the bonding of particles is cut and the shape cannot be maintained. When the firing temperature is high, the pores of the porous body are crushed and the adsorption performance is lowered. Zeolite is a crystalline mineral and has crystal pores that can adsorb cesium, etc., so it adsorbs radioactive substances such as cesium, but if it is sintered at a temperature that does not cause swelling collapse, the crystal breaks and adsorbs. It cannot be sintered at a temperature that maintains its function.

本発明の放射性物質吸着用メソポーラスセラミックスを開口部の直径を16nm以下の細孔が0.05ml/g以上を含有し、かつ、4nm以下の細孔を0.01ml/g含有する細孔構造によって、セラミック内部に放射性物質吸着100000Bq/Kgまで、短時間で容易に吸着することができる。吸着した放射性物質は、強固に結合するために保管中に、水や空気と接触しても溶解することなく、長期間にわたり安全に保管することができる。開口部の直径16nm以上及び4nm以下の細孔の測定は、恒温恒湿槽を用いた簡易法によって実施した。焼成前の原料は、珪藻土、アロフェン、ゼオライトなどを単独あるいは複数で使用することができるが、規定のメソポポーラスになるように、原料の選択、焼成条件等を調整することが重要である。16nm、4nm以下の細孔の上限は規定していない理由は、その例は実施例に示すように、各々0.105〜0.248ml/g、0.039〜0.058ml/gである。これらの数値は、放射性物質吸着には大きい方が好ましいが、原料の値を越えることはない。焼結性、吸着性を考慮して配合を決定するが、これらの数値をできるだけ大きくなるように設定する。   The mesoporous ceramic for adsorbing a radioactive substance according to the present invention has a pore structure in which pores having an opening having a diameter of 16 nm or less contain 0.05 ml / g or more and pores having a diameter of 4 nm or less contain 0.01 ml / g. In the ceramic, the radioactive material can be easily adsorbed up to 100,000 Bq / Kg in a short time. The adsorbed radioactive material can be safely stored for a long period of time without being dissolved even if it comes into contact with water or air during storage because it binds firmly. The measurement of pores having a diameter of 16 nm or more and 4 nm or less of the opening was performed by a simple method using a constant temperature and humidity chamber. As raw materials before firing, diatomaceous earth, allophane, zeolite, or the like can be used alone or in plural, but it is important to adjust the selection of raw materials, firing conditions and the like so as to be a prescribed mesoporous. The reason why the upper limit of pores of 16 nm and 4 nm or less is not defined is, as shown in the examples, 0.105 to 0.248 ml / g and 0.039 to 0.058 ml / g, respectively. These values are preferably large for radioactive substance adsorption, but do not exceed the values of the raw materials. The formulation is determined in consideration of sinterability and adsorptivity, but these values are set as large as possible.

ここで、4nmを一つの基準としたのは、4nm以下の気孔容積はミクロ気孔といわれるもので、微細な粒子やイオンを吸着する。16nmを一つの基準としたのは、16nm以下の気孔容積は、ミクロ気孔とメソ気孔の合計を表し、多種の放射性物質をより多く吸着する指標としたものである。 Here, 4 nm was used as one standard. A pore volume of 4 nm or less is called a micropore, and adsorbs fine particles and ions. One standard of 16 nm is that the pore volume of 16 nm or less represents the sum of micropores and mesopores, and serves as an index for adsorbing more various kinds of radioactive substances.

本発明のセラミックスにおいて、開口部の直径が16nm以下の細孔を0.10ml/g以上含有し、かつ、4nm以下の細孔を0.02ml/g以上を含有するように、珪藻土にゼオライト又アロフェン等の原料を配合する組成を決定する。任意の形状に成形後、焼成して作製する。
焼成は、膨潤崩壊程度の温度以上、微細気孔が潰れない程度の温度以下で行い、これらの温度は配合組成によって異なるが、おおよそ700℃以上900℃以下の範囲である。配合組成は、珪藻土を30〜90重量%を主成分とし、成形助剤としての粘土を10〜30重量%及びゼオライト、アロフェンなどの鉱物を0〜40重量%に配合する。
In the ceramic of the present invention, zeolite or diatomaceous earth is filled with diatomaceous earth so that pores having an opening diameter of 16 nm or less contain 0.10 ml / g or more and pores 4 nm or less contain 0.02 ml / g or more. The composition for blending raw materials such as allophane is determined. After forming into an arbitrary shape, it is fired to produce.
Firing is performed at a temperature not lower than the degree of swelling and collapse and not higher than a temperature at which the fine pores are not crushed, and these temperatures are in the range of approximately 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, depending on the composition. The blending composition is composed of 30 to 90% by weight of diatomaceous earth, 10 to 30% by weight of clay as a molding aid, and 0 to 40% by weight of minerals such as zeolite and allophane.

このようにして作成した、メソポーラスセラミックスは、1億Bq/Kg以上の放射性物質の吸着能力を持つ。また、水や塩酸に対する不溶解でも十分に確認されている。現在の保管の法規制は、100000Bq/Kg以下の物質のみ規制されている。これを遵守するためには、この値以下になるように吸着量を調節することが必要になる。この法規制が緩和されれば、例えば、10億Bq/Kgの処分が可能になれば、吸着助剤の容積は一万分1になり、処分容積は著しく縮小する。ただし、この場合には、単位容積から発生する放射能は、それ相応に大きくなるので、地下深く埋設するなどの配慮が必要になる。   The mesoporous ceramic produced as described above has an ability to adsorb radioactive substances of 100 million Bq / Kg or more. In addition, it has been sufficiently confirmed even insoluble in water and hydrochloric acid. Currently, only the substances of 100,000 Bq / Kg or less are regulated by the storage regulations. In order to comply with this, it is necessary to adjust the amount of adsorption so as to be below this value. If this regulation is relaxed, for example, if disposal of 1 billion Bq / Kg becomes possible, the volume of the adsorbing aid will be 1 / 10,000, and the disposal volume will be significantly reduced. However, in this case, the radioactivity generated from the unit volume will be correspondingly increased, so it is necessary to consider such as deep underground.

本発明のセラミックスにおいて、放射性物質を吸着後、再焼成によって放射性物質で焼結させ、固定化することが可能である。放射性物質を吸着したセラミックスは、配合組成によって異なるが、開気孔がほぼ0%(すなわち、1%以下)になり、保管中に、空気や水と接触することはなくすことが可能である。保管の周囲の雰囲気が想定外の過酷な条件に置かれても、放射性物質は、周囲に溶解することはなく、長期間にわたり、安全に保管することを可能にする。アルカリ、アルカリ土類成分、酸化鉄、酸化チタンなどの焼結助剤の含有割合を調節して、900℃以下の焼成では、本セラミックスを焼成する温度では焼結が進行せずに、再焼成によって、開気孔はほぼ0%になる配合組成にすることが可能である。焼成助剤は、焼結反応が開始する温度がその成分によって異なっており、アルカリ成分、アルカリ土類成分を多く含む天然鉱物である長石類は、1000℃以上で溶融反応を始めるが、その量が多くても1000℃以下では、溶融反応は起こさない。焼成助剤の種類と量を調整することによって、900℃以下で、メソポーラスセラミックスを形成し、1000℃以上の温度で、焼結反応を促進するメソポーラスセラミックスを考案し、より多くの放射性物質を吸着し、再焼成によって、放射性物質を外部に漏出しないセラミックスを開発した。   In the ceramic of the present invention, after adsorbing the radioactive substance, it can be fixed by sintering with the radioactive substance by re-firing. Ceramics adsorbed with a radioactive substance have different open composition, and the open pores are almost 0% (that is, 1% or less), and it is possible to eliminate contact with air or water during storage. Even if the ambient atmosphere of the storage is subjected to unforeseen harsh conditions, the radioactive material does not dissolve in the surroundings and enables safe storage over a long period of time. By adjusting the content ratio of sintering aids such as alkali, alkaline earth components, iron oxide, titanium oxide, etc., firing at 900 ° C. or lower does not proceed at the firing temperature of the ceramic, but refires. Therefore, it is possible to obtain a blending composition in which the open pores are almost 0%. The sintering aids have different temperatures at which the sintering reaction starts, and feldspars, which are natural minerals containing a large amount of alkali components and alkaline earth components, start a melting reaction at 1000 ° C. or higher. At most 1000 ° C. or less, no melting reaction occurs. By adjusting the type and amount of the firing aid, mesoporous ceramics are formed at 900 ° C or lower, and mesoporous ceramics that promote the sintering reaction at temperatures of 1000 ° C or higher are devised to adsorb more radioactive substances. Then, by refiring, we developed ceramics that do not leak radioactive materials to the outside.

本発明セラミックスにおいて、天然多孔質鉱物粉粒状を使用して放射性物質を吸着後、任意の形状に成形し、700℃以上で焼成して作製するセラミックスとすることによって、放射性物質を含有する空気及び液体とセラミックスの接触をよくし、かつ、これらの流体の抵抗を小さくし、設備に大きな負荷をかけないで、短時間で多くの放射性物質をセラミックスに吸着することができる。好ましい形状として、目開きを適切に調整して、長さを適切に選択したハニカム形状、棒状形状、円筒状形状などに成形して、焼成し、セラミックスとすることができる。   In the ceramics of the present invention, air containing a radioactive substance is obtained by forming the ceramic into an arbitrary shape after adsorbing the radioactive substance using natural porous mineral powder particles and firing at 700 ° C. or higher. Many radioactive substances can be adsorbed to the ceramics in a short time without making a large load on the equipment by improving the contact between the liquid and the ceramic and reducing the resistance of these fluids. As a preferable shape, it can be formed into a honeycomb shape, a rod shape, a cylindrical shape, or the like with an appropriate adjustment of the mesh size and fired to obtain a ceramic.

天然鉱物を利用したセラミックスは任意の形状に成形でき、乾燥後、焼成炉で焼結してセラミックスとすることができる。本発明の放射性物質の除染は、気体あるいは液体を介して行われる。放射性物質を含む該流体は、セラミックスとの接触をよくすることが好ましいが、同時に、該
流体の圧力損失を小さくすることが好ましく、流通経路に十分な空間が必要であり、それに適した形状を設定する。成形した原料混合物は、乾燥後に焼成炉において、焼結する。焼結にあたっては、除染作業中に、破壊しないように十分な結合が得られることが必要で、十分な熱エネルギーを与える必要があるが、焼成温度が高すぎると、メソポアが熱で焼結し、吸着による除染性能が低下する。原料混合物の化学組成に対応して、焼結温度は700℃から900℃が好ましい。
Ceramics using natural minerals can be formed into an arbitrary shape, dried and then sintered in a firing furnace to form ceramics. Decontamination of the radioactive substance of the present invention is performed via a gas or a liquid. The fluid containing the radioactive substance preferably has good contact with ceramics, but at the same time, it is preferable to reduce the pressure loss of the fluid, and a sufficient space is required in the flow path, and a shape suitable for the fluid is required. Set. The formed raw material mixture is sintered in a firing furnace after drying. In sintering, it is necessary to obtain a sufficient bond so as not to break during the decontamination operation, and it is necessary to give sufficient thermal energy. However, if the firing temperature is too high, the mesopores are sintered with heat. In addition, the decontamination performance by adsorption decreases. Corresponding to the chemical composition of the raw material mixture, the sintering temperature is preferably 700 ° C to 900 ° C.

メソポーラスセラミックスの除染装置における設置方法は異なる。樹木、草、あるいは農業生産における有機物の焼却処分の場合は、汚染した燃焼ガスから、放射性物質を吸着除去するが、煙道の800℃以下の位置に円柱状のセラミックスし、また、煙道の炉壁にタイル状のメソポーラスセラミックスを設置することができる。メソポーラスセラミックスを設置しない場合は、焼成灰に放射性物質は付着するが、焼成灰に付着する前に、メソポーラスセラミックスに焼成ガスを接触することによって、焼成灰の汚染濃度は小さくなり、一般廃棄物と同じ処分が可能になる。焼成炉の表面の金属及び断熱材に汚染物が付着することがあるが、その表面にタイル状のメソポーラスセラミックスを配置することによって、焼成炉の延命を図ることができる。   The installation method in the mesoporous ceramic decontamination apparatus is different. In the case of incineration of organic matter in trees, grass, or agricultural production, radioactive materials are adsorbed and removed from polluted combustion gases, but cylindrical ceramics are placed at a temperature of 800 ° C or below of the flue. Tile mesoporous ceramics can be installed on the furnace wall. When no mesoporous ceramics is installed, radioactive materials adhere to the calcined ash, but before adhering to the calcined ash, contacting the mesoporous ceramics with the calcining gas reduces the contamination concentration of the calcined ash, and the general waste and The same disposal becomes possible. Contaminants may adhere to the metal and heat insulating material on the surface of the firing furnace. By arranging tile-shaped mesoporous ceramics on the surface, the life of the firing furnace can be extended.

原子炉や核燃料を冷却した水は、放射性物質によって高濃度に汚染している。該高濃度汚染物の除染を実施するには、貯蔵タンクに該セラミックスを浸漬し、所定濃度になると新しいセラミックスに交換して、順次汚染濃度を低下して、所定の濃度になるまで、この操作を繰り返す。タンクから流状の液体を除染するには、通路に該セラミックスを設置して、上流の高濃度に除染したセラミックスを順次交換して、流状の汚染水を所定の濃度までに、除染を行うことができる。   Water that cools nuclear reactors and nuclear fuel is highly contaminated with radioactive materials. To decontaminate the high-concentration contaminants, immerse the ceramics in a storage tank, replace the ceramics with new ones at a predetermined concentration, and gradually reduce the contamination concentration until the predetermined concentration is reached. Repeat the operation. In order to decontaminate the flowing liquid from the tank, the ceramics are installed in the passage, and the upstream decontaminated ceramics are sequentially replaced to remove the flowing contaminated water to a predetermined concentration. Dyeing can be performed.

メソポーラスセラミックスは、セラミックスの化学組成を適切に調整することによって、メソポアを維持しながら、開気孔を有する多孔質セラミックスとし、また、1000℃以上の焼成温度で、開気孔は存在しない焼結体のセラミックスにすることが可能である。メソポアを潰さない低温(例えば、800℃)での焼成は、原料の微粒な接触部分で、わずかに含まれるガラス化成分が、熔融して、半焼結セラミックスを形成するが、1000℃で熔融を始める焼成助剤は、1000℃以上で焼結が始まり、1200℃程度の焼成温度で、開気孔がほとんど存在しない磁器状とすることができる。このような調整をするには、天然の長石鉱物を配合することによって可能となる。高濃度に放射性物質を除染したメソポーラスセラミックスは、1000℃以上、好ましくは1200℃の再焼成で、開気孔がほぼ0%の磁器状のセラミックスとすることができる。メソポーラスセラミックスに結合した放射性物質は、この焼成過程で、分離することはなく、また微量成分が分離しても、炉内で吸着除去できる。このように磁器化したセラミックスは、1000℃以下の温度によって、また、水の接触によって、例えば、高濃度の塩酸溶液との接触においても分離することはない。このように磁器化したセラミックスにおいても、放射線は発生するので、人や生物から、所定の距離を隔てた地中に廃棄することが可能である。   The mesoporous ceramic is a porous ceramic having open pores while maintaining mesopores by appropriately adjusting the chemical composition of the ceramic, and is a sintered body having no open pores at a firing temperature of 1000 ° C. or higher. It is possible to make ceramics. Firing at a low temperature (for example, 800 ° C.) that does not crush the mesopores melts the slightly vitrified component at the fine contact portion of the raw material to form a semi-sintered ceramic. The starting firing aid can be made into a porcelain shape that begins to sinter at 1000 ° C. or higher and has a firing temperature of about 1200 ° C. and almost no open pores. Such adjustment can be achieved by blending natural feldspar minerals. A mesoporous ceramic decontaminated with a radioactive substance at a high concentration can be made into a ceramic ceramic with approximately 0% open pores by re-firing at 1000 ° C. or higher, preferably 1200 ° C. The radioactive substance bonded to the mesoporous ceramic is not separated during the firing process, and can be adsorbed and removed in the furnace even if trace components are separated. The ceramics thus made porcelain are not separated by a temperature of 1000 ° C. or less, or by contact with water, for example, in contact with a high-concentration hydrochloric acid solution. Even in such ceramics made of porcelain, radiation is generated, so that it can be disposed of in the ground at a predetermined distance from humans and organisms.

既に無機質の物質と放射性物質が結合した焼成灰、瓦礫、下水汚泥等は、放射性物質の分離が難しい。これらの物質を数mm以下の粒度に粉砕し、メソポーラスセラミック原料と所定量を配合することによって、1000℃以上の温度、好ましくは1200℃の温度で焼成することによって、開気孔がほぼ0%の磁器状のセラミックスとすることができる。メソポーラスセラミックスに結合した放射性物質は、この焼成過程で、分離することはなく、また微量成分が分離しても、炉内で吸着除去できる。このように磁器化したセラミックスは、1000℃以下の温度によって、また、水の接触によって、例えば、高濃度の塩酸溶液との接触においても分離することはない。このように磁器化したセラミックスにおいても、放射線は発生するので、人や生物から、所定の距離を隔てた地中に廃棄することが可能である。   It is difficult to separate radioactive materials from calcined ash, rubble, sewage sludge, etc., which have already been combined with inorganic materials and radioactive materials. By pulverizing these materials to a particle size of several mm or less and blending a predetermined amount with a mesoporous ceramic raw material, by firing at a temperature of 1000 ° C. or higher, preferably 1200 ° C., the open pores are almost 0%. It can be a porcelain ceramic. The radioactive substance bonded to the mesoporous ceramic is not separated during the firing process, and can be adsorbed and removed in the furnace even if trace components are separated. The ceramics thus made porcelain are not separated by a temperature of 1000 ° C. or less, or by contact with water, for example, in contact with a high-concentration hydrochloric acid solution. Even in such ceramics made of porcelain, radiation is generated, so that it can be disposed of in the ground at a predetermined distance from humans and organisms.

メソポーラスセラミックスの機能を発現するために、メソポーラスについて、焼成特性及び気孔分布の評価試験を実施した。いずれも北海道で産出する珪藻土及びゼオライトの各細孔径と対応する細孔容量である。
試料No,A、M、Jはメソポーラスタイプの珪藻土であるが、各々の産地は異なり、地層や岩質も異なる。No,Nはゼオライトであり、クリノプチロライト型である。
In order to express the function of mesoporous ceramics, the mesoporous was subjected to an evaluation test of firing characteristics and pore distribution. Both are pore capacities corresponding to the pore diameters of diatomaceous earth and zeolite produced in Hokkaido.
Samples No, A, M, and J are mesoporous diatomaceous earths, but their production areas are different, and their strata and rock quality are also different. No and N are zeolites and are clinoptilolite type.

Figure 2014232058
表1は、各種原料の細孔径と細孔容量を示した。
表1 珪藻土およびゼオライトの細孔径と細孔容量
Figure 2014232058
Table 1 shows the pore diameters and pore capacities of various raw materials.
Table 1 Pore diameter and pore volume of diatomaceous earth and zeolite

Figure 2014232058
表2は、原料No.Aの焼成温度による細孔容量の変化を示しものである。
表2 No.A 珪藻土の焼成温度と細孔容量
Figure 2014232058
Table 2 shows the raw material No. The change of the pore capacity | capacitance with the calcination temperature of A is shown.
Table 2 No. A Diatomite firing temperature and pore volume

Figure 2014232058
表3は、No.M原料の焼成温度による細孔容量の変化を示したものである。
表3 No.M 珪藻土の焼成温度と細孔容量
Figure 2014232058
Table 3 shows no. The change of the pore volume with the firing temperature of the M raw material is shown.
Table 3 No. M Diatomite firing temperature and pore volume

Figure 2014232058
表4は、No.J原料の焼成温度による細孔容量の変化を示したものである。
表4 No.J 珪藻土の焼成温度と細孔容量
Figure 2014232058
Table 4 shows no. The change of the pore volume with the firing temperature of J raw material is shown.
Table 4 No. J Diatomite firing temperature and pore volume

Figure 2014232058
表5は、No.N原料の焼成温度による細孔容量の変化を示したものである。
表5 No.N ゼオライトの焼成温度と細孔容量
Figure 2014232058
Table 5 shows no. This shows the change in pore volume depending on the firing temperature of the N raw material.
Table 5 No. N Zeolite firing temperature and pore volume

原料(試料No.A)50重量%、原料(試料NO.N)30重量%及び陶磁器用粘土20重量%を混合して、押出し成形により、外径40mm、内径30mm、長さ35mmの円筒資料を作成し、乾燥後、850℃、1時間保持して、本発明のメソポーラスセラミックス(試料1)とした。同様にして、700℃及び800℃で保持した本発明のメソポーラスセラミックスを作成し、(各々試料2及び試料3とした)とした。同様に、600℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃で焼成したセラミックス(各々比較試料1、2、3、4、5及び6)とした。   Cylindrical material with an outer diameter of 40 mm, an inner diameter of 30 mm, and a length of 35 mm is prepared by mixing 50% by weight of the raw material (Sample No. A), 30% by weight of the raw material (Sample No. N) and 20% by weight of clay for ceramics, and by extrusion molding. After drying, it was kept at 850 ° C. for 1 hour to obtain the mesoporous ceramic (sample 1) of the present invention. Similarly, the mesoporous ceramics of the present invention held at 700 ° C. and 800 ° C. were prepared (referred to as Sample 2 and Sample 3, respectively). Similarly, ceramics fired at 600 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., 1100 ° C., 1200 ° C. and 1300 ° C. (comparative samples 1, 2, 3, 4, 5 and 6 respectively) were used.

これらの試料の、各温度の焼成における、吸水率は、開口部直径16nm以下の細孔量、4nm以下の細孔量は、表4のようであり、これらのセラミックスの膨潤水壊、及びセシウム、ストロンチウムの吸着量は表6のようであった。   The water absorption ratios of these samples in firing at each temperature are as follows. The amount of pores having an opening diameter of 16 nm or less and the amount of pores having a size of 4 nm or less are as shown in Table 4, and swelling and destruction of these ceramics and cesium Table 6 shows the amount of strontium adsorbed.

Figure 2014232058
表6は、メソポーラスセラミックスの一例の配合組成に対して、材料特性、セシウム、ストロンチウムの吸着特性を示すものである。
Figure 2014232058
Table 6 shows material characteristics, cesium, and strontium adsorption characteristics with respect to a blend composition of an example of mesoporous ceramics.

開口部の直径16nm及び同じく4nmの測定方法は、恒温恒湿槽を用いた簡易法を使用した。膨潤水壊は、試料1個を500mlポリビーカに入れ、水を300ml入れ、1時間後に形状に変形が見られるかによって判定した。「なし」は変形が認められない結果、発生は、変形が認められる結果を示した。セシウム及びストロンチウムの吸着量は、非放射性である塩化セシウム及び塩化ストロンチウムを使用し、溶液/試料=10とした1ppm溶液と試験試料を入れ、5時間振とうして浸漬して、溶液を蛍光Z分析を行った。試料を浸漬して入れない溶液と試料を入れた溶液のセシウム及びストロンチウムの液中の残留濃度の差から、溶液中に残存する該成分の溶出割合を求めた。   A simple method using a constant temperature and humidity chamber was used as the measurement method for the diameter of the opening 16 nm and similarly 4 nm. Swelling breakage was determined by putting one sample into a 500 ml polybeaker and 300 ml of water, and checking if the shape was deformed after 1 hour. “None” indicates a result in which no deformation is observed, and occurrence indicates a result in which the deformation is recognized. The amount of adsorption of cesium and strontium is non-radioactive using cesium chloride and strontium chloride, put 1 ppm solution and test sample with solution / sample = 10, soak and shake for 5 hours. Analysis was carried out. From the difference in the residual concentration of cesium and strontium in the solution in which the sample was not immersed and the solution in which the sample was added, the elution ratio of the component remaining in the solution was determined.

以上の結果から、開口部の直径が16nm以下の細孔を0.05ml/g以上を含有し、且つ4nm以下の細孔を0.01ml/g含有する細孔構造を特徴とする放射性物質吸着用メソポーラスセラミックスでは、セシウム及びストロンチウムの吸着量は大きく、吸着剤として優れている。このような結果を得るには、開口部の直径が16nm以下の細孔を0.10ml/g以上含有し、かつ、4nm以下の細孔を0.01ml/g以上を含有する珪藻土及びゼオライトを主原料として任意の形状に成形後、膨潤水壊が発生しない程度に焼結し、ミクロ気孔及びメソ気孔が減少しない程度の焼成温度範囲で、原料の化学組成及び配合割合によって異なるが、700〜900℃で焼成して作製することができる。放射性物質を吸着したセラミックスを開気孔1%以下になると水及び空気について外部との流通が閉ざされ、吸着した放射性物質が、外部への溶融流出はなくなる。このような温度は、原料の化学組成及び配合割合によって異なるが、1000℃で、吸水率はほぼ数%以下になり、1100℃以上で、吸水率は0.5%以下になり、開気孔はほぼゼロになる。   From the above results, radioactive material adsorption characterized by a pore structure containing 0.05 ml / g or more of pores having an opening diameter of 16 nm or less and 0.01 ml / g of pores having a diameter of 4 nm or less In the mesoporous ceramics for use, the adsorption amount of cesium and strontium is large, and it is excellent as an adsorbent. In order to obtain such results, diatomaceous earth and zeolite containing pores having an opening diameter of 16 nm or less containing 0.10 ml / g or more and pores having 4 nm or less containing 0.01 ml / g or more are used. After molding into an arbitrary shape as a main raw material, sintering to such an extent that swelling water breakage does not occur, and in a firing temperature range such that micropores and mesopores do not decrease, depending on the chemical composition and blending ratio of the raw materials, 700 ~ It can be produced by firing at 900 ° C. When the ceramics adsorbed with the radioactive material is 1% or less open pores, the circulation of water and air to the outside is closed, and the adsorbed radioactive material is not melted out to the outside. Such temperature varies depending on the chemical composition and blending ratio of the raw material, but at 1000 ° C., the water absorption rate is almost several percent or less, at 1100 ° C. or more, the water absorption rate is 0.5% or less, and the open pores are Nearly zero.

実施例2と同じ調合割合の試料で800℃焼成を行った試料(試料2)を使用し、同じ方法で非放射性セシウムを吸着した試料を使用し、溶液/試料=10とした1ppm溶液と試験試料を入れ、5時間振とうして浸漬して、溶液中に溶出したセシウムの量を測定した。溶出試験は、吸着試験と同じに、試料吸着試験を行った後に、120℃で、2時間で乾燥した試料を試料2−1として、水及び1N塩酸に各々浸漬して、水および1N規定塩酸に溶解したセシウムを測定して、溶出量を求めた。このように、乾燥した試料をさらに、200℃、400℃、600℃、800℃で2時間保持する熱処理を行い、各々、試料2−2、2−3、2−4及び2−5とした。これらの試料を、試料2−1同じに、水と1N規定塩酸で熱処理を行い、その後、溶出試験を実施した。その結果を表5に記載した。   Using a sample (sample 2) calcined at 800 ° C. with a sample having the same blending ratio as in Example 2, using a sample adsorbing non-radioactive cesium by the same method, a 1 ppm solution and test with 10 solutions / sample = 10 The sample was put and immersed for 5 hours by shaking, and the amount of cesium eluted in the solution was measured. The elution test was performed in the same manner as the adsorption test. After the sample adsorption test was performed, the sample dried at 120 ° C. for 2 hours was immersed in water and 1N hydrochloric acid as the sample 2-1, respectively. The amount of elution was determined by measuring cesium dissolved in the solution. Thus, the dried sample was further subjected to a heat treatment of holding at 200 ° C., 400 ° C., 600 ° C., and 800 ° C. for 2 hours to obtain Samples 2-2, 2-3, 2-4, and 2-5, respectively. . These samples were heat-treated with water and 1N normal hydrochloric acid in the same manner as Sample 2-1, and then an elution test was performed. The results are shown in Table 5.

Figure 2014232058
表7は、セシウムの吸着試験の後の熱処理によって、溶出量の変化を示したものである。
表7 吸着後の熱処理による溶出量の変化
Figure 2014232058
Table 7 shows the change in the amount of elution by the heat treatment after the cesium adsorption test.
Table 7 Changes in elution amount due to heat treatment after adsorption

表7の結果のように、吸着試験によって吸着した成分は、水に溶出試験においては、溶出量1%は未満であり、セシウム(非放射性物質)はメソポーラスセラミックスと強固に結合している様子がみられる。1N塩酸では、120℃の乾燥及び200℃の熱処理では、セシウムの溶出は認められるが、400℃以上の熱処理によって、1N規定塩酸においても、溶出は認められない。 As shown in the results of Table 7, the components adsorbed by the adsorption test are less than 1% in the elution test in water, and cesium (non-radioactive substance) seems to be firmly bonded to the mesoporous ceramics. Seen. With 1N hydrochloric acid, elution of cesium is observed after drying at 120 ° C. and heat treatment at 200 ° C., but no elution is observed even with 1N normal hydrochloric acid by heat treatment at 400 ° C. or higher.

焼成し、粉体状の下水汚泥を70重量%、実施例1に記述の珪藻土No.Aを10重量%、陶磁器用粘土を10重量%及び天然の長石原料として対州長石を10重量%配合して、配合土とした。水分が20重量%になるように、外配で配合し、出来上がりの配合土に含まれる塩化セシウムの割合が、固形分に対して1ppmになるように、塩化セシウム溶液を添加した。この配合土を混練押出機で直径10mm、長さ10〜15mmになるように成形し、乾燥後、1200℃で1時間の保持をする大気中の焼成を行った。この焼成物の吸水率は、0.2%であった。この試料の約20gを取り、実施例2と同様に溶出試験を実施した。溶出試験は水及び1N塩酸溶液で実施したが、いずれも溶出は検出できなかった。このように、既に放射性物質で汚染をして、該成分を分離が困難な汚染物も、本発明のセラミック原料を配合し、焼成中に飛散する放射性物質を吸収しながら焼成することによって、安全に、含まれている放射性物質を固定化できることがわかった。   After firing, 70% by weight of powdered sewage sludge, diatomaceous earth no. 10% by weight of A, 10% by weight of clay for ceramics, and 10% by weight of anti-feldspar feldspar as a natural feldspar raw material were blended to prepare a blended soil. The cesium chloride solution was added so that the water content was 20% by weight, and the ratio of cesium chloride contained in the finished blended soil was 1 ppm with respect to the solid content. This blended soil was molded with a kneading extruder so as to have a diameter of 10 mm and a length of 10 to 15 mm, dried, and then fired in the atmosphere for 1 hour at 1200 ° C. The water absorption of this fired product was 0.2%. About 20 g of this sample was taken and the dissolution test was carried out in the same manner as in Example 2. The elution test was carried out with water and 1N hydrochloric acid solution, but no elution was detected. In this way, even contaminated materials that have already been contaminated with radioactive materials and difficult to separate the components are blended with the ceramic raw material of the present invention and fired while absorbing the radioactive materials scattered during firing. It was found that the contained radioactive material can be immobilized.

Figure 2014232058
表8に配合土の焼成前と焼成後の、セシウムの溶出試験の結果を示す。
表8 配合土の焼成前と焼成後の、セシウムの溶出試験の結果
Figure 2014232058
Table 8 shows the results of the cesium elution test before and after firing the blended soil.
Table 8 Results of cesium dissolution test before and after mixing

実施例にみられるように、本発明のメソポーラスセラミックスは、放射性物質の吸着及び固定化に大きな効果がみられ、原発事故で飛散したいろいろな形態の放射性物質を吸着、除染するのに大きな効果が期待でき、産業上の利用可能性は大きい。   As seen in the examples, the mesoporous ceramics of the present invention have a great effect on the adsorption and immobilization of radioactive substances, and a great effect on adsorption and decontamination of various forms of radioactive substances scattered in the nuclear accident. The industrial applicability is great.

本明細書は、放射性物質の除染について詳細に記載したが、その他の環境物質の除去についても期待できるものである。セラミックスを用途に応じた形状に成形及び焼成し、環境物質の一つであるNO、SOの処分、臭物質の除去(脱臭)、オイルミストの吸着除去等広い範囲にわたって、環境物質の除去に活用が期待できるものである。































Although this specification has described in detail the decontamination of radioactive materials, it can also be expected to remove other environmental materials. Ceramic materials are shaped and fired according to the application, and environmental substances are removed over a wide range, including disposal of NO X and SO X , which are environmental substances, removal of odorous substances (deodorization), and adsorption removal of oil mist. It can be expected to be used in the future.































Claims (5)

開口部の直径が16nm以下の細孔を0.05ml/g以上を含有し、かつ、4nm以下の細孔を0.01ml/g以上含有する細孔構造を特徴とする放射性物質吸着用メソポーラスセラミックス。   A mesoporous ceramic for adsorbing a radioactive material, characterized by a pore structure containing 0.05 ml / g or more of pores having an opening diameter of 16 nm or less and 0.01 ml / g or more of pores having a diameter of 4 nm or less . 開口部の直径が16nm以下の細孔を0.10ml/g以上含有し、かつ、4nm以下の細孔を0.01ml/g以上を含有する珪藻土及びゼオライトを主原料として任意の形状に成形後、膨潤崩壊しない程度の温度以上、かつ、微細気孔を減少しない程度の温度以下で焼成して作製することを特徴とする請求項1記載のメソポーラスセラミックス。   After molding into diatomaceous earth and zeolite containing 0.10 ml / g or more of pores having an opening diameter of 16 nm or less and 0.01 ml / g or more of pores of 4 nm or less as main raw materials 2. The mesoporous ceramic according to claim 1, wherein the mesoporous ceramic is produced by firing at a temperature that does not swell and collapse and that does not decrease the pores. 請求項1記載のセラミックスで放射性物質を吸着後、該セラミックスを開気孔がゼロになる温度以上で再焼成することによって放射性物質で焼結させ、固定化することを特徴とするセラミックス。   A ceramic characterized in that after adsorbing a radioactive substance with the ceramic according to claim 1, the ceramic is sintered and fixed with the radioactive substance by refiring the ceramic at a temperature at which the open pores become zero or more. 放射性物質を吸着した物質及び請求項1記載のセラミックスを原料として、配合し、任意の形状に成形後、開気孔がゼロになる温度以上で焼成して作製するセラミックス。   A ceramic produced by blending a material adsorbing a radioactive substance and the ceramic according to claim 1 as a raw material, forming into an arbitrary shape, and firing at a temperature at which open pores become zero or more. 請求項1記載の天然多孔質鉱物粉粒状を使用して放射性物質を吸着後、任意の形状に成形後、開気孔がゼロになる温度以上で焼成して作製するセラミックス。



















A ceramic produced by adsorbing a radioactive substance using the natural porous mineral powder granule according to claim 1, forming into an arbitrary shape, and firing at a temperature at which open pores become zero or more.



















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