JP2015045624A - 放射性物質汚染水の処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的かつ低コストである射性物質汚染水の処理方法を提供する。
【解決手段】放射性物質を含有する汚染水から界面前進凍結濃縮処理により前記放射性物質の濃度を低減させた氷を凍結させるとともに残余の汚染水にて前記放射性物質を濃縮させる凍結濃縮工程を有する放射性物質汚染水の処理方法である。前記凍結濃縮工程の前工程として、前記汚染水の酸素溶存量を低減するとともに窒素ガスを溶解させる窒素置換工程を有することが好適である。前記放射性物質として放射性セシウムに好適に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射性物質汚染水から放射性物質を除去する処理方法に関する。

原子力発電所の事故で生じた放射性セシウムを含む汚染水が大量に発生しており、この汚染水からセシウムを効率的に除去する処理が緊急の課題となっている。放射性セシウムの人体への許容レベルは非常に低いので、汚染水中のppb〜ppmレベルの放射性セシウムを確実に除去することが必要となる。汚染水中の放射性セシウム（以下、単に「セシウム」という場合がある）は、水溶液中のセシウムイオンの形で存在している。水溶液に溶解しているセシウムイオンを除去する方法としては、沈殿法、イオン交換法、吸着法、蒸発法などがあり、特にイオン交換法や吸着法は高効率であることから、多く活用されている（特許文献１、特許文献２）。

一方、従来から工業用水又は農業用水の再利用のための廃水浄化処理方法の一つとして、凍結濃縮法が知られている（特許文献３）。凍結濃縮法は、水溶液中の水と溶質との凝固点の差を利用して氷結晶を析出させ、氷を分離することにより残留した水溶液の濃度を高める方法である。凍結濃縮法は、例えば、海水から純水の氷を生成したり、果汁を濃縮したりする場合にも利用されている。凍結濃縮法の中でも、システムが簡易でありかつ効率的な溶質分離が可能な方法として、界面前進凍結濃縮法が知られている。界面前進凍結濃縮法は、冷却した結氷面上に被処理液を流下させるとともに被処理液を循環させることにより、結氷面上にて氷結晶を層状に成長させる方法である（特許文献４）。

特開２０１３−４０８５２号公報 国際公開２０１３／０９４７１１号公報 特開２００２−１５３８５９号公報 特開２００９−２９１６７３号公報

水溶液中のセシウムイオン除去方法としてのイオン交換法や吸着法の問題点は、複雑な構成の処理設備や特殊な吸着材を必要とするため、大量の汚染水を処理するための設備や材料のコストが大きくなる。

また、凍結濃縮法を、汚染水のセシウムイオン除去方法として適用する場合、汚染水中には様々な物質が混在していることから、汚染水の循環によって撹拌と同じ作用が生じて、不測の化学反応を生じる可能性も否定できない。従って、凍結濃縮法を適用する場合には、それに先立って、汚染水をできるだけ化学的に安定化させることが必要と考えられる。

以上の現状に鑑み、本発明は、放射性物質を含む汚染水から放射性物質を除去する処理方法であって、簡易な構成により実施でき、特殊な処理材が不要でありかつ安全に行うことができる処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明は、以下の構成を有する。
本発明の態様は、放射性物質を含有する汚染水から界面前進凍結濃縮処理により水を凍結させて前記放射性物質の濃度を低減させた氷を生成するとともに残余の汚染水にて前記放射性物質を濃縮させる凍結濃縮工程を有するものである。

上記態様において、前記凍結濃縮工程の前工程として、前記汚染水の酸素溶存量を低減させるとともに窒素ガスを溶解させる窒素置換工程を有することが好適である。

上記態様において、前記放射性物質が放射性セシウムである。

本発明は、放射性物質を含有する汚染水に対して界面前進凍結濃縮処理を適用することにより、汚染水から水を凍結させ、少なくとも放射性物質の濃度が低減された氷を生成するものである。好適には、本発明により放射性物質が除去された氷を生成することができる。このようにして生成した氷を除去すれば、元の放射性物質汚染水の量を大幅に低減することができる。これにより、汚染水の保管スペースを節減することが可能となる。

本発明の処理方法により凍結した氷は、放射性物質の量が所定の安全性基準以下に低減されていれば、そのまま氷として利用することも可能である。また、氷を融解させた水に対し本発明の処理方法を繰り返すことにより、放射性物質の濃度をさらに低減させることが可能である。

本発明の処理方法は、氷を生成させるための最低限の設備として冷却機を必要とするだけであり、複雑な構成の処理設備や特殊な処理材が不要であるという利点がある。従って、大量の汚染水を低コストで処理する方法として極めて有用である。

また、前工程として汚染水の酸素溶存量を低減させ窒素ガスを溶解させて窒素置換を行うことにより、汚染水が不活性の窒素ガスにより化学的に安定化し、凍結濃縮処理において汚染水を循環させた場合にも撹拌による不測の化学反応を抑制することができる。

図１は、本発明による汚染水処理方法の基本的流れを概略的に示した工程図である。 図２は、図１に示した処理方法における窒素置換工程を実施するために用いる処理装置の一例を示す構成図である。 図３は、図１に示した処理方法における凍結濃縮工程を実施するために用いる処理装置の一例を示す構成図である。 図４は、図１に示した処理方法における排出工程を実施するために用いる処理装置の一例を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。本発明は、放射性物質を含む汚染水を浄化するための処理方法を提供するものである。本発明が対象とする放射性物質は、主として汚染水中でイオンとして存在する水溶性物質であるが、非水溶性物質に対しても有効である。水溶性の放射性物質として、例えばセシウム１３７が代表的である。

図１は、本発明による汚染水処理方法の好適例における概略フローを示した工程図である。
まず、回収した汚染水を適宜のタンクなどに供給して貯水する貯水工程を行う（ステップＳ１）。次に、貯水した汚染水の酸素溶存量を低減して窒素ガスを溶解させる窒素置換工程を行う（ステップＳ２）。この窒素置換工程は、必須ではなく好適工程である。続いて、水の凍結温度に冷却された結氷面上に窒素置換された汚染水を流下させるように循環供給し、結氷面上に氷を層状に生成させる界面前進凍結濃縮処理を適用した凍結濃縮工程を行う（ステップＳ３）。水が凍結して氷を生成する際には、水溶性物質及び非水溶性物質を固相から液相に排除する作用がある。これにより、放射性物質の濃度を低減された氷が得られると同時に、残留する水溶液においては放射性物質が濃縮される。最後に、生成した氷を取り出すとともに、濃縮された残留汚染水を取り出す排出工程を行う（ステップＳ４）。

上記ステップＳ３の凍結濃縮工程及びステップＳ４の排出工程を繰り返し行ってもよい。すなわち、ステップＳ４で取り出した氷を融解し、再度、ステップＳ３の凍結濃縮工程を行う。これにより、放射性物質の濃度がさらに低減された氷が得られる。

図２は、図１に示した処理方法における窒素置換工程を実施するために用いる処理装置の一例を示す構成図である。

貯水槽１１内には、原水である汚染水が充填される。窒素ガス生成器１２は、この原水汚染水に対して窒素ガス供給管１２ａを通して窒素ガスを注入する。窒素ガス生成器１２は、例えば、空気を圧縮するエアコンプレッサと、圧縮空気から窒素ガスを抽出する窒素ガス抽出器とから構成される。窒素ガス抽出器は、例えばポリイミド中空糸膜からなる窒素分離膜を備えたものである。この窒素ガスを汚染水に爆気させることにより、汚染水中の溶存酸素を低減させ、窒素の溶存量を増大させる。すなわち酸素を窒素で置換したことになる。通常の水は、温度０℃で酸素溶存量ＤＯが１４．６ｍｇ／リットルであるが、これを例えば１．０ｍｇ／リットル程度まで低減できる。酸素の低減量の分がほぼ窒素に置換されたと考えてよい。

具体的な水温と酸素溶存量との関係は、例えば次の通りである。
水温（℃） 酸素溶存量ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）
０ １４．６
１０ １０．９
２０ ８．８

・窒素置換試験その１
図２に示した処理装置と同様の構成の処理装置であって、試験用の小規模の装置を用いて窒素置換試験を行った。
＜試験方法＞
貯水タンクに３００リットルの原水（試験のため、水道水で行った）を充填し、エアコンプレッサ１の供給圧力０．２ＭＰａで３時間半、窒素ガスを注入した。

＜試験結果＞
時間 水温（℃） 酸素溶存量ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）
開始時 ： ８．４ ４．９９
１時間後 ： ９．１ ３．１３
２時間後 ： ９．６ ３．０２
３時間半後： ９．２ １．３６
試験結果が示すように、窒素ガスを水中に注入することにより、水中の酸素溶存量は大きく減少する。

さらに、窒素置換工程を行う間、汚染水の温度を０℃近傍の温度に冷却しておくことが好ましい。冷却することにより、汚染水への窒素ガスの溶解量が多くなる。図２の処理装置における冷却装置は、冷凍機１６と熱交換器１３を用いている。ポンプ１４と循環パイプ１５により、貯水タンク１１と熱交換器１３の間で汚染水を循環させている。

なお、貯水タンク１１では、汚染水中に浮遊している非水溶性物質の沈殿を行うことが好ましい。貯水タンク１１の底部に蓄積した沈殿物Ｄは、窒素置換後の汚染水Ｌ１を排出した後に別途処理する。

・窒素置換試験その２
図２に示した処理装置を用いて、さらに別の窒素置換試験を行った。
＜試験方法＞
貯水タンク１１に20,000リットルの原水（このテストでは塩分濃度３％の海水を用いた）を充填した。その後、窒素ガス生成器１２の圧力0.2MPaの窒素ガスを８時間、原水に注入した。原水は冷凍機１６により冷却された。その後、原水を３℃にて１６時間半放置した。

＜試験結果＞
時間 水温（℃） 酸素溶存量ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）
開始時 ： ２０．６ ５．２１
１時間後 ： １８．１ ３．１５
２時間後 ： １５．６ １．８５
３時間後 ： １２．９ １．２９
４時間後 ： １０．６ １．０９
５時間後 ： ８．５ ０．９１
６時間後 ： ６．５ ０．８４
７時間後 ： ４．９ ０．７６
８時間後 ： ３．２ ０．７０
試験結果が示すように、窒素ガスを海水中に注入することにより、海水中の酸素溶存量は大きく減少する。

図２に示した処理装置は、図１に示した処理方法の凍結濃縮工程を実施するための処理装置としても、そのまま用いることができる。窒素置換工程の後、汚染水タンク１１中の窒素置換汚染水を約０℃に冷却して氷（シャーベット状の氷）を水中に生成する。生成した氷は、水面に浮き上がり水面に蓄積される。氷が生成されるとき、汚染水中の水溶性及び非水溶性の物質は液相に除去される。この結果、凍結しない汚染水中の水溶性及び非水溶性の物質の濃度は高くなる。その後、水面から氷を取り出すことにより、図１に示した処理方法の排出工程を行う。これにより、取り出された氷の量だけ、タンク１１内の汚染水の量が減ることとなる。

図３は、図１に示した処理方法における凍結濃縮工程を実施するために用いる別の処理装置の一例を示す構成図である。図３中のバルブＶ１〜Ｖ５のうち白色は開状態を、灰色は閉状態を示している。凍結濃縮工程では、好適には、界面前進凍結濃縮処理法を適用する。

界面前進凍結濃縮処理法においては、溶質を極力排除して純水からなる氷を生成するための種々の手法が知られている。例えば、氷結面の形状や配置、氷結面における熱伝達、水溶液の流量や流速等を工夫する手法、又は、氷結部分の固相と液相の界面に対して超音波を照射する手法などである。これらの公知の界面前進凍結濃縮処理法の各手法を本発明の凍結濃縮工程に適用したものも、本発明に含まれるものとする。

貯水タンク２１には、図２の貯水タンク１１の窒素置換汚染水Ｌ１が供給され、充填される。なお、貯水タンク２１は、図２の貯水タンク１１と兼用してもよい。貯水タンク２１内の窒素置換汚染水Ｌ１は、ポンプ２２により循環パイプ２３を通して散水管２４に送出される（黒矢印参照）。散水管２４の下方には、鉛直方向に配置された結氷面を有する結氷板３３が配置されている。図示の例では２枚の結氷板３３が設けられている。結氷板３３の内部は、冷媒の流路が形成されている。凍結濃縮工程においては、冷凍機３１から送出された冷媒が、バルブＶ１及び冷媒供給管３２を通して結氷板３３に供給され、結氷板３３の内部を降下してバルブＶ２及び冷媒戻り管３４を通して冷凍機３１に戻される（白矢印参照）。

窒素置換汚染水Ｌ１は、散水管２４から結氷板３３の上端近傍に向けて散水され、結氷面に沿って流下する。流下しつつ結氷面上に層状に氷Ｆが生成される。氷Ｆが生成する際には、汚染水中の水溶性及び非水溶性の物質が液相中に排除される。これにより、氷結しなかった汚染水における水溶性及び非水溶性の物質の濃度は高まる。氷結しなかった汚染水は氷結板３３の下端から落下する（黒矢印参照）。氷結板３３の下方には水受け容器２６が配置されている。落下した汚染水は、水受け容器２６の表面に張られた水切り板２５を通過して水受け容器２６の水溜まり部２６ａに溜まる。水溜まり部２６ａの底面には孔２６ｂが形成されている。汚染水は、孔２６ｂを通過して貯水タンク２１に落下する。

汚染水の循環を繰り返すことにより、氷Ｆが厚くなるとともに、汚染水Ｌ１はその全体量が減少しかつ汚染物質が濃縮される。

図４は、図１に示した処理方法における排出工程を実施するために用いる処理装置の一例を示す構成図である。処理装置自体は、図３に示したものと同じである。図４中のバルブＶ１〜Ｖ５のうち白色は開状態を、灰色は閉状態を示している。

汚染水の循環を停止した後、結氷板３３上に生成した氷Ｆを除去するために、先ず、バルブＶ１を閉状態として冷凍機３１からの冷媒の供給を停止する。冷凍機３１では、冷媒の圧縮時に高温のホットガスが生成される。図示の例では、このホットガスを氷Ｆの除去のための熱源として利用する。ホットガス熱源３５から、バルブＶ３及びホットガス供給管３６を通して結氷板３３の内部にホットガスが送出される。これにより氷結面に接触している部分が融けて氷Ｆが下方に落下する。落下した氷Ｆは、傾斜している水切り板２５上で適宜砕かれ、外部に排出される。なお、氷Ｆを結氷板３３から脱離させるための熱源は、ホットガスに限られず、ヒーターなどを利用してもよい。

ホットガスは、結氷板３３の内部を降下する間に温度低下するが、バルブＶ４及び熱交換器３７を通ることで再び加熱されてホットガス熱源３５に戻される（矢印参照）。

氷Ｆが排出される一方で、貯水タンク２１内の残余の汚染水は、汚染物質の濃度が高まった濃縮汚染水Ｌ２となっている。濃縮汚染水Ｌ２の量は、図３の窒素置換汚染水Ｌ１と比べて、氷Ｆとなった水の量だけ低減されている。濃縮汚染水Ｌ２はバルブＶ５から排出され、別途保管又は処理される。

１１ 窒素置換用貯水槽
１２ 窒素ガス生成器
１２ａ 窒素ガス供給管
１３ 熱交換器
１４ ポンプ
１５ 循環パイプ
１６ 冷却器
２１ 濃縮用貯水槽
２２ ポンプ
２３ 循環パイプ
２４ 散水管
２５ 水切り板
２６ 水受け容器
２６ａ 水溜まり部
２６ｂ 孔
３１ 冷凍機
３２ 冷媒供給管
３３ 結氷板
３４ 冷媒戻り管
３５ ホットガス源
３６ ホットガス供給管
３７ 熱交換器
Ｌ１ 窒素置換汚染水
Ｌ２ 濃縮汚染水
Ｄ 沈殿物
Ｆ 氷
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ

Claims (3)

1. 放射性物質を含有する汚染水から界面前進凍結濃縮処理により水を凍結させて前記放射性物質の濃度を低減させた氷を生成するとともに残余の汚染水にて前記放射性物質を濃縮させる凍結濃縮工程を有する、放射性物質汚染水の処理方法。
2. 前記凍結濃縮工程の前工程として、前記汚染水の酸素溶存量を低減させるとともに窒素ガスを溶解させる窒素置換工程を有する、請求項１に記載の放射性物質汚染水の処理方法。
3. 前記放射性物質が放射性セシウムである、請求項１又は２に記載の放射性物質汚染水の処理方法。

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