JP2015114267A - 放射性物質吸着材 - Google Patents
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Abstract
【課題】放射性セシウム、放射性ストロンチウムについて、速やかな吸着性と、少なくとも雨水について不溶出性を示す放射性物質吸着材を提供する。
【解決手段】３００〜５５０℃で焼成した粘土を主成分とする放射性物質吸着材である。
【選択図】なし
【解決手段】３００〜５５０℃で焼成した粘土を主成分とする放射性物質吸着材である。
【選択図】なし
Description
本発明は、放射性物質を速効的に吸着し、かつ吸着後に悪環境下において長期に亘り溶出しない放射性物質吸着材に関する。
放射性物質である放射性セシウムについては、目下、除去と退避処理について緊急の対策を要する。そこで、本出願人のうちの一方は、特許文献１の手法により完全に安定的に閉じ込めることを提案した。
すなわち、特許文献１は、放射性セシウムで汚染された物質と、粘土と、セメントと、水とを混練することにより、混練物を生成するステップと、前記の混練物を容器に収容し、この容器を閉じるステップと、該容器の外面全体をコーティングするステップを有することとしている。
従来、粘土が放射性セシウムを吸着することは知られているが、放射性セシウムで汚染された物質と粘土鉱物の一種とをセメントの骨材として混合した場合、セメントが（強）アルカリ性であること、また、雨水が酸性であることから、一旦吸着した放射性セシウムが溶出してしまう。そこで、特許文献１において記載されるとおり、吸着後に容器に収容して密閉して貯蔵し、半減期を迎えるより手法を提案した。
しかし、容器に収納して密閉するという対策は、貯蔵するとしても、容器に放射性セシウムで汚染された物質を移載したり、容器を貯蔵地まで移動するという危険作業が伴うこととなる。要するに、従来では、吸着後、自然環境下に晒された状態で溶出せずに安定的に吸着状態を維持する対策が未だ確立されていないといった問題があった。
本発明が解決しようとする問題点は、従来の対策では、容器に収容したり、該容器を貯蔵したとしても雨や海水に晒されるなど悪環境下で安定して吸着状態を維持できない可能性がある他、容器への移載、容器の移動に被爆の危険が伴っていた点であり、吸着の速攻性、不溶出の確実性に優れた放射性物質の吸着材が存在しなかった点である。
上記課題を解決するため、本発明の放射性物質吸着材は、３００〜５５０℃で焼成した粘土を主成分とすることを主要な構成とした。
本発明の放射性物質吸着材であれば、放射性セシウムや放射性ストロンチウムに対して、その汚染場所に散布するだけで、迅速に吸着し、かつ一旦吸着した後は、少なくとも雨水に晒された過酷な自然環境下であっても溶出することがない。
本発明を実施するには、放射性物質、例えば放射性セシウム、放射性ストロンチウムの速攻的吸着と、長期的不溶出を可能とする吸着材を得るべく、粘土を３００〜５５０℃で焼成すればよい。
本願で言う粘土とは、例えば陶器や瓦やタイルを製造する際に用いる粘土、すなわち自然状態の構造としては、ほぼ層状をなし、非常に微細な粒子になりやすく、また、親水性が高く、コロイド状になりやすく、粘度の高い懸濁をつくり、さらに、高温処理（焼成）することで層状構造の層間で脱水縮合を起こして互いに接触して、水に強く硬い物質に不可逆的に変化する特性を呈するものを意味する。
粘土による放射性セシウムの吸着メカニズムは、次のように解明されている。粘土は、含有する酸化物が負電荷を帯びた薄い層状構造をなし、該負電荷を相殺する陽イオンが層間に存在した状態となっている。この層間に存在する陽イオンは、「ある適当な条件下で」別の陽イオンとの交換特性を呈し、交換性陽イオンと称する。
粘土に含有される酸化物の上記交換性陽イオンは、セシウムイオン（陽イオン）に対して高い交換能を示す。この理由は、セシウムイオンが一価の金属イオンとして大きなイオン半径だからである。結果、セシウムイオンは水中でも水分子との結合に較べて、粘土に含有する酸化物の層間に存在する交換性陽イオンとの交換によって該層間に入り込むことで、吸着するのである。
本発明者らの研究では、放射性セシウムに汚染された一定量の雨水と海水に各々同量のそのままの（あるいは乾燥した）粘土を添加して定時間振とうする試験を吸着と溶出とについて後述のとおり別々に行った結果、雨水、海水とも１００％に近い吸着率、０％に近い溶出率とするには至らなかった。この点は、粘土を３００℃より低い温度で焼成した場合も同様であった。
例えば１００％に近似した吸着率とならない理由は、本発明者らの研究によれば、セシウムイオンが入り込む上記粘土に含有される酸化物の層間に他の化学物質の陽イオンが存在し、この陽イオンがセシウムイオンとの交換能が低いため、結果としてセシウムイオンの吸着率が１００％に近づかないものと考えている。
例えば０％に近似した溶出率とならない理由は、本発明者らの研究によれば、上記の逆に、粘土に含有される酸化物の層間に存在する他の化学物質のうち水分子と容易に結合する陽イオンが吸着状態にあるセシウムイオンを（層間から）押し出し、結果としてセシウムイオンの溶出率が０％に近付かないものと考えている。
例えば５５０℃より高い温度で焼成した粘土は、本発明者らの研究によれば、５５０℃より高温で焼成すると、粘土の化学構造が破壊されたり、粘土に含有されるセシウムイオンとの交換に必要な陽イオンを有した化学物質が焼失したりするなどの変性を生じ、結果として上記の吸着と溶出の特性が低下するものと考えている。
以上のことから、粘土を３００〜５５０℃で焼成した粘土放射性物質の吸着に関しては短時間で単位量あたりの放射性セシウムを９５〜１００％吸着し、吸着後は少なくとも雨水といった自然環境下しかも悪環境下であっても放射性物質を容易に溶出しないことが判明した。また、放射性物質は、放射性セシウムに限らず、放射性ストロンチウムにおいても同様の効果が得られることも判明した。
また、本発明の放射性物質吸着材は、平均粒径が０．５〜１５ｍｍとすれば、上記粘土を３００〜５５０℃で焼成した０．５ｍｍ未満の顆粒状のものでは、放射性ストロンチウムに関しては、海水における溶出率が高かったのであるが、平均粒径を上記範囲とすることで、放射性ストロンチウムも放射性セシウムと同等の実用レベルの高吸着率及び低溶出率となった。
また、上記粒径とすることで、焼成を含めた製造が容易であると共に、取扱いも非常に優れたものとなる。なお、平均粒径とは、球形状のみならず、立方体、直方体、など全ての形状におけるその外形寸法における全量の平均を意味している。
粘土を３００〜５５０℃で焼成したもののうち平均粒径が０．５ｍｍより小さいものでは、放射性セシウムは吸着率、雨水及び（人工）海水における溶出率には全く問題がなく、また、放射性ストロンチウムは吸着率、雨水における溶出率に問題がないものの（人工）海水においては溶出率が実用レベルまで低下しないことが判明した。
一方、粘土を３００〜５５０℃で焼成したもののうち平均粒径が１５ｍｍより大きいと、放射性セシウムは吸着率、雨水及び（人工）海水における溶出率には全く問題がなく、また、放射性ストロンチウムでは雨水及び（人工）海水における溶出率に問題がないものの吸着率が悪化することが判明した。以上のことから、平均粒径は０．５〜１５ｍｍとすれば、放射性セシウム、放射性ストロンチウムの吸着率と、雨水と海水における溶出率との両方において良好な効果が得られる。
ちなみに、平均粒径が０．５ｍｍより小さい場合に溶出率が悪化する要因は、粘土粒子の層間にセシウムイオンやストロンチウムイオンが侵入せず、粘土粒子の表面に吸着（付着）したセシウムイオンやストロンチウムイオンが物理的な洗浄効果により溶出するためと考えられる。一方、平均粒径が１５ｍｍより大きい場合に吸着率が悪化する要因は、粒径の小さい粒子に較べて相対的な吸着サイトの数が減少するためと考えられる。
さらに、鉱物的な主成分として、カオリナイト、アロフェン、モンモリロン石、緑泥石、絹雲母、ゼオライト、バーミキュライトのいずれか又は複数の混合物を少なくとも５０％以上含有した粘土を用いればよい。
上記は化学的成分で換言すると、重量割合として珪素が５０％以上あるいは珪素、酸素、アルミニウムの複数の混合物が５０％以上含有した粘土と言うことになる。本発明において、放射性物質吸着材の主成分を化学物質で規定しない理由は、要するに化学物質ではなく、我が国の各地に点在するいわゆる「やきもの」の産地において採取される自然物である粘土を３００〜５５０℃で焼成することで良好な効果を得られるからである。
以下、本発明の実施例により放射性物質吸着材の効果を確認するために行った実験について説明する。
実験方法は、次のとおりである。試験管に各条件の粘土を挿入し、この試験管に放射性物質溶液２０ｍｌを添加し、３００ｒｐｍで１５分振とうした。そして、２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離した後、上澄み液を孔径０．４５μｍのメンブランフィルタでろ過し、ろ過液の放射能濃度をＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器で計測して、吸着率を算出した。
また、放射性物質を吸着した状態の各条件の粘土を試験管に挿入し、この試験管に雨水と人工海水をそれぞれ２０ｍｌ添加し、各々３００ｒｐｍで１５分振とうした。そして、上記吸着率と同様、２０００ｒｐｍで１０分間遠心分離した後、上澄み液を孔径０．４５μｍのメンブランフィルタでろ過し、ろ過液の放射能濃度をＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器で計測して、溶出率を算出した。
なお、図１に示す実験１と、図２に示す実験２と、において、図中にも示しているが、人工海水とは、天然海水とほぼ同じ組成に調整された市販品である。一方、雨水とは、実際の降雨水（ｐＨ６．５）である。
図１に示す実験１では、粒径０．１ｍｍ未満の顆粒状の粘土４ｇ分（以下、試料という）を用い、この粘土について、未焼成と焼成、また、焼成した場合では焼成温度、の条件を変更して、放射性物質（放射性セシウム、放射性ストロンチウム）の吸着率、溶出率（雨水、人工海水）を調べた。
比較例１は未焼成の試料を用いた。比較例１は、放射性セシウムに対しては吸着率と雨水における溶出率は実用レベルであったが、人工海水における溶出率は実用レベルに達しなかった。また、比較例１は、放射性ストロンチウムに対しては吸着率と、雨水及び人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達しなかった。
比較例２は２００〜２５０℃未満で焼成した試料を用いた。比較例２は、放射性セシウムに対しては吸着率と、雨水及び人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達した。また、比較例２は、放射性ストロンチウムに対して吸着率と、雨水及び人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達しなかった。
実施例１は３００〜３５０℃未満で焼成した試料を、実施例２は５００〜５５０℃未満で焼成した試料を用いた。実施例１，２は、放射性セシウムに対しては吸着率と、雨水及び人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達した。また、実施例１，２は、放射性ストロンチウムに対して吸着率と、雨水における溶出率は実用レベルであったが、人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達しなかった。
比較例３は８００℃以上で焼成した試料を用いた。比較例３は、放射性セシウムに対しては吸着率と、人工海水における溶出率は実用レベルではないものの、雨水における溶出率は実用レベルに達した。また、比較例３は、放射性ストロンチウムに対して吸着率と、雨水及び人工海水における溶出率のいずれも実用レベルに達しなかった。
実験１（図１）から、放射性セシウムに関しては、粘土を２００〜５５０℃で焼成すれば（比較例２、実施例１、実施例２）、迅速かつ確実な吸着と、雨水においても人工海水においても不溶出で安定し、実用可能なレベルであることが判明した。
また、実験１（図１）から、放射性ストロンチウムの吸着に関しては、粘土を３００〜５５０℃で焼成すれば（実施例１、実施例２）、放射性セシウムほどではないものの、高い吸着率となり、雨水においては不溶出で安定し、実用可能なレベルであることが判明した。
図２に示す実験２では、上記実施例１について、４ｇ分の粘土について、平均粒径を変更して各々実施例１の焼成温度（３００〜３５０℃）で焼成した試料を用いて、放射性物質（放射性セシウム、放射性ストロンチウム）の吸着率、溶出率（雨水、人工海水）を調べた。
実験２（図２）の結果、平均粒径が０．５ｍｍ未満の場合は、放射性セシウムについては吸着率、溶出率（雨水及び人工海水）とも実験１に較べて大きな変化は見られなかったが、放射性ストロンチウムについて吸着率、溶出率（雨水及び人工海水）とも実験１に較べて悪化した。
平均粒径が０．５〜８ｍｍ未満、８〜１５ｍｍ未満の場合は、放射性セシウムについては吸着率、溶出率（雨水及び人工海水）とも実験１に較べてほぼ同等の実用レベルであり、特筆すべきは、放射性ストロンチウムについても、吸着率、溶出率（雨水及び人工海水）とも同放射性セシウムとほぼ同等の実用レベルであった。なお、図示しないが、平均粒径が１．５ｍｍ以上に大きくなるとそれぞれ吸着率と溶出率が悪化し、実用レベルに達しなかった。
実験２（図２）から、放射性セシウム、放射性ストロンチウムについては、平均粒径を０．５〜１５ｍｍとした粘土を３００〜５５０℃で焼成すれば、高い吸着率となり、雨水及び人工海水のいずれにおいても不溶出で安定し、実用可能なレベルであることが判明した。
つまり化学的成分の配合（人工物）では本願発明の効果を得ることはできず、自然物である鉱物を外国から輸入に頼ることなく、上述のとおり、我が国のやきものの産地からこうした放射性物質の速効的な吸着性と長期に亘る不溶出性を有した放射性物質の吸着材の材料が豊富に得られる点で、産業上、極めて大きな意味がある。
Claims (2)
- ３００〜５５０℃で焼成した粘土を主成分とする放射性物質吸着材。
- 平均粒径を０．５〜１５ｍｍとする請求項１記載の放射性物質吸着材。
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| JP2021021611A (ja) * | 2019-07-26 | 2021-02-18 | 政浩 高田 | 放射性物質吸着材及びその製造方法 |
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