JP2015206736A - ベントナイト成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ペレットの粒径に応じた乾燥速度条件にて乾燥収縮を進めるベントナイト成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にするようにする。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば放射性廃棄物を処分した廃棄物埋設処分施設の処分坑道を埋め戻すための埋め戻し材、もしくは、水没している空間あるいは管路の漏水が認められる領域に水中充てんして遮水処理するための充てん材などとして用いる略球状のベントナイト成形体の製造方法に関するものである。

（放射性廃棄物の埋設処分の適用分野）
周知のように地下深部に高レベル（あるいは低レベル）の放射性廃棄物を埋設処分することが検討されている。この場合、放射性廃棄物はガラスと混ぜて固化され、このガラス固化体を炭素鋼などからなるオーバーパックで密閉した廃棄体として処分される。また、廃棄体は、図１１および図１２に示すように、地下深部の比較的安定した地山内に、略環状に繋がる主要坑道１と、この主要坑道１と繋がるように形成した処分坑道２とからなる廃棄物埋設処分施設を構築し、この廃棄物埋設処分施設の処分坑道２内に処分される（例えば、特許文献１参照）。

このような施設において廃棄体を処分した処分坑道２をそのままにしておくと、処分坑道２の周辺地山の緩みが拡大したり、地下水の卓越した水みちが形成され、廃棄物埋設処分施設全体としてのバリア性能を低下させるおそれがある。このため、地山と同等以上の低透水性の材料（埋め戻し材）で処分坑道２を埋め戻すことが必要であり、この埋め戻し材として膨潤性や放射性物質の吸着性に優れるベントナイトを用いることが検討されている。

ベントナイトを埋め戻し材として使用した場合には、地山から処分坑道２に浸入した地下水が接触してベントナイトが膨潤し地山を押圧することによってさらなる地下水の浸入を防止することができ、且つ膨潤に伴い埋め戻し材の透水係数が低下することで地下水の浸透を防止することができる。これにより、放射性廃棄物を確実に外部の自然環境から隔離して処分することが可能になる。

そして、処分坑道２内に充填する埋め戻し材としては、例えば、ベントナイト原鉱石を破砕したベントナイト破砕材、ベントナイトを板状に圧密成形したベントナイトプレートを破砕したベントナイト破砕材、ベントナイトを例えば円柱状に圧密成形したベントナイトペレット、ベントナイトを等方圧加圧処理により球形に圧密成形したベントナイトボールなど、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の大きさに形成した各種のベントナイト成形体（ベントナイト粒状体）を用いることが検討されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。

ところで、上記のようなベントナイト成形体を用いて優れたバリア性能を発揮させるためには、すなわち高密度のベントナイト遮水層を形成するためには、所定の空間にどれだけの質量のベントナイトを詰め込めるかが重要であるため、ベントナイト成形体を可及的に高密度で形成し、かつその高密度のベントナイト成形体を可及的に高充填率で充填（施工）する必要がある。

しかし、ベントナイト原鉱石を破砕した単なるベントナイト破砕材を用いる場合には、ベントナイト原鉱石の密度が高くないため、また、ベントナイト原鉱石を破砕する際にさらなる密度低下が生じるおそれがあるため、充填後に締め固めることが必要になってしまう。また、このようなベントナイト原鉱石を破砕したベントナイト破砕材は、粒子形状が不規則であり、所定の空間に自由落下で投入しただけでは充填率が上がらないため、この点からも締め固めることが必要になってしまう。

また、ベントナイトプレートを破砕したベントナイト破砕材においても、やはりベントナイトプレートを破砕することによって密度低下が生じるおそれがある。

一方、ベントナイトを等方圧加圧処理により球形に圧密成形したベントナイトボールにおいては、球形に成形されているため、単一粒径のベントナイトボールを所定の空間に自由落下で投入した場合に、理論的に約７５％の高充填率で充填することが可能である。

しかしながら、数ｍｍ〜数十ｍｍ程度の粒径のベントナイトボールを数百ＭＰａの圧力で等方圧加圧処理して成形することは、非常に大掛かりな装置が必要になるとともに、製造工程が複雑になり、製造に多大なコストを要するという問題があった。

そこで本出願人は上記の問題を解決するため、粉体のベントナイトに水を加えて混ぜ合わせるとともに、押し出し造粒工程でディスクダイ（押し出し造粒機）を用いて湿潤状態の円柱状のベントナイト成形体を成形し、押し出し造粒工程で成形したベントナイト成形体を転動造粒工程で球形に成形し、さらに転動造粒工程で成形した球形のベントナイト成形体を乾燥収縮によって高密度化させるように乾燥工程で乾燥して、球形のベントナイト成形体を製造する方法を既に提案している（特許文献５参照）。

このベントナイト成形体の製造方法によれば、高い圧力を使用したり、複雑な工程を要することなく、乾燥密度が充分に高い高密度の略球形のベントナイト成形体を効率よく容易に製造することが可能である。また、このように製造したベントナイト成形体を所定の空間に自由落下で投入するだけで充分に高密度（理論的に約７５％）の充填率で充填することが可能になる。

しかも、上記の製造方法では、押出孔の孔径が異なるディスクダイを用いることで粒径が異なるベントナイト成形体を容易にかつ大量に製造することが可能であるから、上記の製造方法により粒径が異なる複数種類のベントナイト成形体を製造し、それら複数種類のベントナイト成形体を所定比率で混合して充填することにより充填率をさらに高めることが可能であり、それによりバリア性能に優れたベントナイト遮水層を容易に形成することが可能になる。

図１３および図１４は上記の製造方法により製造したベントナイト成形体を廃棄物埋設処分施設において埋め戻し材として用いる場合の具体例を示す。

図１３は廃棄体（高レベル放射性廃棄物）３を縦形の処分孔４内に処分する場合に、廃棄体３の周囲に上記のベントナイト成形体５を充填装置６によって充填して処分孔４を埋め戻すことにより、廃棄体３の周囲に難透水性粘土層としてのベントナイト遮水層を形成するようにしたものである。

図１４は水平な処分坑７に廃棄体（あるいは緩衝材一体型廃棄体）３を配置した後、その周囲に上記のベントナイト成形体５を充填して処分坑７全体を埋め戻すことにより、同様に廃棄体３の周囲に難透水性粘土層（ベントナイト遮水層）を形成するようにしたものである。

（放射性廃棄物の埋設処分とは別の適用分野）
一方、放射性廃棄物の埋設処分とは別の適用分野として、原子力発電所あるいは有害物質製造施設において、事故発生に伴って汚染水が施設内の水没空間に貯留し、そこから破損した施設躯体部あるいは破損した配管を通じて施設外に漏出している場合の局部的な遮水材としても、吸水膨張性を有するベントナイト・ペレットを水中に投入することで遮水処理することも考えられている。

（ペレットの望ましい密度）
埋め戻し材もしくは充てん材として供するベントナイト・ペレットはできるだけ高密度であることが望ましい。なぜならば、ベントナイト・ペレットは充てんした領域を遮水性材料で満たすことが目的で使用されるものであり、ベントナイト・ペレットが吸水膨張したときの遮水性（難透水性）は充てん密度（単位体積中を満たしているベントナイトの乾燥重量）によって決まるからである。図１７は非特許文献１に記載の透水係数予測式（ｋ＝１０・ｅｘｐ（−１．３２８ρ−１０．４４７）に基づいてグラフ化した図であり、充てんされているベントナイトの充てん密度（乾燥密度に換算した値）と透水係数の関係を示しており、密度が大きいほど透水係数が小さくなることがわかる。同図から例えば、透水係数を１×１０^−１２（ｍ／ｓ）よりも小さくしたい場合には、ベントナイトの充てん密度を１．２Ｍｇ／ｍ^３以上にすることが必要であることがわかる。

一方、図１８はペレットを充てんした空間の充てん密度を測定した例であり（非特許文献２より抜粋）、一粒の密度（乾燥密度換算値）が２．０Ｍｇ／ｍ^３程度のペレットを使った例である。一粒の密度が約２．０Ｍｇ／ｍ^３の粒径４ｍｍ級と粒径１ｍｍ級のペレットを混合充てんした場合にはベントナイトの充てん密度（乾燥密度換算値）を１．３Ｍｇ／ｍ^３以上にできることがわかる。したがって、一粒の密度（乾燥密度換算値）が１．９５Ｍｇ／ｍ^３以上のペレットを供するならば十分な遮水性に充てんできることになる。そこで、一粒の乾燥密度が１．９５Ｍｇ／ｍ^３を製造目標としておくことが望ましい。

以上で説明したように、特許文献５に示される上記の製造方法は、高密度の球状のベントナイト成形体を効率よく容易に製造できる点で充分に有効であるが、その乾燥工程においては以下の点で改善すべき余地を残している。

すなわち、上記製造方法における乾燥工程は、湿潤状態のベントナイト成形体を温風の強制対流により比較的短時間で乾燥させるか、あるいは温風の自然対流により長時間をかけてゆっくりと乾燥させることで行うのであるが、いずれも一長一短がある。

つまり、前者は高速乾燥が可能であるものの乾燥収縮による密度上昇が必ずしも充分ではなく、高密度成形の点では後者に比べて不利である。逆に、後者は充分な高密度成形が可能であるが、乾燥時間が長くかかるので効率の点で不利である。

特に、後者の場合、浅い容器内に湿潤状態のベントナイト成形体を敷き均して温風を送ることなくゆっくりと自然乾燥させることになるので、容器を置くスペースとして広大な温湿度制御室が必要となる。その場合においてスペースの節約を図るために浅い容器を多段積みにすると、各容器での乾燥状態を均等にするために作業員による一定時間ごとの確認作業や攪乱作業が必要となるので、乾燥工程の自動化や省力化の点でも不利である。

しかも、いずれにしても上記製造方法により製造されるベントナイト成形体の表面はざらざらとした粗面状態であって必ずしも充分な平滑とはなっておらず、そのため空間に充填した際にはベントナイト成形体どうしの間で摩擦抵抗が生じて充填密度を高めるうえでは不利であるので、充填密度をさらに高めるためにベントナイト成形体の表面をより平滑にしたいという要請もある。

そこで本出願人は上記の問題を解決するため、特許文献６に記載のベントナイト成形体の製造方法を既に提供している。特許文献６に記載の発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、上述した製造方法を基本としつつその乾燥工程に改良を加えることにより、表面が充分に平滑な略球形のベントナイト成形体を容易にかつ効率的に製造し得る有効適切な製造方法と、その方法において用いる有効適切な乾燥装置、並びにそれにより製造される有効適切なベントナイト成形体を提供することを目的としている。

その結果、図１５（特許文献６に記載の図７に相当）に示されているように、湿潤状態のベントナイト成形体を温風の強制対流により比較的短時間で乾燥させる従来法においては乾燥速度が約４％／Ｈｒ以上の高速乾燥を行うことから最終的な乾燥密度は約１．８Ｍｇ／ｍ^３程度が限界であるが、特許文献６によれば、乾燥速度をが１％／Ｈｒ以下に設定することで最終的な乾燥密度を約１．９Ｍｇ／ｍ^３以上にでき、従来の強制対流法による場合に比べて充分に高密度なベントナイト成形体を製造できるとしている。

ここに言う、乾燥密度とは、含水比（百分率）の変化率（％／Ｈｒ）すなわち図１６に示されるグラフの勾配であり、最初の含水比２５〜２８％から乾燥後の１〜１０％になるまでの変化量をその所要時間で除した値である。なお、含水比を百分率ではなく実数で表すならば、乾燥速度が４％／Ｈｒとは０．０４／Ｈｒに相当し、乾燥速度が１％／Ｈｒとは０．０１／Ｈｒに相当している。

特開２００３−２１５２９７号公報 特許第４０３６９７５号公報 特開平６−４１５１３号公報 特許第３５３９９２８号公報 特開２００９−２７４９１０号公報 特開２０１１−２４２２８９号公報

前田、棚井他、「カルシウム型化及びカルシウム型ベントナイトの基本特性」、ＰＮＣ ＴＮ８４１０ ９８−０２１、１９９８年 戸栗他、「横置き定置方式における緩衝材周辺隙間へのベントナイトペレットの充てん方法に関する研究」、土木学会第６３回年次学術講演会要旨集、ＣＳ０５−１２、ｐｐ．１９１−１９２、２００８年９月

（次なる課題１）
しかるに、特許文献６の方法では、乾燥密度の推奨値として、図１５に示すように、ペレットの粒径が約２０ｍｍの場合についての乾燥データを使って、乾燥速度を１％／Ｈｒ（０．０１／Ｈｒ）以下に設定することを提案しているが、ペレットの粒径が異なる場合には乾燥速度条件は同じではないことが懸念されていた。

例えば、２０ｍｍ級ペレットの乾燥条件として、乾燥速度を１％／Ｈｒ以下の速度で含水比１０％以下まで乾燥させたい場合には、１日８時間労働の作業では１日で乾燥を終了することはできない。小粒径のペレットではより速い乾燥速度で高密度のペレットに乾燥収縮できる可能性が見込まれるため、ペレットの粒径に応じた最適な乾燥速度条件を明らかにすることが求められていた。

（次なる課題２）
また、乾燥させたベントナイト・ペレットを保管中に吸湿してペレットが体積膨張し、密度が低下することが懸念されているが、どのような保管条件が適しているかは明らかとなっていなかった。特に、保管中の湿度環境を相対湿度ゼロにすることは現実的ではないため、許容できる保管環境の湿度条件を明らかにすることが求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ペレットの粒径に応じた乾燥速度条件にて乾燥収縮を進めるベントナイト成形体の製造方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るベントナイト成形体の製造方法は、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にすることを特徴とする。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法は、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、乾燥する際の乾燥速度を含水比０．２３から含水比０．１０に至るまでの平均的な含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）で表した場合に、ペレットの粒径が５ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．６４（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が１０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０８（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が２０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０１（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が３０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．００３（１／Ｈｒ）以下となるような乾燥速度条件にすることを特徴とする。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法は、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を相対湿度４０％以下の環境で保管することを特徴とする。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法は、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を含水比１０〜５％の含水比まで乾燥した時点で保管し、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供することを特徴とする。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法は、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を保管中に吸湿して密度低下した場合には、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供することを特徴とする。

本発明に係るベントナイト成形体の製造方法によれば、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にするので、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、適度な乾燥速度条件で乾燥収縮を進めることができるという効果を奏する。このため、小粒径ペレットの場合にはいたずらに乾燥収縮プロセスに長時間を要することがなくなる。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるため、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、乾燥する際の乾燥速度を含水比０．２３から含水比０．１０に至るまでの平均的な含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）で表した場合に、ペレットの粒径が５ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．６４（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が１０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０８（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が２０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０１（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が３０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．００３（１／Ｈｒ）以下となるような乾燥速度条件にするので、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、小粒径ペレットの場合には、短時間で乾燥収縮プロセスを実施することができるという効果を奏する。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるために、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を相対湿度４０％以下の環境で保管するので、ペレットの含水比は５％を超えないことから、保管環境の条件を比較的マイルドに許容でき、保管費用を節減することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を含水比１０〜５％の含水比まで乾燥した時点で保管し、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するので、ペレット製造段階では含水比１０％まで乾燥しておくことによって、高湿度環境（例えば相対湿度７０％）にて保管しても保管中は含水比が上昇しないので、実際にペレットを使用する直前において含水比５％まで乾燥させてさらに密度を増大することで、より大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができるという効果を奏する。あるいは、ペレット製造段階では含水比５％まで乾燥しておくことによって、例えば相対湿度４０％程度の環境にて保管しても保管中は含水比が上昇しないので、実際にペレットを使用する直前において含水比０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、もっとも大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を保管中に吸湿して密度低下した場合には、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するので、例えば、仮に長期間の保管中にペレットが吸湿して密度低下した場合には、実際にペレットを使用する直前において含水比５％〜０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができるという効果を奏する。

図１は、乾燥途上におけるベントナイト・ペレットの内部の水分分布イメージの図である。 図２は、湿潤ペレットの含水比と粒径比率の関係を示す図である。 図３は、乾燥速度条件ｖ・Ｄと最終乾燥密度の関係を示す図である。 図４は、乾燥速度条件ｖ・Ｄ^２と最終乾燥密度の関係を示す図である。 図５は、乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３と最終乾燥密度の関係を示す図である。 図６は、乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３と最終乾燥密度の関係グラフに乾燥速度条件のしきい値と乾燥密度１．９５Ｍｇ／ｍ^３の線を追加した図である。 図７は、保管環境における平均相対湿度条件Ｒｈとペレットの含水比の収束値（収束含水比）の関係を示す図である。 図８−１は、相対湿度１００％密閉容器内加湿による５ｍｍペレットの含水比の経時変化を示す図である。 図８−２は、相対湿度１００％密閉容器内加湿による９ｍｍペレットの含水比の経時変化を示す図である。 図８−３は、相対湿度１００％密閉容器内加湿による２７ｍｍペレットの含水比の経時変化を示す図である。 図９−１は、乾燥プロセスおよび加湿プロセスにおける含水比と粒径５ｍｍペレットの密度の関係を示す図である。 図９−２は、乾燥プロセスおよび加湿プロセスにおける含水比と粒径９ｍｍペレットの密度の関係を示す図である。 図９−３は、乾燥プロセスおよび加湿プロセスにおける含水比と粒径２７ｍｍペレットの密度の関係を示す図である。 図１０−１は、乾燥後に吸湿した粒径５ｍｍペレットの再乾燥における含水比と密度の関係を示す図である。 図１０−２は、乾燥後に吸湿した粒径９ｍｍペレットの再乾燥における含水比と密度の関係を示す図である。 図１０−３は、乾燥後に吸湿した粒径２７ｍｍペレットの再乾燥における含水比と密度の関係を示す図である。 図１１は、廃棄物埋設処分施設の一例を示す図である。 図１２は、主要坑道および処分坑道の一例を示す図である。 図１３は、処分孔に対する埋め戻し状況の一例であり、（ａ）は埋め戻し前、（ｂ）は埋め戻し後の図である。 図１４は、処分坑に対する埋め戻し状況の一例であり、（ａ）は埋め戻し前、（ｂ）は埋め戻し後の図である。 図１５は、従来の乾燥速度と最終的な乾燥密度との関係を示す図である。 図１６は、従来の乾燥工程による含水比の変化の状況を示す図である。 図１７は、充てんされたベントナイトの密度（乾燥密度換算値）と吸水後の透水係数の関係を示す図である。 図１８は、ベントナイト・ペレットの充てん密度の測定例であり、１ｍｍ級ペレット混合率とかさ密度の関係を示す図である。

以下に、本発明に係るベントナイト成形体の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
本実施の形態１に係るベントナイト成形体の製造方法は、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にするものである。
以下、本実施の形態１の製造方法を発明するに至った経緯を説明する。

上記の従来の特許文献６では、乾燥収縮によってペレット密度を増加させる際の乾燥速度条件として、図１５に示すような乾燥速度のしきい値が認められたが、これは粒径が同じ２０ｍｍ級ペレットに関する乾燥収縮特性から推定したしきい値であった。図１５のみからでは径が異なるペレットの乾燥データからペレット径の影響を考慮せずに乾燥速度の最適値（あるいは上限値）を見極めることはできない。そこで、ペレット径Ｄの影響を考慮したプロットを試みた。

１−１）ペレット内部の水分分布のイメージ
図１はペレットの乾燥プロセス途上におけるペレット内部の水分分布の変化を概念的に推測したイメージ図である。ペレットの外表面から次第に乾燥が進み、それに伴って内部の乾燥も徐々に進展していく。ペレット内部の水分は拡散現象で移動するものと考えられる。ペレットの乾燥収縮を効果的に進めるためには、ペレット内部の水分分布が比較的均質となるように徐々に乾燥することが望ましい。したがって、乾燥速度はペレット粒径に応じて異なる速度条件となり、ペレット粒径が大きくなるにつれて乾燥速度を遅くする必要がある。すなわち、ペレットの直径と乾燥速度の両方を考慮した指標を目安として乾燥することが望ましい。

１−２）ペレットの乾燥収縮現象における含水比とペレット密度の関係（含水比／粒径収縮勾配）
乾燥することによって湿潤ペレットの密度が上昇することを利用したペレット（高密度の球状ベントナイト成形体）の製造方法は、乾燥に伴う収縮現象を利用している。そこで、乾燥工程の進展に伴うペレットの粒径の変化を測定してみた。

ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めるためには、ベントナイトに加水してある程度の湿潤状態にしておく必要がある。土質工学では塑性限界という試験値でその湿潤程度を求めており、ベントナイトの塑性限界は含水比２３％程度であることが知られている。したがって、高含水比の湿潤ペレットを乾燥させる工程が必要であり、この工程でペレットは体積縮小して硬質化し、かつ、密度が上昇する。

粉体のベントナイトに水を加えて含水比２５％〜２３％となるように混ぜ合わせるとともに、押し出し造粒工程でディスクダイ（押し出し造粒機）を用いて湿潤状態の円柱状のベントナイト成形体を成形し、さらに円柱状（ひも状）のベントナイト成形体を転動造粒工程で球形に成形した平均粒径５ｍｍ、９ｍｍ、２７ｍｍの３種類の湿潤ペレットを、室内（温度２０℃〜３０℃、湿度６０％〜７５％）で無風状態において乾燥させて高密度のペレットを試作した。なお、室内無風状態では含水比１０％よりも小さい含水比に乾燥しにくいため、デシケータ（シリカゲルによる乾燥密閉容器）に静置して乾燥させた。また、デシケータ内で含水比５％以下への乾燥はしにくいので、その後は８０℃の無風乾燥および１１０℃の無風乾燥を実施した。

このときに、随時ペレットを取り出して粒径を測定した結果を図２に示す。粒径は１５個〜９４個のペレットを直線上に並べたときの延長から測定し、初期値を１．００としたときの比率で示してある。以下、このグラフの勾配を「含水比／粒径収縮勾配」と称する。

図２から、乾燥プロセスの前半、すなわち、湿潤ペレットの含水比（２５％〜２３％）から乾燥を開始して含水比１５％〜１０％に至る乾燥プロセスでは、含水比／粒径収縮勾配は大きく、それ以降の乾燥プロセスの後半では含水比／粒径収縮勾配は小さいことがわかる。乾燥収縮による密度上昇効果は乾燥プロセスの前半における乾燥速度を適度に保つことが効果的であることが推測された。そこで、以下の指標値としては乾燥プロセスの前半における乾燥速度に着目した。

１−３）ペレットの乾燥速度と粒径を考慮した指標と最終乾燥密度の関係
図１のような乾燥に伴う水分分布の変化を前提とすると、ペレット内部の水分分布を比較的均質となるように徐々に乾燥させることが必要であり、乾燥収縮によるペレット密度上昇を考慮した乾燥速度の最適値（あるいは上限値）を見極める目的では、ペレット径Ｄの１次式、２次式、３次式を使った正規化について検討する必要がある。そこで、３種類の湿潤ペレットを使って、乾燥プロセスの前半（湿潤ペレットの含水比２５％〜２３％から乾燥を開始して含水比１５％〜１０％に至る乾燥プロセス）における乾燥速度条件を数ケース変えて乾燥収縮実験を実施した。その結果を示したものが表１である。表１に示した乾燥速度ｖ（１／Ｈｒ）は初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値である。上記の特許文献６では乾燥速度として含水比を百分率で表示した場合の指標であったが、本発明では含水比を％の単位ではなく実数値で表示して計算した。

表１では乾燥速度ｖとペレット径Ｄを使って指標となる値を試行錯誤的に計算して示した。この指標値と最終乾燥密度との関係をプロットしたグラフが図３〜図５である。

その結果、図５の乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３と最終乾燥密度の関係プロットにもっとも相関関係が認められる。同図を図６に示すようにしきい値を示して整理すると、ペレットの乾燥収縮に伴う最終密度を１．９５Ｍｇ／ｍ^３以上にするためには、速度ｖ（１／Ｈｒ）をペレット径Ｄ（ｍｍ）に応じて、次の数式（１）を満足するような条件にする必要があることがわかった。

ここで、乾燥速度ｖは初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで計算される値である。また、含水比ｗ_０、ｗ_１は％ではなく実数値である。

本実施の形態によれば、上記の数式（１）を使って、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、適度な乾燥速度条件で乾燥収縮を進めることができるため、小粒径ペレットの場合にはいたずらに乾燥収縮プロセスに長時間を要することがなくなる。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるため、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施の形態２に係るベントナイト成形体の製造方法は、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、乾燥する際の乾燥速度を含水比０．２３から含水比０．１０に至るまでの平均的な含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）で表した場合に、ペレットの粒径が５ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．６４（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が１０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０８（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が２０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０１（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が３０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．００３（１／Ｈｒ）以下となるような乾燥速度条件にするものである。

上記の実施の形態１の数式（１）から算出すると、粒径に応じて例えば、表２のような乾燥速度条件が望ましい。

なお、表２には、乾燥速度条件に加えて、含水比２３％の湿潤ペレットを含水比１０％まで乾燥する場合の所要乾燥時間を示した。ペレット粒径が小さい場合には乾燥速度を大きく（所要乾燥時間を短く）しても乾燥収縮を効果的にすることが可能であり、逆に粒径が３０ｍｍのペレットではより小さい乾燥速度（所要乾燥時間を長くする）で乾燥収縮することが望ましいことがわかった。

本実施の形態によれば、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、小粒径ペレットの場合には、短時間で乾燥収縮プロセスを実施することができる。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるために、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施の形態３に係るベントナイト成形体の製造方法は、上記の実施の形態１または２のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を相対湿度４０％以下の環境で保管するものである。

（（効果的に乾燥収縮させたペレットの含水比と乾燥密度））
十分小さい乾燥速度で効果的な乾燥収縮をさせたペレットの密度を乾燥途中で測定した結果を表３に示した。表３に示すように、乾燥収縮させたベントナイト・ペレットは含水比０％まで乾燥しておくことで、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上の高密度なペレットになる。一方、含水比５％のペレットでは乾燥密度換算値で１．９８Ｍｇ／ｍ^３以上のペレットとなっている。ベントナイト・ペレットを使った構築行為では、必ずしもペレット密度を２．０Ｍｇ／ｍ^３にする必要はなく、１．９５Ｍｇ／ｍ^３以上にできればよいので、ペレットの含水比を０％にしなくてもよい場合もある。

（（効果的に乾燥させたペレットの吸湿による含水比変化））
ペレットの含水比を５％まで許容するならば、乾燥収縮させたペレットを長期保管する際の保管環境を湿度ゼロにしなくてもよいと考えられる。そこで、数ケースの相対湿度条件の保管環境に１ヶ月程度定置したペレットの含水比変化を測定して、含水比の収束値を求めた。保管環境の相対湿度とペレットの収束含水比の関係を図７に示す。含水比が５％を超えない保管環境は相対湿度４０％以下であることがわかった。

本実施の形態によれば、相対湿度４０％以下となる環境でペレットを保管するならば、ペレットの含水比は５％を超えないことから、保管環境の条件を比較的マイルドに許容できるので、保管費用を節減できる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について説明する。
本実施の形態４に係るベントナイト成形体の製造方法は、上記の実施の形態１または２のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を含水比１０〜５％の含水比まで乾燥した時点で保管し、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するものである。

十分に小さい乾燥密度で含水比０％となるまで乾燥収縮させたペレットを、相対湿度１００％の加湿箱に定置して、その後の含水比の変化を測定した結果を図８−１〜図８−３に示す。図８−１は平均粒径５ｍｍのペレット、図８−２は平均粒径９ｍｍのペレット、図８−３は平均粒径２７ｍｍのペレットの含水比の経時変化グラフである。

これらの図に示すように、含水比は１５％〜１６％程度まで上昇して、その後は含水比上昇が終息している。このときのペレットの含水比と平均直径の関係を図９−１〜図９−３に示す。図９−１は平均粒径５ｍｍのペレット、図９−２は平均粒径９ｍｍのペレット、図９−３は平均粒径２７ｍｍのペレットの含水比と平均直径のグラフである。これらの図に示すように、湿潤ペレットを乾燥するプロセスにおける平均粒径の縮小傾向に比して、加湿に伴う平均粒径の拡大傾向は大きいことがわかる。この原因は、相対湿度１００％の環境に定置したペレットでは、ペレットの外表面付近の吸湿膨張が内部の吸湿よりも卓越するため、外殻領域が膨張するためであると考えられる。このような急激な吸湿の場合には乾燥収縮したペレットの密度は減じてしまう。すなわち、乾燥した後で吸湿することのないようにすることが望ましい。

本実施の形態によれば、例えば、ペレット製造段階では含水比１０％まで乾燥しておくとともに、保管中は含水比が上昇しないようにしておき、実際にペレットを使用する直前において含水比５％まで乾燥させてさらに密度を増大することで、より大きな密度のペレットを提供できる。

あるいは、ペレット製造段階では含水比５％まで乾燥しておくとともに、保管中は含水比が上昇しないようにしておき、実際にペレットを使用する直前において含水比０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、もっとも大きな密度のペレットを提供できる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について説明する。
本実施の形態５に係るベントナイト成形体の製造方法は、上記の実施の形態１または２のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を保管中に吸湿して密度低下した場合には、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するものである。

保管中に、ペレットが吸湿して含水比が上昇してしまった場合を想定して、吸湿後に再度乾燥させた場合の含水比と平均直径の関係を図１０−１〜図１０−３に示す。図１０−１は平均粒径５ｍｍのペレット、図１０−２は平均粒径９ｍｍのペレット、図１０−３は平均粒径２７ｍｍのペレットの含水比と平均直径のグラフである。□のプロットが再乾燥プロセスのデータを示している。

これらの図に示すように、湿潤ペレットを最初に乾燥させた場合の最終乾燥密度（最終平均粒径）に復旧していることがわかる。すなわち、吸湿して密度低下した場合には、ペレットを再乾燥して含水比５〜０％まで乾燥収縮させることで密度を復旧させることができる。

本実施の形態によれば、例えば、仮に長期間の保管中にペレットが吸湿して密度低下した場合には、実際にペレットを使用する直前において含水比５％〜０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、大きな密度のペレットを提供できる。

以上説明したように、本発明に係るベントナイト成形体の製造方法によれば、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にするので、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、適度な乾燥速度条件で乾燥収縮を進めることができる。このため、小粒径ペレットの場合にはいたずらに乾燥収縮プロセスに長時間を要することがなくなる。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるため、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができる。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、乾燥する際の乾燥速度を含水比０．２３から含水比０．１０に至るまでの平均的な含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）で表した場合に、ペレットの粒径が５ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．６４（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が１０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０８（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が２０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０１（１／Ｈｒ）以下、ペレットの粒径が３０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．００３（１／Ｈｒ）以下となるような乾燥速度条件にするので、ペレットの粒径の大小に応じて、乾燥速度を変えることによって、小粒径ペレットの場合には、短時間で乾燥収縮プロセスを実施することができる。また、大粒径ペレットの場合には、乾燥速度を過度に大きくすることがなくなるために、乾燥収縮による密度上昇不足となる事態やペレットの割れ破損を防止することができる。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を相対湿度４０％以下の環境で保管するので、ペレットの含水比は５％を超えないことから、保管環境の条件を比較的マイルドに許容でき、保管費用を節減することができる。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を含水比１０〜５％の含水比まで乾燥した時点で保管し、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するので、ペレット製造段階では含水比１０％まで乾燥しておくことによって、高湿度環境（例えば相対湿度７０％）にて保管しても保管中は含水比が上昇しないので、実際にペレットを使用する直前において含水比５％まで乾燥させてさらに密度を増大することで、より大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができるという効果を奏する。あるいは、ペレット製造段階では含水比５％まで乾燥しておくことによって、例えば相対湿度４０％程度の環境にて保管しても保管中は含水比が上昇しないので、実際にペレットを使用する直前において含水比０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、もっとも大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができる。

また、本発明に係る他のベントナイト成形体の製造方法によれば、上述したベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を保管中に吸湿して密度低下した場合には、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供するので、例えば、仮に長期間の保管中にペレットが吸湿して密度低下した場合には、実際にペレットを使用する直前において含水比５％〜０％まで乾燥させてさらに密度を増大させることで、大きな密度のベントナイト成形体のペレットを提供することができる。

以上のように、本発明に係るベントナイト成形体の製造方法は、例えば放射性廃棄物を処分した廃棄物埋設処分施設の処分坑道を埋め戻すための埋め戻し材、もしくは、水没している空間あるいは管路の漏水が認められる領域に水中充てんして遮水処理するための充てん材などとして用いる略球状のベントナイト成形体の製造方法に有用であり、特に、ペレットの粒径に応じた乾燥速度条件にて乾燥収縮を進めるのに適している。

１ 主要坑道
２ 処分坑道
３ 廃棄体
４ 処分孔
５ ベントナイト成形体
６ 充填装置
７ 処分坑

Claims (5)

1. ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、
   ペレットの平均直径をＤ（ｍｍ）で、含水比を実数値で表して、
   乾燥する際の乾燥条件を、初期含水比ｗ_０と乾燥途中の含水比ｗ_１に至る乾燥時間ｔ（Ｈｒ）の値からｖ＝（ｗ_０−ｗ_１）／ｔで算出した値を含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）とした場合に、
   ペレットの乾燥速度条件ｖ・Ｄ^３が８０以下となるような乾燥速度条件にすることを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。
2. ベントナイト粉体に水を添加して混練し、これを略球状に丸めた湿潤ペレットを乾燥収縮させて高密度の略球状のベントナイト成形体を製造する方法であって、
   乾燥する際の乾燥速度を含水比０．２３から含水比０．１０に至るまでの平均的な含水比低下速度ｖ（１／Ｈｒ）で表した場合に、
   ペレットの粒径が５ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．６４（１／Ｈｒ）以下、
   ペレットの粒径が１０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０８（１／Ｈｒ）以下、
   ペレットの粒径が２０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．０１（１／Ｈｒ）以下、
   ペレットの粒径が３０ｍｍ級の場合には含水比低下速度ｖを０．００３（１／Ｈｒ）以下
   となるような乾燥速度条件にすることを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。
3. 請求項１または２に記載のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を相対湿度４０％以下の環境で保管することを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。
4. 請求項１または２に記載のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を含水比１０〜５％の含水比まで乾燥した時点で保管し、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供することを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。
5. 請求項１または２に記載のベントナイト成形体の製造方法で製造したベントナイト成形体を保管中に吸湿して密度低下した場合には、その後、このベントナイト成形体を含水比５〜０％まで再乾燥してから実使用に供することを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。

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