JP2018004340A - 廃液の処理装置及び化学除染の二次廃棄物溶離回収装置並びに化学除染システム - Google Patents
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Abstract
陽イオン交換樹脂塔に吸着された金属イオン及び/又は放射性核種を高電流利用率にて電析回収可能とすると共に、電析により発生する廃棄物量を低減し得る溶離回収装置及び化学除染システムを提供する。
【解決手段】
溶離回収装置3は、ヒドラジンと、少なくともギ酸、グリコール酸及びマロン酸のうち何れか一つとの混合液を溶離液として収容する溶離液タンク32と、陽イオン交換樹脂塔21に通水され、捕捉された金属イオン及び/又は放射性核種を含む溶離液を、陽イオン交換膜301により隔離された陰極室304へ導入すると共に、陽極室305へ電解液を導入し通電することで、金属イオン及び/又は放射性核種を陰極302の表面に析出させ回収する電析回収装置30を備える。陰極302は、平板状の金属箔固定部材501と、平板状の金属箔固定部材501のうち少なくとも陽極303と対向する面に金属箔502を有する。
【選択図】 図6
Description
また、特許文献2には、陽イオン交換樹脂に吸着させた金属イオンや放射性核種を硫酸溶液と混合し、更に混合物を挟むように電極を設置して通電することで陰極に金属イオンを析出させ回収する方式が開示されている。
また、特許文献2では、陽イオン交換樹脂に吸着させた金属イオンや放射性核種を硫酸溶液と混合し、更に混合物を挟むように電極を設置して通電することで陰極に金属イオンを析出させ回収する。しかしながら、目的対象外の水素イオンの移動に多くの電気が費やされ、本来、陰極へと移動させるべき、FeあるいはCo等の金属イオンの移動が損なわれ、電流利用率が低減する。換言すれば、金属イオン及び/又は放射性核種の電析効率の低下を招く恐れがある。
また、本発明の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置は、ヒドラジンと、少なくともギ酸、グリコール酸及びマロン酸のうち何れか一つとの混合液を溶離液として収容する溶離液タンクと、前記溶離液を、金属イオン及び/又は放射性核種が捕捉された陽イオン交換樹脂塔に通水し、前記金属イオン及び/又は放射性核種を含む溶離液を、陽イオン交換膜により隔離された陰極室へ導入すると共に、陽極室へ電解液を導入し、陽極及び陰極に通電することで、前記金属イオン及び/又は放射性核種を前記陰極の表面に析出させ回収する電析回収装置と、を備え、前記陰極のみに、平板状の金属箔固定部材と、前記平板状の金属箔固定部材のうち少なくとも前記陽極と対向する面に金属箔を有することを特徴とする。
例えば、金属イオン及び/又は放射性核種は、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材に被覆された金属箔上に析出されるため、当該金属箔のみを廃棄できることから電析による廃棄物量を低減できると共に、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材を再利用することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
弁16を挟み、冷却器28の下流とサージタンク24の上流を配管42で接続し、配管42に弁14、混合樹脂塔22、弁12が設置されている。混合樹脂塔22には、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を、1:1又は1:2の割合で混合したイオン交換樹脂が充填されている。更に、冷却器28の下流とサージタンク24の上流を配管43で接続し、配管43に弁15、陽イオン交換樹脂塔21、弁13が設置されている。陽イオン交換樹脂塔21には、陽イオン交換樹脂が充填されている。すなわち、化学除染対象20、配管40、弁17、加熱器27、冷却器28、弁16、サージタンク24、ポンプ5及び弁11にて、形成される1つの閉ループに対し、冷却器28及びサージタンク24との間に、陽イオン交換樹脂塔21及び混合樹脂塔22が弁12〜15を介して並列に接続可能な構成としている。
この時の結果を表1に示す。表1では、ギ酸濃度M(mol/L)毎の、Feイオン吸着量(g)、Feイオン溶離量(g)及びFeイオン溶離率(%)を示している。
次に、図3の右図に示すように、水と3.5重量%HClを1:1の容量比で混合したHCl水溶液(塩酸)をV2mL用意し、配管46を介し陽イオン交換樹脂塔21へ通水する。これにより、先に溶離液により溶離されず陽イオン交換樹脂塔21に残存するFeイオンを溶離し、HCl水溶液と共に、配管45を介して溶離液回収タンク31に回収する。溶離液回収タンク31内に回収されたHCl水溶液中のFeイオン濃度C2を測定し、HCl水溶液の液量V2よりFeイオンの残存量をC2・V2にて求める。
Feイオン溶離率=(C1・V1)/(C1・V1+C2・V2)×100・・・(1)
図2は、横軸にギ酸ヒドラジン混合液中のギ酸濃度(M:mol/L)、縦軸にFeイオン溶離率(%)をとり、表1に示す結果をプロットしたものである。図2より、ギ酸濃度を1mol/L以上にするとFeイオンを90%以上溶離できることが分かった。更に、ギ酸濃度を1mol/L以上にしてもFeイオンの溶離率は同程度であることが分かった。
HCOOH = H+ + HCOO−・・・(2)
一方、ヒドラジン(N2H4)の解離は次式(3)で生じ、次式(3)の平衡定数が1.07×10−6であるため、ヒドラジン1mol/Lに対して陽イオンであるヒドラジンイオン(N2H5 +)の濃度は0.001mol/Lである。陽イオン濃度を高くするためには、ギ酸、あるいはヒドラジン濃度を高くする必要があるが、濃度を高くすると、無害化のために使用済みの溶離液を過酸化水素と反応させて、窒素、二酸化炭素、水に分解する溶離液分解工程の処理時間がかかる。あるいは、設備規模が大きくなるため好ましくない。
少ないギ酸、ヒドラジン濃度で陽イオン濃度を高めるためには、ギ酸とヒドラジンを混合して化学反応(次式(3))により陽イオンであるヒドラジンイオンの濃度を高くすれば良い。
HCOOH + N2H4 = N2H5 + + HCOO−・・・(3)
図4に、1mol/Lのギ酸にヒドラジンを添加した場合の、ヒドラジン濃度と、陽イオン濃度及びpHとの関係図を示す。ギ酸濃度1mol/L一定として、ヒドラジン濃度を0.0から1.5mol/Lまで増加させた場合の陽イオン濃度の計算結果を示す。なお、ここでの陽イオン濃度は、水素イオン(H+)濃度とヒドラジンイオン(N2H5 +)濃度の総和である。図4において、実線は、ヒドラジン濃度と陽イオン濃度との関係を示し、矢印は参照すべき縦軸が陽イオン濃度(mol/L)であることを示す。また、点線は、ヒドラジン濃度とpHとの関係を示し、矢印は参照すべき縦軸がpHであることを示す。
例えば、ギ酸が1mol/L、ヒドラジン濃度が0.95mol/L(pHが4.8)となるようにギ酸とヒドラジンを混合すると水素イオンとヒドラジンイオンの総和で0.95mol/Lの陽イオンを生成することができる。すなわち、ギ酸やヒドラジンを各々単独で1mol/Lとする場合よりも50倍以上の陽イオン濃度とすることができる。従って、鉄イオンの溶離に使用されるヒドラジンイオン(N2H5 +)濃度を高くするためには、pHを高くする必要がある。よって、pHは4以上とすることが望ましい。本試験ではpH4.7に調整したが、pHは4〜5の範囲に調整することが好適である。水素イオン濃度を低減する観点からpHを中性付近にすることが好ましいがpHを6より大きくすると溶離したFeイオンが陽イオン交換樹脂中で鉄酸化物として析出するため、溶離が困難となる。また図4に示されるように、pHが5を超えると少ないヒドラジン濃度でpHが大きく変化する(急激に上昇する)ためギ酸ヒドラジン混合溶液のpHを調整することが困難である。従って、pHは5以下とすることが望ましい。
試験条件として、ギ酸の濃度2mol/L一定とし、ヒドラジンに添加したギ酸ヒドラジン混合液240mLを溶離液として使用した。この溶離液を、陽イオン交換樹脂20mLに40mL/hで通水した。陽イオン交換樹脂の交換容量(吸着容量)は、0.46meq/mL−Resinである。ここで、meq/mL−Resinとは、陽イオン交換樹脂1mLで何ミリ当量のイオンを交換できるかを示す単位である。温度は室温(25℃±5℃)である。また、pHを3.7〜7.8まで変化させた。
この時の結果を表2に示す。表2では、pH毎の、Feイオン吸着量(mg)、Feイオン溶離量(mg)及びFeイオン溶離率(%)を示している。
図5に示すように、pHを3.7〜7.8間で変化させた場合、pHが4〜5の範囲でFeイオン溶離率が95%以上となり溶離に好適であることが実験からも確認された。
陰極302が設置された陰極室304には配管48が接続され、配管48には溶離液回収タンク31、ポンプ9が接続されている。溶離液回収タンク31内に、陽イオン交換樹脂塔21を通水後に回収された溶離液は、ポンプ9により電解槽300の下部から陰極室304に通水され、陰極室304の上部から抜き出され、配管49を介して再び溶離液回収タンク31へと還流する。一方、陽極303が設置された陽極室305には配管311が接続され、配管311には電解液タンク306、ポンプ307が接続されている。電解液タンク306内の電解液は、ポンプ307により電解槽300の下部から陽極室305に通水され、陽極室305の上部から抜き出され、再び電解液タンク306へと還流する。更に、陰極室304の下部には、陰極室304の下部から溶離液を電析回収装置30外へと排出する排水管314が接続され、排出管314には、弁38、フィルタ312及び弁313が設置されている。フィルタ312として、例えば、固液分離可能な多孔質フィルタ、あるいは平膜等の膜フィルタ等が用いられる。溶離液回収タンク31及び電解液タンク306には各々ガス放出口(図示せず)がタンク上部に設置されている。
(回収した鉄量:mol)={(初期値:7.3g/L)−(終了値:0.57g/L)}×(溶離液量:1L)÷55.847g/mol = 0.12mol・・・(4)
(電気量が全て鉄回収に利用された場合の鉄量:mol)=(電流値:9C/s)×(通電時間:6h)×(単位換算:3600s/h)÷(鉄の価数:2)÷(ファラデー定数:96500C/mol)=1.0mol・・・(5)
ここで、式(4)における55.847g/molは、Feの原子量であり、式(5)においては、通電時間5.9hを6hとして計算した。
Fe2+ = Fe3+ + e−・・・(6)
Fe2+ + 2Fe3+ + 4H2O = Fe3O4 + 8H+・・・(7)
従って、鉄イオンを溶離した溶離液が、陽極303と接触せぬよう陽イオン交換膜301を設置することが重要となる。
(平均の鉄付着量(g/cm2))={(初期値:7.3g/L)−(2.7hでの値:3.2g/L)}×(溶離液量:1L)÷(陰極表面積:100cm2)=0.04g/cm2・・・(8)
(平均の鉄付着厚さ(cm))=(平均の鉄付着量:0.04g/cm2)÷(鉄の密度7.8g/cm3)=0.005cm・・・(9)
1L(1000cm3)で1.8eqの陽イオンを吸着できる陽イオン交換樹脂を使用した場合、以下の式(10)に示すように、1000cm3でFe2+イオンを約50g吸着できる。
(陽イオン交換樹脂塔21のFe2+吸着量(g/1000cm3))=(陽イオン吸着容量(1.8eq))÷(Fe2+イオンの価数:2)×(Feの質量数:55.847g/mol)=50g/1000cm3・・・(10)
これに対して、今回使用した陰極302(10cm×10cm×0.1cm、体積10cm3)は平均の鉄付着量が0.04g/cm2であったので、以下の式(11)に示すように、1000cm3あたり約400gのFe2+イオンを電着できると計算できる。
(Fe2+イオン電着量(g/1000cm3))=(単位体積:1000cm3)÷(陰極1枚の体積:10cm3)×(平均の鉄付着量:0.04g/cm2)×陰極1枚の面積:100cm2)=400g/1000cm3・・・(11)
なお、電着した鉄又は鉄酸化物の平均厚さは0.005cmで、陰極の0.1cmと比較して十分小さいので鉄又は鉄酸化物の平均厚さを無視して計算した。この計算より陽イオン交換樹脂塔21を使用する場合より、電着した方が化学除染の二次廃棄物量を1/8程度に少なくできることが分かる。
これに対して、陰極302として金属箔(厚さ0.02cm以下)を使用すると1000cm3あたりの鉄量を向上させることができる。具体的には、陰極302を金属箔にすることを考えたが、そのままでは固定することが困難であることから、金属箔を固定し、外部からの電流を金属箔に伝えることができる平板状の金属箔固定部材501と、その平板状の金属箔固定部材501を被覆する金属箔502から構成される陰極302を検討した。
一方、図9右上図に示すように、平板状の金属箔固定部材501から取り外した金属箔(アルミ箔)502を展開したところ、金属箔(アルミ箔)502のうち、陽極303に対向するよう陰極室304内に配されていた領域(陽極と向かい合う面)及び、平板状の金属箔固定部材501の両側部にて折り返されていた側の端部0.5cm程度の領域(陽極と反対側の面の端部)に、鉄又は鉄酸化物が付着することが分かった。更に、陰極室304の下部に鉄の薄膜が存在していた。これは、金属箔(アルミ箔)502を平板状の金属箔固定部材501に設置したときに凹凸が生じたため剥離しやすい部分が生じ、通電停止後に剥離して陰極室304の下部に沈積したものと考えられる。
(Fe2+イオン電着量(g/1000cm3))=(単位体積:1000cm3)÷(陰極1枚の体積:10cm×10cm×(0.002cm+0.005cm)=0.7cm3)×(平均の鉄付着量:0.04g/cm2)×陰極1枚の面積:100cm2)=5700g/1000cm3
上述の図8に示した陰極302の構成とすることで、金属イオン及び/又は放射性核種は、陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501に被覆された金属箔(アルミ箔)502上に析出されるため、この金属箔(アルミ箔)502のみを廃棄できることから電析による廃棄物量を低減できると共に、陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501を再利用することが可能となる
図10は、金属箔固定部材501に金属箔(アルミ箔)502を設置する方法の変形例を表す図である。上述の図9に示した結果では、金属箔(アルミ箔)502のうち、平板状の金属箔固定部材501の両側部にて折り返され、陽極303に対向する側の面とは反対側の面の端部(陽極と反対側の面の端部)0.5cm程度のみに鉄又は鉄酸化物が付着していた。そこで、図10に示すように、金属箔(アルミ箔)502の上辺、下辺、右辺、及び左辺の折り返し部の幅を約0.5cm程度とし、金属箔(アルミ箔)502の折り返し部の四隅を、貼り合わせ面が接着性を有するアルミテープ506a,506b,506c,506dにて、平板状の金属箔固定部材501の裏面(陽極303に対向する面と反反対側の面)に固定し陰極302を構成した。換言すれば、平板状の金属箔固定部材501のうち、陽極302に対向する面及び反対側の面の端部0.5cm程度を金属箔(アルミ箔)502で被覆する構成とした。陰極302を図10に示す構成とすることで、上述の図8に示した陰極302の構成に比べ、更に、二次廃棄物の量を低減することが可能となる。具体的には、金属イオン及び/又は放射性核種は、陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501に被覆された金属箔(アルミ箔)502上に電着により析出されるため、この金属箔(アルミ箔)502のみを廃棄できることから電析による廃棄物量を、図8に示した陰極302の構成に比べ更に低減できると共に、陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501については再利用することが可能となる。
なお、図8及び図10に示した陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501をステンレス製としたが、これに限られず、例えば、磁性体の金属であるマルテンサイトステンレス鋼製としても良い。この場合、金属箔502として用いたアルミ箔を平板状の金属箔固定部材501へ、貼り合わせ面が接着性を有するアルミテープ506、506a〜506dにて固定する構成に替えて、磁石を用いても良い。磁石とマルテンサイトステンレス鋼製の平板状の金属箔固定部材501との間に、非磁性のアルミ箔が介在するものの、アルミ箔の厚さは0.02cm以下であり、望ましくは0.002cm程度の厚さであることから、磁力による固定に特に問題とはならない。
また、図11の上図中央に示すように、平板状の金属箔固定部材501のうち、上記陽極303及び陽イオン交換樹脂302に対向する面と反対側の面(陽極と反対側の面)には、四隅に金属棒固定部材504a,504b,504c,504dが配されている。
また、図11の右上図に示すように、金属箔(アルミ箔)502の両側部、すなわち左右の両端部に、円柱状の金属製の棒状部材503a,503bを、金属箔(アルミ箔)502の両側部の上端部から下端部に亘り延伸するよう配される金属箔(アルミ箔)502を用意する。
また、陽イオン交換樹脂塔21より溶離する金属イオンとしてFeイオンを例に説明したが、これに限られない。例えば、陽イオンとして、Co,Ni等としても良い。
また、金属箔502としてアルミ箔を用いる例を示したがこれに限られず、例えば、ニッケル箔、チタン箔、又はステンレス箔を金属箔502として用いても良い。
本実施形態によれば、上述のとおり、陽イオン交換樹脂塔に吸着された金属イオン及び/又は放射性核種を高電流利用率にて電析回収することが可能となると共に、金属イオン及び/又は放射性核種の電析により発生する廃棄物量を低減できる。
例えば、金属イオン及び/又は放射性核種は、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材に被覆された金属箔上に析出されるため、当該金属箔のみを廃棄できることから電析による廃棄物量を低減できると共に、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材を再利用することが可能となる。
図14及び図15において、白抜きで表される弁は開状態を、また、黒く塗りつぶされた弁は閉状態を示している。先ず化学除染システム1を動作可能な状態とする準備工程について説明する。
まず、図14の上図に示すように、弁10、19、36及び37を閉状態とする。その他の弁は全て開状態とする。この状態でサージタンク24に接続される給排水管50より、イオン交換水を導入する。必要量のイオン交換水導入後、図14の下図に示すように、給排水管50に設置された弁34を閉状態にすると共に、更に弁12、13、14、15、18及び33を閉状態にする。これにより、化学除染対象20、弁17、ポンプ4、加熱器27、冷却器28、弁16、サージタンク24、ポンプ5及び弁11は、これらを接続する配管40により1つの閉ループが形成される。
上記閉ループが形成された状態で、ポンプ4及びポンプ5を起動し、化学除染装置2及び化学除染対象20である配管あるいは機器に充填された水(以下、系統水と呼ぶ)を閉ループ内で循環させる。なお、ここで系統水とは、例えば、化学除染剤タンク23より供給される薬剤が添加された後の水も含め、化学除染装置2内に存在する水をいう。
上記閉ループ内を循環する系統水は、加熱器27により所定の温度まで昇温され、その後所定温度を維持するよう制御される。ここで、所定温度は、90±5℃とすることが望ましい。準備工程終了後、酸化除染工程に移行する。
酸化除染工程では、図14の下図に示す各弁の開閉状態にて、化学除染剤(酸化除染剤)を化学除染剤タンク23に充填する。酸化除染剤の充填終了後、弁10を開状態とし、ポンプ6を起動する。この時の各弁の開閉状態は、図15に示す状態となる。ポンプ6の起動により、化学除染剤タンク23内に充填された酸化除染剤は、配管41を介して上記閉ループを形成する配管40へ注入される。ここで、酸化除染剤として、過マンガン酸カリウムあるいは過マンガン酸が好適である。閉ループ内を循環する系統水中の過マンガン酸イオン濃度が200〜500mg/Lとなるよう、ポンプ6を介して化学除染剤タンク23より過マンガン酸カリウムや過マンガン酸を配管40へ注入する。
酸化除染剤の注入が完了した後、ポンプ6を停止して弁10を閉状態とする。この時、各弁の開閉状態は図14の下図に示す状態に戻り、そして、ポンプ4及びポンプ5により、2〜6h(時間)酸化除染剤を化学除染対象20である配管あるいは機器(例えば、弁あるいはポンプ)に循環させる。次に、酸化除染剤分解工程に移行する。
酸化除染剤分解工程では、図14の下図に示す各弁の開閉状態にて、過マンガン酸イオンをマンガンイオンに還元する化学薬品を化学除染剤タンク23に充填する。過マンガン酸イオンをマンガンイオンに還元する化学薬品として、例えば、シュウ酸が好適である。シュウ酸と過マンガン酸イオンは、次式(12)に示す反応を生じる。
2MnO4 − + 5(COOH)2
= 2Mn2+ + 6OH− + 10CO2 + 2H2O・・・(12)
従って、過マンガン酸イオンの2.5倍モル以上のシュウ酸を準備する。
過マンガン酸イオンをマンガンイオンに還元する化学薬品の配管40への注入が完了した後、ポンプ6を停止すると共に弁10を閉状態とする。これにより、各弁の開閉状態は、図10の下図に示す状態となる。その後、サージタンク24内の系統水を作業員による目視にて、過マンガン酸イオンの紫色が透明になったことを確認した後、酸化除染剤分解工程は完了する。酸化除染剤分解工程完了後、次に、還元除染工程へ移行する。
還元除染工程では、図14の下図に示す各弁の開閉状態から、弁13及び弁15を開状態とし、陽イオン交換樹脂塔21に系統水を循環させる。また、還元除染剤を化学除染剤タンク23に充填する。還元除染剤の充填完了後、弁10を開状態とすると共にポンプ6を起動する。ポンプ6の起動により、化学除染剤タンク23内に充填された還元除染剤は、配管41を介して配管40へ注入される。ここで、還元除染剤として、例えば、シュウ酸又はシュウ酸とヒドラジンの混合液が好適である。配管40及び配管43により化学除染対象20及び陽イオン交換樹脂塔21を循環する系統水中のシュウ酸濃度が、2000〜3000mg/Lとなるよう、ポンプ6により化学除染剤タンク23からシュウ酸を配管40へ注入する。また、同様に、系統水中のヒドラジン濃度が400〜600mg/Lとなるよう、ヒドラジンを配管40へ注入する。
還元除染剤の配管40への注入が完了した後、ポンプ6を停止すると共に弁10を閉状態とする。そして、ポンプ4及びポンプ5により、6〜12h化学除染対象20である配管あるいは機器に還元除染剤を循環させる。その後、還元除染剤分解工程へ移行する。
(5)還元除染剤分解工程
還元除染剤分解工程では、過酸化水素タンク25に過酸化水素を充填する。この時、弁19は閉状態にある。また、弁18及び弁33を開状態とし、触媒塔26に系統水を循環させる。
続いて、弁19を開状態とすると共にポンプ7を起動する。ポンプ7の起動により、過酸化水素タンク25内に充填された過酸化水素は、配管44を介し、開状態にある弁33を通流し配管40へ注入される。過酸化水素の注入濃度は、還元除染剤との反応当量の1〜2倍が好適である。還元除染剤がシュウ酸、ヒドラジンの場合は、それぞれ次式(13)、(14)に示すように過酸化水素と反応する。
(COOH)2 + H2O2 = 2CO2 + 2H2O・・・(13)
N2H4 + 2H2O2 = N2 + 4H2O・・・(14)
シュウ酸濃度が3000ppmの場合は、過酸化水素の反応当量は1133ppmであり、ヒドラジン濃度が600ppmの場合は、過酸化水素の反応当量は1275ppmである。なお、還元除染剤の分解に伴い過酸化水素注入濃度を変えても良いし、還元除染剤の初期濃度で計算した過酸化水素濃度で一定のままとしても良い。
式(13)及び式(14)の反応により、シュウ酸濃度及びヒドラジン濃度が、検出限界(10mg/L)に到達した時点で、ポンプ7を停止して、弁10、18及び33を閉状態とする。これにより、過酸化水素タンク25内に充填された過酸化水素の配管40への注入は終了する。還元除染剤分解工程終了後、次に、追加除染の要否判定工程へ移行する。
追加除染の要否判定工程では、化学除染対象20である配管あるいは機器の放射線量が目標値以下になっている場合や、経済的または時間的要求により追加除染できない場合は、浄化工程に移行する。上記以外の場合は、弁13及び弁15を閉状態とし、すなわち、各弁の開閉状態を図14の下図の状態とし、(2)酸化除染工程へ戻り、以降の工程を繰り返す。
浄化工程では、加熱器27での加熱を停止し、冷却器28による冷却を開始する。化学除染対象20、弁17、ポンプ4、加熱器27、冷却器28、弁16、サージタンク24、ポンプ5、弁11、及びこれらを接続する配管40により形成される閉ループ内を循環する系統水の温度が60℃以下となった時点で、弁12及び弁14を開状態とする。これにより、系統水は、配管40及び配管42を介して混合樹脂塔22へ流入し、その後、化学除染対象20へと流れ循環する。サージタンク24で適宜系統水の電気伝導率を測定する。サージタンク24での系統水の電気伝導率が1mS/m以下になるまで浄化(系統水の循環)を続ける。サージタンク24での系統水の電気伝導率が1mS/m以下となった時点で、ポンプ4及びポンプ5を停止して、弁18、33、34を開状態とし、給排水配管50から化学除染装置2内の系統水を排水する。これにより、化学除染工程を終了する。
まず、図14の上図に示すように、弁10、19、36及び37を閉状態とする。その他の弁は全て開状態とする。この状態でサージタンク24に接続される給排水管50より、イオン交換水を導入する。必要量のイオン交換水導入後、図14の下図に示すように、給排水管50に設置された弁34を閉状態にすると共に、更に弁12、13、14、15、18及び33を閉状態にする。これにより、化学除染対象20、弁17、ポンプ4、加熱器27、冷却器28、弁16、サージタンク24、ポンプ5及び弁11は、これらを接続する配管40により1つの閉ループが形成される。
上記閉ループが形成された状態で、ポンプ4及びポンプ5を起動し、化学除染装置2及び化学除染対象20である配管あるいは機器に充填された系統水を閉ループ内で循環させる。上記閉ループ内を循環する系統水は、加熱器27により所定の温度まで昇温され、その後所定温度を維持するよう制御される。ここで、所定温度は、90±5℃とすることが望ましい。準備工程終了後、有機酸除染工程に移行する。
有機酸除染工程では、図14の下図に示す各弁の開閉状態から、弁13及び弁15を開状態とし、陽イオン交換樹脂塔21に系統水を循環させる。次に、有機酸除染剤を化学除染剤タンク23に充填する。有機酸除染剤の充填完了後、弁10を開状態とし、ポンプ6を起動する。ポンプ6の起動により、化学除染剤タンク23内に充填された有機酸除染剤は、配管41を介して配管40へ注入される。ここで、有機酸除染剤として、マロン酸又はマロン酸とシュウ酸の混合液が好適である。系統水中のマロン酸濃度が2000〜6000mg/Lとなるよう、ポンプ6により化学除染剤タンク23からマロン酸を配管40へ注入する。また、同様に、系統水中のシュウ酸濃度が50〜400mg/Lとなるよう、シュウ酸を配管40へ注入する。
有機酸除染剤の配管40への注入が完了した後、ポンプ6を停止すると共に弁10を閉状態とする。そして、ポンプ4及びポンプ5により、6〜12h化学除染対象20である配管あるいは機器に有機酸除染剤を循環させる。その後、有機酸除染剤分解工程へ移行する。
有機酸除染剤分解工程では、過酸化水素タンク25に過酸化水素を充填する。この時、弁19は閉状態にある。また、弁18及び弁33を開状態とし、触媒塔26に系統水を循環させる。
続いて、弁19を開状態とすると共にポンプ7を起動する。ポンプ7の起動により、過酸化水素タンク25内に充填された過酸化水素は、配管44を介し、開状態にある弁33を通流し配管40へ注入される。過酸化水素の注入濃度は、有機酸除染剤との反応当量の1〜2倍が好適である。有機酸除染剤がシュウ酸、マロン酸の場合は、それぞれ次式(15)、(16)に示すように過酸化水素と反応する。
(COOH)2 + H2O2 = 2CO2 + 2H2O・・・(15)
C3H4O4 + 4H2O2 = 3CO2 + 6H2O・・・(16)
シュウ酸濃度が400ppmの場合は、過酸化水素の反応当量は151ppmであり、マロン酸濃度が6000ppmの場合は、過酸化水素の反応当量は2794ppmである。有機酸除染剤の分解に伴い過酸化水素注入濃度を変えても良いし、有機酸除染剤の初期濃度で計算した過酸化水素濃度で一定のままとしても良い。
式(15)及び式(16)の反応により、シュウ酸濃度及びマロン酸濃度が、検出限界(10mg/L)に到達した時点で、ポンプ7を停止して、弁10、18及び33を閉状態とする。これにより、過酸化水素タンク25内に充填された過酸化水素の配管40への注入は終了する。有機酸除染剤分解工程終了後、次に追加除染の要否判定に移行する。
追加除染の要否判定工程では、化学除染対象20である配管あるいは機器の放射線量が目標値以下になっている場合や、経済的または時間的要求により追加除染できない場合は、浄化工程に移行する。上記以外の場合は、(2’)有機酸除染工程へ戻り以降の工程を繰り返す。
浄化工程では、加熱器27での加熱を停止し、冷却器28による冷却を開始する。化学除染対象20、弁17、ポンプ4、加熱器27、冷却器28、弁16、サージタンク24、ポンプ5、弁11、及びこれらを接続する配管40内を循環する系統水の温度が60℃以下となった時点で、弁12及び弁14を開状態とする。これにより系統水は、配管40及び配管42を介して混合樹脂塔22に流入し、その後、化学除染対象20へと流れ循環する。サージタンク24で適宜系統水の電気伝導率を測定する。サージタンク24での系統水の電気伝導率が1mS/m以下になるまで浄化(系統水の循環)を続ける。サージタンク24での系統水の電気伝導率が1mS/m以下となった時点で、ポンプ4及びポンプ5を停止し、弁18、33及び34を開状態とする。弁34が開状態とされることにより給排水配管50から化学除染装置2内の系統水が排水される。これにより、化学除染工程が終了する。
金属イオンの溶離工程では、弁35を閉状態とし、溶離液を溶離液タンク32に充填する。ここで、本実施例では、溶離液として、ギ酸濃度が1〜2mol/Lであり、ヒドラジンによりpHを4〜5に調整したギ酸ヒドラジン混合液を用いる。なお、溶離液はギ酸ヒドラジン混合液に限らず、例えば、グリコール酸ヒドラジン混合液、あるいはマロン酸ヒドラジン混合液を溶離液として用いても良い。
溶離液タンク32へ溶離液の充填が完了した後、弁13、15、36及び37を開状態とし、排水管51に設置される弁38を閉状態とする。その後、弁35を開状態とすると共にポンプ8を起動する。ポンプ8の起動により、溶離液は、配管46を流れ陽イオン交換樹脂塔21へ流入する。陽イオン交換樹脂塔21を通流後の溶離液は、配管45を流れ溶離液回収タンク31に流入し回収される。ここで、陽イオン交換樹脂塔21に充填された陽イオン交換樹脂量と同量の溶離液が0.5〜1時間で通水できるよう、ポンプ8によりSV1〜2[l/h]通水量を調整する。陽イオン交換樹脂量の2倍量の溶離液を、陽イオン交換樹脂塔21へ通水した後、ポンプ8を停止すると共に弁35を閉状態とする。
金属イオンの回収工程では、図6に示す電析回収装置30内の電解液タンク306に、1〜2mol/Lのギ酸を電解液として充填する。なお、本実施例では、電解液としてギ酸を用いる場合を例に説明するがこれに限られない。電解液として、他の電気伝導性を有する溶液であれば良い。電解液タンク306への電解液の充填完了後、ポンプ9及びポンプ307を起動する。ポンプ9の起動により、溶離液回収タンク31内の溶離液は、電解槽300の下部から陰極室304へ配管48を介して通水される。また、陰極室304へ通水された溶離液は、陰極室304の上部より抜き出され、再び、配管49を流れ溶離液回収タンク31へと還流する。一方、ポンプ307の起動により、電解液タンク306内に充填された電解液は、電解槽300の下部から陽極室305へ配管311を介して通水される。また陽極室305へ通水された電解液は、陽極室305の上部より抜き出され、再び、配管311を流れ電解液タンク306へと還流する。
直流電源310を起動し、陰極302及び陽極303に通電する。ここで、通電量は1〜10A/dm2とするのが好ましい。陰極302及び陽極303に通電することにより、Feイオン等の金属イオン(陽イオン)を、陰極302の表面に析出させ回収する。
適宜、溶離液回収タンク31内の溶離液の放射能濃度、金属イオン濃度を分析し、初期濃度の1/10以下になるまで通電を継続する。初期濃度の1/10以下となった時点で、溶離液の再利用工程に移行する。
溶離液の再利用工程では、弁38、弁313を開状態とし、排水管314より陰極室304内の溶離液を排出する。その際に、陰極室304の下部に沈積した鉄又は鉄酸化物の破片はフィルタ312で回収する。また、排水管51より溶離液回収タンク31内の溶離液を排出する。排出された溶離液を、溶離液タンク32に導入し、pHが4〜5となるようヒドラジンを添加する。これにより金属イオンが回収された後の溶離液を、再度、(1)金属イオンの溶離工程にて使用することが可能となる。
溶離液の分解工程では、溶離液(ギ酸ヒドラジン混合液)を過酸化水素と化学反応させ、次式(17)に示す反応によりギ酸を分解する。ヒドラジンについても、同様に過酸化水素と化学反応させることにより分解する。
HCOOH + H2O2 = CO2 + 2H2O・・・(17)
(5)金属箔(アルミ箔)の取り外し、再設置工程
陰極室304から溶離液を排水後、陰極302を構成する平板状の金属箔固定部材501から金属箔(アルミ箔)502を取り外し、新たな金属箔(アルミ箔)502を設置する。
例えば、金属イオン及び/又は放射性核種は、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材に被覆された金属箔上に析出されるため、当該金属箔のみを廃棄できることから電析による廃棄物量を低減できると共に、陰極を構成する平板状の金属箔固定部材を再利用することが可能となる。
また、本実施例によれば、金属イオンや放射性核種を溶離した陽イオン交換樹脂塔21内に充填された陽イオン交換樹脂を再度化学除染に利用できるため、化学除染による二次廃棄物量を低減できる。
また、本実施例によれば、金属イオンや放射性核種の濃度が高く、且つ、水素イオン濃度が低い溶液から金属イオンや放射性核種を電極表面に回収するため、電流効率良く金属イオンや放射性核種を電極表面に金属又は金属酸化物として回収することができる。
また、溶離に使用したギ酸ヒドラジン混合液は、二酸化炭素、窒素、水に分解することで無害化できるため、溶離に硫酸などの無機酸を使用する場合と比較して二次廃棄物を少なくできる。
また、弁16を挟み、冷却器28の下流と化学除染タンク60の上流を配管42で接続し、配管42に弁14、混合樹脂塔22、弁12が設置されている。混合樹脂塔22には、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を、1:1又は1:2の割合で混合したイオン交換樹脂が充填されている。更に、冷却器28の下流と化学除染タンク60の上流を配管43で接続し、配管43に弁15、陽イオン交換樹脂塔21、弁13が設置されている。陽イオン交換樹脂塔21には、陽イオン交換樹脂が充填されている。
化学除染装置2は、配管又は配管に接続される弁あるいはポンプ等の機器を含む化学除染対象を浸漬する化学除染タンク60、弁17、ポンプ4、加熱器27、冷却器28、弁16及び弁11は、配管40により接続され、1つの閉ループを形成可能に構成される。配管40を流れる溶液は、ポンプ4により、加熱器27、冷却器28、弁16、弁11、化学除染タンク60の順で流れる。
また、弁16を挟み、冷却器28の下流と化学除染タンク60の上流を配管42で接続し、配管42に弁14、混合樹脂塔22、弁12が設置されている。混合樹脂塔22には、実施例1または実施例2と同様に、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を、1:1又は2:1の割合で混合したイオン交換樹脂が充填されている。更に、冷却器28の下流と化学除染タンク60の上流を配管43で接続し、配管43に設置される上流側の弁15と下流側の弁13との間に、着脱自在に陽イオン交換樹脂塔21aが設置されている。図17では、陽イオン交換樹脂塔21bが設置された状態を示しているが、これは後述する、金属イオン吸着後の陽イオン交換樹脂塔21aを、同様の特性を有する他の新たな陽イオン交換樹脂塔21bに交換した後の状態を示しているためである。これら、陽イオン交換樹脂塔21a及び21bには、陽イオン交換樹脂が充填されている。
また、化学除染対象である配管あるいは機器が炭素鋼や低合金鋼である場合では、(2’)有機酸除染工程終了後に。陽イオン交換樹脂塔21aを取り外す手順としても良い。
2,2a・・・化学除染装置
3・・・溶離回収装置
20・・・化学除染対象
21,21a,21b・・・陽イオン交換樹脂塔
22・・・混合樹脂塔
23・・・化学除染剤タンク
24・・・サージタンク
25・・・過酸化水素タンク
26・・・触媒塔
27・・・加熱器
28・・・冷却器
30・・・電析回収装置
31・・・溶離液回収タンク
32・・・溶離液タンク、
10〜19,33〜38,61、313・・・弁
4〜9,60,307・・・ ポンプ
312・・・フィルタ
40〜46,48,49,311・・・配管
50,62・・・給排水管
51,314・・・排水管
60・・・化学除染タンク
300・・・電解槽
301・・・陽イオン交換膜
302・・・陰極
303・・・陽極
304・・・陰極室
305・・・陽極室
306・・・電解液タンク
308,309・・・導線
310・・・直流電源
400・・・台車
501・・・金属箔固定部材
502・・・金属箔(アルミ箔)
503a,503b・・・金属製の棒状部材
504a,504b,504c,504d・・・金属棒固定部材
505・・・アルミ箔巻き取り部
506,506a,506b,506c,506d・・・アルミテープ
Claims (19)
- 金属イオン及び/又は放射性核種を含む廃液を、陽イオン交換膜により隔離された陰極室へ導入すると共に、陽極室へ電解液を導入し、陽極及び陰極に通電することで、前記金属イオン及び/又は放射性核種を前記陰極の表面に析出させ回収する電析回収装置を備え、
前記陰極は、外部からの電流を金属箔に伝達可能な金属箔固定部材と、前記金属箔固定部材に固定される金属箔と、を有することを特徴とする廃液の処理装置。 - 請求項1に記載の廃液の処理装置において、
前記陰極室の下部から廃液を排水し、前記廃液に含まれる固形分を回収する装置を備えることを特徴とする廃液の処理装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の廃液の処理装置において、
前記金属箔は、アルミ箔、ニッケル箔、チタン箔、又はステンレス箔であることを特徴とする廃液の処理装置。 - 請求項2又は請求項3に記載の廃液の処理装置において、
前記廃液に含まれる固形分を回収する装置は、固液分離するフィルタであることを特徴とする廃液の処理装置。 - ヒドラジンと、少なくともギ酸、グリコール酸及びマロン酸のうち何れか一つとの混合液を溶離液として収容する溶離液タンクと、
前記溶離液を、金属イオン及び/又は放射性核種が捕捉された陽イオン交換樹脂塔に通水し、前記金属イオン及び/又は放射性核種を含む溶離液を、陽イオン交換膜により隔離された陰極室へ導入すると共に、陽極室へ電解液を導入し、陽極及び陰極に通電することで、前記金属イオン及び/又は放射性核種を前記陰極の表面に析出させ回収する電析回収装置と、を備え、
前記陰極のみに、平板状の金属箔固定部材と、前記平板状の金属箔固定部材のうち少なくとも前記陽極と対向する面に金属箔を有することを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項5に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記電析回収装置は、前記陰極室の下部から溶離液を排水する排水管と、前記排水管に設けられ前記溶離液に含まれる固形分を固液分離するフィルタと、を備えることを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項6に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記金属箔は、前記平板状の金属箔固定部材の全域を被覆することを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項6に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記金属箔は、前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と対向する面の全ての領域及び前記陽極と反対側の面の一部領域を被覆することを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項8に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記一部領域は、前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と反対側の面であって、外縁部付近であることを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項8に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記陰極は、
前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と反対側の面であって、その両側部に配される金属製の棒状部材と、
前記金属製の棒状部材と嵌合することにより、前記金属製の棒状部材を前記平板状の金属箔固定部材に固定する複数の固定部材と、を備え、
前記平板状の金属箔固定部材の両側部にて折り返された前記金属箔が、前記金属製の棒状部材と前記固定部材との間に介在することを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項10に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記平板状の金属箔固定部材は、中央部を含む領域に開口を有すると共に、少なくとも前記陽極と対向する面が前記金属箔にて被覆されることを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 請求項11に記載の化学除染の二次廃棄物溶離回収装置において、
前記溶離液タンクに収容される溶離液は、ギ酸ヒドラジン混合液であって、ギ酸濃度が1mol/L以上2mol/L以下であることを特徴とする化学除染の二次廃棄物溶離回収装置。 - 化学除染対象となる配管あるいは機器に化学除染剤を含む系統水を通水し、通水後の系統水に含まれる金属イオン及び/又は放射性核種を捕捉する陽イオン交換樹脂塔を有する化学除染装置と、
ヒドラジンと、少なくともギ酸、グリコール酸及びマロン酸のうち何れか一つとの混合液を溶離液として収容する溶離液タンクと、陽イオン交換膜により、陰極が配される陰極室と陽極が配される陽極室とに隔離される電解槽を有する電析回収装置と、前記溶離液を前記金属イオン及び/又は放射性核種を捕捉した陽イオン交換樹脂塔へ通水し、当該陽イオン交換樹脂塔より流出する前記金属イオン及び/又は放射性核種を含む溶離液を回収する溶離液回収タンクを有する溶離回収装置と、を備え、
前記溶離回収装置は、前記溶離液回収タンク内の溶離液を前記陰極室へ導入すると共に前記陽極室へ電解液を導入し、前記陽極及び陰極に通電し、前記陰極の表面に前記金属イオン及び/又は放射性核種を析出させるものであって、
前記陰極のみに、平板状の金属箔固定部材と、前記平板状の金属箔固定部材のうち少なくとも前記陽極と対向する面に金属箔を有することを特徴とする化学除染システム。 - 請求項13に記載の化学除染システムにおいて、
前記電析回収装置は、前記陰極室の下部から溶離液を排水する排水管と、前記排水管に設けられ前記溶離液に含まれる固形分を固液分離するフィルタと、を備えることを特徴とする化学除染システム。 - 請求項14に記載の化学除染システムにおいて、
前記陰極を構成する金属箔は、前記平板状の金属箔固定部材の全域を被覆することを特徴とする化学除染システム。 - 請求項14に記載の化学除染システムにおいて、
前記陰極を構成する金属箔は、前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と対向する面の全ての領域及び前記陽極と反対側の面の一部領域を被覆することを特徴とする化学除染システム。 - 請求項16に記載の化学除染システムにおいて、
前記一部領域は、前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と反対側の面であって、外縁部付近であることを特徴とする化学除染システム。 - 請求項16に記載の化学除染システムにおいて、
前記陰極は、
前記平板状の金属箔固定部材のうち前記陽極と反対側の面であって、その両側部に配される金属製の棒状部材と、
前記金属製の棒状部材と嵌合することにより、前記金属製の棒状部材を前記平板状の金属箔固定部材に固定する複数の固定部材と、を備え、
前記平板状の金属箔固定部材の両側部にて折り返された前記金属箔が、前記金属製の棒状部材と前記固定部材との間に介在することを特徴とする化学除染システム。 - 請求項18に記載の化学除染システムにおいて、
前記平板状の金属箔固定部材は、中央部を含む領域に開口を有すると共に、少なくとも前記陽極と対向する面が前記金属箔にて被覆されることを特徴とする化学除染システム。
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