JP2018043166A - ストロンチウム含有水の処理方法およびストロンチウム含有水の処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理対象水からストロンチウムを除去するための作業効率を向上させることができるストロンチウム含有水の処理技術を提供する。【解決手段】ストロンチウム含有水の処理方法は、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含有する添加剤をストロンチウムが含まれる処理対象水に添加する添加ステップと、添加ステップの後に、処理対象水から固体成分を分離する分離ステップと、を含む。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、ストロンチウムの放射性同位体が含まれる水の処理技術に関する。

福島第一原子力発電所の事故に伴い、海水成分を含有する大量の汚染水が発生した。この汚染水には、高濃度の放射性ストロンチウム（^９０Ｓｒなど）が含まれており、このような廃液からストロンチウムを除去することが望まれている。以下、ストロンチウムが含有された水を放射性ストロンチウム含有水と呼称する。放射性ストロンチウム含有水から放射性ストロンチウムを分離する方法として、例えば、放射性ストロンチウム含有水にアルカリ条件下で炭酸塩を添加し、ストロンチウムを炭酸ストロンチウムとして沈殿させることで分離する方法がある。

特開２０１３−１０４７２３号公報

前述の技術では、炭酸塩を添加する他に、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどを放射性ストロンチウム含有水に添加し、水素イオン指数（ｐＨ）をアルカリ性に調整する工程が必要である。その分、処理工程が増え、作業効率が悪いという課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、処理対象水からストロンチウムを除去するための作業効率を向上させることができるストロンチウム含有水の処理技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るストロンチウム含有水の処理方法は、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含有する添加剤をストロンチウムが含まれる処理象水に添加する添加ステップと、前記添加ステップの後に、前記処理対象水から固体成分を分離する分離ステップと、を含む。

本発明の実施形態に係るストロンチウム含有水の処理装置は、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含有する添加剤をストロンチウムが含まれる処理対象水に添加する添加部と、前記処理対象水から固体成分を分離する分離部と、を備える。

本発明の実施形態により、処理対象水からストロンチウムを除去するための作業効率を向上させることができるストロンチウム含有水の処理技術が提供される。

第１実施形態のストロンチウム含有水の処理装置の構成を示す図。 第１実施形態のストロンチウム含有水の処理方法を示すフローチャート。 第２実施形態のストロンチウム含有水の処理装置の構成を示す図。 第２実施形態のストロンチウム含有水の処理方法を示すフローチャート。 実施例におけるストロンチウムなどの除去率を示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第１実施形態のストロンチウム含有水の処理装置について図１から図２を用いて説明する。

図１に示すように、第１実施形態の処理装置１は、放射性廃液としての処理対象水２の処理を行う。処理装置１は、添加剤３および補助添加剤４を処理対象水２に添加し混合するする添加部５と、処理対象水２中に発生した析出物を処理対象水２から分離する分離部６と、析出物除去後に処理対象水２を吸着材と接触させる吸着部７とを備える。

本実施形態において、処理対象水２はストロンチウムおよび海水成分を含有する水である。この処理対象水２は、ストロンチウムと海水成分に由来するカルシウムを含む。処理対象水２に含まれるストロンチウムは、放射性同位体（放射性物質）を含む。

また、処理対象水２に添加する添加剤３は、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含む。添加剤３に含まれるタングステン酸塩は、タングステン酸ナトリウム（Ｎａ_２ＷＯ_４）またはタングステン酸カリウム（Ｋ_２ＷＯ_４）の少なくともいずれかを含む水溶性のアルカリ金属の塩である。また、添加剤３に含まれるモリブデン酸塩は、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウムまたはモリブデン酸アンモニウムの少なくともいずれかを含む水溶性のアルカリ金属の塩である。

処理対象水２には、添加剤３の他に補助添加剤４が添加される。補助添加剤４は、タングステン酸ストロンチウムまたはタングステン酸カルシウムの少なくともいずれかを含む。補助添加剤４の添加量は、添加剤３よりも少ない量で良い。

添加部５は、添加剤３、補助添加剤４および処理対象水２を撹拌する撹拌装置と、処理対象水２中に発生した析出物を沈殿させる沈殿生成槽（容器）を備える。この添加部５では、処理対象水２を撹拌しつつ、添加剤３および補助添加剤４を添加する。そして、所定時間（析出時間：３０分以上）に亘って静置することで、析出物を沈殿させる。

また、分離部６は、固液分離装置で構成される。この分離部６は、処理対象水２内で沈殿した析出物を含む固体成分を、液体成分から分離してスラリー８として排出する。なお、固液分離装置は、真空脱水機、加圧脱水機（フィルタプレス）、ベルトプレス、スクリュプレス、遠心濃縮脱水機（スクリュデカンタ）、多重円板脱水機、ローラプレス、ベルトスクリーン、振動ふるい、多重板波動フィルタなどのうちの少なくともいずれかの装置を備える。

さらに、吸着部７は、処理対象水２の流通路に吸着材（吸着フィルタなど）が配置された吸着処理装置で構成される。吸着部７で用いられる吸着剤は、例えば、Ａ型ゼオライトなどのＳｉ／Ａｌ比の大きなゼオライトや、チタン酸塩、チタンケイ酸塩である。この吸着部７では、分離部６で固形成分が除去された処理対象水２に含有されるＳｒイオンを、吸着材に吸着させることで、処理対象水２からＳｒイオンを除去することができる。吸着部７からは、吸着部７を通過した処理後の処理水９が排出されるとともに、Ｓｒイオンを吸着した吸着材がスラリー８として排出される。

以下、添加部５における添加剤３と処理対象水２の反応について説明する。添加剤３は処理対象水２中のストロンチウムおよびカルシウムのそれぞれと反応し、析出物を形成する。添加部５において、添加剤３に含まれるタングステン酸塩と処理対象水２に含まれるストロンチウムとが反応した場合は、タングステン酸ストロンチウムが析出される。その化学反応式（１）は、以下の通りである。

Ｓｒ^２＋ ＋ ＷＯ_４ ^２− → ＳｒＷＯ_４・・・（１）

添加部５において、添加剤３に含まれるタングステン酸塩と処理対象水２に含まれるカルシウムとが反応した場合は、タングステン酸カルシウムが析出される。その化学反応式（２）は、以下の通りである。

Ｃａ^２＋ ＋ ＷＯ_４ ^２− → ＣａＷＯ_４・・・（２）

添加部５において、添加剤３に含まれるモリブデン酸塩と処理対象水２に含まれるストロンチウムとが反応した場合は、モリブデン酸ストロンチウムが析出される。その化学反応式（３）は、以下の通りである。

Ｓｒ^２＋ ＋ ＭｏＯ_４ ^２− → ＳｒＭｏＯ_４・・・（３）

添加部５において、添加剤３に含まれるモリブデン酸塩と処理対象水２に含まれるカルシウムとが反応した場合は、モリブデン酸カルシウムが析出される。その化学反応式（４）は、以下の通りである。

Ｃａ^２＋ ＋ ＭｏＯ_４ ^２− → ＣａＭｏＯ_４・・・（４）

なお、式（１）〜（４）の反応は処理対象水２のｐＨを調整することなく進む。すなわち、本実施形態では、ｐＨ調整することなくタングステン酸ストロンチウムまたはモリブデン酸ストロンチウムを析出させて除去することが可能であり、処理対象水２からストロンチウムを除去するための作業効率を向上させることができる。

また、添加剤３としてタングステン酸塩またはモリブデン酸塩を用いることで、炭酸塩を用いる場合よりも、析出物（汚泥）の沈降性、固液分離性が良好となる。また、吸着部７で用いられる吸着剤は、ストロンチウムとともにカルシウムも吸着するが、カルシウムは添加剤３によって析出し分離部６で除去されている為、吸着剤はストロンチウムを良好に吸着することができる。

また、添加部５において、処理対象水２に含まれるストロンチウムのモル濃度に対して、１．０倍以上、３．５倍以下のモル濃度の添加剤３が添加される。なお、処理対象水２に含まれるストロンチウムおよびカルシウムの双方が含まれる場合は、ストロンチウムおよびカルシウムのモル濃度の合計濃度に対して、１．０倍以上、３．５倍以下のモル濃度の添加剤３が添加される。このようにすれば、処理対象水２の浄化を充分に行うことができ、かつ過剰に添加剤３を添加することを防ぐことができる。

また、添加部５で添加される補助添加剤４は、析出物の結晶成長の核となり、より大きな結晶の析出物の生成を促す。つまり、補助添加剤４を添加することで、分離部６にて析出物を処理対象水２から分離し易くなる。

次に、第１実施形態のストロンチウム含有水の処理方法をについて図２を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。

まず、処理対象水２を添加部５に投入する（Ｓ１１：水投入ステップ）。次に、処理対象水２を撹拌しつつ、この処理対象水２に添加剤３を添加する（Ｓ１２：添加ステップ）。次に、処理対象水２を撹拌しつつ、この処理対象水２に補助添加剤４を添加する（Ｓ１３：補助添加ステップ）。

次に、所定の析出時間が経過するまで処理対象水２を静置することで、処理対象水２に含まれるストロンチウムを添加剤３と反応させて析出物を生成する（Ｓ１４：析出ステップ）。次に、析出物が沈殿した処理対象水２を分離部６に投入して、析出物を含む固体成分をスラリー８として排出する（Ｓ１５：分離ステップ）。次に、液体成分である処理対象水２を吸着部７に投入して、処理対象水２を吸着材と接触させる（Ｓ１６：接触ステップ）。次に、吸着部７を通過した処理後の処理水９が排出される（Ｓ１７：排出ステップ）。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態のストロンチウム含有水の処理装置１Ａについて図３から図４を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態の処理装置１Ａは、第１実施形態と異なり、補助添加剤４を添加しない。その替りにスラリー８の一部を処理対象水２に添加するようにしている。なお、第２実施形態の処理装置１Ａは、添加剤３を処理対象水２に添加する添加部５と、析出物を処理対象水２から分離する分離部６と、処理対象水２を吸着材と接触させる吸着部７と、スラリー８の一部を添加部５に移送する移送部１０とを備える。

また、移送部１０は、分離部６および吸着部７から排出されたスラリー８を回収する。このスラリー８には、タングステン酸ストロンチウムまたはタングステン酸カルシウムが含まれる。そして、移送部１０は、スラリー８の一部を添加部５に移送し、未処理の処理対象水２に投入する。

第２実施形態では、補助添加剤４の替わりにスラリー８を処理対象水２に添加することで、より大きな結晶の析出物の生成を促し、分離部６にて析出物を処理対象水２から分離し易くする。補助添加剤４としてスラリー８を用いることで、補助添加剤４を別途添加するよりも、二次廃棄物として廃棄されるスラリー８の量を低減させることができる。

次に、第２実施形態のストロンチウム含有水の処理方法をについて図４を用いて説明する。まず、処理対象水２を添加部５に投入する（Ｓ２１：水投入ステップ）。次に、処理対象水２を撹拌しつつ、この処理対象水２に添加剤３を添加する（Ｓ２２：添加ステップ）。次に、処理対象水２を撹拌しつつ、この処理対象水２にスラリー８を投入する（Ｓ２３：投入ステップ）。

次に、所定の析出時間が経過するまで処理対象水２を静置することで、処理対象水２に含まれるストロンチウムを添加剤３と反応させて析出物を生成する（Ｓ２４：析出ステップ）。次に、析出物が沈殿した処理対象水２を分離部６に投入して、析出物をスラリー８として排出する（Ｓ２５：分離ステップ）。次に、処理対象水２を吸着部７に投入して、処理対象水２を吸着材と接触させる（Ｓ２６：接触ステップ）。次に、吸着部７を通過した処理後の処理水９が排出される（Ｓ２７：排出ステップ）。

次に、移送部１０は、分離部６および吸着部７から排出されたスラリー８の一部を添加部５に移送する（Ｓ２８：移送ステップ）。そして、次回の処理方法の実行時のＳ２３で処理対象水２にスラリー８が投入される。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。この実施例では、ストロンチウムに加えて、カルシウムやマグネシウムなどのストロンチウム以外の陽イオンを含む人工海水（マリンアートＳＦ−１、大阪薬研株式会社製）を用いて実験を行った。この人工海水を本発明の処理方法で処理を行った。

なお、人工海水に含まれるストロンチウムとカルシウムとマグネシウムの濃度および水素イオン指数（ｐＨ）は、以下の通りである。

＜人工海水（マリンアートＳＦ−１）＞
ストロンチウム濃度 ：７．２ｐｐｍ
カルシウム濃度 ：４０８ｐｐｍ
マグネシウム濃度 ：１１８３ｐｐｍ
水素イオン指数（ｐＨ）：約８

また、人工海水に含まれるストロンチウムおよびカルシウムの合計濃度（ｍｏｌ／Ｌ）の１倍から３．５倍となる濃度のタングステン酸塩（添加剤）を人工海水に添加した。なお、本実施例では、１．１倍の濃度のタングステン酸塩を添加した場合と、２．２倍の濃度のタングステン酸塩を添加した場合と、３．３倍の濃度のタングステン酸塩を添加した場合の３つの態様を例示している。また、タングステン酸塩には、Ｎａ_２ＷＯ_４・２Ｈ_２Ｏを用いた。次に、タングステン酸塩を添加した後の人工海水を１０時間程度静置した。

そして、人工海水には、析出物が沈殿した沈殿物が生じた。また、人工海水の上澄み水を、孔径０．４５μｍのフィルタでろ過し、そのろ液を分析した。その分析結果を図５のグラフに示す。なお、このグラフでは、ストロンチウム（Ｓｒ）とカルシウム（Ｃａ）とマグネシウム（Ｍａ）のそれぞれの除去率を、添加した各タングステン酸塩の添加濃度に対応させている。また、除去率は以下の計算式（５）で算出した。

除去率［％］＝（Ｃｉ−Ｃｔ）／（Ｃｉ）×１００・・・(５)

ここで、Ｃｉは、未処理の人工海水中のストロンチウム、カルシウムまたはマグネシウムの濃度［ｍｏｌ／Ｌ］である。Ｃｔは、本発明の処理方法で処理した後の人工海水中のストロンチウム、カルシウムまたはマグネシウムの濃度［ｍｏｌ／Ｌ］である。

図５のグラフに示すように、人工海水中のストロンチウムおよびカルシウムを効率的に除去可能であることが分かる。さらに、タングステン酸塩の添加量が、人工海水に含まれるストロンチウムおよびカルシウムの合計濃度（ｍｏｌ／Ｌ）の２倍を超える場合には、ストロンチウムおよびカルシウムをそれぞれ９０％程度除去することができた。また、マグネシウムは、殆ど除去されていない。

なお、海水などのマグネシウム（他の金属）が含まれる処理対象水を、従来技術の炭酸塩を用いて処理した場合に、分離する必要のない無害なマグネシウムも炭酸塩と反応して析出してしまい、二次廃棄物の量が増えてしまう。例えば、沈降性が悪く、嵩高い水酸化マグネシウムが生成されてしまう。しかし、本発明では、マグネシウムの析出を抑えることができるので、二次廃棄物の量を低減することができる。

なお、この実施例で得られた処理水を、Ａ型ゼオライトやチタン酸塩やチタンケイ酸塩などの吸着材を用いて吸着処理することにより、より高い分離性能でストロンチウムを除去することができる。この場合に、ストロンチウムの吸着阻害影響が特に大きいカルシウムの濃度が、充分に低減されているため、吸着材を頻繁に交換する必要がなく、効率的な処理が可能となる。

本実施形態に係るストロンチウム含有水の処理方法を第１実施形態から第２実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。例えば、第１実施形態の補助添加剤４の添加を第２実施形態で行っても良い。

なお、本実施形態では、ストロンチウムを含む処理対象水２として放射性廃液を例示しているが、廃棄の対象となる水のみならず、再使用を前提とした水（ストロンチウムの溶液）の処理に本実施形態を適用しても良い。

以上説明した実施形態によれば、タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含む添加剤をストロンチウムが含まれる処理対象水に添加する添加ステップを持つことにより、処理対象水からストロンチウムを除去するための作業効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１（１Ａ）…処理装置、２…処理対象水、３…添加剤、４…補助添加剤、５…添加部、６…分離部、７…吸着部、８…スラリー、９…処理水、１０…移送部。

Claims (8)

1. タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含有する添加剤をストロンチウムが含まれる処理対象水に添加する添加ステップと、
   前記添加ステップの後に、前記処理対象水から固体成分を分離する分離ステップと、
   を含むストロンチウム含有水の処理方法。
2. 前記添加剤は、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウムまたはモリブデン酸アンモニウムの少なくともいずれかを含む水溶性のアルカリ金属の塩である請求項１に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
3. 前記分離ステップの前に、タングステン酸ストロンチウムまたはタングステン酸カルシウムの少なくともいずれかを含む補助添加剤を前記処理対象水に添加する補助添加ステップを含む請求項１または請求項２に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
4. 前記分離ステップの後に、前記処理対象水を吸着材と接触させる接触ステップを含む請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
5. 前記分離ステップの前に、前記処理対象水から分離した前記析出物を含むスラリーの少なくとも一部を未処理の前記処理対象水に投入する投入ステップを含む請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
6. 前記処理対象水には、カルシウムが含まれる請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
7. 前記添加ステップにおいて、前記処理対象水に含まれる前記ストロンチウムの濃度の３．５倍以下の濃度の前記添加剤が添加される請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のストロンチウム含有水の処理方法。
8. タングステン酸塩またはモリブデン酸塩の少なくともいずれかを含有する添加剤をストロンチウムが含まれる処理対象水に添加する添加部と、
   前記処理対象水から固体成分を分離する分離部と、
   を備えるストロンチウム含有水の処理装置。

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