JP2019081308A - ジオポリマー成型体製造方法およびジオポリマー成型体製造システム - Google Patents

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Abstract

【課題】高強度なジオポリマー成型体を作製可能な製造技術を提供する。【解決手段】アルミニウムおよびケイ素を含む第１の物質１、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含む第２の物質２および水和物を持つ化合物を含む第３の物質３から、アルミニウムおよびケイ素を含むことを条件とする第１の条件、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むことを条件とする第２の条件および水和物を持つ化合物を含むことを条件とする第３の条件を全て満たす混合物を、前記第１の物質および前記第２の物質を破砕する破砕工程Ｓ１と、この破砕工程によって第１の物質および第２の物質を破砕した第４の物質４および第５の物質５を用いて加熱しながら混合する加熱混合工程Ｓ２と、前記混合物を圧縮成型し圧縮混合体とする圧縮工程Ｓ３と、前記圧縮混合体を養生する養生工程Ｓ４と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、ジオポリマー成型体製造方法およびジオポリマー成型体製造システムに関する。
原子力発電所の運転に伴い発生する、比較的半減期が短く線量が低い放射性廃棄物は、ドラム缶に充填し固化されている。固化材としては、一般的にセメント、アスファルト、エポキシ樹脂が用いられるが、最近ではジオポリマーを用いて固化することが検討されている。ジオポリマーは放射性廃棄物の固化材以外に建材等として用いられることがある。
ジオポリマーは、アルミニウム（Ａｌ）およびケイ素（Ｓｉ）などを主成分とするアルミノケイ酸塩と呼ばれる非晶質の無機固化材である。ジオポリマーはジオポリマー構造中に水和物のような不可分に含まれる水分がないが、ジオポリマー原料の混合時および反応時に水を必要とする。以下、任意の形状に硬化させたジオポリマーをジオポリマー成型体、ジオポリマー成型体を構成する原料をジオポリマー原料と呼称する。
特許第５８０７７８５号公報 特許第５６６１４９２号公報
ジオポリマーの原料は、多くの場合は粉状や粒状である。一般にジオポリマーを作製する際、ジオポリマー原料に水を添加しスラリー状にして混合させ、型に流し込み、ポリマー化反応を進め、硬化させる。スラリー状となったジオポリマー原料と水の混合物は、短時間で粘度が上昇することから混合時に攪拌翼に付着しやすく、また、移送時に配管等に詰まりやすい。このため、頻繁に装置のメンテナンスが必要であった。また、メンテナンスに割く工程が多くなるため、ジオポリマー成型体の製造効率が低下する。
上記の理由から、ジオポリマー原料をスラリー化させることなくジオポリマー成型体を作製可能なジオポリマー成型体製造方法について検討を進めている。スラリー化しなくても原料を均一に混ぜることができ、固化体成型後の養生工程においてジオポリマー反応が偏りなく進み、一軸圧縮強度を向上させることが可能なジオポリマー成型体製造方法が必要とされている。
本発明は、上述した事情を鑑み、従来のジオポリマー原料をスラリー化させることなくジオポリマー成型体を作製可能なジオポリマー成型体製造方法に対し、原料の破砕工程および加熱混合工程を加えた新たなジオポリマー成型体製造方法を提供するものである。
本発明の実施形態に係るジオポリマー成型体製造方法は、上述した課題を解決するため、アルミニウムおよびケイ素を含む第１の物質、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含む第２の物質および水和物を持つ化合物を含む第３の物質から、アルミニウムおよびケイ素を含むことを条件とする第１の条件、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むことを条件とする第２の条件および水和物を持つ化合物を含むことを条件とする第３の条件を全て満たす混合物を、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を破砕する破砕工程と、この破砕工程によって第１の物質および第２の物質を破砕した第４の物質および第５の物質を用いて加熱しながら混合する加熱混合工程と、前記混合物を圧縮成型し圧縮混合体とする圧縮工程と、前記圧縮混合体を養生する養生工程と、を具備することを特徴とする。
また、本発明の実施形態に係るジオポリマー成型体製造システムは、アルミニウムおよびケイ素を含む第１の物質、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含む第２の物質および水和物を持つ化合物を含む第３の物質から、アルミニウムおよびケイ素を含むことを条件とする第１の条件、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むことを条件とする第２の条件および水和物を持つ化合物を含むことを条件とする第３の条件を全て満たす混合物を、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を破砕する破砕手段と、この破砕手段によって第１の物質および第２の物質を破砕した第４の物質および第５の物質を用いて加熱しながら混合する加熱混合手段と、前記混合物を圧縮成型し圧縮混合体とする圧縮手段と、前記圧縮混合体を養生する養生手段と、を有することを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、破砕工程および加熱混合工程を実施することによって、ジオポリマー原料同士がより混ざりやすくかつ密着しやすくなり、高強度なジオポリマー成型体を製造可能なジオポリマー成型体製造方法およびジオポリマー成型体製造システムを提供することができる。
本実施形態に係るジオポリマー成型体製造方法のフローチャート。 実施例で調製した混合物（粉体）のＸ線回折法による計測結果（Ｘ線回折パターン）を示す説明図。 実施例で最終的に得られたジオポリマー成型体を粉砕した粉砕物のＸ線回折法による計測結果（Ｘ線回折パターン）を示す説明図。
以下、本発明の実施形態に係るジオポリマー成型体製造方法およびジオポリマー成型体製造システムを添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るジオポリマー成型体製造方法のフローチャートである。なお、図中のＳ１〜Ｓ５は工程を示す符号であり、後述する符号Ｓ１〜Ｓ５と対応している。
本実施形態のジオポリマー成型体製造方法は、後述する混合物条件を満たすように、ジオポリマー原料を破砕する破砕工程Ｓ１と、破砕したジオポリマー原料と必要な添加物とを加熱しながら混合して混合物を得る加熱混合工程Ｓ２と、混合物を圧縮して圧縮混合体を作製する圧縮工程Ｓ３と、圧縮混合体を養生する養生工程Ｓ４と、養生後の圧縮混合体を乾燥させる乾燥工程Ｓ５を具備する。
また、本実施形態のジオポリマー成型体製造システム２０は、後述する混合物条件を満たすように、ジオポリマー原料を破砕する破砕手段２１と、破砕したジオポリマー原料と必要な添加物とを加熱しながら混合して混合物を得る加熱混合手段２２と、混合物を圧縮して圧縮混合体を作製する圧縮手段２３と、圧縮混合体を養生する養生手段２４と、養生後の圧縮混合体を乾燥させる乾燥手段２５を具備する。
まず、破砕工程Ｓ１について説明する。破砕工程Ｓ１では、ジオポリマー原料がより均一に混ざることができるよう、混合前のジオポリマー原料を破砕手段２１によって破砕する。
ここで、ジオポリマー原料とは、ジオポリマー成型体を構成する材料であり、少なくとも固化材１およびアルカリ刺激剤２を含有する。また、ジオポリマーとは、アルミニウム（Ａｌ）およびケイ素（Ｓｉ）などを主成分とする非晶質材料の重合体（ポリマー）をいう。
固化材１としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）およびケイ素（Ｓｉ）を含む化合物（以下、「アルミナシリカ」とする。）を用いることができる。アルミナシリカとしては、例えば、メタカオリン、高炉スラグ、焼却灰、飛灰（フライアッシュを含む）、ゼオライト、モルデナイト、シリカフューム、非晶質の二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムなどがある。なお、フライアッシュとは、微粉砕した石炭を燃焼した後に捕集された飛灰であって、製品として管理されるものをいう。以下、固化材１を第１の物質とも呼称する。
アルカリ刺激剤２としては、例えば、アルカリ性の水酸化物やアルカリ性のケイ酸塩を用いることができる。アルカリ性の水酸化物としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウムなどがある。また、ケイ酸塩としては、例えば、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸ルビジウム、ケイ酸セシウムなどがある。
なお、ケイ酸塩には、オルト、メタなど様々な化学形態のものが存在するが、特定の化学形態に限定されることなく何れの化学形態のケイ酸塩であってもアルカリ刺激剤２として採用することができる。また、アルカリ性の水酸化物やアルカリ性のケイ酸塩に、さらにアルミン酸塩を添加したものもアルカリ刺激剤２として採用することができる。以下、アルカリ刺激剤２を第２の物質とも呼称する。
水分提供材３は、水分子を含む物質（水和物）を持つ化合物として、例えば、アルカリ性のケイ酸塩の水和物（ケイ酸塩水和物）、アルカリ性のアルミン酸塩の水和物（アルミン酸塩水和物）等のアルカリ性の水和物を含む化合物や硫酸ナトリウム１０水和物等の中性の水和物を含む化合物を用いることができる。以下、水分提供材３を第３の物質とも呼称する。
水分提供材３は、ポリマー化反応の観点からすれば、アルカリ性の水和物を含む化合物または融点が１００℃以下となる水和物（以下、「低融点水和物」とする。）を含む化合物が好ましく、アルカリ性の低融点水和物を含む化合物がより好ましい。また、水分提供材３は、アルカリ性の低融点水和物を含む化合物のうち、融点が混合物８を調製する際の温度よりも高いこと、すなわち加熱混合工程において完全に融解しないものが好ましい。
アルカリ性の水和物を含む化合物としては、例えば、アルカリ性のケイ酸塩水和物およびアルカリ性のアルミン酸塩水和物がある。ケイ酸塩水和物としては、例えば、ケイ酸リチウム水和物、メタケイ酸ナトリウム九水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ）等のケイ酸ナトリウム水和物、四ケイ酸カリウム一水和物等のケイ酸カリウム水和物、ケイ酸ルビジウム水和物、ケイ酸セシウム水和物等がある。アルミン酸塩水和物としては、例えば、アルミン酸リチウム水和物、アルミン酸ナトリウム水和物、アルミン酸カリウム三水和物等のアルミン酸カリウム水和物、アルミン酸ルビジウム水和物、アルミン酸セシウム水和物等がある。
低融点水和物としては、例えば、メタケイ酸ナトリウム九水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ：融点４８℃）やメタケイ酸ナトリウム五水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・５Ｈ２Ｏ：融点７２℃）等がある。
破砕工程Ｓ１では、上述した固化材１、アルカリ刺激剤２、水分提供材３を破砕、粉砕機等から成る破砕手段２１で破砕し、破砕後固化材４、破砕後アルカリ刺激剤５、破砕後水分提供材６を調製する。以下、破砕後固化材４を第４の物質、破砕後アルカリ刺激剤５を第５の物質、破砕後水分提供材６を第６の物質とも呼称する。
加熱混合工程Ｓ２では、少なくとも破砕後固化材４および破砕後アルカリ刺激剤５を含み、かつ破砕後水分提供材６を含むことを条件とする混合物条件を満たす混合物を周囲に温度調整が成される加熱器が設けられた混合器等による加熱混合手段２２によって調製する。
上述した混合物条件を満たす混合物は、ジオポリマー原料が水和物を持つ化合物を含んでいるか否か、より具体的には、アルカリ刺激剤２が水分提供材３を含むアルカリ刺激剤（以下、「結晶水含有アルカリ刺激剤」とする。）２ａであるか水和物を持つ化合物を含まないアルカリ刺激剤（以下、「結晶水不含アルカリ刺激剤」とする。）２ｂかによって混合に必須となる物質が異なる。
上述した混合物条件について、より詳細に説明すれば、第１の条件として「アルミニウムおよびケイ素を含むこと」、第２の条件として「アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むこと」および第３の条件として「水和物を持つ化合物を含むこと」の三つの条件を満たす場合に混合物条件を満たす。
結晶水含有アルカリ刺激剤２ａを含むジオポリマー原料が加熱混合される場合、結晶水含有アルカリ刺激剤２ａは、上記第１〜３の条件のうち、第２の条件および第３の条件の二つの条件を満たすので、第１の条件を満たす固化材１と第２の条件および第３の条件を満たす結晶水含有アルカリ刺激剤２ａとを破砕した後に混合しさえすれば、必ずしもジオポリマー原料とは別に第３の条件を満たす水分提供材３をさらに加える必要はない。すなわち、破砕工程Ｓ１および加熱混合工程Ｓ２において、結晶水含有アルカリ刺激剤２ａとは別の水分提供材３の添加を省略することができる。
一方、結晶水不含アルカリ刺激剤２ｂを含むジオポリマー原料を破砕した後に混合する場合、結晶水不含アルカリ刺激剤２ｂは、第２の条件のみを満たす一方、第３の条件を満たさないので、水分提供材３を含む混合物を調製するためには、第１の条件を満たす固化材１および第２の条件を満たす結晶水不含アルカリ刺激剤２ｂに加えて、第３の条件を満たす水分提供材３を別途加えることが必須となる。
上述した水分提供材３のうち、アルカリ性のケイ酸塩水和物およびアルカリ性のアルミン酸塩水和物は、それぞれ、アルカリ刺激剤２として適用可能な、アルカリ性のケイ酸塩の水和物およびアルカリ性のアルミン酸塩の水和物である。すなわち、アルカリ性のケイ酸塩水和物およびアルカリ性のアルミン酸塩水和物は、アルカリ刺激剤２を兼ねる水分提供材３、または水分提供材３を兼ねるアルカリ刺激剤２といえる。
従って、本実施形態においては、アルカリ性のケイ酸塩水和物およびアルカリ性のアルミン酸塩水和物を、単なる水分提供材３ではなく、水分提供材３を兼ねるアルカリ刺激剤２（結晶水含有アルカリ刺激剤２ａ）として適用することができる。
また、加熱混合工程Ｓ２では、粉砕可能な固体をジオポリマー原料に添加することができる。粉砕可能な固体とは、例えば、水浄化の際に用いられた放射性核種吸着剤であるものとする。その他、粉砕可能な固体などからなる様々な廃棄物もジオポリマー原料に混合させることができる。ジオポリマー原料に添加する粉砕可能な固体などからなる様々な物質を、被固化材７または第７の物質と呼称する。
以下、加熱混合工程Ｓ２で得られる、破砕後結晶水含有アルカリ刺激剤５ａを含むジオポリマー原料と、または破砕後結晶水不含アルカリ刺激剤５ｂを含むジオポリマー原料および破砕後水分提供材６と、被固化材７等とを混合して調製した混合物を混合物８と呼称する。なお、被固化材７を混合しない場合、破砕後結晶水含有アルカリ刺激剤５ａを含むジオポリマー原料を混合して調製した混合物、または破砕後結晶水不含アルカリ刺激剤５ｂを含むジオポリマー原料および破砕後水分提供材６を混合して調製した混合物を混合物８と呼称する。
次に、圧縮工程Ｓ３について説明する。圧縮工程Ｓ３は、混合物８を型枠等内に入れて圧縮機で一定形状に圧縮成型させる圧縮手段２３によって成型し圧縮する工程である。圧縮工程Ｓ３で圧縮手段２３によって圧縮および成型された混合物８を圧縮混合体９と呼称する。破砕後固化材４および破砕後アルカリ刺激剤５を含む混合物８が加圧成型された圧縮混合体９は、破砕後固化材４と破砕後アルカリ刺激剤５とが密着するので、加圧成型を行わない場合と比べてより反応が進み易い状態を作ることができる。
圧縮手段２３で混合物８に印加される圧力は、形態を安定させるために高密化させて圧縮混合体９を生成する観点から、約１メガパスカル［ＭＰａ］以上の圧力に設定される。圧力の上限値は、技術的に可能な範囲の上限値である。
次に、養生工程Ｓ４について説明する。養生工程Ｓ４は圧縮混合体９を養生してポリマー化反応を進行させる工程である。圧縮混合体９は、人為的に手を加えなくても、雰囲気中の湿分（水分）を吸収する等して圧縮混合体９内にジオポリマー反応の反応場が形成され、ジオポリマー反応が自然に進むが、圧縮混合体９周囲の雰囲気の温度等、圧縮混合体９周囲の環境を空調機等を有する養生室（図示せず）から成る養生手段２４によって調整することで、圧縮混合体９に内在する水和物を融解してさらなる反応場が形成され、ポリマー化反応を促進させることができる。ポリマー化反応が進んだ圧縮混合体９を養生後成型体１０と呼称する。
次に、乾燥工程Ｓ５について説明する。乾燥工程Ｓ５は養生後成型体１０中の水分を蒸発させる工程である。人為的に手を加えなくても、養生後成型体１０の乾燥は自然に進むが、養生後成型体１０周囲の雰囲気の温度等、養生後成型体１０周囲の環境を乾燥機が配置された乾燥室（図示せず）から成る乾燥手段２５で調整することで、乾燥を促進させることができる。ポリマー化が十分に進み、任意の含水率を満たした養生後成型体１０をジオポリマー成型体１１と呼称する。
なお、養生工程Ｓ４と乾燥工程Ｓ５は厳密に区別されない場合もある。養生工程Ｓ４で圧縮混合体９内のポリマー化反応が進んだ後、特に周囲の条件を変えることなく、水分の蒸発が進み、ジオポリマー成型体１１となることも考えられる。
また、加熱混合工程Ｓ２ではジオポリマー原料とは別に水を加えていないため、従来のジオポリマー成型体製造方法で得られるジオポリマー原料と水との混合物に対して混合物８の水分量はかなり低く、圧縮混合体９および養生後成型体１０中の水分量も低くなる。従って、養生工程Ｓ４で養生後成型体１０に残存する水分が十分に低い場合、すなわち養生工程Ｓ４で内部の水分が十分に蒸発している場合には乾燥工程Ｓ５を省略することができる。水の残存が問題にならない場合にも、乾燥工程Ｓ５を省略することができる。
また、圧縮工程Ｓ３を経た圧縮混合体９は、ジオポリマー化が進んでいないものの、用途によっては十分な強度を有している場合がある。そのため、圧縮混合体９の段階で、例えば、建材や廃棄物固化体として搬出される場合がある。しかし、搬出中や設置中にジオポリマー化は進んでおり、養生工程Ｓ４は行われているものと考えられる。すなわち、ジオポリマー成型体１１を成型する過程で、人為的に養生工程Ｓ４を設けなくても、加熱混合工程Ｓ２および圧縮工程Ｓ３を経た圧縮混合体９は、自然に養生工程Ｓ４を経ることとなり、ジオポリマー成型体１１となる。
このように、ジオポリマー成型体製造方法（ステップＳ１〜ステップＳ５）では、ジオポリマー反応の反応場を形成するための水分として、水和物を含む化合物を用いることにより、水を加えなくてもジオポリマー反応を進行させてジオポリマー成型体１１（養生後成型体１０）を製造することができる。
また、水を加えずに混合物８を調製するので、従来のジオポリマー成型体製造方法に対して、混合物８がスラリー化せず、混合物８が混合時に攪拌翼に付着したり、移送時に配管等に詰まったりといったトラブル発生やこれらのトラブル発生を考慮した点検作業の頻度を低減できる。従って、従来のジオポリマー成型体製造方法等において発生していたトラブルシューティングや点検作業に要する時間が低減され、ジオポリマー成型体１１（養生後成型体１０）の製造効率を高めることができる。
また、アルカリ刺激剤２として、水和物を含む化合物である結晶水含有アルカリ刺激剤２ａを用いることにより、水の添加が不要になるだけでなく、混合物８の調製に必要な物質の数を低減することができる。さらに、結晶水含有アルカリ刺激剤２ａをアルカリ刺激剤２として用いることで、圧縮混合体９に水分を均一に分散させることができるので、内在する水和物を融解してジオポリマー反応を開始させ、均質なジオポリマー成型体１１（養生後成型体１０）を得ることができる。
次に、本実施形態に係るジオポリマー成型体製造方法を適用してジオポリマー成型体１１を製造した実施例について説明する。
（実施例）
固化材１としてメタカオリン（平均粒径１．３マイクロメートル［μｍ］）を、アルカリ刺激剤２として水分提供材３を兼ねる結晶水含有アルカリ刺激剤２ａであるメタケイ酸ナトリウム九水和物を使用した。具体的には、メタカオリン４０．０ｇとメタケイ酸ナトリウム九水和物３２．０ｇとを破砕後、加熱しながら混合することで、混合物８（混合粉体）を調製した。
続いて、得られた混合物８としての混合粉体２０．０ｇを分取して、直径３０ミリメートル（３０ｍｍφ）の型枠に入れ、成型圧力２０．０ＭＰａで１０分間の圧縮成型を行い、型枠から混合物８を脱型した。脱型した混合物８は形状を安定的に維持可能な成型体となっており、圧縮混合体９を得ることができた。
続いて、型枠から脱型した圧縮混合体９を養生室に入れ、気温６０℃の条件で７日間養生を行った。
続いて、養生後成型体１０であるジオポリマー成型体１１について、一軸圧縮強度を計測した。なお、本実施例では、乾燥工程を省略している。
実施例において、一軸圧縮強度の結果は１９．８６ＭＰａとなり、セメント固化体に要求される一軸圧縮強度１．４７ＭＰａに対して十分な一軸圧縮強度を有するジオポリマー成型体１１を得ることができた。
（比較例）
固化材１としてメタカオリン（平均粒径１．３マイクロメートル［μｍ］）を、アルカリ刺激剤２として水分提供材３を兼ねる結晶水含有アルカリ刺激剤２ａであるメタケイ酸ナトリウム九水和物を使用した。具体的には、メタカオリン４０．０ｇとメタケイ酸ナトリウム九水和物３２．０ｇとを混合し、混合物８（混合粉体）を調製した。
続いて、得られた混合物８としての混合粉体２０．０ｇを分取して、直径３０ミリメートル（３０ｍｍφ）の型枠に入れ、成型圧力２０．０ＭＰａで１０分間の圧縮成型を行い、型枠から混合物８を脱型した。脱型した混合物８は形状を安定的に維持可能な成型体となっており、圧縮混合体９を得ることができた。
続いて、型枠から脱型した圧縮混合体９を養生室に入れ、気温６０℃の条件で７日間養生を行った。
続いて、養生後成型体１０であるジオポリマー成型体１１について、一軸圧縮強度を計測した。なお、本実施例では、乾燥工程を省略している。
比較例において、一軸圧縮強度の結果は２．３３ＭＰａとなり、セメント固化体に要求される一軸圧縮強度１．４７ＭＰａを上回る一軸圧縮強度を有するジオポリマー成型体１１を得ることができた。
実施例と比較例の結果から、破砕工程Ｓ１及び加熱混合工程Ｓ２を実施することで、養生後成型体１０であるジオポリマー成型体１１の一軸圧縮強度が飛躍的に向上することが分かった。破砕工程Ｓ１にて原料の粒径を小さくすることで、原料同士がより混ざりやすくなり、混合物全体に均一に水和物を持つ化合物を分布させることができる。さらに、加熱混合工程Ｓ２において加熱しながら混合することで、圧縮混合体とした際に原料同士をより密着させることができる。これらの効果により、実施例は比較例よりも一軸圧縮強度が向上したものと考えられる。
次に、実施例に係るジオポリマー成型体１１の分析結果として、Ｘ線回折法による計測結果（Ｘ線回折パターン）を説明する。
図２は、実施例で調製した混合物８（粉体）のＸ線回折法による計測結果（Ｘ線回折パターン）を示す説明図であり、図３は、実施例で最終的に得られた成型体（ジオポリマー成型体１１）を粉砕した粉砕物のＸ線回折法による計測結果（Ｘ線回折パターン）を示す説明図である。
図２に示される粉末Ｘ線回折法による分析結果によれば、混合物条件を満たす混合物８（粉体）のＸ線回折スペクトルに、混合物８に結晶性化合物として存在するメタケイ酸ナトリウム九水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ）のピークが現れていることが確認できた。つまり、混合物条件を満たす混合物８では、ポリマー反応はまだ進行しておらず、混合物８、すなわち破砕後固化材４および破砕後結晶水含有アルカリ刺激剤５ａが単に混在した状態であることが確認できた。
一方、図３に示される粉末Ｘ線回折法による分析結果によれば、最終的に得られた成型体（ジオポリマー成型体１１）のＸ線回折スペクトルには、結晶性化合物としてのメタケイ酸ナトリウム九水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ）のピークを確認できず、混合物８では確認できたピークが消失していることが確認できた。つまり、実施例で最終的に得られた成型体では、結晶性化合物としてのメタケイ酸ナトリウム九水和物（Ｎａ２ＳｉＯ３・９Ｈ２Ｏ）が非晶質化しており、ポリマー反応が進行した状態である。すなわち、ジオポリマー成型体１１が形成されたことがわかる。
なお、図２および図３に示した結果は、実施例に係る混合物８およびジオポリマー成型体１１の分析結果であるが、本出願人は比較例についても、実施例と同様の分析結果が得られることを確認している。
また、実施例および比較例に係る固化材１としてはメタカオリンを、アルカリ刺激剤２としては水分提供材３を兼ねる結晶水含有アルカリ刺激剤２ａであるメタケイ酸ナトリウム九水和物を使用しているが、少なくとも第１の条件および第２の条件を満たす物質であれば、その他の物質でも同様にジオポリマー成型体１１が得られる。
以上、上述したジオポリマー成型体製造方法を適用すれば、ジオポリマー原料等をスラリー化させることなくジオポリマー成型体を作製することができる。そのため、製造システム等への付着によるメンテナンスの頻度が低減し、製造効率の低下を防ぎ、ジオポリマー成型体を製造することができる。
また、ジオポリマー成型体１１に放射性廃棄物が含まれる場合、放射線分解された水から発生する水素による爆発を防ぐため、ジオポリマー成型体１１に内在する水分を蒸発させなければならない。上述したジオポリマー成型体製造方法によれば、水を加えずに水和物を持つ化合物を加えることで、反応場を形成するための水分量をごく少量に抑えられるため、乾燥工程にかかる時間を短縮でき、場合によっては乾燥工程を省略することも可能である。従って、従来よりも水分除去処理に要するエネルギーや時間を抑えることができる。
さらに、結晶水含有アルカリ刺激剤２ａを用いることで、反応場を形成するための混合物８を、水分提供材３を別途添加することなく、固化材１と結晶水含有アルカリ刺激剤２ａとを破砕後、加熱混合して調製することができる。従って、より少ない材料でジオポリマー成型体１１を製造することができる。
なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することができる。本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更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ともに、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。
１…固化材（第１の物質）、２…アルカリ刺激剤（第２の物質）、２ａ…結晶水含有アルカリ刺激剤、２ｂ…結晶水不含アルカリ刺激剤、３…水分提供材（第３の物質）、４…破砕後固化材（第４の物質）、５…破砕後アルカリ刺激剤（第５の物質）、６…破砕後水分提供材（第６の物質）、７…被固化材（第７の物質）、８…混合物、９…圧縮混合体、１０…養生後成型体、１１…ジオポリマー成型体、２０…ジオポリマー成型体製造システム、２１…破砕手段、２２…加熱混合手段、２３…圧縮手段、２４…養生手段、２５…乾燥手段、Ｓ１…破砕工程、Ｓ２…加熱混合工程、Ｓ３…圧縮工程、Ｓ４…養生工程、Ｓ５…乾燥工程。

Claims (13)

  1. アルミニウムおよびケイ素を含む第１の物質、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含む第２の物質および水和物を持つ化合物を含む第３の物質から、アルミニウムおよびケイ素を含むことを条件とする第１の条件、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むことを条件とする第２の条件および水和物を持つ化合物を含むことを条件とする第３の条件を全て満たす混合物を、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を破砕する破砕工程と、
    この破砕工程によって第１の物質および第２の物質を破砕した第４の物質および第５の物質を用いて加熱しながら混合する加熱混合工程と、
    前記混合物を圧縮成型し圧縮混合体とする圧縮工程と、
    前記圧縮混合体を養生する養生工程と、
    を有することを特徴とするジオポリマー成型体製造方法。
  2. 前記圧縮工程において、粉砕可能な固体である第７の物質をさらに添加して前記圧縮混合体とする請求項１に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  3. 前記第７の物質は、使用済みの放射性核種吸着剤である請求項２に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  4. 前記養生工程は、養生時の温度が、前記混合物に含まれる水和物の融点以上の温度である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  5. 前記養生工程の後に前記圧縮混合物を乾燥する乾燥工程を有する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  6. 前記第１の物質は、メタカオリン、高炉スラグ、焼却灰、飛灰、ゼオライト、シリカフューム、非晶質の二酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよび水酸化アルミニウムのうち少なくとも何れか１つを含む請求項１乃至５のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  7. 前記第２の物質は、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウム、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸ルビジウムおよびケイ酸セシウムのうち少なくとも何れか１つを含む請求項１乃至６のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  8. 前記第２の物質は、前記第２の条件と前記第３の条件を満たす、アルカリ性のケイ酸塩の水和物である請求項１乃至７のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  9. 前記第３の物質は、アルカリ性のケイ酸塩水和物、アルカリ性のアルミン酸水和物および中性又は酸性の水和物から選択される少なくとも何れか一つを含む請求項１乃至８のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  10. 前記混合物に含まれる水和物は、融点が０℃以上１００℃以下の低融点水和物である請求項１乃至９のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  11. 前記混合物に含まれる水和物は、前記アルカリ性のケイ酸塩の水和物を含む水和物であって、ケイ酸リチウム水和物、ケイ酸ナトリウム水和物、ケイ酸カリウム水和物、ケイ酸ルビジウム水和物およびケイ酸セシウム水和物から選択される少なくとも何れか一つを含む請求項１０に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  12. 前記混合物を圧縮する圧力は、少なくとも１ＭＰａである請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のジオポリマー成型体製造方法。
  13. アルミニウムおよびケイ素を含む第１の物質、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含む第２の物質および水和物を持つ化合物を含む第３の物質から、アルミニウムおよびケイ素を含むことを条件とする第１の条件、アルカリ性の水酸化物およびアルカリ性のケイ酸塩のうち少なくとも何れか一方を含むことを条件とする第２の条件および水和物を持つ化合物を含むことを条件とする第３の条件を全て満たす混合物を、少なくとも前記第１の物質および前記第２の物質を破砕する破砕手段と、
    この破砕手段によって第１の物質および第２の物質を破砕した第４の物質および第５の物質を用いて加熱しながら混合する加熱混合手段と、
    前記混合物を圧縮成型し圧縮混合体とする圧縮手段と、
    前記圧縮混合体を養生する養生手段と、
    を有することを特徴とするジオポリマー成型体製造システム。
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