JP5553136B2

JP5553136B2 - ベントナイト成形体の製造方法

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Publication number: JP5553136B2
Application number: JP2008127637A
Authority: JP
Inventors: 均中島
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: JP2009274910A

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などとして用いるベントナイト成形体の製造方法に関する。

例えば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。この際、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７及び図８に示すように、地下深部の比較的安定した地山Ｇ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や処分孔（以下、処分坑道２という）とからなる廃棄物埋設処分施設Ａを構築し、この廃棄物埋設処分施設Ａの処分坑道２内に処分される（例えば、特許文献１参照）。

また、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Ｇ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Ａ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Ｇと同等以上の低透水性の材料（埋め戻し材３）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３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。そして、このようなベントナイトを埋め戻し材３として使用した場合には、地山Ｇから処分坑道２に侵入した地下水が接触するとともにベントナイトが膨潤し地山Ｇを押圧することによってさらなる地下水の侵入を防止することができ、且つ膨潤に伴い埋め戻し材３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。

一方、ベントナイトを高密度にするほどに優れたバリア性能（低透水性）を発揮するため、処分坑道２に粉体のベントナイト（埋め戻し材３）を敷設するとともに振動ローラーなどの転圧機を用いて転圧したり、予めベントナイトを圧縮して成形した高圧縮ブロック（埋め戻し材３）を処分坑道２内に設置することが検討されている。

しかしながら、処分坑道２内に敷設した粉体のベントナイトを転圧機で転圧する場合には、例えば１〜２ｍ程度以上の転圧幅が必要になるため、狭い領域に敷設したベントナイトを所定の締固め度（密度）で好適に締め固めることができないおそれがある。また、高圧縮ブロックを設置する場合においても、施工規模が大きな低レベル放射性廃棄物埋設処分施設で一辺を１ｍ程度、施工規模が小さな高レベル放射性廃棄物埋設処分施設Ａでも一辺を１０ｃｍ程度以上として高圧縮ブロックが形成されるため、このような高圧縮ブロックを多数積み重ねて設置する際に多大な労力を要するという問題があった。

一方、ベントナイト原鉱石を破砕したベントナイト破砕材や、ベントナイトを板状に圧密成形し、この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ベントナイト成形体（ベントナイト粒状体）を埋め戻し材３として処分坑道２内に充填す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）。

なお、この種のベントナイト成形体は、処分坑道２のみならず、例えば坑道構築時に設置される覆工と地山Ｇの隙間、ロックボルトなどを設置するボーリング孔などに充填して、廃棄物埋設処分施設Ａ全体のバリア性能を確保するために用いることも可能である。
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

そして、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高密度で形成し、この高密度のベントナイト成形体を高充填率で充填（施工）する必要がある。例えば、ベントナイトが膨潤し均質化した状態で１．４Ｍｇ／ｍ^３以上の密度のベントナイト遮水層が必要な場合には、成形時の密度（乾燥密度）が２．０Ｍｇ／ｍ^３以上のベントナイト成形体を７０％以上の充填率（膨潤後の乾燥密度÷ベントナイト成形体の乾燥密度）で充填することが必要になる。

これに対し、ベントナイト原鉱石を破砕した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は、ベントナイトプレートを高密度で成形することが重要になるが、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。

本発明は、上記事情に鑑み、高密度で球形のベントナイト成形体を容易に製造することが可能な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。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明のベントナイト成形体の製造方法は、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、押し出し造粒によって湿潤状態のベントナイト成形体を成形する押し出し造粒工程と、前記押し出し造粒工程で成形した前記ベントナイト成形体を転動造粒によって略球形に成形する転動造粒工程と、前記転動造粒工程で成形した前記ベントナイト成形体から徐々に水分が抜けてベントナイトを乾燥させ、乾燥収縮によって乾燥密度が１．８Ｍｇ／ｍ ^３を上回るように高密度化させる中低温の温度で前記ベントナイト成形体を乾燥処理する乾燥工程とを備えていることを特徴とする。
ここで、中低温の温度とは、ベントナイト成形体から徐々に（ゆっくりと）水分が抜けてベントナイトを乾燥させつつ収縮させることが可能な温度であり、２０℃〜１１０℃の温度を示す。

ここで、転動造粒でベントナイト成形体を真球にすることは困難であるため、本発明において「略球形（略球形のベントナイト成形体）」とは、転動造粒で成形可能な範囲でベントナイト成形体の外面が滑らかな曲線で繋がりほぼ球形を呈した状態を意味する。

この発明においては、例えば所定の孔径の複数の押出孔が形成されたディスクダイを備える押し出し造粒機を用いて、押し出し造粒工程により湿潤状態の円柱状のベントナイト成形体を成形し、転動造粒機を用いて、転動造粒工程により湿潤状態のベントナイト成形体を略球形に成形することができる。そして、このように転動造粒工程で成形した湿潤状態で略球形のベントナイト成形体を、乾燥工程で乾燥収縮によって高密度化させるように乾燥することにより、確実に高密度のベントナイト成形体を製造することが可能になる。
これにより、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てベントナイト成形体を成形する従来の方法と比較し、大掛かりな装置を要することなく、大量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になる。
そして、この発明では、転動造粒工程で成形したベントナイト成形体を、乾燥工程でゆっくり乾燥させることにより、５０℃程度の中低温であっても１．８Ｍｇ／ｍ^３を上回る高密度のベントナイト成形体を製造することが可能になり、さらに２．０Ｍｇ／ｍ ^３以上の高密度のベントナイト成形体を製造することも可能になる。これにより、このベントナイト成形体を用いることで、ベントナイトが膨潤し均質化した状態で１．４Ｍｇ／ｍ^３以上の密度のベントナイト遮水層を形成することが可能になる。

本発明のベントナイト成形体の製造方法及びベントナイト成形体によれば、従来の製造方法のように高い圧力を使用したり、複雑な工程を要することなく、高密度で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になる。そして、このように製造した高密度で略球形の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理論的に約７５％の充填率で充填することが可能になり、例えば放射性廃棄物埋設処分施設の処分坑道を埋め戻す際の埋め戻し材などとして使用した場合に、確実にバリア性能に優れたベントナイト遮水層を形成することが可能になる。よって、超長期にわたって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でき、信頼性の高い廃棄物埋設処分施設にすることが可能になる。

また、押し出し造粒工程と転動造粒工程によってベントナイト成形体を略球形に容易に成形することが可能であるため、例えば押出孔の孔径が異なるディスクダイを用いることで容易に粒径が異なるベントナイト成形体を大量に製造することが可能になる。これにより、粒径が異なるベントナイト成形体を所定比率で混合して所定の空間に投入することで、充填率をさらに高めることが可能になり、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。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係るベントナイト成形体の製造方法及びベントナイト成形体について説明する。本実施形態は、放射性廃棄物を処分する廃棄物埋設処分施設Ａの処分坑道２の埋め戻し材３などとして用いられるベントナイト成形体の製造方法及びベントナイト成形体に関するものである。

図１に示すように、本実施形態のベントナイト成形体の製造方法においては、はじめに、粉体のベントナイトに所定量の水を加えて混ぜ合わせる。このとき、一般に粉体のベントナイトの含水比は７〜１０％程度であり、この含水比が例えば２５〜２８％程度になるようにベントナイトに水を加えて混ぜ合わせる。なお、粉体のベントナイトに所定量の水を加えて混ぜ合わせた状態の含水比は、必ずしも２５〜２８％程度に限定されるものではなく、使用するベントナイトの特性（ベントナイトの産地など）や成形する粒径などに応じて適宜調整される。すなわち、粉体のベントナイトに対し水分量が少ないと、後述の押し出し造粒工程で成形した湿潤状態のベントナイト成形体の中の空気量が多くなり、後述の転動造粒工程による造粒時にベントナイト成形体が球形に成形されず、粉々になってしまう。また、水分量が多いと、押し出し造粒工程や転動造粒工程で成形される多数のベントナイト成形体が付着して大きな粒子になり、ベントナイト成形体が落花生型になったり、大きな空気層を含んで（低密度で）成形されてしまう。このため、粉体のベントナイトに加える水量は、ベントナイトの特性や成形する粒径などに応じ、押し出し造粒工程や転動造粒工程でベントナイト成形体を所定の形状に成形可能な量とする。

そして、粉体のベントナイトと水を混練した段階で、例えば所定の孔径の複数の押出孔が形成されたディスクダイを備える押し出し造粒機を用いて、混練したベントナイトを押し出し造粒し、円柱状のベントナイト成形体を成形する（押し出し造粒工程）。このように押し出し造粒機を用いることによって、ディスクダイの押出孔の孔径に応じたほぼ同形同大の円柱状で湿潤状態のベントナイト成形体が大量に効率よく且つ容易に成形される。

ついで、押し出し造粒工程で成形された円柱状のベントナイト成形体を転動造粒機に供給し、転動造粒機で転動造粒することによりベントナイト成形体を略球形に成形する（転動造粒工程）。このとき、例えば、転動造粒機のドラムに多数のベントナイト成形体を供給し、このドラムを高速回転させることで、大量のベントナイト成形体が効率よく且つ容易に略球形に成形される。

ここで、押し出し造粒工程と転動造粒工程で略球形に成形した多数のベントナイト成形体は、押し出し造粒工程で使用するディスクダイの押出孔の孔径に応じてほぼ単一粒径で成形される。このため、例えば１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍなどの押出孔の孔径が異なるディスクダイを用い、各ディスクダイでそれぞれベントナイト成形体を成形することによって、容易に粒径が異なる略球形のベントナイト成形体を大量に成形することが可能である。

そして、上記のように湿潤状態で略球形に成形したベントナイト成形体を乾燥させる（乾燥工程）。このとき、例えば図２に示すように、温風５が流通し熱が強制対流する乾燥炉６内に転動造粒工程で成形したベントナイト成形体７を設けて（すなわちベントナイト成形体７を熱が強制対流する空気環境下に設けて）乾燥させる。あるいは、例えば図３に示すように、熱源８から発せられた熱９が自然対流する空気環境下にベントナイト成形体７を設けて乾燥させる。このように温風５を流通させて熱を強制対流させた空気環境下や熱９を自然対流させた空気環境下に設けられたベントナイト成形体７は、乾燥収縮によって高密度化される。

ここで、図４は、熱を強制対流させた場合の乾燥時間に対するベントナイト成形体７の含水比の変化を示したものである。また、図５は、熱９を自然対流させた場合の乾燥時間に対するベントナイト成形体７の含水比の変化を示したものである。そして、図４に示すように、熱を強制対流させた場合には、湿潤状態のベントナイト成形体７が、送風温度が４０〜５０℃にもかかわらず、６０分程度の乾燥時間で粉体のベントナイトと同等の含水比（７〜１０％程度）まで乾燥する。また、図５に示すように、熱９を自然対流させた場合には、湿潤状態のベントナイト成形体７が、５０℃で１４４０分程度（１日程度）、１１０℃でも２４０分程度の乾燥時間でゆっくりと乾燥する。

一方、図６は、図４で示した熱を強制対流させた場合と、図５で示した熱９を自然対流させた場合とでそれぞれ乾燥させたベントナイト成形体７の乾燥密度を示したものである。この図に示すように、５０℃以下の温度であれば、熱を強制対流させた場合でも、熱によって乾燥収縮して高密度化し、時間をかけずに乾燥密度が１．８Ｍｇ／ｍ^３を上回る高密度のベントナイト成形体７が製造される。一方、熱９を自然対流させた場合には、強制対流させた場合よりゆっくりと乾燥することで、より乾燥収縮が良好に起こり、乾燥密度が２．０Ｍｇ／ｍ^３程度の、さらに高密度のベントナイト成形体７が製造される。また、自然対流させた場合には、１１０℃の場合であっても、４０〜５０℃の強制乾燥の場合よりもゆっくりと乾燥するため、高密度のベントナイト成形体７が製造できる。このようにベントナイト成形体７を乾燥収縮によって高密度化する場合には、熱を強制対流させて乾燥することによって高密度のベントナイト成形体７を効率的に製造でき、熱９を自然対流させて乾燥することによってより高密度のベントナイト成形体７を製造することが可能になる。

そして、上記のように製造したベントナイト成形体７は、高密度で略球形に成形されているため、廃棄物埋設処分施設Ａの処分坑道２の埋め戻し材３として用いる際に、所定の空間に自由落下で投入するだけで理論的に約７５％の高充填率で充填され、ベントナイトが膨潤し均質化した状態で、確実にバリア性能に優れた高密度のベントナイト遮水層が形成される。

また、押し出し造粒工程で押出孔の孔径が異なるディスクダイを用いて粒径が異なるベントナイト成形体７を成形し、必要ないくつかの粒径のベントナイト成形体７を所定比率で混合して、この混合材料を所定の空間に投入することにより、充填率をさらに高くすることが可能になる。これにより、さらにバリア性能に優れたベントナイト遮水層が形成されることになる。

したがって、本実施形態のベントナイト成形体７の製造方法及びベントナイト成形体７においては、押し出し造粒工程によって湿潤状態の円柱状のベントナイト成形体７を成形し、転動造粒工程によって湿潤状態のベントナイト成形体７を略球形に成形することができる。そして、このように転動造粒工程で成形した湿潤状態で略球形のベントナイト成形体７を、乾燥工程で乾燥収縮によって高密度化させるように乾燥することにより、確実に高密度のベントナイト成形体７を製造することが可能になる。これにより、従来の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てベントナイト成形体を成形する方法と比較し、複雑な工程を要することなく、且つ大掛かりな装置を要することなく、大量のベントナイト成形体７を効率よく容易に製造することが可能になる。

また、転動造粒工程で成形したベントナイト成形体７を乾燥工程で乾燥させる際に、ベントナイト成形体７を熱９が自然対流する空気環境下に設けて乾燥することで、強制対流によってベントナイト成形体７を乾燥させる場合と比較し、ベントナイト成形体７をより高密度で製造することが可能になる。

そして、このように製造した高密度で略球形のベントナイト成形体７を、廃棄物埋設処分施設Ａの処分坑道２を埋め戻す際の埋め戻し材３などとして使用することにより、所定の空間に自由落下で投入するだけで理論的に約７５％の充填率で充填することが可能になり、確実にバリア性能に優れたベントナイト遮水層を形成することが可能になる。よって、超長期にわたって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でき、信頼性の高い廃棄物埋設処分施設Ａにすることが可能になる。

また、押し出し造粒工程と転動造粒工程によってベントナイト成形体７を略球形に容易に成形することが可能であるため、例えば押出孔の孔径が異なるディスクダイを用いることで容易に粒径が異なるベントナイト成形体７を大量に製造することが可能になる。これにより、粒径が異なるベントナイト成形体７を所定比率で混合して所定の空間に投入することで、充填率をさらに高めることが可能になり、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。

以上、本発明に係るベントナイト成形体の製造方法及びベントナイト成形体の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態では、乾燥炉６内を加熱し、転動造粒工程で略球形に成形した湿潤状態のベントナイト成形体７を熱の強制対流や自然対流によって乾燥するものとしたが、本発明は、略球形に成形した湿潤状態のベントナイト成形体７を乾燥収縮させて高密度化するように乾燥することが可能であれば、必ずしも乾燥炉６内にベントナイト成形体７を設けて乾燥しなくてもよい。

例えば、コスト的にベントナイト成形体７の製造時間が許容される場合には、自然乾燥でベントナイト成形体７を乾燥させるようにしてもよい。すなわち、転動造粒工程で成形した略球形で湿潤状態のベントナイト成形体７を室内もしくは野外に設け（水蒸気が自然対流する空気環境下に設け）、室内もしくは野外の空気とベントナイト成形体７の湿度差を利用してゆっくりとベントナイト成形体７を乾燥させるようにしてもよい。この場合においても、本実施形態のように熱９を自然対流させる場合と同様、乾燥収縮によってベントナイト成形体７が乾燥するため、高密度のベントナイト成形体７を製造することが可能である。

本発明の一実施形態に係るベントナイト成形体の製造方法を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係るベントナイト成形体の製造方法の乾燥工程において、熱を強制対流させた空気環境下にベントナイト成形体を設けた状態を示す図である。本発明の一実施形態に係るベントナイト成形体の製造方法の乾燥工程において、熱を自然対流させた空気環境下にベントナイト成形体を設けた状態を示す図である。熱を強制対流させた場合におけるベントナイト成形体の含水比の時間変化の一例を示す図である。熱を自然対流させた場合におけるベントナイト成形体の含水比の時間変化の一例を示す図である。熱を強制対流させた場合と熱を自然対流させた場合のベントナイト成形体の乾燥密度の一例を示す図である。廃棄物埋設処分施設を示す斜視図である。図７の廃棄物埋設処分施設の主要坑道及び処分坑道を示す斜視図である。

符号の説明

１主要坑道
２処分坑道
３埋め戻し材
５温風
６乾燥炉
７ベントナイト成形体
８熱源
９熱
Ａ廃棄物埋設処分施設

Claims

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、押し出し造粒によって湿潤状態のベントナイト成形体を成形する押し出し造粒工程と、
前記押し出し造粒工程で成形した前記ベントナイト成形体を転動造粒によって略球形に成形する転動造粒工程と、
前記転動造粒工程で成形した前記ベントナイト成形体から徐々に水分が抜けてベントナイトを乾燥させ、乾燥収縮によって乾燥密度が１．８Ｍｇ／ｍ ^３を上回るように高密度化させる中低温の温度で前記ベントナイト成形体を乾燥処理する乾燥工程とを備えていることを特徴とするベントナイト成形体の製造方法。