JP5860503B2 - 迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの製造方法 - Google Patents

迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、放射性物質の吸着用材料の分野に関し、特に、迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの製造方法に関する。
現在、セシウム(Cs)吸着材料は主に、AMP−PAN樹脂、CuFeCN樹脂及び天然鉱物等があり、その特徴は吸着が緩慢であり、平衡時間が長く、吸着効率が低いため、環境モニタリングにおける吸着率の測定に用いられている。一個のサンプルの処理時間は約10時間で、吸着処理水サンプルの体積は何十リットルのレベルにある。
原子力廃水濃集吸着Csの研究材料として採用されているものに、AMP、CuFeCN、ゼオライド、カオリン、珪藻土、鉄鉱石等が含まれている。これら材料はいずれも、時間がかかり、吸着容量が小さく、吸着率が40〜95%であるという特徴がある。そのため、既存のセシウム(Cs)吸着材料は全て吸着率が低く、吸着流量が小さい欠点が存在し、吸着材料の多くは、吸着率が95%以下であり、吸着時間が長く、流速が小さい。吸着平衡は何十時間もかかるため、迅速、高効率が要求される場合に適切でない。
例えば、2011年3月11日の福島原子力事故が発生した後、アメリカWHOIは、mid−July 2011西太平洋福島原子力事故放射性影響による国際協力調査を行い、その際、K.Buesseler等はAMP−PAN樹脂を使用した。その吸着率は95%、海水のサンプル流速は約35ml/min、20Lの海水サンプル処理の所要時間は約600分間であり、吸着柱の利用を通じて船上現場の操作を実現したが、かなり時間がかかったため、やむを得ず、吸着柱を通した海水中に残った安定化Csの測定を通じて、ICP−MS法にて吸着柱の吸着率を確定した上で、海水サンプルにおける放射性Csを正確に算出せざるを得なかった。
国際原子力機関(International Atomic Energy Agency−IAEA)の既存の海洋放射性測定技術によれば、大量の海水サンプルを採集して陸上の基地試験室に運び、分析及び測定を行う必要がある。
既存のセシウム(Cs)吸着材料は、速度が遅く、効率も低い現状が続いている。
既存技術の問題点に対して、本発明は迅速、高効率なセシウム(Cs)吸着フィルターの製造方法を提供することを目的とする。本発明は具体的には、下記の手順が含まれる。
1)基質材料の改変:
基質材料100重量%中、1〜3重量%の結合剤及び1〜10重量%のリンモリブデン酸アンモニウムを基質材料に添加し、160〜220℃まで加熱して均一に混合し、基質材料とリンモリブデン酸アンモニウムを十分に結合させる;
2)フィルターのメルトブロー成形:
前記工程1)により得られた材料を、5μmの細孔を経由して吐糸し、回転させた円筒状のフレーム素材上に5〜50mm厚みの吸着フィルターを形成する;
3)フィルターのコーティング:
前記工程2)により得られた吸着フィルターの表面に均一に、リンモリブデン酸アンモニウムを塗布し、表面に新規に塗布したリンモリブデン酸アンモニウムと基質材料内のリンモリブデン酸アンモニウムとを十分に結合させる;及び
4)フィルターの安定化及びエージング処理:
前記工程3)により得られたフィルターを80〜120℃で3〜12時間加熱することにより、安定化及びエージング処理を行い、迅速、高効率なセシウム吸着フィルターを得る。
上記の方法では、前記工程1)における前記結合剤として、メタクリル酸メチル又はスチレンが挙げられる。
上記の方法では、前記工程2)におけるフレーム素材として、内径(交称粒径)が5μmである中空ポリプロピレンメルトブロー管が挙げられる。
上記の方法では、前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1〜10質量%となった後に、10〜95℃、pH=1〜5、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、リンモリブデン酸アンモニウムが溶離せず、表面に新規にコーティングされたAMPの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄することが挙げられる。
上記の方法では、前記工程1)において、前記基質材料がPPであり、前記結合剤が2重量%のメタクリル酸メチルであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は5重量%であり、加熱温度は190℃であり;
前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋状の円筒形のフレーム素材に30mm厚みの吸着フィルターを形成し;
前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1質量%となった後に、95℃、pH=1、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄することが挙げられる。
上記の方法では、前記工程1)において、前記基質材料がPESであり、前記結合剤が3重量%のスチレンであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は10重量%であり、加熱温度は220℃であり;
前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋状の円筒形のフレーム素材に50mm厚みの吸着フィルターを形成し;
前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1質量%となった後に、95℃、pH=1、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄することが挙げられる。
上記の方法では、前記工程1)において、前記基質材料がPPであり、前記結合剤が2重量%のメタクリル酸メチルであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は5重量%であり、加熱温度は190℃であり;
前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋上の円筒形のフレーム素材に30mm厚みの吸着フィルターを形成し;
前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が5質量%となった後に、55℃、pH=3、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄することが挙げられる。
本発明の方法により製造した迅速、高効率なセシウム吸着フィルターは、良好的な透水性があり、酸化、100℃以下の温水の長期浸潤及び放射線分解に耐え、安定な吸着性能を示し、10分以内に海水サンプルの処理が完了し、AMP−PAN樹脂の10時間の処理時間より遥かに迅速である。また、流速が4L/minに達し、吸着率が99.9%9より高いため、安定化セシウムの測定による吸着率の確定を行う必要がない。
本発明のサンプル01の海区表層モニタリングのCs吸着フィルターγ分光図である。 本発明のサンプル03の中国近海表層海水におけるセシウム吸着フィルターγ分光図である。 標準137Cs(118.3Bq)の吸着フィルターγ分光図である。 本発明における海洋放射性現場リアルタイムモニタリングシステムの工作原理案内図である。
図1、図2及び図3において、前半は後半の枠部分の拡大図である。
本発明が提供した迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの製造方法は、改変したPP又はPESを基質材料として、細孔の吐糸を行った上、円筒形のフレーム素材に吸着フィルターを形成し、また、AMPをコーティングすることである。以下の具体的な実施例を結合して詳細な説明を行う。下記の実施例は、本発明に対する更なる説明に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
実施例1
迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの具体的な製造方法は下記の通りである。
1)基質材料の改変:
基質材料PP(ポリプロピレン樹脂)に、基質材料に対して1重量%のメタクリル酸メチル及び1重量%のAMP(Ammonium Phosphomolybdate Trihydrate、リンモリブデン酸アンモニウム)を添加し、160℃まで加熱して均一に混合し、PPとAMPとを十分に結合させた。
2)フィルターのメルトブロー成形:
工程1)により得られた材料を5μmの細孔を経由して吐糸し、吐き出した糸は螺旋状の円筒状のフレーム素材に絡んで、5mm厚みの吸着フィルターを形成した。フレーム素材は中空のポリプロピレンメルトブロー管で、呼び粒径は5μmである。
3)フィルターのコーティング:
工程2)により得られた吸着フィルターの外表面に均一に、AMPをコーティングした。具体的な手順は、AMPを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1〜10質量%となった後に、10℃、pH=5、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで0.5mol/LのHNO溶液にて、HNOの洗浄液が澄んで、AMPを溶離しない程度まで洗浄し、表面に新規にコーティングされたAMPと基質材料内のAMPとを十分に結合させ、表面に新規にコーティングされたAMPの厚みを1μm以下とした。溶離したAMPはリサイクルした。
4)フィルターの安定化及びエージング処理:
工程3)により得られたフィルターを80℃で12時間の加熱することにより、安定化及びエージング処理を行って、セシウム吸着フィルターを得た。
実施例2
迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの具体的な製造方法は下記の通りである。
1)基質材料の改変:
基質材料PES(ポリエーテルスルホン樹脂、Poly ether sulfones)に、基質材料に対して3重量%のスチレン及び10重量%のAMPを添加し、220℃まで加熱して均一に混合し、PESとAMPとを十分に結合させた。
2)フィルターのメルトブロー成形:
工程1)により得られた材料を5μmの細孔を経由して吐糸し、吐き出した糸は螺旋状の円筒状のフレーム素材に絡んで、50mm厚みの吸着フィルターを形成した。フレーム素材は中空のポリプロピレンメルトブロー管で、呼び粒径は5μmである。
3)フィルターの塗布:
工程2)により得られた吸着フィルターの表面に均一にAMPを塗布した。塗布の具体的な手順は、AMPを濃度0.5mol/Lのアンモニア水中に溶解させて、AMPの濃度が1質量%となった後に、95℃、pH=1、真空の条件で、工程2)により得られた吸着フィルターを上記溶液に1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNOの洗浄液が澄んでAMPが溶離しない程度まで洗浄し、表面に新規に塗布したAMPと基質材料内のAMPとを十分に結合させ、表面に新規に塗布したAMPの厚みを1μm以下にし、溶離したAMPをリサイクルすることである。
4)フィルターの安定化及びエージング処理:
工程3)により得られたフィルターを120℃で3時間加熱することにより、安定化及びエージング処理を行い、セシウム吸着フィルターを得た。
実施例3
迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの具体的な製造方法は下記の通りである。
1)基質材料の改変:
基質材料Pに、基質材料に対して2重量%のメタクリル酸メチル及び5重量%のAMPを添加し、190℃まで加熱して均一に混合し、PPとAMPとを十分に結合させた。
2)フィルターのメルトブロー成形:
工程1)により得られた材料を5μmの細孔を経由して吐糸し、吐き出した糸は螺旋状の円筒状のフレーム素材に絡んで、30mm厚みの吸着フィルターを形成した。フレーム素材は中空のポリプロピレンメルトブロー管で、呼び粒径は5μmである。
3)フィルターの塗布:
工程2)により得られた吸着フィルターの表面に均一にAMPを塗布した。塗布の具体的な手順は、AMPを濃度0.5mol/Lのアンモニア水中に溶解させて、AMPの濃度が1質量%となった後に、55℃、pH=3、真空の条件で、工程2)により得られた吸着フィルターを上記溶液に1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNOの洗浄液が澄んでAMPを溶離しない程度まで洗浄し、表面に新規に塗布したAMPと基質材料内のAMPとを十分に結合させ、表面に新規に塗布したAMPの厚みを1μm以下にし、溶離したAMPをリサイクルすることである。
4)フィルターの安定化及びエージング処理:
工程3)により得られたフィルターを100℃で7時間加熱することにより、安定化及びエージング処理を行い、セシウム吸着フィルターを得た。
本発明の方法を採用して製造されたフィルターは、原子力工学の放射性廃水処理及び応急処置、海水及び淡水における放射性Csの現場リアルタイムモニタリング、使用済燃料後処理放射性Cs濃集分離、又はCs塩化工程プロセスにおける濃集抽出分離に用いられる。下記は具体的な測定試験である:
実施例1〜3に記載の方法により製造されたフィルター(長さ100mm、フィルター外径60mm、内径25mm)を取って、それぞれ、サンプル01、02及び03の番号を付けた。
(1)サンプル01にて、迅速、高効率なセシウム吸着の海上現場測定を行った。
西太平洋のある海上に、自制携帯式海洋放射性現場リアルタイムモニタリングシステムを用い(測定システムは図4のとおりである。)、表層の海水を自動的に抽出し、本発明により得られたフィルターにて製作した吸着柱で、海水中の放射性Csを吸着した。モニタリングの基本情報を表1に示す。
サンプル01の吸着フィルターγ分光図は図1に示す通りである。
このデータはK.Buesselerの試験に比べ、鮮明な対比となる。K.Buesselerの現場海水におけるCsの富化プロセスでは、流速が35ml/minであるのに対し、本発明では2288ml/minである。また、K.Buesselerは10時間で20Lを処理したのに対し、本発明は1529Lほど富化し、吸着フィルターの134Cs、137Csの活量は0.3〜1.4Bqである。20Lの水サンプルに対して、これぐらいの活量レベルの海水の測定源の活量は0.04Bqレベルとしたが、活量の低いサンプルに対するγ分光の測定は非常に困難であり、γ分光機器の最低検出限度より低くなる可能性がある。本発明では、1529Lの海水を富化しても、γ分光の測定は6時間かかるだけであり、精密度は5〜12%であり、完全にモニタリング精度の標準を満足することができる。γ分光図から、サンプルにおいて明確に134Cs及び137Csを検出したことを判断できる。快速、高効率なCs吸着フィルターを用いずに、何十リットルもの海水を採集して、陸上に戻って、γ分光によりモニタリング区域の海水放射性汚染のレベルを分析することはほぼ実現できないことである。また、数が少ない場合であれば、何トンもの海水サンプルを採集して陸地に戻ったら、無理やりにできたが、分析と操作を行うなら、実現できないため、快速、高効率的なセシウム吸着フィルターの重要性は言うまでもない。水環境の放射性モニタリングは非常に複雑で疲労させる仕事であるが、快速、高効率なセシウム吸着フィルターにより、かなり楽になった。
(2)サンプル02にて、各流速における迅速、高効率なセシウム吸着の吸着率試験を行う。
40Lの海水を採取し、試験用のプラスチックバレルに入れて、1リットルの海水ごとに、1mlの塩酸を加える比例に従って酸処理した上で均一に混合してから、10mgのセシウムキャリアを加え、次いで、23.6Bq137Csを加え、海水サンプルを均一に混合した。その後、ステッピングモータのパルス周波数を予定の流速まで設定し、フィルターの吸着試験を行った。フィルターを経た海水に残留した137Csを、GB 6767−86の水中セシウム−137放射化学分析方法にて測定した。測定結果を表2に示す。
サンプル02の試験により、0.6L/minから、4.0L/minまでの各流速における液中の残留放射性137Csの濾過は、最低限度より低いことが分かった。測定最低限度により、Csの吸着率が99.9%より高く、セシウム吸着フィルターの吸着率が100%を達成できないことが予測できるため、正確に、その吸着率を測定するには、トレーサー137Csの活量レベルを高める必要がある。各流速において、水サンプルは吸着フィルターを一回通過するだけで、高い吸着率に達成できるため、完全に水環境現場の吸着要求が満足できる。
本発明の方法により調製したフィルターは、同類の吸着材料と比べて、極めて高い吸着性能を持つ。環境中の放射性モニタリングは、非常に時間がかかる仕事であるため、毎回の測定は少なくとも、何時間から何日間までの時間が必要で、現場で大体積の迅速、高効率な吸着を実現することは、環境モニタリング業界に対して、極めて重要なことである。
(3)サンプル03にて、中国近海表層海水における吸着モニタリング放射性Cs試験を行った。
流速を2320.8ml/min、吸着時間を180minに設定し、海水のサンプル量を417.7Lとした。137Csフィルターはγ分光の測定を経て、γ分光があったことを測定した(図2参照)。計算によると、近海表層海水における137Cs比放射能は1.15±0.14Bq/mとし、図3は標準137Cs(118.3Bq)吸着フィルターのγ分光図であり、標準の目盛を行うことに用いる。分光図の対比により、本特許のフィルターによる測定は、時間が少なく、精度が高いことが明確に分かった。
近海現場での海水濾過試験により、吸着海水体積が417リットル、分光測定時間が10時間で、分光が目立たなく、662keVγの特徴分光線が識別でき、その測定精度が13%であることが分かった。標準の137Cs(118.3Bq)フィルターにより、分光測定が1時間で、分光が目立ち、バックグランドを無視してもよく、標準のフィルターよりも測定精度がよほど高いことが分かった。従って、放射性測定において、測定源の活量が極めて重要な要因で、測定源の活量が低くても、本発明の方法により製造したフィルターにより、現場リアルタイムモニタリングを行うことができる。

Claims (7)

  1. 1)基質材料の改変:
    基質材料中、1〜3重量%の結合剤及び1〜10重量%のリンモリブデン酸アンモニウム(AMP)を基質材料に添加し、160〜220℃まで加熱して均一に混合し、基質材料とリンモリブデン酸アンモニウムを十分に結合させる;
    2)フィルターのメルトブロー成形:
    前記工程1)により得られた材料を、5μmの細孔を経由して吐糸し、回転させた円筒状のフレーム素材上に5〜50mm厚みの吸着フィルターを形成する;
    3)フィルターのコーティング:
    前記工程2)により得られた吸着フィルターの表面に均一に、リンモリブデン酸アンモニウム(AMP)を塗布し、表面に新規に塗布したリンモリブデン酸アンモニウム(AMP)と基質材料内のリンモリブデン酸アンモニウム(AMP)とを十分に結合させる;及び
    4)フィルターの安定化及びエージング処理:
    前記工程3)により得られたフィルターを、80〜120℃で3〜12時間加熱することにより安定化及びエージング処理を行い、迅速、高効率なセシウム吸着フィルターを得ること;
    を含む、迅速、高効率なセシウム吸着フィルターの製造方法。
  2. 前記工程1)における前記結合剤が、メタクリル酸メチル又はスチレンである、請求項1記載の方法。
  3. 前記工程2)におけるフレーム素材が、内径が5μmである中空ポリプロピレンメルトブロー管である、請求項1記載の方法。
  4. 前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1〜10質量%となった後に、10〜95℃、pH=1〜5、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、AMPが溶離せず、表面に新規にコーティングされたAMPの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄する、請求項1記載の方法。
  5. 前記工程1)において、前記基質材料がポリプロピレン樹脂(PPであり、前記結合剤が2重量%のメタクリル酸メチルであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は5重量%であり、加熱温度は190℃であり;
    前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋状の円筒形のフレーム素材に30mm厚みの吸着フィルターを形成し;
    前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1質量%となった後に、95℃、pH=1、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄する、請求項1記載の方法。
  6. 前記工程1)において、前記基質材料がポリエーテルスルホン樹脂(PESであり、前記結合剤が3重量%のスチレンであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は10重量%であり、加熱温度は220℃であり;
    前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋状の円筒形のフレーム素材に50mm厚みの吸着フィルターを形成し;
    前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が1質量%となった後に、95℃、pH=1、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄する、請求項1記載の方法。
  7. 前記工程1)において、前記基質材料がポリプロピレン樹脂(PPであり、前記結合剤が2重量%のメタクリル酸メチルであり、前記リンモリブデン酸アンモニウムの割合は5重量%であり、加熱温度は190℃であり;
    前記工程2)において、吹き出した糸は螺旋上の円筒形のフレーム素材に30mm厚みの吸着フィルターを形成し;
    前記工程3)において、リンモリブデン酸アンモニウムを濃度0.5mol/Lのアンモニア水溶液に溶解させ、リンモリブデン酸アンモニウムの濃度が5質量%となった後に、55℃、pH=3、真空の条件で、前記工程2)により得られた吸着フィルターを上記の溶液にて1時間ほど浸漬し、次いで、0.5mol/LのHNO溶液にて、HNO洗浄液が澄んで、表面に新規にコーティングされたリンモリブデン酸アンモニウムの厚みが1μm以下となる程度まで洗浄する、請求項1記載の方法。
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