JP6009847B2 - 放射性物質に汚染された固形物の除染装置および除染方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射性セシウム等の放射性物質に汚染された瓦礫や木材の樹皮等の固形物の除染装置および除染方法の技術分野に関するものである。

一般に、原子力発電所等に設置される原子炉が損なわれることで放射性物質が大気中に拡散することが考えられ、このように拡散される放射性物質としては、ヨウ素１３１、セシウム１３４、セシウム１３７、ロジウム１０６、コバルト６０、ストロンチウム９０、ラジウム２２６、ウラン２３４、ウラン２３５、ウラン２３８、プルトニウム２３９に代表される。このような放射性物質の中でも大量に発生するセシウム１３４、セシウム１３７、ストロンチウム９０は、半減期が約３０年と長く問題となる。これら放射性物質の沸点は、セシウムが６７１℃、ストロンチウムが１３８２℃であってセシウムの沸点が低いことから、特に放射性セシウムが大気中に広範囲に拡散することが考えられる。
そして拡散した放射性セシウムは、森林内の木材、土砂の付着した小石や瓦の破片、破壊した建造物等の瓦礫、木材の樹皮（バーク）等の固形物に付着し、例えば該瓦礫からコンクリートの骨材を選択採取して建造物を建てた場合、該建造物は放射性物質により汚染されたものになるという問題があり、またこれら汚染した固形物を除洗しないかぎりは固形物の受け入れ先に搬送できないという問題があるだけでなく、放射性セシウムに汚染された固形物をそのまま放置しておくと、該付着した放射性セシウムが雨水によって河川などに流れ落ちると、放射性物質に汚染された環境水が海域へ流入し汚染が更に広がることが想定されるため、早期の浄化(除染)対策を講じる事により、放射性物質の拡散を防止し、被曝を防ぐ必要がある。
このような放射性物質を除去する手法として、金属やセラミックス、ゴム製品等の材料毎に分別後、各々の材料に適した除染方法で除染することが提唱されている（例えば特許文献１）。

特開２００１−２１６８７号公報

しかしながら、前記特許文献１のものは、原子力施設で発生した汚染物質を対象としているため、汚染物質は該施設内で除染するのに好ましいものに予め設定されており、原子炉の破損に伴い原子炉周辺や原子炉からの汚染物質拡散地域周辺に存在する固形物が放射性物質で汚染され、該汚染された固形物を除染しようとした場合、固形物の大きさや形状は不揃いであって、そのまま洗浄することは効率的ではなく、しかも、除染に用いた汚染水には、汚染された水だけでなく、汚染固形物（瓦礫に付着する固形物）が混在しており、これらを除去する手法については何ら提示しておらず、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、表面が放射性物質により汚染された固形物を除染する除染装置であって、該除染装置は、表面が放射性物質により汚染された固形物を破砕する破砕機と、該破砕された固形物を水洗浄し、放射線量が許容量以下になった固形物を大径のものから小径のものに順次汚染水から分離するため直列流路となるよう配された複数の洗浄機と、該最終の洗浄機を通過した微細な固形物を含む分離汚染水が供給されると共に、凝集剤が添加されて分離汚染水と凝集剤とを混合する混合反応槽と、前記混合した分離汚染水と凝集剤とを攪拌して微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを生成するする撹拌器と、該生成したフロックを含む汚染水が供給され、フロックを水から分離するため静置される静水槽と、該静置により分離した前記フロックを水から取出すフロック取出し機とを備えると共に、前記複数の洗浄機のうち、少なくとも最初の洗浄機に固形物の表面を研磨するための研磨材が投入されていることを特徴とする放射性物質に汚染された固形物の除染装置である。
請求項２の発明は、前記破砕機は、様々な大きさの固形物を１００ｍｍ以下になるように破砕するものであって、前記複数の洗浄機は、大きさが凡そ４０〜１００ｍｍの比較的大きな固形物を分離する第一の洗浄機と、大きさが凡そ１〜４０ｍｍの中程度の大きさの固形物を分離する第二の洗浄機と、大きさが凡そ０．０２〜１ｍｍの小さな固形物を分離する第三の洗浄機とが順次配されているものであることを特徴とする請求項１記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置である。
請求項３の発明は、放射性物質は少なくとも放射性セシウムであることを特徴とする請求項１または２記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置である。
請求項４の発明は、凝集剤にはゼオライトがさらに混入されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置である。
請求項５の発明は、表面が放射性物質により汚染された固形物を除染する除染方法であって、様々な大きさの固形物を破砕する破砕工程、直列流路となるよう配された複数の洗浄機を順次用いて該破砕された固形物を水洗浄することで、放射線量が許容量以下になった固形物を大径のものから小径のものへ順次汚染水から分離する固形物分離工程、該最終の洗浄機を通過した微細な固形物を含む分離汚染水と凝集剤とが混合されたものを攪拌することで前記微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを生成するフロック生成工程、該フロック生成工程で生成したフロックを含む汚染水が供給され、前記微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを水から分離するため静置される静置工程、該分離したフロックを水から取出すフロック取出し工程、前記複数の洗浄機のうち、少なくとも最初の洗浄機に固形物の表面を研磨するための研磨材を投入する研磨材投入工程と、を備えていることを特徴とする放射性物質に汚染された固形物の除染方法である。

請求項１〜５の発明とすることにより、放射性物質に汚染された瓦礫、木材樹皮等の固形物からの放射性物質を効率よく除去することができる。

本発明の実施の形態のフローチャート図である。 本発明の実施の形態のフローチャート図である。 本発明の実施の形態のフローチャート図である。

本発明を実施するにあたり、除染できる放射性物質としては、前述したヨウ素１３１、セシウム１３４、セシウム１３７、ロジウム１０６、コバルト６０、ストロンチウム９０、ラジウム２２６、ウラン２３４、ウラン２３５、ウラン２３８、プルトニウム２３９に代表され、本発明で除染するものとしては、これらの元素およびこれら元素を含む化合物について、不溶性のもの（これら不溶性のものは汚染水の中に微細粒子として懸濁している。）だけでなく、溶解してイオンとなっているものも含まれる。」
瓦礫や木材樹皮等の固形物を洗浄する洗浄水としては、水だけでなく加熱水（湯）を用いることができるが、このなかに必要において洗剤を混入してもよい。
また使用する凝集剤としては、硫酸アルミニウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カルシウム、炭酸アルミニウム、酸化カルシウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄、塩化第二鉄等の通常知られた無機凝集剤、さらにはアニオン性、ノニオン性、カチオン性等の通常知られた高分子凝集剤が例示され、これら凝集剤のなかから一種類、あるいは二種類以上のものが選択される。そして凝集剤は、放射性物質により汚染された汚染固形物質、水中に懸濁している非溶解性放射性物質をフロックの中に取り込むことで高い除染機能を担保することになる。
また凝集剤は、放射性物質だけでなく、ヒ素、鉛、カドミウム、水銀等の重金属だけでなく、木材や瓦礫の表面に付着していた固形物質のうち、分離しても依然として除染水中に混在する微細な固形物質も併せて凝集することができるため、これら重金属が混入する汚染水に用いることもでき、好適である。
この場合に、凝集剤には吸着剤であるゼオライトを含有していてもよい。そしてゼオライトは、凝集剤により凝集されてフロック化されることになり、分離回収が容易となる。
ゼオライトとしては天然ゼオライト、人工（合成）ゼオライトのいずれであってもよい。天然ゼオライトとしては、モルデナイト系とクリノプチロライト系に代表され、人工ゼオライトとしては、Ａ型、Ｘ型、Ｙ型に代表され、これらのなかから一種類、あるいは二種類以上を選択して採用することができる。そしてゼオライトは、汚染水に溶解している放射性物質を吸着する機能を有し、そして該吸着したゼオライトはフロックの中に取り込まれて除去されることになるため、高い除染機能を補佐するものとなる。
汚染水に凝集剤を添加後、急速に撹拌して混合を促進し、その後、穏やかに撹拌する操作をすることで放射性物質を含んだフロックを大きく成長させることができ、このフロックを大きく成長させる過程で、該フロック中に、水に溶解している溶解性放射物質および水中に懸濁している固形物や非溶解性放射性物質を効率よく取り込むことができる。

次に、本発明に係る装置について、実験室段階ではなく、工業的に除去する装置を開発した。そして、該装置を用いて放射性物質を除去するにあたり、予備実験を行って凝集剤により非放射性セシウムを除去できるかを確認し、そして実際に、福島第一原子力発電所の事故後、福島県内の小学校のプールで採取した汚染水に含有する放射性セシウムの除去を試みたところ、高効率での除去ができることが確認された。

＜予備実験例１＞
非放射性セシウムイオン濃度が１．０ｍｇ／Ｌの水溶液を調整したものについてイオン濃度を測定したところ、非放射性セシウムイオン濃度が１．０３５８ｍｇ／Ｌの水溶液であった。この水溶液に、島根県産の天然ゼオライト１．０ｇ及び凝集剤として炭酸カルシウム、硫酸アルミニウムを各１．０ｇ添加し、２４時間振蕩した後、遠心分離およびろ過を行い、水分中のセシウムイオン濃度を測定したところ、０．００１１ｍｇ／Ｌであり、除去率は９９．８９％であった。比較のため、前記調整した水溶液にゼオライトのみを１．０ｇ添加し、同じ処理をした後、水分中のセシウムイオン濃度を測定したところ、非放射性セシウムイオン濃度が０．００３８ｍｇ／Ｌであり、除去率は９９．６３％であった。このことから前記ゼオライト及び凝集剤を添加したものはゼオライトのみを添加したものよりも非放射性セシウムを２．７μｇ／Ｌだけ多く除去することが確認できた。

＜予備実験例２＞
非放射性セシウムイオン濃度が１．０ｍｇ／Ｌの３．５％ＮａＣｌ水溶液を調整したものについてイオン濃度を測定したところ、非放射性セシウムイオン濃度が１．０５３０ｍｇ／Ｌであった。この水溶液に、島根県産の天然ゼオライト１．０ｇ及び凝集剤として炭酸カルシウム、炭酸水素ナトリウムを各１．０ｇ添加し、予備実験例１と同様の処理をした後、水分中のセシウムイオン濃度を測定したところ、０．２４１２ｍｇ／Ｌであり、除去率は７７．０９％であった。比較のため、同様にしてゼオライトのみを１．０ｇ添加し、同様の処理をしたものについて非放射性セシウムイオン濃度を測定したところ、０．２５４３ｍｇ／Ｌであり、除去率は７５．８５％であった。このことから前記ゼオライト及び凝集剤を添加したものはゼオライトのみを添加したものよりもセシウムを１３．１μｇ／Ｌだけ多く除去することが確認できた。

これらの予備実験から前記ゼオライト及び凝集剤を添加したものはゼオライトのみを添加したものよりも多くのセシウムを除去することが確認された。そしてこれを放射性セシウムに換算すると、1．０ベクレルは放射性セシウム０．３１ピコｇとみなすことができるから、予備実験例１の場合、添加した凝集剤はゼオライトよりも約８７０万ベクレルも多く非放射性セシウムを除去でき、また予備実験例２の場合には約４２００万ベクレル多く除去できることが確認された。
尚、さらに別の予備実験を重ねたところ、凝集剤は一種類よりも二種類以上の混合物であることが好ましく、また添加物として凝集剤だけの場合よりも、凝集剤にゼオライトをさらに混合したものの方がより多くのセシウムを除去できることが確認された。

＜実験例１＞
前記福島県内の小学校のプールにて採取した放射性セシウム汚染水（３６２００Ｂｑ／ｋｇ（内訳：セシウム１３４ １６９００Ｂｑ／ｋｇ、 セシウム１３７ １９３００Ｂｑ／ｋｇ））１．０Ｌに前記ゼオライト１．０ｇ及び凝集剤として炭酸アルミニウム、硫酸アルミニウムを各１．０ｇ添加して１０分間撹拌した後、５分間放置してフロックを生成し、しかる後、該フロックをろ過により分離し、その分離液について放射線量を分析したところ、検出限界値以下（検出限界値：１０．０Ｂｑ／ｋｇ）であった。
＜実験例２＞
さらに、放射性セシウム汚染水（２５０Ｂｑ／ｋｇ）１．０ｍ^３に対して、前記ゼオライト１００ｇ及び凝集剤として硫酸アルミニウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カルシウムを各１００ｇ混合して１分間撹拌した後、２４時間放置してフロックを生成し、しかる後、該フロックを濾過により分離し、その分離液について放射線量を測定したところ、検出限界値以下（検出限界値：１０．０Ｂｑ／ｋｇ）であった。

＜実験例３＞
また、放射性セシウム汚染水（２５０Ｂｑ／ｋｇ）１．０ｍ^３に対して、炭酸アルミニウムを３００ｇ添加して1分間撹拌した後、２４時間放置してフロックを生成し、しかる後、該フロックをろ過により分離し、該分離液について放射線量を測定したところ、８８．４Ｂｑ／ｋｇであった。

これらのことから、該ゼオライトを含有した凝集剤を用いて放射性セシウムを汚染水から効率よく除去できることが確認された。そこで、該ゼオライトを含有した凝集剤を用いることで、瓦礫や木材樹皮等の固形物を除染した汚染水から放射性セシウムを除去することが可能であると考えられることから、次のような除去装置を開発し、実際に放射性セシウムで汚染された汚染水の除去を試みた。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る除去装置を作成し、放射性セシウムの除去を試みた。このものは固形物（瓦礫、泥土や石、コンクリート片、木材あるいはその樹皮、建築廃材等）を除染した汚染水から放射性セシウムを除去するものである。固形物は大きさが不揃いであるため、破砕機２１を用いて大きさが１００ｍｍ以下のものに破砕し（本発明の「破砕工程」に相当する。）、該破砕した固形物を振動フィーダ２２で振動してブリッジ化をなくし、これをベルトコンベア２３で搬送して洗浄機（トロンメル洗浄機）（本発明の「第一の洗浄機」に相当する。）２４で水又はお湯（洗剤が含まれていてもよい。）で洗浄（水を流し続ける洗浄）し、比較的大きな固形物（凡そ４０〜１００ｍｍ）Ａを篩い分けする。この篩い分けられた固形物の放射線量は前記電離放射線障害防止規則で定められている許容限度以下であった。
なお本実施の形態では、洗浄効果や除染効率を高めるため、固形物同士を強制的に擦り合わせて研磨する処理が施されている。そのため前記洗浄機２４内に磨砕用のボール状または棒状の研磨材が投入されている。このため該研磨材で固形物表面を削って（擦り合わせて）研磨したことにより生じる研磨物を含んだ固形物を水洗浄するようにしている。該研磨材の材質としては、例えば、金属、セラミック、石、プラスチック等を採用することができるが、本実施の形態では金属製のボールを採用している。因みに、放射能に汚染された固形物同士が擦れ合うことにより研磨され、このようにして生じた研磨物も固形物として除染の対象になる。

この洗浄に用いた汚染水には、放射性セシウムと、大きさ４０ｍｍ以下の固形物（瓦礫等に付着する汚染固形物も含む。）が混入しており、そこで第一の固液分離機（振動篩い機）（本発明の「第二の洗浄機」に相当する。）２５を用いて固形物と汚染水とを分離する。この第一固液分離機２５では洗浄水がさらに供給され、これらにより、放射線量が許容量以下の固形物（大きさが凡そ１〜４０ｍｍ）Ｂが分離回収され、これ以下の大きさの固形物が混入した汚染水は貯留層２６に貯留される。そして該貯留された汚染水は、ポンプ２６ａにより第二の固液分離器（サイクロン分離器）２７に供給され、固体は再び第一固液分離器２５に供給される一方、分離された汚染水は第一水受槽２８に供給される。

前記第一水受槽２８に供給された汚染水には大きさ１．０ｍｍ以下の固形物を含むが、該汚染水は、ポンプ２８ａにより第三の固液分離器（遠心分離機）（本発明の「第三の洗浄機」に相当する。）２９に供給される。そして、該第三固液分離器２９にも洗浄水が供給され、ここで分離された固形物（大きさが凡そ０．０２〜１．０ｍｍ)Ｃは放射線量が許容量以下であり、分離された汚染水は０．０２ｍｍ以下の固形物（水中に懸濁している非溶解性放射性物質も含む。）を含むが、該汚染水が第二の水受槽３０に供給される。
なお、このようにして固形物を大径のものから小径のものへ、放射線量が許容量以下になったものを汚染水から順次分離する工程が、本発明の「固形物分離工程」に相当する。
そして該供給された汚染水は、ポンプ３０ａにより静水槽３１に供給された後、第一反応槽３２に供給される。第一反応槽３２には、薬剤供給装置３２ａからゼオライトが混合されていても良い凝集剤の中から選択された第一の凝集剤が添加された状態で攪拌器３２ｂにより撹拌混合され、さらに攪拌器３３ａにより撹拌される第二の反応槽３３に供給される。

凝集剤の添加量は、汚染水１００重量部に対して０．００１重量％以上０．３重量％以下であることが好ましく、また凝集剤の添加形式としては、固体としての添加でもよいが、水溶液としての添加としてもよい。

前記第二反応槽３３に供給された汚染水は、さらに第三の反応槽３４に供給されるが、該第三の反応槽３４は二槽に仕切られており、第一仕切り槽３４ａでは薬剤供給装置３４ｃにより前記ゼオライトが混合されていても良い凝集剤の中から選択された第二の凝集剤が汚染水１００重量部に対して０．５重量部の割合で添加され、第二仕切り槽３４ｂでは薬剤供給装置３４ｄにより前記ゼオライトが混合されていても良い凝集剤の中から選択された第三の凝集剤が汚染水１００重量部に対して０．５重量部の割合で添加される。そしてこのように凝集剤が添加された汚染水は、反応塔３６に至る途中で中和のための炭酸ガスが供給されると共にラインミキサー３５によって撹拌されることでよく混合されることになって汚染物質（０．０２ｍｍ以下の微細固形物（水中に懸濁している非溶解性放射性物質を含む）、汚染水に溶解している放射性物質）を含んだフロックが生成される（本発明の「フロック生成工程」に相当する。）。そして反応塔３６で凝集剤と凝集反応した汚染水は、静水槽３７に供給されて汚染物質が凝集されたフロックと水に固液分離される（本発明の「静置工程」に相当する。）。フロックは槽底に沈殿することになって搬送体（螺旋搬送体）３７ａによって槽外に搬送され、スラリー槽３８に供給される。

スラリー槽３８に供給されたフロックはプレス機（本発明の「フロック取出し機」に相当する。）３９に供給され、ここで固液分離されることで放射性セシウムと、該放射性セシウムに汚染された微粒子廃棄物（大きさが凡そ０．０２ｍｍ以下）とが混合するものＤとなって回収され、該回収された汚染微粒子含有廃棄物Ｄは放射性物質の仮置き場に搬送し、貯留されることになる（本発明の「フロック取出し工程」に相当する。）。プレス機３９から生じた水は前記静水槽３１に還流される。

一方、前記静水槽３７において固液分離された水は、放射能センサー、ｐＨセンサー、濁度センサー等の適宜センサーにより必要な測定がなされ、センサー値が基準値以下である場合には洗浄水として再利用され、基準値以上である場合には反応塔３６に供給されるようになっている。本実施の形態の装置を用いて複数回、汚染水の除去処理を試みたところ、何れの処理水も放射線量は前記電離放射線障害防止規則で定められている許容限度以下であり、本発明を実施した場合の効果が確認された。

なお、前記フロック取出し工程では、プレス機３９を用いて固液分離（脱水）しているが、例えば、フロックをろ布に入れ吊るし、重力によって脱水濾過する濾過機や遠心分離機を用いても良いことは勿論である。

本発明は、放射性セシウム等の放射性物質を含む放射性物質含有水からの放射性物質の除去する分野に利用することができる。

２１ 破砕機
２２ 振動フィーダ
２３ ベルトコンベア
２４ 洗浄機
２５ 第一固液分離機
２６ 貯留層
２７ 第二の固液分離器
２８ 第一水受槽
２９ 第三の固液分離器
３０ 第二の水受槽
３１ 静水槽
３２ 第一反応槽
３３ 第二の反応槽
３４ 第三の反応槽
３５ ラインミキサー
３６ 反応塔
３７ 静水槽
３８ スラリー槽
３９ プレス機

Claims (5)

1. 表面が放射性物質により汚染された固形物を除染する除染装置であって、
   該除染装置は、
   表面が放射性物質により汚染された固形物を破砕する破砕機と、
   該破砕された固形物を水洗浄し、放射線量が許容量以下になった固形物を大径のものから小径のものに順次汚染水から分離するため直列流路となるよう配された複数の洗浄機と、
   該最終の洗浄機を通過した微細な固形物を含む分離汚染水が供給されると共に、凝集剤が添加されて分離汚染水と凝集剤とを混合する混合反応槽と、
   前記混合した分離汚染水と凝集剤とを攪拌して微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを生成するする撹拌器と、
   該生成したフロックを含む汚染水が供給され、フロックを水から分離するため静置される静水槽と、
   該静置により分離した前記フロックを水から取出すフロック取出し機とを備えると共に、
   前記複数の洗浄機のうち、少なくとも最初の洗浄機に固形物の表面を研磨するための研磨材が投入されている
   ことを特徴とする放射性物質に汚染された固形物の除染装置。
2. 前記破砕機は、様々な大きさの固形物を１００ｍｍ以下になるように破砕するものであって、
   前記複数の洗浄機は、
   大きさが凡そ４０〜１００ｍｍの比較的大きな固形物を分離する第一の洗浄機と、
   大きさが凡そ１〜４０ｍｍの中程度の大きさの固形物を分離する第二の洗浄機と、
   大きさが凡そ０．０２〜１ｍｍの小さな固形物を分離する第三の洗浄機とが順次配されているものであることを特徴とする請求項１記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置。
3. 放射性物質は少なくとも放射性セシウムであることを特徴とする請求項１または２記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置。
4. 凝集剤にはゼオライトがさらに混入されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１記載の放射性物質に汚染された固形物の除染装置。
5. 表面が放射性物質により汚染された固形物を除染する除染方法であって、
   様々な大きさの固形物を破砕する破砕工程、
   直列流路となるよう配された複数の洗浄機を順次用いて該破砕された固形物を水洗浄することで、放射線量が許容量以下になった固形物を大径のものから小径のものへ順次汚染水から分離する固形物分離工程、
   該最終の洗浄機を通過した微細な固形物を含む分離汚染水と凝集剤とが混合されたものを攪拌することで前記微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを生成するフロック生成工程、
   該フロック生成工程で生成したフロックを含む汚染水が供給され、前記微細固形物と放射性物質とを含んだフロックを水から分離するため静置される静置工程、
   該分離したフロックを水から取出すフロック取出し工程、
   前記複数の洗浄機のうち、少なくとも最初の洗浄機に固形物の表面を研磨するための研磨材を投入する研磨材投入工程と、
   を備えていることを特徴とする放射性物質に汚染された固形物の除染方法。
   

Images