JP6100061B2 - 汚染飛灰の処理装置およびその処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、飛灰に含まれるセシウムを除去する汚染飛灰の処理技術に関する。

原子力発電所の事故によって放射性物質が外部に放出された場合、環境中に汚染が拡散する。この拡散する放射性物質のうち放射性セシウムは、気体状・微粒子状に移行して拡散するために、汚染物質が広範囲に分布することが懸念される。
この放射性セシウムのうち半減期が３０年である¹³⁷Ｃｓは、強い放射線を放出するとともに生体に滞留して食物連鎖により濃縮され易い性質を有するために、比較的長期間に渡り生体に被ばく影響を与えることが懸念されている。

一方で、下水処理場における汚泥等の廃棄物は、排出量を低減するために焼却処分されるが、含まれている放射性セシウムが濃縮されてしまう。
焼却場では、高温処理がなされるために、融点・沸点の低いセシウム塩は、気体となって焼却炉上部に移行し温度が沸点以下の部分において凝縮・析出して、飛灰として回収される。この飛灰に含まれるセシウム塩は、水溶性であるために、そのまま埋設処分すると、雨水や海水に接触し環境へ容易に放出して、更なる汚染の拡大が懸念される。
このため埋設処分する前に、放射能汚染された飛灰からセシウムを除去する処理技術の確立が求められている。

なお、固相から金属イオンを除去する技術に関し、従来からさまざまな方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
一方で、放射能に汚染された物質は水溶媒で洗浄し放射性核種を溶離して除染し、放射性核種の溶離した水溶媒はゼオライト等の吸着剤からなるフィルタを通過させて除染し、放射性核種が濃縮された吸着剤はコンクリート固化により安定化処理をした後に廃棄する方法が提案されている。

特開平６−２３３４０号公報

しかし、特許文献１に記載されている方法を利用して放射能汚染飛灰を除染しようとする場合、この汚染飛灰に含まれる放射性セシウムを吸着させた汚染物質が、新たに排出されることになるため、放射性廃棄物が増加してしまう課題がある。
また放射能汚染飛灰を水溶媒で洗浄する方法も、放射性セシウムを溶離した水溶媒が強アルカリになるために、ゼオライト等の吸着剤における吸着効率が低下する課題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、放射能汚染飛灰を水溶媒で洗浄した後に、溶離した放射性セシウムを高効率で吸着させる汚染飛灰の処理技術を提供することを目的とする。

本発明に係る汚染飛灰の処理装置において、放射性セシウムの汚染飛灰を投入する汚染飛灰投入部と、洗浄水を注入する洗浄水注入部と、前記投入された汚染飛灰及び前記注入された洗浄水を混合してセシウムを溶離させる溶離部と、前記セシウムが溶離した飛灰及び水の懸濁液を固相と液相に分離する第１の固液分離部と、前記液相として分離されたセシウム水溶液を回収するセシウム水溶液回収部と、前記セシウム水溶液回収部に中和剤を添加する中和剤添加部と、前記中和剤を添加することにより生成した塩析出物の懸濁液を固相と液相に分離する第２の固液分離部と、前記塩析出物の懸濁液から液相として分離されたセシウム水溶液からセシウムを吸着除去するセシウム吸着部と、を備えることを特徴とする。

本発明により、放射能汚染飛灰を水溶媒で洗浄した後に、溶離した放射性セシウムを高効率で吸着させる汚染飛灰の処理技術が提供される。

本発明に係る汚染飛灰の処理装置の第１実施形態を示す構成図。 本発明に係る汚染飛灰の処理方法の第１実施形態を示すフローチャート。 洗浄水及び汚染飛灰の液固比と放射性セシウムの溶離率との関係を示すグラフ。 洗浄水の温度と放射性セシウムの溶離率との関係を示すグラフ。 セシウム水溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）に対するセシウム吸着剤（モルデナイト）の分配係数を示すグラフ。 モルデナイトを充填させた吸着部に放射性セシウム水溶液を通過させる場合、吸着部の入口と出口における液体の放射能の計測値を示すグラフ。 本発明に係る汚染飛灰の処理装置の第２実施形態を示す構成図。 本発明に係る汚染飛灰の処理方法の第２実施形態を示すフローチャート。 第２実施形態に適用される固液分離部において、飛灰と水の懸濁液を処理した場合の分離率を示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態に係る汚染飛灰の処理装置１０Ａは、放射性セシウムの汚染飛灰を投入する汚染飛灰投入部１１と、洗浄水を注入する洗浄水注入部１２と、投入された汚染飛灰及び注入された洗浄水を混合してセシウムを溶離させる溶離部１３と、セシウムが溶離した飛灰及び水の懸濁液を固相と液相に分離する固液分離部１４Ａと、液相として分離されたセシウム水溶液を回収するセシウム水溶液回収部１５と、溶離部１３に中和剤を添加する中和剤添加部１６Ａと、セシウム水溶液からセシウムを吸着除去するセシウム吸着部１７と、を備えている。

放射性セシウムの汚染飛灰は、例えば、下水処理場で発生した汚泥等を焼却して生成した飛灰のうち、放射性セシウムの放射能濃度（Ｂｑ；ベクレル）が基準値を超えるためにそのまま一般廃棄することが不可能な飛灰を指す。

汚泥等の焼却により発生する焼却灰は、焼却排ガスに浮遊する固体の粒子状物質であって集塵装置、ボイラ、ガス冷却室、再燃焼室等で捕集された飛灰（フライアッシュ）と、焼却炉の底から回収される主灰（ボトムアッシュ）とに、大きく分類される。

そして、焼却灰（飛灰及び主灰）には、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓ等のミネラル由来の元素が濃縮され高比率で含まれている。
原子力事故により環境中に拡散し、水処理場の汚泥等に含まれることになった放射性セシウムも、同様に濃縮され、燃焼時にセシウム塩が気化した後に冷却されて凝縮・析出するために、飛灰においてさらに濃縮される傾向がある。

洗浄水は、純水、水道水、雨水、地下水、河川水等といった入手が容易なものを利用することができ、水源は特に限定されない。
また、洗浄水回収部２３で回収された洗浄水を、洗浄水注入部１２に移送して繰り返し利用することもできる。

溶離部１３は、投入された汚染飛灰と注入された洗浄水とを撹拌機２１で撹拌しながら混合し、汚染飛灰に含まれるセシウムを洗浄水に溶離させる。また、飛灰と洗浄水が良好に混合されるように溶離部１３に邪魔板（図示略）を設置してもよい。

図３のグラフは、洗浄水及び汚染飛灰の液固比と撹拌処理後の放射性セシウムの溶離率との関係を示している。
なお、溶離率は、次式（１）で表される。
溶離率（％）＝（１−（洗浄前の飛灰の汚染量[Ｂｑ／ｋｇ]／洗浄後の飛灰の汚染量[Ｂｑ／ｋｇ]））×１００ （１）

実験条件として、溶離部１３に収容される洗浄水と汚染飛灰の混合割合である液固比を４，１０，２０，５０ｍＬ／ｇに設定し、温度は常温とし、溶離（撹拌）時間を１０分に設定した。

洗浄後の飛灰の汚染量を、それぞれの液固比において測定し、前記式（１）に基づいて溶離率を導いたところ、液固比４ｍＬ／ｇでは溶離率８４％、液固比１０ｍＬ／ｇでは溶離率９０％、液固比２０ｍｌ／ｇでは溶離率８２％、液固比５０ｍＬ／ｇでは溶離率８８％という結果が得られた。
以上の結果より、液固比４ｍＬ／ｇ以上で８０％以上の溶離率が得られることを確認した。

図４のグラフは、溶離部１３に注入される洗浄水の温度と放射性セシウムの溶離率との関係を示している。
実験条件として、洗浄水の温度を常温（２０℃），５０℃に設定し、洗浄水と汚染飛灰の液固比を２０ｍＬ／ｇに設定し、溶離（撹拌）時間を１０分に設定した。

洗浄後の飛灰の汚染量を、それぞれの液固比において測定し、前記式（１）に基づいて溶離率を導いたところ、洗浄水の温度が常温（２０℃）では溶離率８２％、洗浄水の温度が５０℃では溶離率８９％という結果が得られた。
図４の結果より、洗浄水は、温度を２０℃以上に設定することで８０％以上の溶離率が得られることを確認した。従って、洗浄水は、常温のままで溶離部１３に注入してもよい。

このように汚染飛灰を処理することにより、洗浄水には８０％以上の放射性セシウムが溶離するが、ミネラル由来のＮａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓ等の元素も所定の割合で溶離する。
このために、溶離部１３で撹拌処理された後の、飛灰及び水の懸濁液は、強アルカリ性を示す。

そこで、中和剤添加部１６から、溶離部１３の飛灰及び水の懸濁液に、中和剤を添加する。この中和剤は、酸性を示すものであれば適宜用いることができるが、添加量を少なくするために強酸であることが望ましい。
酸を中和剤として、飛灰及び水の懸濁液に添加すると、前記したミネラル由来の元素が塩となって析出することになる。

固液分離部１４Ａは、中和剤を添加して反応させた後の懸濁液の供給を溶離部１３からポンプ動力により受けて、固相と液相に分離する。この固相には飛灰及び塩析出物が分離され、液相には放射性セシウムの水溶液が分離されている。
この固液分離部１４Ａは、フィルタプレス、ろ過、沈降分離、遠心脱水機等が例示されるが、液相及び固相が相互に残留することなく分離されるものであれば適宜採用される。

固形分回収槽２２Ａは、除染された飛灰及び塩析出物（ミネラル成分）からなる固相が回収される。この固相は、放射性セシウムの放射能濃度（Ｂｑ；ベクレル）が基準値を下回るためにそのまま一般廃棄することが可能である。
セシウム水溶液回収部１５は、液相として分離されたセシウム水溶液を回収する。
なお、第１実施形態において、セシウム水溶液回収部１５に回収されたセシウム水溶液は、すでに中性に調製されている。

セシウム吸着部１７には、セシウム水溶液からセシウムを吸着除去できる吸着剤（ゼオライト等）が充填されている。なお吸着剤は、水溶液からセシウムを吸着させることができるものであれば特に限定はない。
ゼオライトは、モルデナイト型ゼオライト、チャバサイト型ゼオライト、クリノプチロライト型ゼオライト、Ａ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト、Ｘ型ゼオライトなどが挙げられるが、この中でもモルデナイト型を用いることが好ましい。

図５は、セシウム水溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）に対するセシウム吸着剤（モルデナイト）の分配係数を示している。
分配係数とは、セシウム水溶液の放射性セシウム濃度と吸着剤のセシウム濃度との比で表されるものである。この分配係数が高いほど、セシウム水溶液中の放射性セシウムが除去されて、吸着剤に吸着されたことを示す。

実験条件として、セシウム水溶液の水素イオン濃度ｐＨ＝１１．９（比較例；中和処理を実施しない場合）と、水素イオン濃度ｐＨ＝７（実施例；中和処理を実施した場合）とに設定した。
図５の結果より、セシウム水溶液が強アルカリを示す場合は（比較例）、中性を示す場合（実施例）と比較して、吸着部１７における放射性セシウムの除去効率が低下するといえる。
これにより、セシウム水溶液を中性に調製した後に、回収部１５からポンプ動力で吸着部１７に送液することにより、放射性セシウムの除去効率を向上させることが実証された。

図６のグラフは、モルデナイトを充填させた吸着部１７に放射性セシウム水溶液を通過させる場合、吸着部の入口と出口における液体の放射能の計測値を示している。
つまり吸着部の入口の液体の放射能計測値とは、セシウム水溶液回収部１５における放射能計測値であり、出口の液体の放射能計測値とは、放射性セシウム除去後の洗浄水回収部２３における放射能計測値である。
図６の結果より、モルデナイトを充填させた吸着部１７により、セシウム水溶液中の放射性セシウムのほぼ１００％が除去されていることが確認された。

図２のフローチャートに基づいて第１実施形態に係る汚染飛灰の処理方法を説明する。
放射性セシウムの汚染飛灰を投入し、さらに洗浄水を注入し、両者を撹拌して混合してセシウムが溶離した懸濁液にする（Ｓ１１）。
セシウムを溶離させた後、懸濁液に中和剤を添加し、溶存するミネラル由来の元素成分を塩として析出させる（Ｓ１２）。

そしてこの懸濁液を、除染された飛灰及び塩析出物からなる固相と、放射性セシウム水溶液からなる液相とに、分離する（Ｓ１３）。ここで、分離された固相は、放射能レベルが充分に低下しているので一般廃棄することができる。

一方、液相として分離されたセシウム水溶液は、回収され（Ｓ１４）、吸着剤に通過させて含まれるセシウムが除去される（Ｓ１５）。この際、セシウム水溶液は、中性に調整されているために、セシウムは、高効率で除去される。
吸着剤は、放射性セシウムが濃縮されて放射能レベルが高いので、コンクリート固化等により安定化処理をした後に最終処分場に埋設される。

そして、吸着剤を通過した洗浄水は、回収されて、放射能レベルが充分に低下しているので一般廃棄されるか、もしくは汚染飛灰の洗浄に再利用される（Ｓ１６）。
以上のように、放射性セシウムに汚染された飛灰を水により除染することができ、また、除洗後の洗浄水からも放射性セシウムを除去することができる。

（第２実施形態）
図７に基づいて第２実施形態に係る汚染飛灰の処理装置１０Ｂを説明する。
なお、図７において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態に係る汚染飛灰の処理装置１０Ｂは、中和剤を添加する中和剤添加部１６Ｂがセシウム水溶液回収部１５に設けられている。
さらに、セシウム水溶液及びミネラル由来の析出塩の懸濁液をそれぞれ液相及び固相に分離する固液分離部１４Ｂが、セシウム水溶液回収部１５の後段に設けられている。

つまり、除染対象となる汚染飛灰の組成又は液固比によっては、第１実施形態のようにミネラル由来成分の析出塩と飛灰とが共存する懸濁液を固液分離部１４Ａで処理すると、固液分離性能が低下する場合がある。
このような場合は、溶離部１３で中和処理をせずに、溶離部１３の後段に設けられた固液分離部１４Ａは、除染された飛灰を固相として、放射性セシウム水溶液を液相として分離する。

図９のグラフは、固液分離部１４Ａにおいて、飛灰と水の懸濁液を処理した場合の固液分離率を示している。
なお、固液分離率は、次式（２）で表される。
固液分離率（％）＝（１−（分離した液相中の固形分濃度[ｍｇ／ｍＬ]／懸濁液中の固形分濃度[ｍｇ／ｍＬ]））×１００ （２）

実験条件として、懸濁液における洗浄水及び汚染飛灰の液固比を４，１０，２０ｍＬ／ｇに設定し、温度は常温とし、溶離（撹拌）時間を１０分に設定した。

それぞれの液固比の懸濁液をフィルタプレスで分離し、液相の固形分濃度を計測した。
前記式（２）に基づいて固液分離率を導いたところ、液固比４ｍＬ／ｇでは分離率９９．９６％、液固比１０ｍＬ／ｇでは分離率９９．９５％、液固比２０ｍｌ／ｇでは溶離率９９．９２％という結果が得られた。

なお、比較例（提示省略）として、ミネラル由来成分の析出塩と飛灰とが共存する懸濁液を固液分離部１４Ａで処理した場合は、実施例と比較して固液分離性能の低下が認められた。
以上の結果より、中和処理をする前に懸濁液を固液分離部１４Ａで処理することにより、除染された飛灰とセシウム水溶液との固液分離性能が向上するといえる。
固形分回収槽２２Ａは、除染された飛灰からなる固相が回収される。この固相は、放射性セシウムの放射能濃度（Ｂｑ；ベクレル）がさらに低く抑えられている。

第２実施形態におけるセシウム水溶液回収部１５は、液相として分離された強アルカリ性のセシウム水溶液を回収する。
そして、中和剤添加部１６Ｂから酸性の薬剤を、セシウム水溶液回収部１５に添加して、セシウム水溶液を中性に調製する。
すると、セシウム水溶液に含まれるミネラル由来の元素が塩となって析出した懸濁液となる。

固液分離部１４Ｂは、セシウム水溶液回収部１５から、ポンプ動力により、中和処理された懸濁液の供給を受けて、固相と液相に分離する。この固相には塩析出物が分離され、液相には放射性セシウムの水溶液が分離される。
固形分回収槽２２Ｂは、塩析出物（ミネラル成分）からなる固相が回収される。この固相は、放射性セシウムの放射能濃度（Ｂｑ；ベクレル）が基準値を下回るためにそのまま一般廃棄することが可能である。

図８のフローチャートに基づいて第２実施形態に係る汚染飛灰の処理方法を説明する。
放射性セシウムの汚染飛灰を投入し、さらに洗浄水を注入し、両者を撹拌して混合してセシウムが溶離した懸濁液にする（Ｓ２１）。
そしてこの懸濁液を、除染された飛灰からなる固相、及び放射性セシウム水溶液からなる液相に分離する（Ｓ２２）。ここで、分離された固相は、放射能レベルが充分に低下しているので一般廃棄することができる。

一方、液相として分離されたセシウム水溶液は、強アルカリ性を示し、回収した後に（Ｓ２３）、中和剤を添加し（Ｓ２４）、溶存するミネラル由来の元素成分を塩として析出させ、懸濁液にする。
そして、この懸濁液を、塩析出物からなる固相、及び放射性セシウム水溶液からなる液相に分離する。

ここで、分離された固相は、放射能レベルが充分に低下しているので一般廃棄することができ、分離された液相は、吸着剤に通過させて含まれるセシウムを除去する（Ｓ２５）。この分離された液相（セシウム水溶液）は、中性に調整されているために、セシウムは、高効率で除去される。
吸着剤は、放射性セシウムが濃縮されて放射能レベルが高いので、コンクリート固化等により安定化処理をした後に最終処分場に埋設される。

そして、吸着剤を通過した洗浄水は、回収されて、放射能レベルが充分に低下しているので一般廃棄されるか、もしくは汚染飛灰の洗浄に再利用される（Ｓ２６）。
以上のように、放射性セシウムに汚染された飛灰を水により除染することができ、また、除洗後の洗浄水からも放射性セシウムを除去することができる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の汚染飛灰の処理装置によれば、飛灰に含まれる放射性セシウムを洗浄水に溶離させ、さらにこの洗浄液を中和することにより、吸着剤を用いて洗浄液に含まれる放射性セシウムを高効率で除去することができる。

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。

１０（１０Ａ，１０Ｂ）…汚染飛灰の処理装置、１１…汚染飛灰投入部、１２…洗浄水注入部、１３…溶離部、１４（１４Ａ，１４Ｂ）…固液分離部、１５…セシウム水溶液回収部（回収部）、１６（１６Ａ，１６Ｂ）…中和剤添加部、１７…セシウム吸着部（吸着部）、２１…撹拌機、２２（２２Ａ，２２Ｂ）…固形分回収槽、２３…洗浄水回収部。

Claims (5)

1. 放射性セシウムの汚染飛灰を投入する汚染飛灰投入部と、
   洗浄水を注入する洗浄水注入部と、
   前記投入された汚染飛灰及び前記注入された洗浄水を混合してセシウムを溶離させる溶離部と、
   前記セシウムが溶離した飛灰及び水の懸濁液を固相と液相に分離する第１の固液分離部と、
   前記液相として分離されたセシウム水溶液を回収するセシウム水溶液回収部と、
   前記セシウム水溶液回収部に中和剤を添加する中和剤添加部と、
   前記中和剤を添加することにより生成した塩析出物の懸濁液を固相と液相に分離する第２の固液分離部と、
   前記塩析出物の懸濁液から液相として分離されたセシウム水溶液からセシウムを吸着除去するセシウム吸着部と、を備えることを特徴とする汚染飛灰の処理装置。
2. 前記溶離部で混合される前記洗浄水と前記汚染飛灰の比が４ｍＬ／ｇ以上でかつ１０ｍＬ／ｇ以下であることを特徴とする請求項１に記載の汚染飛灰の処理装置。
3. 少なくとも前記第１の固液分離部には、フィルタプレスが用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の汚染飛灰の処理装置。
4. 前記セシウム吸着部には、ゼオライトが充填されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の汚染飛灰の処理装置。
5. 放射性セシウムの汚染飛灰を投入するステップと、
   洗浄水を注入するステップと、
   前記投入された汚染飛灰及び前記注入された洗浄水を混合してセシウムを溶離させるステップと、
   前記セシウムが溶離した飛灰及び水の懸濁液を固相と液相に分離するステップと、
   前記液相として分離されたセシウム水溶液を回収するステップと、
   前記セシウム水溶液の回収ステップの後に中和剤を添加するステップと、
   前記中和剤を添加することにより生成した塩析出物の懸濁液を固相と液相に分離するステップと、
   前記塩析出物の懸濁液から液相として分離されたセシウム水溶液からセシウムを吸着除去するステップと、を含むことを特徴とする汚染飛灰の処理方法。

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