JP6175354B2

JP6175354B2 - 汚染水の処理方法及び処理装置

Info

Publication number: JP6175354B2
Application number: JP2013229190A
Authority: JP
Inventors: 典敏田村; 本間　健一; 健一本間; 大桐　哲雄; 哲雄大桐; 岡村　聰一郎; 聰一郎岡村; 泰之石田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-11-05
Also published as: JP2015090282A

Description

本発明は、放射性のＣｓ（セシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）によって汚染された海水等の汚染水を処理する方法及び装置に関する。

先年の原子力発電所の事故により生じた放射性Ｃｓや放射性Ｓｒは、ゴミ焼却場の焼却灰や下水処理場の汚泥等に含まれる他、河川や海洋でも確認されている。そこで、図７に示すように（同図ではイオンの表記を省略している）、汚染された水（以下「汚染水」という。）Ｗを処理する場合、放射性Ｃｓイオンを吸着塔１２においてゼオライト等で吸着除去し、その後、Ｃｓ除去水Ｌを逆浸透膜１３に通して放射性Ｓｒイオンを濃縮し、濃縮水Ｃと淡水Ｆを得て、濃縮水Ｃを保管する（特許文献１〜３等）。

特開２０１３−００２９７号公報特開２０１３−２００３０４号公報特開２０１３−０６１１９５号公報

汚染水中にわずかな塩分等しか含まない場合には、ゼオライト等の吸着剤の放射性Ｃｓイオンの除去効率は高く、また逆浸透膜１３の高い処理効率を維持することができ、濃縮水Ｃの量は抑制される。しかし、上記要領で海水等に由来する汚染水Ｗを処理すると、汚染水Ｗに含まれるＣａ（カルシウム）イオンとＭｇ（マグネシウム）イオンもゼオライトに吸着されるため、放射性Ｃｓイオンを吸着するためのゼオライトの容量が低下するという問題があった。また、放射性Ｃｓを除去した後に放射性Ｓｒを濃縮処理する際に、汚染水Ｗに含まれる多量のＮａＣｌ等の溶解物が逆浸透膜１３による濃縮の律速となって放射性Ｓｒイオンの濃縮率が低下し、濃縮水の減容化を困難にしていた。

上記図７に示した方法で汚染水Ｗを処理すると、汚染水Ｗに含まれる放射性Ｃｓイオンが吸着塔１２でゼオライトに吸着されるが、Ｃｓ除去水Ｌ中のＣｓ以外の水溶成分のアルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンがいくらか吸着されるものの、水溶性成分全体の濃度は大きく低下することはない。次に、Ｃｓ除去水Ｌを逆浸透膜１３に通すことでＣｓ除去水Ｌの６０％が放射性Ｓｒイオンを含む濃縮水Ｃとなり、Ｃｓ除去水Ｌの４０％の淡水Ｆとして得られる。淡水Ｆに含まれる放射性Ｓｒイオン、放射性Ｃｓイオンは、放流基準である３０Ｂｑ／ｌ、９０Ｂｑ／ｌを満たして放流される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ゼオライト等の吸着剤による放射性Ｃｓイオンの吸着容量を向上させることや、逆浸透膜による放射性Ｓｒイオンの濃縮率を高めることで、効率よく汚染水を処理することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る汚染水の処理方法は、放射性ストロンチウムイオン及びアルカリ金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いてアルカリ金属イオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第２の溶液を逆浸透膜で濃縮水と淡水とに分離することを特徴とする。

逆浸透膜は浸透圧を利用したものであり、処理対象水の水溶成分濃度が濃縮率（淡水の生成量）を左右するため、両性イオン交換樹脂を用いてアルカリ金属イオン濃度が低く、放射性ストロンチウムイオン濃度の高い溶液を得て、これを逆浸透膜で濃縮水と淡水とに分離することで、放射性ストロンチウムイオンの濃縮率の低下を防止し、濃縮水の減容化を容易に行うことができる。

また、本発明に係る汚染水の処理方法は、放射性セシウムイオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いて放射性セシウムイオン濃度が高く、アルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、放射性セシウムイオン濃度が低く、アルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させることを特徴とする。

本発明によれば、両性イオン交換樹脂を用いて放射性セシウムイオン濃度が高く、アルカリ土類金属イオン濃度の低い溶液を得て、この溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させるため、吸着剤に吸着されるアルカリ土類金属イオンの量を少なくすることができ、放射性セシウムイオンを吸着するための吸着剤の容量低下を防止し、効率よく放射性セシウムイオンを除去することができる。

さらに、本発明に係る汚染水の処理方法は、放射性ストロンチウムイオン、放射性セシウムイオン、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いてアルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第２の溶液を逆浸透膜で濃縮水と淡水とに分離し、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させることを特徴とする。

本発明によれば、汚染水から効率よく放射性ストロンチウムイオン及び放射性セシウムイオンを除去することができる。

上記汚染水の処理方法において、前記第２の溶液の硫酸イオンの濃度を前記第１の溶液よりも低くすることで、放射性ストロンチウムの濃縮に用いる逆浸透膜に石膏スケールが付着する虞がなく、逆浸透膜の安定運転を継続することができる。

前記汚染水は海洋、最終処分場浸出水又は原子力関連施設より得られたものとすることができる。

また、本発明に係る汚染水の処理装置は、放射性ストロンチウムイオン及びアルカリ金属イオンを含む汚染水を、アルカリ金属イオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、当該第２の溶液を濃縮水と淡水とに分離する逆浸透膜とを備えることを特徴とする。本発明によれば、放射性ストロンチウムイオンの濃縮率の低下を防止し、濃縮水の減容化を容易に行うことができる。

さらに、本発明に係る汚染水の処理装置は、放射性セシウムイオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、放射性セシウムイオン濃度が高く、アルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、放射性セシウムイオン濃度が低く、アルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させる装置とを備えることを特徴とする。本発明によれば、放射性セシウムイオンを吸着するための吸着剤の容量低下を防止し、効率よく放射性セシウムイオンを除去することができる。

また、本発明に係る汚染水の処理装置は、放射性ストロンチウムイオン、放射性セシウムイオン、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、当該第２の溶液を濃縮水と淡水とに分離する逆浸透膜と、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させる装置とを備えることを特徴とする。本発明によれば、汚染水から効率よく放射性ストロンチウムイオン及び放射性セシウムイオンを除去することができる。

以上のように、本発明によれば、放射性のＣｓ、Ｓｒによって汚染された海水等の汚染水を効率よく処理することが可能となる。

本発明に係る汚染水の処理方法及び処理装置を説明するためのフロー図である。最終処分場の浸出水に対する両性イオン交換樹脂の運転例を示すグラフである。最終処分場の浸出水に対する両性イオン交換樹脂の運転例を示すグラフである。海水に対する両性イオン交換樹脂の運転例を示すグラフである。人工海水に対する両性イオン交換樹脂の運転例を示すグラフである。図１に示した処理フローの運転例を示す図である。従来の汚染水の処理方法の一例を説明するためのフロー図である。

本発明の処理の対象となる汚染水としては、海水、最終処分場浸出水（焼却灰の水洗水も含む）、原子力関連施設で発生する放射性廃液等が挙げられ、放射性Ｃｓイオン濃度とアルカリ土類金属イオンを同時に含む汚染水、放射性Ｓｒイオン濃度とアルカリ金属イオンを同時に含む汚染水である。

本発明は、アルカリ土類金属イオンについては、カルシウムとマグネシウムイオンの合計で２００ｐｐｍ以上含む汚染水に好ましく、３００ｐｐｍ以上含む汚染水により好ましく用いられる。また、アルカリ金属イオンについては、ナトリウムとカリウムイオンの合計で３００ｐｐｍ以上含む汚染水に好ましく、５００ｐｐｍ以上含む汚染水により好ましく用いられる。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の説明においては、放射性Ｃｓ及び放射性Ｓｒによって汚染された海水を処理する場合を例にとって説明する。また、図１〜図７ではイオンの表記を省略する。

図１は、本発明に係る汚染水の処理装置の一実施の形態を示し、この処理装置１は、汚染された海水（以下「汚染水」という。）Ｗを投入してイオン交換を行い、放射性Ｃｓイオン濃度の高い第１の溶液Ｌ１と、放射性Ｓｒイオン濃度の高い第２の溶液Ｌ２とに分離する両性イオン交換樹脂２と、第１の溶液Ｌ１に含まれる放射性Ｃｓイオンをゼオライト等の吸着剤を用いて吸着除去する除去装置３と、第２の溶液Ｌ２に含まれる放射性Ｓｒイオン等を濃縮して淡水Ｆを生成する逆浸透膜４とを備える。尚、放射性Ｓｒを含まない汚染水Ｗに対しては逆浸透膜４を省略することができ、放射性Ｃｓを含まない汚染水Ｗに対しては除去装置３を省略することができる。

両性イオン交換樹脂２は、母体を架橋ポリスチレン等とし、同一官能基鎖中に四級アンモニウム基とカルボン酸基等を持たせて、陽イオン陰イオンの両方とイオン交換をさせる機能を持たせた樹脂であり、一例として、三菱化学株式会社製の両性イオン交換樹脂、ダイヤイオン（登録商標）、ＡＭＰ０３を用いることができる。この両性イオン交換樹脂２は、水溶液中の電解質と非電解質の分離、及び電解質の相互分離を行うことができる。

この両性イオン交換樹脂２の機能について、最終処分場の浸出水及び海水を処理した場合を例にとって説明する。

図２及び図３は、両性イオン交換樹脂２の運転例を示すグラフである。同図は、両性イオン交換樹脂２として、上述の三菱化学株式会社製のダイヤイオンＡＭＰ０３を用い、図２に示すように、原水として最終処分場の浸出水、及び再生水として工水を交互に両性イオン交換樹脂２に導入し、両性イオン交換樹脂２から排出される処理水の各成分の濃度を図３に示している。

図３に示すように、両性イオン交換樹脂２によって、浸出水がＣａ²⁺濃度が低く、Ｃｌ^-及びＮａ⁺濃度の高いＣａ除去水と、Ｃａ²⁺濃度が高く、Ｃｌ^-濃度もＣａ²⁺濃度と同様に推移するＣａＣｌ₂水とに分離していることが判る。

海水、及びＣｓ及びＳｒを溶解させた人工海水を両性イオン交換樹脂２に導入し、ＣａＣｌ₂水及びＣａ除去水のＣｓイオン濃度、Ｓｒイオン濃度等の推移を測定したところ、図４及び図５に示すように、ＣｓイオンとＳｒイオンは排出時期が異なることが判った。また、両性イオン交換樹脂２からＳｒイオンが多く排出されるときにアルカリ土類金属イオンも排出され、Ｃｓイオンが多く排出されるときにアルカリ金属イオンも排出されることが判った。従って、両性イオン交換樹脂２によって汚染水Ｗから、放射性Ｓｒイオンとアルカリ金属イオンがほぼ分離でき、放射性Ｃｓイオンとアルカリ土類金属イオンがほぼ分離できる。

これらより、表１に示すように、両性イオン交換樹脂２によって汚染水Ｗを、Ｃａ除去水として、Ｃｌ^-及びアルカリ金属イオンを含み、放射性Ｃｓイオン濃度が高く、放射性Ｓｒイオン濃度の低い第１の溶液Ｌ１と、ＣａＣｌ₂水として、Ｃｌ^-及びアルカリ土類金属イオンを含み、放射性Ｓｒイオン濃度が高く、放射性Ｃｓイオン濃度の低い第２の溶液Ｌ２とに分離できることが判る。

除去装置３には、放射性Ｃｓを吸着することのできるゼオライト、プルシアンブルー（フェロシアン化物）、ハスクレイ（登録商標）等の吸着剤が用いられる。

逆浸透膜（ＲＯ膜）４は、水を通過させるがイオンや塩類等、水以外の不純物を通過させない性質を有する膜であって、海水の淡水化等に実用されている。

次に、上記構成を有する処理装置１の動作について、図１乃至図６を参照しながら説明する。

まず、両性イオン交換樹脂２に汚染水Ｗと工水ＩＷとを導入してイオン交換を行い、Ｃｓイオン濃度が高く、Ｓｒイオン濃度の低い第１の溶液Ｌ１と、Ｓｒイオン濃度が高く、Ｃｓイオン濃度の低い第２の溶液Ｌ２とに分離する。ここで、第１の溶液Ｌ１にはＣｌ^-及びアルカリ金属イオンが含まれ、第２の溶液Ｌ２には、Ｃｌ^-及びアルカリ土類金属イオンが含まれる。両性イオン交換樹脂２からＳｒイオン及びＣｓイオンが同時に排出されるときがあり（例えば、図４の通水量／原水量が３前後のとき）、Ｓｒイオン及びＣｓイオンが完全には分離できなくても、後に除去装置３又は逆浸透膜４によって処理することが可能であるが、吸着剤への物質吸着性から第１の溶液Ｌ１にできるだけＳｒイオンが含まれないようにすることが好ましい。また、ここでは汚染水Ｗに対して５倍の工水ＩＷを用いた例を示したが、両性イオン交換樹脂２の樹脂量と汚染水Ｗの水量、工水ＩＷの水量を最適化することにより工水ＩＷの量を減らすことができる（例えば、樹脂量に対して汚染水Ｗを多くする）。また、連続運転を行った場合は水溶成分が排出されない時間をなくすように調整することで工水ＩＷの量を減らすことができる（例えば、図４では通水量／原水量が４のときに汚染水Ｗの導入を開始することで、工水ＩＷを汚染水Ｗに対して３倍量とすることができる）。

次に、第１の溶液Ｌ１を除去装置３に導入し、ゼオライト等の吸着剤でＣｓを吸着してＣｓ除去水Ｌ３を得る。ここで、両性イオン交換樹脂２によって汚染水Ｗに含まれるＣａ及びＭｇ等のアルカリ土類金属を除去したことで、第１の溶液Ｌ１にはゼオライトに吸着されるアルカリ土類金属の濃度が低下している。そのため、除去装置３におけるＣｓ除去率が向上する。Ｃｓ除去水Ｌ３は放流基準を満たした上で河川等に放流する。

一方、第２の溶液Ｌ２を逆浸透膜４に導入し、放射性Ｓｒを濃縮した濃縮水Ｃと淡水Ｆとに分離し、濃縮水Ｃを保管する。ここで、両性イオン交換樹脂２によって汚染水Ｗに含まれるＣｌ^-及びアルカリ金属を除去したことで、第２の溶液Ｌ２は水溶成分の濃度が低下している。そのため、得られる淡水Ｆの量が増加し、放射性Ｓｒの濃縮率を向上させ、濃縮水Ｃの大幅な減容化を図ることができる。図７で示した方法では得られる濃縮水Ｃが汚染水Ｗに対して６０％程度であったが、本発明では汚染水Ｗの５倍の量の工水ＩＷを導入した場合においても濃縮水Ｃを２０％程度に削減できる。濃縮水Ｃはさらに吸着剤を用いて放射性Ｓｒを除去してもよい。また、濃縮水Ｃは、蒸発乾固することもでき、溶融不溶化してもよい。淡水Ｆは、放流基準を満たした上で河川等に放流してもよいが、両性イオン交換樹脂２に供給する工水ＩＷに利用することが節水のために好ましい。淡水Ｆが、放流基準を満たさなかった場合は、水溶成分がほとんど含まれないことから簡易な吸着処理や逆浸透膜処理を行えば放流基準を満たすことができる。

尚、逆浸透膜４は、石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）のスケールが付着すると運転ができなかったが、図４に示すように、ＳＯ₄ ^2-はＣａ²⁺の少ないＣａ除去水（第１の溶液Ｌ１）に含まれるため、ＳＯ₄ ^2-とＣａ²⁺とが共存することがなく、逆浸透膜４に石膏スケールが付着する虞がないため、逆浸透膜４の安定運転を継続することができる。また、石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）の他に、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）もカルシウムスケールとなりうるが、炭酸カルシウムは酸に溶けやすいため酸洗浄が可能である。

１汚染水の処理装置
２両性イオン交換樹脂
３除去装置
４逆浸透膜（ＲＯ膜）

Claims

放射性ストロンチウムイオン及びアルカリ金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いてアルカリ金属イオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第２の溶液を逆浸透膜で濃縮水と淡水とに分離することを特徴とする汚染水の処理方法。
放射性セシウムイオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いて放射性セシウムイオン濃度が高く、アルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、放射性セシウムイオン濃度が低く、アルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させることを特徴とする汚染水の処理方法。
放射性ストロンチウムイオン、放射性セシウムイオン、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、両性イオン交換樹脂を用いてアルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離し、当該第２の溶液を逆浸透膜で濃縮水と淡水とに分離し、当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させることを特徴とする汚染水の処理方法。
前記第２の溶液は、硫酸イオンの濃度が前記第１の溶液よりも低いことを特徴とする請求項１又は３に記載の汚染水の処理方法。
前記汚染水は海洋、最終処分場浸出水又は原子力関連施設より得られたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の汚染水の処理方法。
放射性ストロンチウムイオン及びアルカリ金属イオンを含む汚染水を、アルカリ金属イオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、
当該第２の溶液を濃縮水と淡水とに分離する逆浸透膜とを備えることを特徴とする汚染水の処理装置。
放射性セシウムイオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、放射性セシウムイオン濃度が高く、アルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、放射性セシウムイオン濃度が低く、アルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、
当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させる装置とを備えることを特徴とする汚染水の処理装置。
放射性ストロンチウムイオン、放射性セシウムイオン、アルカリ金属イオン及びアルカリ土類金属イオンを含む汚染水を、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が高く、放射性ストロンチウムイオン濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の低い第１の溶液と、アルカリ金属イオン濃度及び放射性セシウムイオン濃度が低く、放射性ストロンチウム濃度及びアルカリ土類金属イオン濃度の高い第２の溶液とに分離する両性イオン交換樹脂と、
当該第２の溶液を濃縮水と淡水とに分離する逆浸透膜と、
当該第１の溶液に含まれる放射性セシウムイオンを吸着剤に吸着させる装置とを備えることを特徴とする汚染水の処理装置。