JP6534752B1 - 放射性廃液処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】吸着材による放射性核種の吸着処理における阻害要因であるナトリウムイオン等を放射性廃液から除去し、吸着材の性能を高め、吸着材の寿命を長くするとともに、吸着処理後に発生する、放射性核種を含む吸着材等の固体廃棄物の量を減らす。【解決手段】放射性核種及び塩化ナトリウムを含む放射性廃液に含まれる塩素イオン及びナトリウムイオンの濃度を低減する電気透析装置と、電気透析装置から得られる中性溶液に含まれる放射性核種を吸着する吸着材を含む吸着処理装置と、を含む放射性廃液処理システムを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、放射性廃液処理システムに関する。

現在保管されている原子力施設において発生する放射性核種を含む放射性廃液は、数万トン規模であり、廃液処理による減容化が求められている。その処理技術の一つとして、イオン交換樹脂等を用いた吸着処理がある。

放射性廃液が高濃度の塩を含む場合、上記の吸着処理において放射性核種の吸着を塩が妨害する場合がある。また、それにより固体廃棄物の増加も懸念されている。

例えば、非特許文献１に示されているように、吸着材は、放射性核種以外の元素であるナトリウムイオンやカリウムイオン、カルシウムイオンなどが処理する廃液に含まれていると、放射性核種の吸着を妨害するため、吸着性能が低下するとされている。

特許文献１には、放射性核種で汚染された海水成分を含む廃液から、廃液に含まれ塩化ナトリウムの分離回収を困難にしているにがり成分を、沈殿させるかあるいは膜分離によって分離・除去し、ついで電気透析および電気分解により、当該廃液中の塩化ナトリウムを、分離・回収する処理方法が開示されている。

また、特許文献２には、塩化物イオン、ナトリウムイオンを含む放射性廃液の処理に関して、乾燥・焼却処理を前提として、陽電極と陰電極の間に２枚のバイポーラ膜を配置し、該バイポーラ膜間の陽電極側に陰イオン交換膜、陰電極側にナトリウムイオン選択透過膜をそれぞれ配置して電気透析を行うことにより、放射性廃液からナトリウムイオンを水酸化ナトリウムとして、陰イオンを酸としてそれぞれ分離回収する処理方法が開示されている。

特開２０１３−１２４９１８号公報 特開２０００−３２１３９５号公報

Teresia Moller et al., "Ion exchange of 85Sr, 134Cs and 57Co in sodium titanosilicate and the effect of crystallinity on selectivity", Separation and Purification Technology, Vol.28, pp.13-23, (2002).

非特許文献１に記載されている、吸着材による放射性核種の吸着を妨害するナトリウムイオン等は、吸着処理の前に放射性廃液から除去することが望ましい。

本発明は、吸着材による放射性核種の吸着処理における阻害要因であるナトリウムイオン等を放射性廃液から除去し、吸着材の性能を高め、吸着材の寿命を長くするとともに、吸着処理後に発生する、放射性核種を含む吸着材等の固体廃棄物の量を減らすことを目的とする。

本発明の放射性廃液処理システムは、放射性核種及び塩化ナトリウムを含む放射性廃液に含まれる塩素イオン及びナトリウムイオンの濃度を低減する電気透析装置と、電気透析装置から得られる中性溶液に含まれる放射性核種を吸着する吸着材を含む吸着処理装置と、を含む。

本発明によれば、吸着材による放射性核種の吸着処理における阻害要因であるナトリウムイオン等を放射性廃液から除去し、吸着材の性能を高め、吸着材の寿命を長くすることができる。さらに、本発明によれば、吸着処理後に発生する、放射性核種を含む吸着材等の固体廃棄物の量を減らすことができる。

本発明の処理プロセスの概要を示すフロー図である。 実施例１の電気透析装置を示す概略構成図である。 実施例２の放射性廃液処理システムを示す概略構成図である。 図３の電気透析装置３０２Ａ（第一段目）による元素移行の結果を示すグラフである。 図３の電気透析装置３０２Ｂ（第二段目）による元素移行の結果を示すグラフである。

まず、本発明の処理プロセスの概要について説明する。

図１は、本発明の処理プロセスの概要を示したものである。

本図に示すように、放射性核種含有海水１から塩化ナトリウム等を除去する前処理工程２の後、液中から放射性核種を除去する吸着処理工程３を行う。処理済みの液については、保管もしくは放出４の処分とする。これにより、固体廃棄物の発生量を低減することができる。ここで、放射性核種含有海水１は、放射性核種で汚染された海水である。海水には、塩化ナトリウムが多く含まれ、そのナトリウムイオンが放射性核種の吸着を阻害する。このため、本明細書においては、処理の対象である放射性廃液について「放射性核種及び塩化ナトリウムを含む放射性廃液」と記載することにする。したがって、放射性廃液は、海水を含むものに限定されない。

放射性核種含有海水１に含まれる元素としては、例えばルテニウム、テクネチウム、ニオブなどの遷移金属、セシウムなどのアルカリ金属、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属、セリウムなどの希土類といった金属元素、アンチモン、テルル、ヨウ素などのハロゲン、炭素、ホウ素といった非金属元素がある。放射性核種含有海水１には、海水成分である塩化ナトリウム等も含まれる。

前処理工程２では、吸着処理工程３での吸着材による放射性核種の吸着性能向上のため、放射性核種含有海水１に含まれる海水成分である塩化ナトリウム等、すなわちナトリウムイオンおよび塩素イオンの分離・回収をする。

吸着処理工程３では、放射性核種含有海水１に含まれる放射性核種を吸着材により吸着する。吸着材としては、例えばイオン交換樹脂、キレート樹脂、活性炭、オキシン添着活性炭、ゼオライト、チタン酸塩、フェロシアン化物などが好適である。

吸着後の液は、ステンレス鋼製の容器などに保管されるか、所定の基準に従って所定の場所に放出される（符号４）。

なお、図１に示す処理プロセスは、前処理工程２を行う電気透析装置と、吸着処理工程３を行う吸着処理装置と、を備えた放射性廃液処理システムにより行われる。

以下、図１の前処理工程２を行うための装置構成について、実施例を用いて説明する。

図２は、図１に示す吸着処理工程３の前段プロセスである前処理工程２で用いる電気透析装置を示したものである。

図２において、電気透析装置２００は、容器１７内に陽極１２、陰極１３、陽イオン交換膜１４、陰イオン交換膜１５及びバイポーラ膜１６、１６Ａを配置した装置である。容器１７内は、陽イオン交換膜１４と陰イオン交換膜１５との間に設けられた領域６Ａ、陽イオン交換膜１４とバイポーラ膜１６との間に設けられた領域７Ａ、陰イオン交換膜１５とバイポーラ膜１６Ａとの間に設けられた領域５Ａ、陰極１３とバイポーラ膜１６との間に設けられた領域８Ｃ、バイポーラ膜１６Ａと陽極１２との間に設けられた領域８Ｂに分割されている。

ここで、陽イオン交換膜１４としては一価陽イオン選択透過膜を、陰イオン交換膜１５としては一価陰イオン選択透過膜を用いることができる。

領域６Ａには、配管１０Ａ及びポンプ９Ａを通じて放射性核種含有海水６が供給され、循環するようになっている。領域７Ａには、配管１０Ｂ及びポンプ９Ｂを通じてアルカリ性溶液７が供給され、循環するようになっている。領域５Ａには、配管１０及びポンプ９を通じて酸性溶液５が供給され、循環するようになっている。領域８Ｃには、配管１０Ｄ及びポンプ９Ｄを通じて中性溶液８Ａが供給され、循環するようになっている。領域８Ｂには、配管１０Ｃ及びポンプ９Ｃを通じて中性溶液８が供給され、循環するようになっている。陽極１２と陰極１３との間には、電源１１により定電流もしくは定電圧が印加されるようになっている。これにより、電気透析が可能となり、塩化ナトリウム等の分離・回収を行うことができる。

酸性溶液５は、塩酸や硝酸、硫酸などの水溶液を、アルカリ性溶液７は、水酸化ナトリウムなどの水溶液を、中性溶液８は、硫酸ナトリウムなどの水溶液を用いることができる。

陽極１２および陰極１３に関しては、強酸および強アルカリに耐性のある材料を用いる必要がある。例えば、ステンレス鋼やチタニウム、白金を蒸着した金属、白金の板状もしくは棒状のものが挙げられる。

陽イオン交換膜１４および陰イオン交換膜１５に関しては、有機膜を用いることができる。本実施例においては、有機膜として（株）アストム製のネオセプタ（登録商標）を用いた。

上記の溶液、電極、イオン交換膜等を用いて電気透析を実施すると、容器１７内においては、次のように元素（イオン）が移行する。なお、以下では、元素の移行例として、ナトリウムイオン、セシウムイオン及び塩素イオンを対象とする。

電源１１により、陽極１２と陰極１３との間に電流もしくは電位を印加すると、領域６Ａの放射性核種含有海水に含まれるナトリウムイオンおよびセシウムイオンは、陽イオン交換膜１４を透過し、アルカリ性溶液の領域７Ａに移行する。一方、領域６Ａの放射性核種含有海水に含まれる塩素イオンは、陰イオン交換膜１５を透過し、酸性溶液の領域５Ａに移行する。

上記により、領域６Ａの放射性核種含有海水から塩化ナトリウムが分離・回収され、前処理工程２が完了し、後段の吸着処理工程３が実施可能となる。なお、この際、循環していたアルカリ性溶液７は、放射性核種であるセシウムイオンが含まれているため、ステンレス鋼製の容器などに保管する。一方、循環していた酸性溶液５は、ステンレス鋼製の容器などに保管してもよいが、放射性核種を含まないアルカリ性の溶液で中和し、所定の場所に放出してもよい。これにより、放射性廃棄物の低減が可能となる。

なお、上記の電気透析装置２００は、バイポーラ膜１６Ａを有するため、陽極１２への電流もしくは電位印加による酸性溶液（領域５Ａ）からの塩素ガスなどの発生を抑制することが可能である。ここで、バイポーラ膜は、陰イオン交換層と陽イオン交換層とを貼り合わせた構成を有するイオン交換膜である。本実施例においては、（株）アストム製のものを用いた。

また、本実施例においては、具体例として、アルカリ金属のナトリウムイオンおよびセシウムイオンに関して述べたが、陽イオン交換膜１４の特性を活用し、アルカリ土類金属などの二価陽イオンを分離・回収の対象としてもよい。

本実施例においては、吸着処理工程３の前に前処理工程２を行うことにより、吸着材の放射性核種吸着性能を低下させる元素（イオン）を除去することができ、吸着材の長寿命化が実現できるとともに、高濃度の塩化ナトリウムを含む放射性廃液を処理可能となり、固体廃棄物の減容化が可能となる。

図３は、本実施例の放射性廃液処理システムを示したものである。

本図においては、放射性廃液処理システム３００は、放射性核種含有海水３０１を処理する電気透析装置３０２Ａ（第一段目）と、電気透析装置３０２Ａで得られる中性溶液を処理する吸着処理装置３０３と、電気透析装置３０２Ａで得られるアルカリ性溶液を処理する電気透析装置３０２Ｂ（第二段目）と、電気透析装置３０２Ａで得られる酸性溶液を貯留する酸性溶液タンク１８と、電気透析装置３０２Ｂで得られるアルカリ性溶液を貯留するアルカリ性溶液タンク１９と、酸性溶液タンク１８の酸性溶液とアルカリ性溶液タンク１９のアルカリ性溶液とを混合して中和する中和処理装置２０と、を備えている。吸着処理装置３０３及び中和処理装置２０から得られる、放射性核種を含まない中性溶液は、保管もしくは放出３０４の処分をする。

ここで、電気透析装置３０２Ａで得られるアルカリ性溶液には、ナトリウムイオンのほかに、放射性核種のセシウムイオンなどの陽イオンも含まれる。これは、電気透析装置３０２Ａにおいて処理する放射性核種含有海水３０１がほぼ中性であるためである。なお、当該アルカリ性溶液は、水素イオン指数ｐＨが概ね９以上となる。一方、電気透析装置３０２Ａで得られる酸性溶液は、ｐＨが概ね３以下となる。

電気透析装置３０２Ａにおいては、放射性核種含有海水３０１から塩化ナトリウム等の分離し、塩化ナトリウム等の濃度を低減した中性溶液を吸着処理装置３０３に送る。塩化ナトリウム等のうち、陽イオンであるナトリウムイオン、セシウムイオン等は、アルカリ性溶液として電気透析装置３０２Ｂに送られる。塩化ナトリウム等のうち、陰イオンである塩素イオン等は、酸性溶液として酸性溶液タンク１８に送られる。

アルカリ性溶液に含まれるナトリウムイオン、セシウムイオン等のうち、セシウムイオンなどの陽イオン（ストロンチウムイオンも含む。）は、電気透析装置３０２Ｂにより、ナトリウムイオンなどから分離され、吸着処理装置３０３に送られる。

これにより、最終的に発生する固体廃棄物を低減することができる。

吸着処理装置３０３では、上記の放射性核種含有海水３０１に示した元素の内、放射性核種を吸着材により吸着する。

放射性核種を含まない中性溶液の保管もしくは放出３０４については、保管の場合はステンレス鋼製の容器などを用いて保管することができる。一方、放出の場合は、所定の基準に従って、所定の場所に放出される。

電気透析装置３０２Ａにおいては、それぞれ、図２に示す電気透析装置２００を用いる。

図３の電気透析装置３０２Ａにおいては、中性溶液である放射性核種含有海水３０１を処理するため、図２と同様の構成を有する。すなわち、バイポーラ膜１６、１６Ａを構成要素としている。

実施例２においては、電気透析装置３０２Ａにおいて循環しているアルカリ性溶液７（図２）を電気透析装置３０２Ｂ（図３）に送る。

電気透析装置３０２Ｂにおいては、図２のバイポーラ膜１６、１６Ａの代わりにセラミック膜を配置した電気透析装置を用いている。ここで、セラミック膜は、Ｎａイオン電導体膜（ＮＡＳＩＣＯＮ膜、Na Super Ionic Conductor）である。これにより、電気透析装置３０２Ａに送られるアルカリ性溶液に含まれるナトリウムイオン、セシウムイオン等を分離し、セシウムイオン等の放射性核種のみを吸着処理装置３０３に移行させる。

以下、電気透析装置３０２Ａ又は３０２Ｂにおける放射性核種の選択分離について説明する。

図４は、図３の電気透析装置３０２Ａ（バイポーラ膜を有する。）による元素移行の結果を示したものである。

図４に示すように、バイポーラ膜を有する電気透析装置３０２Ａにおいては、放射性核種含有海水３０１からセシウムイオンとナトリウムイオンとが同程度の割合（ほぼ１：１の割合（比率））でアルカリ性溶液に移行する。

図５は、図３の電気透析装置３０２Ｂ（セラミック膜を有する。）による元素移行の結果を示したものである。

図５に示すように、電気透析装置３０２Ａで得られたアルカリ性溶液について、セラミック膜を有する電気透析装置３０２Ｂによる電気透析を行った場合、当該アルカリ性溶液に含まれるナトリウムイオンとセシウムイオンとは、選択的に分離することができる。この場合において、移行したナトリウムイオンとセシウムイオンとの割合（比率）は、およそ１００００：１である。なお、このような分離性能は、当該アルカリ性溶液のｐＨが５以上の場合に発揮される。

これにより、塩化ナトリウム等の濃度を低減し放射性核種（セシウムイオン等）の割合を増加させた液を吸着処理装置３０３に送ることができる。これにより、吸着材の吸着性能向上および長寿命化が可能となる。なお、電気透析装置３０２Ａ、電気透析装置３０２Ｂ及び吸着処理装置３０３の運転および通水は、循環運転（連続運転）で実施してもよいし、間欠運転で実施してもよい。

なお、上述の例においては、具体例として、アルカリ金属のナトリウムイオンおよびセシウムイオンに関して述べたが、陽イオン交換膜１４（図２）の特性を活用し、アルカリ土類金属などの二価陽イオンを分離・回収の対象としてもよい。

本実施例によれば、吸着材の放射性核種吸着性能を低下させる元素（イオン）を除去することができ、吸着材の高性能化および長寿命化が実現できるとともに、高濃度の塩化ナトリウムを含む放射性廃液を処理可能となり、固体廃棄物の減容化が可能となる。また、中和処理により、放射性核種を含まない中性溶液が得られれば、これを放出することにより、放射性廃液の量を減らすことができる。

なお、上述の吸着処理の代わりに、薬剤添加による沈殿処理により放射性核種の処理をしてもよい。また、薬剤添加による沈殿処理は、吸着処理の後に行ってもよい。

本発明の他の好適な実施例である実施例３の電気透析システムについて、以下に説明する。

実施例２の電気透析システムでは、図３に示すように、電気透析装置３０２Ａにより、放射性核種含有海水３０１は、酸性溶液タンク１８および電気透析装置３０２Ｂに通水されるアルカリ性溶液タンク１９に放射性核種が含まれる溶液に分離される。この際、電気透析装置３０２Ａの陽イオン交換膜１４、陰イオン交換膜１５及びバイポーラ膜１６（図２）を任意の組み合わせで配置することにより、吸着処理装置３０３に通水される溶液と、酸性溶液タンク１８および電気透析装置３０２Ｂに通水されるアルカリ性溶液タンク１９に放射性核種が含まれる溶液を混合した濃縮中性溶液を生成することが可能となる。

上述のように、濃縮中性溶液を一時的にステンレス鋼製の容器などに保管４することで、吸着処理装置３０３に通水される溶液の吸着処理が可能となり、放射性核種含有海水３０１の減容化が可能となる。

なお、一時的にステンレス鋼製の容器などに保管していた濃縮中性溶液は、後に実施例２に示す処理を実施することにより、所定の場所に放出もしくはステンレス鋼製の容器などに保管することができる（図３の符号３０４）。これにより、固体廃棄物の低減が可能となる。

１、６、３０１：放射性核種含有海水、２：前処理工程、３：吸着処理工程、４、３０４：保管もしくは放出、５：酸性溶液、５Ａ、６Ａ、７Ａ、８Ｂ、８Ｃ：領域、７：アルカリ性溶液、８、８Ａ：中性溶液、９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ：ポンプ、１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ：配管、１１：電源、１２：陽極、１３：陰極、１４：陽イオン交換膜、１５：陰イオン交換膜、１６、１６Ａ：バイポーラ膜、１７：容器、１８：酸性溶液タンク、１９：アルカリ性溶液タンク、２０：中和処理装置、２００、３０２Ａ、３０２Ｂ：電気透析装置、３００：放射性廃液処理システム、３０３：吸着処理装置。

Claims (5)

1. 放射性核種及び塩化ナトリウムを含む放射性廃液に含まれる塩素イオン及びナトリウムイオンの濃度を低減する電気透析装置と、
   前記電気透析装置から得られる中性溶液に含まれる前記放射性核種を吸着する吸着材を含む吸着処理装置と、
   前記電気透析装置から得られるアルカリ性溶液に含まれる残りの放射性核種を分離するもう一つの電気透析装置と、を含み、
   前記電気透析装置から得られる酸性溶液と、前記もう一つの電気透析装置から得られるアルカリ性溶液と、を混合する、放射性廃液処理システム。
2. 前記電気透析装置は、バイポーラ膜を含む、請求項１記載の放射性廃液処理システム。
3. 前記もう一つの電気透析装置は、セラミック膜を含む、請求項１記載の放射性廃液処理システム。
4. 分離した前記残りの放射性核種は、前記吸着処理装置に送られる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の放射性廃液処理システム。
5. 前記残りの放射性核種は、セシウムイオンを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の放射性廃液処理システム。

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