JP6626084B2 - 水溶液を高周波振動撹拌装置によって処理するシステム - Google Patents
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Description
本発明は、高周波振動撹拌のエネルギーと、その高周波振動撹拌機の振動羽根を両極として水の電気分解により発生するナノ・マイクロバブルの破裂エネルギーの共用と、更に振動羽根の表面にパラジウムをメッキして触媒効果を高めて、ある元素から他の元素に変換させる処理方法、並びに放射性セシウム１３７及び１３４等の放射性物質を無害化する処理方法に関する。
最近の電子産業や自動車産業の先端技術分野では、レアアースやレアメタルなどの希少元素が欠かせない最重要要素となっているが、これらの元素は特定の場所に僅かに存在するのみである。それ故これらの希少元素の人工的製法に関して国家的レベルで技術開発に取り組んでいるが、実験室レベルでは実現しているものの実用的技術は実現されておらず、非常に困難を極めているのが実情である。
又、海水から「食塩」を採取する場合「廃棄物」としての「塩化マグネシウム」が、年間に数百万トンと膨大な量が副生されており、その処理対策は非常に困難を極めているのが現状であります。
更に、放射性物質による土壌汚染及び汚染水で困窮している「福島」においても、放射性物質を単にゼオライトや特殊炉材を使用して、その体積を少量化するだけの技術しかなく、福島の問題だけでなく、国家的或いは人類の生存にも拘わる緊急に解決を求められる難題となっているが、いまだに確固たる技術はなく一日も早くその革新的な技術の誕生が求められている。
発明者は、以前に水を特殊な振動撹拌で電気分解を行うことにより、ナノ・マイクロバブル（酸素と水素ガスが微細な泡となったもの）が生成しこれが破裂することにより強力なエネルギーを生成することを確認している（例えば、特許文献１−３参照）。特許文献１、２には、振動撹拌によりナノ・マイクロバブルが生成することが記載されており、特許文献３には、そのナノ・マイクロバブルを応用して、炭酸ガスと水から可燃性ガスを生成する方法が記載されている。
上記のナノ・マイクロバブルと高周波振動撹拌と併せて応用し、元素の変換方法及び放射性物質の無害化に関する特許を２０１３年９月１１日に出願しているが、満足すべき変換効率が得られたわけではなく、また変換すべき対象元素がカルシウム及びセシウムに限られていた。そこで、本発明はナノ・マイクロバブルと高周波振動撹拌と併せた方法を更に発展させて、上記の塩化マグネシウム、放射性物質による汚染水などに元素変換を幅広く応用すると共に変換効率を高めることを目的としたものである。
レアメタル、レアアースなどの希少元素をありふれた元素例えばカルシウム、マグネシウム、鉄などから元素変換して採取したり、放射性物質であるセシウムなどを元素変換してバリウムや銀、金、プラチナなどに変換して放射能を人体に無害な許容範囲まで減少させるために、振動撹拌機の多段式の振動羽根の表面にパラジウムや白金を２−５μｍの厚さにメッキを施し、又元素変換しようとする水溶液に０．１〜５％の濃度になるように重水を添加した条件下で１００Ｈｚ〜１７０Ｈｚで振動撹拌することによって、数時間から数日の間に元素変換を成し遂げ課題を解決する元素変換方法。或いは、元素変換の触媒に使用する「重水」の代わりに希薄トリチウム（０．１〜５μシーベルト）を一定量添加して重水より速く元素変換を達成する方法。
より具体的には、以下の（１）〜（５）、（７）及び（８）のいずれかの構成により解決される。
（１）処理槽、前記処理槽の上側の台に固定された高周波振動モーター、前記台に連結された前記処理槽の下方へと伸長する２本の振動棒、及び前記振動棒の下部に取付けられた元素変換の触媒となるパラジウム又は白金を表面にメッキした多段式振動羽根を含んで構成される高周波振動撹拌装置を備え、前記高周波振動モーターは、インバータにより制御されて、前記処理槽中の変換すべき元素を含む水溶液おいて、前記多段式振動羽根を１００Ｈｚ〜１７０Ｈｚの周波数で振動させて水溶液中の前記元素を別の元素に変換させることを特徴とする方法。
（２）前記水溶液に０．１％〜５％の重水を加えることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（３）前記水溶液に０．５μ〜５μシーベルトのトリチウム水を５％〜５０％添加して元素変換を重水を添加した場合よりも短時間で達成すると同時に放射能汚染の元凶と言われているトリチウム水を有効に利用すると同時にそのトリチウムの放射能を２５時間で１／１６の濃度まで減衰させたり無害化させることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（４）前記多段式振動羽根は陽極及び陰極の電極を兼備し、前記電極に０．５〜４Ａ／ｄｍ２の電流を流してナノ・マイクロバブルを発生させて元素変換効率を高めることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の方法。
（５）前記水溶液は、常温（１５〜３０℃）下で処理されることを特徴とする前記（１）ないし（３）のいずれか１項に記載の方法。
（７）前記処理槽は、密閉式又は開放式であり、処理中発生するガス体を処理する場合には、パイプを介して元素変換中に発生する気体を処理する純水又は３％の水酸化カリウム水溶液を保有するバブリング槽が連結されていることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（８）前記処理槽の材質は、樹脂製又はステンレスを含む金属製であることを特徴とする前記（７）に記載の方法。
本発明により、簡単な技術により、低コストで放射性元素を無害化できるようになったこと、並びにカルシウムなどのありふれた元素を貴重なコバルトやニッケルに、更に銅を金、銀などに元素変換できるようになり、地球環境並びに資源の保護に多大な貢献ができることとなった。
元素の変換並びに放射性元素の無害化に用いたシステムは、図１に示す電極兼用型高周波振動撹拌装置及び図２に示すバブリング槽（クッションタンク）から成っている。電極兼用型高周波振動攪拌装置は、処理槽１を備え、変換すべき元素を含んだ水溶液２を投入する。処理槽１の上側の台に高周波振動モーター３が固定され、この台に２本の振動棒４が連結され、その振動棒４が下方に処理槽１内へと伸長している。振動棒４の下部には、多段式振動羽根５が取付けられている。高周波振動モーター３は、インバータ６を用いて制御することにより、処理槽１の液中おいて、多段式振動羽根５が１００〜１７０Ｈｚの周波数で振動するように設定できる。
図３の多段式振動羽根部分の拡大図に示すように、多段式振動羽根５は、２つに振動棒４に取付けられているが、最初の振動羽根は右の振動棒と物理的且つ電気的に連結され、左の振動棒とは物理的には連結されているが、絶縁体７により電気的には絶縁されている。第２の振動羽根は、最初の右の振動棒とは物理的には連結されているが、絶縁体７により電気的に絶縁され、左の振動棒とは物理的且つ電気的に連結されている。このように、振動羽根を電気的に連結、絶縁を交互に左右の振動棒において繰り返すことにより、左右の振動棒は、電気的には絶縁された状態にある。そのため、左右の振動棒に整流器８を介して直流電源を連結し、複数の振動羽根５を交互に陽極、陰極とする直流電圧印加回路、すなわち電気分解回路が形成できる。１つの振動羽根５の寸法は、５５ｍｍＷ×１００ｍｍＬ×０．５ｍｍｔであり、図３に示すように５枚使用した。なお、元素変換の際の触媒効果を高めるために、振動羽根５の表面にはパラジウムを２−５μｍ厚のメッキを施した。パラジウムの代わりに白金でもよい。パラジウムの触媒効果については、後述する実施例１、実施例２の結果をまとめた表１、表２から明らかである。パラジウムのメッキがある場合と無い場合の結果の比較は、実施例において具体的説明する。
上記の構成により、処理槽１は、高周波振動のみ、又は高周波振動流動と共に電気分解を同時に行う操作が可能となる。処理槽の材質は、樹脂製でもステンレスなどの金属製でもよく、使用する条件に応じて任意に選別してもよい。
電気分解を行う場合には、整流器８を介して、２つの振動棒４に直流電圧（ＤＣ１２Ｖ）を印加する。その際の電流密度は０．５〜４Ａ／ｄｍ２に設定する。
図２は、バブリング槽を示す断面図である。バブリング槽は、振動撹拌装置における電解で生成された酸水素ガス（ＯＨＭＡＳＡ−ＧＡＳ）に放射性元素などが随伴されて大気中に放出されないために設けたものであり、バブリング槽の頂部から純水又は３％の水酸化カリウム水溶液中に高周波振動撹拌装置の処理槽１で生成されたガスが吹込まれるように、処理槽１の頂部と配管で連結されている。
このシステムを用いて、水の電気分解の際の発生するナノ・マイクロバブルの強力な破裂エネルギーの効果を期待して、高周波撹拌及び電気分解を併用して元素変換を行う場合の手順は次の通りである。
１）電極兼用型高周波撹拌装置の処理槽１へ処理すべき元素を含む水溶液２を投入する。なお、元素変換を効率よく短時間で達成するために、水溶液２には０．１〜５％の重水を添加することが好ましい。また、重水の代わりに、０．５〜５μシーベルトのトリチウム水を５〜５０％添加すると、元素変換をより短時間で達成すると同時に、放射能汚染の元凶の１つと言われているトリチウム水を有効利用できる。トリチウム水の効果に関しては、実施例において後述する。
２）インバータ６により高周波振動モーター３の周波数を設定して通電する。
３）電解用整流器８により、電解電圧及び電流値を設定する（これにより元素変換処理が開始される）。
４）所定の時間元素変換処理を行う。
５）電解用整流器８の電源を切る。
６）高周波振動モーター３の電源を切る。
７）処理槽１内の水溶液２を３分間撹拌して均一化した後に処理液を採取し、元素量の測定をする。元素の測定は、横河アナリティカルシステムズ（株）製のＩＣＰ質量分析装置（ＨＰ−４５００）により銅、ニッケル、コバルト、チタン、銀、金を定量した。また、サーモフィシャーサイエンティフィックス（株）製のＩＣＰ発光分析装置（ｉＣＡＰ６３００）により、カルシウム、マグネシウム、鉄、亜鉛の定量を行った。
１）電極兼用型高周波撹拌装置の処理槽１へ処理すべき元素を含む水溶液２を投入する。なお、元素変換を効率よく短時間で達成するために、水溶液２には０．１〜５％の重水を添加することが好ましい。また、重水の代わりに、０．５〜５μシーベルトのトリチウム水を５〜５０％添加すると、元素変換をより短時間で達成すると同時に、放射能汚染の元凶の１つと言われているトリチウム水を有効利用できる。トリチウム水の効果に関しては、実施例において後述する。
２）インバータ６により高周波振動モーター３の周波数を設定して通電する。
３）電解用整流器８により、電解電圧及び電流値を設定する（これにより元素変換処理が開始される）。
４）所定の時間元素変換処理を行う。
５）電解用整流器８の電源を切る。
６）高周波振動モーター３の電源を切る。
７）処理槽１内の水溶液２を３分間撹拌して均一化した後に処理液を採取し、元素量の測定をする。元素の測定は、横河アナリティカルシステムズ（株）製のＩＣＰ質量分析装置（ＨＰ−４５００）により銅、ニッケル、コバルト、チタン、銀、金を定量した。また、サーモフィシャーサイエンティフィックス（株）製のＩＣＰ発光分析装置（ｉＣＡＰ６３００）により、カルシウム、マグネシウム、鉄、亜鉛の定量を行った。
上記のシステムを用いて、条件を変化させて行った実施例を説明する。
塩化カルシウム０．５％水溶液を処理槽１に入れ、重水を５ｇ／Ｌ（約０．５％）添加して、高周波撹拌装置により、１７０Ｈｚにて振動羽根５に振動させて３時間処理した結果を表１に示す。また、パラジウムの触媒効果を確認するために、表面にパラジウムのメッキした撹拌羽根とメッキしない撹拌羽根による変換処理も併せて行った。水溶液の温度は処理前が１８．６℃、処理後はパラジウムのメッキの有無にかかわらず１８．５℃で特に大きな変化は無かった。
その結果、濃度１４００ｍｇ／Ｌのカルシウムが、撹拌羽根の表面にパラジウムのメッキが無い場合には、より有益な元素である鉄（０．５ｍｇ／Ｌ）、銅（１１ｍｇ／Ｌ）、ニッケル（９ｍｇ／Ｌ）、コバルト（７ｍｇ／Ｌ）、チタン（１２ｍｇ／Ｌ）に変換されて、濃度１０５０ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。撹拌羽根の表面にパラジウムのメッキを施すと、鉄（２ｍｇ／Ｌ）、銅（３１ｍｇ／Ｌ）、ニッケル（２６ｍｇ／Ｌ）、コバルト（１４ｍｇ／Ｌ）、チタン（２３ｍｇ／Ｌ）に変換されて、濃度８９０ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。この結果から、パラジウムの触媒効果は明らかで、元素によって異なるがパラジウムにより２〜３倍程度に元素の変換効率が増大することがわかる。
塩化銅１％水溶液を処理槽１に入れ、重水を５ｇ／Ｌ（約０．５％）添加して、高周波撹拌装置により１７０Ｈｚにて振動羽根５に振動させて３時間処理した結果を表２に示す。実施例１と同様に、パラジウムの触媒効果を確認するために、表面にパラジウムのメッキした撹拌羽根とメッキしない撹拌羽根による変換処理も併せて行った。水溶液の温度は処理前が１８．２℃、処理後が１８．４℃で特に大きな変化は無かった。
その結果、濃度４２００ｍｇ／Ｌの銅が、撹拌羽根の表面にパラジウムのメッキが無い場合には、より有益な元素である銀（１１ｍｇ／Ｌ）、金（８ｍｇ／Ｌ）並びにニッケル（１２ｍｇ／Ｌ）、亜鉛（１６ｍｇ／Ｌ）に変換されて、銅の濃度は２８００ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。
撹拌羽根の表面にパラジウムのメッキを施すと銀（３４ｍｇ／Ｌ）、金（２６ｍｇ／Ｌ）並びにニッケル（２７ｍｇ／Ｌ）、亜鉛（３１ｍｇ／Ｌ）に変換されて、銅の濃度は１９００ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。この結果から、パラジウムの触媒効果は明らかで、元素によって異なるがパラジウムにより２〜３倍程度に元素の変換効率が増大することがわかる。
塩化マグネシウム０．５％水溶液を処理槽１に入れ、重水を５ｇ／Ｌ（約０．５％）添加して、高周波撹拌装置により１７０Ｈｚにて、表面にパラジウムのメッキを施した振動羽根５を振動させて３時間処理した結果を表３に示す。水溶液の温度は処理前が１８．４℃、処理後はで１８．５℃と特に大きな変化は無かった。
その結果、濃度１７６０ｍｇ／Ｌのマグネシウムが、金（１４ｍｇ／Ｌ）、銀（３２ｍｇ／Ｌ）、銅（４８ｍｇ／Ｌ）に変換されて、マグネシウムの濃度は１０２０ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。
塩化セシウム１％水溶液を処理槽１に入れ、重水を５ｇ／Ｌ（約０．５％）添加して、高周波撹拌装置により１７０Ｈｚにて振動羽根５に振動させて３時間処理した結果を表４に示す。表４には、重水の代わりに、０．５μシーベルトのトリチウム水５ｇ／Ｌ添加した結果も示す。水溶液の温度は処理前が１９．８℃、処理後は重水で２０．０℃、トリチウム水で２０．２℃と特に大きな変化は無かった。
その結果、重水を添加した場合には、濃度６７００ｍｇ／Ｌのセシウムが、バリウム（４８ｍｇ／Ｌ）、タングステン（２２ｍｇ／Ｌ）、白金（２４ｍｇ／Ｌ）、金（１８ｍｇ／Ｌ）、銀（８ｍｇ／Ｌ）、銅（４ｍｇ／Ｌ）亜鉛（１６ｍｇ／Ｌ）、ニッケル（５ｍｇ／Ｌ）、鉄（１８ｍｇ／Ｌ）に変換されて、セシウムの濃度は４８００ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。
また、トリチウム水を添加した場合には、濃度６７００ｍｇ／Ｌのセシウムが、バリウム（５８ｍｇ／Ｌ）、タングステン（４０ｍｇ／Ｌ）、白金（５１ｍｇ／Ｌ）、金（４２ｍｇ／Ｌ）、銀（１９ｍｇ／Ｌ）、銅（１０ｍｇ／Ｌ）、亜鉛（２５ｍｇ／Ｌ）、ニッケル（２２ｍｇ／Ｌ）、鉄（３３ｍｇ／Ｌ）に変換されて、セシウムの濃度は３８８０ｍｇ／Ｌに減少していることがわかる。放射能、重水と比較すると、トリチウム水の方が、すべての元素において濃度が高く、効率的に元素は変換されていることを示している。
また、トリチウムは処理前０．５μシーベルトであった放射能は、３時間処理した後は０．０５μシーベルト以下となり、本発明による溶液の振動・流動がトリチウムの放射能を大幅に減衰させたり無害化させることに極めて効果的であることが判る。
トリチウム水を処理槽１に入れ、高周波撹拌装置により１７０Ｈｚにて表面に３〜５μｍのパラジウムメッキを施した多段の振動羽根５を振動させて２５時間まで処理したトリチウム水の放射線濃度の５時間毎の測定結果を表５に示す。なお、放射線濃度は、センサーテクニック＆エレクトロニック ボカウ社（独国）製のサーベイメーター［ＳＭ５Ｄ］を用いて測定した。
表５に示す結果から明らかなように、処理前のトリチウム濃度が０．８μｓｖであったものが、１０時間処理すると０．３５μｓｖで濃度が半減以下となり、２０時間処理すると０．０８４μｓｖで、ほぼ１／１０まで濃度が減少し、２５時間では０．０５１μｓｖで、１／１６まで濃度が下がった。
トリチウム水の処理中は、処理槽１内には「ヘリウム」と考えられる「ガス体」が充満し、液全体が「気泡」で白濁状態であった。この白濁は、トリチウムがパラジウム触媒のメッキされた振動羽根に１分間に１００００回以上接触し、又１分間に１００００回以上の「振動エネルギー」を付与されることによる考えられる。
しかし、振動撹拌を停止すると、液全体を白濁状態にしていた「ガス体」が浮上し液は数分後に「透明状態」となった。撹拌振動を再開する、直ちに「ガス体」により白濁状態となった。
以上の実施例から明白なように、カルシウム水溶液、銅水溶液やマグネシウム水溶液に本発明による元素変換技術を適用することにより、貴重なレアメタルや貴金属である金、銀がかなり多量に生成されることが実証された。
ここで特筆すべきは、処理時間が極めて短くても（３時間）、元素変換技術により、元のありふれた元素から新しい元素が多量に生成される事実である。
これは、元素変換の触媒として重要な役割を果たすパラジウムを振動羽根の表面にメッキする事によって、振動羽根の振動・流動（１７０Ｈｚ）によりパラジウム触媒と元素との接触が１分間に約１００００回と共に想像を絶する回数で行われている事によるものである考える。
当然ながら、元素変換に重要なもう１つの触媒である重水もパラジウムの接触反応と同様に、１分間に約１００００回という強烈な振動・流動によりその機能を存分に果たしていることも重要なファクターである。
しかし、１分間に約１００００回という振動をパラジウムメッキした振動羽根に与えただけでは、効果は非常に少ないが、発明者が既に発明している「振動と同時に液体の流動」を発生させていることが最も重要なファクターであることは当然である。
このように元素変換しようとする元素を含む水溶液が入っている槽内を、ただ単に高周波撹拌して水溶液に振動流動を与えるだけで、元素変換ができる事は画期的な発明であり、多種類の元素を簡単に別の元素に元素変換する途を開くものである。
処理槽の容量に対応した高周波撹拌装置を設置、作動させるだけで目的の元素変換が、常温でしかも安全で簡単に実現することは、今後、元素変換により必要な元素を必要量創出する上で、大きな貢献を果たす事ができる。
また、実施例にもあるように、セシウムをバリウムや白金などの別の元素に短時間で変換させた事実は、放射性汚染物の処理に困窮している今日に、早急なる安全社会の実現を可能とする大きな技術革新となるものである。
トリチウム水の処理結果からも理解できるように、全世界で極めて困窮している「トリチウム」をパラジウム触媒をメッキした振動羽根を有する「高周波振動撹拌機」を１７０Ｈｚで、２５時間ほど振動撹拌することにより、トリチウム濃度を約１／１６まで減少させる画期的なデータを得たことは、福島を始め世界から「トリチウム恐怖」をたちまちに払拭できる技術的な快挙であると考える。
１ 処理槽
２ （元素を含む）水溶液
３ 高周波振動モーター
４ 振動棒
５ 多段式振動羽根
６ インバータ
７ 絶縁体
８ 整流器
２ （元素を含む）水溶液
３ 高周波振動モーター
４ 振動棒
５ 多段式振動羽根
６ インバータ
７ 絶縁体
８ 整流器
Claims (6)
- 水溶液を高周波振動撹拌装置によって処理するシステムであって、
前記高周波振動撹拌装置は、
水溶液が投入される処理槽と、
高周波振動モータと、
当該高周波振動モータを制御するインバータと、
前記高周波振動モータに基づいて振動し、前記処理槽内を伸長する振動棒と、
前記処理槽内の水溶液中の振動棒に取り付けられ、当該水溶液を高周波振動拡散させる振動体と、
前記振動棒を直流電源に連結するための回路と、
を備え、
前記振動体の複数が多段式に前記振動棒に取り付けられ、
当該複数の振動体の夫々は、前記振動棒に電気的に連結する第１の部分と、当該第１の部分とは異なる部分であって、前記振動棒に絶縁されて取り付けられる第２の部分と、を備え、
前記複数の振動体夫々の第１の部分及び第２の部分の一方の部分は、一つの振動棒に連結され、他方の部分は他の振動棒に連結され、
前記複数の振動体が振動棒に多段式に固定されることは、当該複数の振動体夫々の第１の部分及び第２の部分が、夫々、前記一つの振動棒と他の振動棒とに交互に連結されるということであり、
前記高周波振動モータは、前記水溶液中で、前記複数の振動体を１００Ｈｚ〜１７０Ｈｚの周波数で振動させ、
前記複数の振動体夫々の表面には、前記水溶液を高周波振動撹拌によって処理するためのパラジウム触媒、又は、白金触媒が形成され、
前記貯留槽内の水溶液にトリチウムを含ませるようにし、
前記高周波振動モータが当該水溶液を高周波振動撹拌することに合わせて、前記回路が前記一つ振動棒と他方の棒とを前記直流電源に連結して、当該水溶液を電気分解するようにした、
前記システム。 - 前記貯留槽内の水溶液に前記トリチウムに代えて０．１％〜５％の重水を加えるようにした、請求項１に記載のシステム。
- 前記貯留槽内の水溶液に０．５μ〜５μシーベルトのトリチウム水を５％〜５０％添加する、請求項１に記載のシステム。
- 前記回路は前記振動棒に０．５〜４Ａ／ｄｍ２の電流を印加する、請求項１に記載のシステム。
- 前記水溶液を、常温（１５〜３０℃）下で処理する請求項１に記載のシステム。
- 前記高周波振動撹拌装置は、前記処理槽にパイプを介して連結し、前記電気分解で発生した気体を処理するためのバブリング槽を、備える、請求項１に記載のシステム。
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