JP6859685B2 - ベントナイトペレット製造方法 - Google Patents

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本発明は、ベントナイトを含有するベントナイトペレットを製造するベントナイトペレット製造方法に関し、特に、高密度のベントナイトペレットを製造する技術に関する。
高レベル放射性廃棄物処分場において、放射性廃棄物の廃棄体を埋設処分する方法として、廃棄体の周りに人工バリア(緩衝材)を構築する方法が考えられている。近年では、操作性が比較的簡便なベントナイトペレットを緩衝材として廃棄体の周囲に充填するペレット充填方式が注目されている。緩衝材に対しては、高い遮蔽性能が要求されているので、ペレット充填方式において使用されるベントナイトペレットとしては、高密度であることが要請される。
例えば、高密度のベントナイトペレットを製造する方法としては、例えば、ドラム造粒、パン造粒、押し出し造粒法、CIP(Cold Isostatic Pressing)法等が知られている。
例えば、押し出し造粒法を用いてベントナイトペレットを製造する方法に関する技術として、特許文献1に記載の技術が知られている。
特開2015−206736号公報
ドラム造粒、押し出し造粒法、CIP法で用いられる機械は、汎用的に利用される機械ではなく、特殊な機械となっており、機械の全数が比較的少ない。また、ドラム造粒、押し出し造粒法、CIP法で1回に製造できる量は比較的少ない。また、押し出し造粒法では、押し出して成形したペレットを乾燥させる必要があり、最終的なペレットが完成するまでに時間を要する。このようなことから、高密度のベントナイトペレットの製造コストが非常に高いという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高密度のベントナイトペレットの製造コストを低減することのできる技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一観点に係るベントナイトペレット製造方法は、2つのロール間に処理対象を通過させることにより圧縮成形可能なロールプレス機を用いてベントナイトペレットを製造するベントナイトペレット製造方法であって、ベントナイト含有材料をロールプレス機に投入して圧縮成形することにより、第1次ベントナイトペレットを製造する第1圧縮成形工程と、第1圧縮成形工程と異なる設定がされたロールプレス機に第1圧縮成形工程により得られた第1次ベントナイトペレットを投入して、第1次ベントナイトペレットよりも厚さが厚い第2次ベントナイトペレットを製造する第2圧縮成形工程と、を有する。
上記ベントナイトペレット製造方法において、第2圧縮成形工程におけるロールプレス機のロール間隔は、第1圧縮成形工程におけるロールプレス機のロール間隔よりも大きく設定されていてもよい。
また、上記ベントナイトペレット製造方法において、第1圧縮成形工程におけるロールプレス機のロール間隔は、0mmであり、第2圧縮成形工程におけるロールプレス機のロール間隔は、2mmであってもよい。
また、上記ベントナイトペレット製造方法において、ベントナイト含有材料は、粉体ベントナイトであってもよい。
また、上記ベントナイトペレット製造方法において、ロールプレス機のロールの線圧は、137.2N/mm以上であってもよい。
また、上記ベントナイトペレット製造方法において、ロールプレス機のローラの送り速度は、15.7mm/s以下であってもよい。
また、上記ベントナイトペレット製造方法において、第2次ベントナイトペレットは、厚さが3.5mm以上であり、かさ密度が1.93Mg/m以上であってもよい。
本発明によれば、高密度のベントナイトペレットの製造コストを低減することができる。
本発明の一実施形態に係る緩衝材製造方法に利用されるロールプレス機を模式的に示す構成図である。 ロールプレス機による圧縮成形により得られるベントナイトペレットの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る緩衝材製造方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る各実験例の内容及び結果を示す図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るベントナイトペレット製造方法を含む緩衝材製造方法を説明する。
まず、本発明の一実施形態に係る緩衝材製造方法に利用されるロールプレス機について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る緩衝材製造方法に利用されるロールプレス機を模式的に示す構成図である。
ロールプレス機10は、ベントナイトペレットの製造に特有な装置ではなく、広く一般的に使用される装置である。ロールプレス機10は、対向して配置される1対のロール11,12と、圧縮加工を行う処理対象を投入するためのホッパ13と、ロール11,12間を通って圧縮成形された加工物を受け取るための加工物受部14とを備える。
ロール11は、例えば、中実の円柱状の部材であり、例えば、直径が300mmで軸方向の長さが300mmである。ロール11は、ロール軸11Aに回転力を伝達するモータ15により、図1における時計回り方向に回転可能となっている。ロール11の回転速度は、調整可能となっている。また、ロール11に対して、例えば油圧ジャッキ17等により荷重をかけることができる。ロールプレス機10では、例えば、ロール11をロール12方向に押圧するように、4.0ton以上の荷重をかけることができる。
ロール12は、例えば、中実の円柱状の部材であり、例えば、直径が300mmで軸方向の長さが300mmである。ロール12は、ロール軸12Aに回転力を伝達するモータ16により、図1における反時計回り方向に回転可能となっている。ロール12の回転速度は、調整可能となっている。なお、基本的には、ロール12の回転速度は、ロール11の回転速度と同じとなっている。
ロールプレス機10では、ロール11と、ロール12との間の距離(ロール間隔G)を、調整することができる。本実施形態では、例えば、ロールプレス機10は、ロール11とロール12とが接しているロール間隔Gが0mmから、例えば、1mm単位でロール間隔を調整することができる。
ロールプレス機10によると、ロール11に荷重を加え、ロール11及びロール12を回転させた状態で、ホッパ13に処理対象物が投入されると、ホッパ13に投入された処理対象物がロール11とロール12との間に飲み込まれ、ロール11とロール12とにより圧縮成形されて加工物となり、加工物受部14に排出される。本実施形態では、ホッパ13には、ベントナイトペレットの母材(例えば、粉体ベントナイト)や、ロールプレス機10により圧縮成形された加工物(ベントナイトペレット)が投入され、ベントナイトペレットとして加工物受部14に排出される。
次に、ロールプレス機10で圧縮成形された加工物であるベントナイトペレットについて説明する。
図2は、ロールプレス機による圧縮成形により得られるベントナイトペレットの一例を示す図である。
ベントナイトペレットPは、例えば、図2に示すように、平板状となっている。本実施形態においては、ベントナイトペレットPの平面は、例えば、数十mm×数十mm程度の大きさとなることもある。本明細書においては、図に示すように、ベントナイトペレットPにおける平面間の距離を厚さDと表すこととする。
次に、ベントナイトペレット製造方法を含む緩衝材製造方法について説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る緩衝材製造方法のフローチャートである。
緩衝材製造方法を実行する前には、緩衝材の母材を予め用意しているものとする。母材としては、ベントナイト含有材料、例えば、粉体ベントナイトを用いることができる。
まず、ロールプレス機10を用いて1回目の圧縮成形工程(第1圧縮成形工程)を実行する(ステップS11)。1回目の圧縮成形工程では、ロールプレス機10のロール間隔、ロール11への荷重、ロール11,12の回転速度を1回目の圧縮成形工程用の所定の設定としてロールプレス機10を動作させる。次いで、ロールプレス機10のホッパ13に母材の粉体ベントナイトを投入する。これにより、ロールプレス機10の加工物受部14には、圧縮成形された複数のベントナイトペレット(第1次ベントナイトペレット)が排出される。
次いで、ロールプレス機10を用いて2回目の圧縮成形工程(第2圧縮成形工程)を実行する(ステップS12)。2回目の圧縮成形工程では、ロールプレス機10のロール間隔、ロール11への荷重、ロール11,12の回転速度を2回目の圧縮成形工程用の設定としてロールプレス機10を動作させる。ここで、2回目の圧縮成形工程用の設定は、1回目の圧縮成形工程の設定と異なっている。具体的には、本実施形態では、2回目の圧縮成形工程用の設定におけるロール間隔は、1回目の設定におけるロール間隔よりも、大きく設定されている。次いで、ロールプレス機10のホッパ13に1回目の圧縮成形工程で得られた複数のベントナイトペレットを投入する。これにより、ロールプレス機10の加工物受部14には、圧縮成形された複数のベントナイトペレット(第2次ベントナイトペレットに相当)が排出される。2回目の圧縮成形工程により得られたベントナイトペレットは、1回目の圧縮成形工程により得られたベントナイトペレットよりも厚くなっている。ここまでの工程が、高密度のベントナイトペレットを製造する工程(ベントナイトペレット製造方法)となっている。なお、第2圧縮成形工程で得られるベントナイトペレットの厚さが所望の厚さに満たない場合には、直前の工程で得られたベントナイトペレットを処理対象として、ロールプレス機10の設定を変更(例えば、ロール間隔を大きくする等)して、3回目以降の圧縮成形工程を行うようにしてもよい。
次いで、2回目の圧縮成形工程で得られた複数のベントナイトペレットに対して、粒度分布が緩衝材として設定された所定の分布に近づくように解砕する解砕工程を実行する(ステップS13)。
次いで、解砕工程で得られた結果物に対して、粉体ベントナイトを混合することにより、混合物における粒度分布の最適化、すなわち、粒度分布を緩衝材として設定された所定の分布により近づけるようにする(混合工程:ステップS14)。この混合工程を実行することにより、ステップS13においてベントナイトペレットに対して解砕を行って得られた結果物だけでは不足してしまう小さい粒径(細粒分)として粉体ベントナイトを補充することができ、混合工程を経て得られた混合物における粒度分布を緩衝材として設定された所定の分布に一致又はより近づけることができる。このようにして、混合工程を経て得られた混合物は、放射性廃棄物の廃棄体を埋設処分する際における緩衝材として利用することができる。
次に、緩衝材製造方法におけるベントナイトペレット製造方法に関する各実験例について詳細に説明する。
図4は、各実験例の状態及び実験結果を示す図である。
実験例1から実験例6においては、同一のロールプレス機10を用いた。ロールプレス機10のロール11及び12は、直径300mm、長さ300mmとなっていた。また、ロールプレス機10におけるロール11に対する荷重を4.2ton(線圧137.2N/mm(=4.2ton×1000kg×9.8N/300mm))とした。また、母材の粉体ベントナイトとして、Na型ベントナイトを使用した。具体的には、クニゲルV1(クニミネ工業株式会社製:クニゲルは商標)を用いた。粉体ベントナイトの初期含水比は、出荷時のままの未調整であり、10.3%であった。なお、母材として粉体ベントナイトを用いると、得られるベントナイトペレットに含まれる不純物を低減することができ、放射性廃棄物の廃棄体用の緩衝材として要求される信頼性を確保することができる。
[実験例1]
実験例1では、ロールプレス機10において、ロール間隔を3mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を6rpm(送り速度は、94.2mm/s(≒300mm×π×6rpm/60s))とした。ホッパ13からロール11,12間へは、0.4kgの粉体ベントナイトが3.0分、すなわち、投入速度0.1kg/分で投入された。
ロールプレス機10により得られた加工物は、ベントナイトペレットとして利用できない小さい粒状であり、不良(NG)と判定した。
[実験例2]
実験例2では、ロールプレス機10において、ロール間隔を0mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を1rpm(送り速度は、15.7mm/s(≒300mm×π×1rpm/60s))とした。ホッパ13からロール11,12間へは、3.4kgの粉体ベントナイトが15.0分、すなわち、投入速度0.2kg/分で投入された。
ロールプレス機10により圧縮成形された加工物中のベントナイトペレット(1次ベントナイトペレット)から複数個をサンプルとして採取し、測定を行うと、厚さは、1.39mmであり、かさ密度は、1.98Mg/mであった。なお、かさ密度は、乾燥密度であり、土の湿潤密度試験(JIS A 1225)のパラフィン法に準じて湿潤密度を測定し、含水比から乾燥密度を求めた。なお、かさ密度については、他の実験例でも同様の方法で求めた。
[実験例3]
実験例3では、ロールプレス機10において、ロール間隔を0mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を4rpm(送り速度は、62.8mm/s)とした。ホッパ13からロール11,12間へは、0.5kgの粉体ベントナイトが1.5分、すなわち、投入速度0.3kg/分で投入された。
ロールプレス機10のロール11及び12の回転速度が速く、ロール11,12間へベントナイトペレットを得るために十分な量のベントナイトを供給することができず、ベントナイトペレットとして十分な大きさの加工物が得られず、不良(NG)と判定した。
[実験例4]
実験例4では、実験例2で得られたベントナイトペレットをロールプレス機10に投入する処理対象とした。すなわち、実験例4は、ロールプレス機10を2回通して、2回の圧縮成形工程を行った例となっている。ロールプレス機10において、ロール間隔を2mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を1rpm(送り速度は、15.7mm/s)とした。ホッパ13からロール11,12間へは、3.1kgのベントナイトペレットが1.5分、すなわち、投入速度2.1kg/分で投入された。
ロールプレス機10により圧縮成形された加工物中のベントナイトペレット(2次ベントナイトペレット)から複数個をサンプルとして採取し、測定を行うと厚さは、3.59mmであり、かさ密度は、2.02Mg/mであった。
[実験例5]
実験例5では、実験例2で得られたベントナイトペレットをロールプレス機10に投入する処理対象とした。すなわち、実験例5は、ロールプレス機10を2回通して、2回の圧縮成形工程を行った例となっている。ロールプレス機10において、ロール間隔を3mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を1rpm(送り速度は、15.7mm/s)とした。ホッパ13からロール11,12間へは、0.5kgのベントナイトペレットが0.5分、すなわち、投入速度1.0kg/分で投入された。
ロールプレス機10により圧縮成形された加工物中のベントナイトペレット(2次ベントナイトペレット)から複数個をサンプルとして採取し、測定を行うと、厚さは、3.63mmであり、かさ密度は、1.93Mg/mであった。
[実験例6]
実験例6では、実験例4で得られたベントナイトペレットをロールプレス機10に投入する処理対象とした。すなわち、実験例6は、ロールプレス機10を3回通して、3回の圧縮成形工程を行った例となっている。ロールプレス機10において、ロール間隔を3mmとし、ロール11及びロール12の回転速度を1rpm(送り速度は、15.7mm/s)とした。ホッパ13からロール11,12間へは、2.7kgのベントナイトペレットが1.0分、すなわち、投入速度2.7kg/分で投入された。
ロールプレス機10により圧縮成形された加工物中のベントナイトペレットから複数個をサンプルとして採取し、測定を行うと、厚さは、4.13mmであり、かさ密度は、1.98Mg/mであった。
次に、実験例1から実験例6の実験結果を比較して説明する。
実験例1から実験例3では、処理対象を粉体ベントナイトとし、ロールプレス機10を1回通した、すなわち、ロールプレス機10による圧縮成形処理を1回行った。
実験例1及び実験例3に示すように、ロールの送り速度が、62.8mm/s以上である場合には、ロールプレス機10により有効な大きさのベントナイトペレットが製造できなかった。また、実験例1に示すように、ロール間隔が3mmの場合には、有効な大きさのベントナイトペレットが製造できなかった。これは、処理対象の粉体ベントナイトが、ロールプレス機10のロール11,12間で圧縮が十分に行われずに、素通りしているような状態となっているためであると考えられる。
これに対して、実験例2では、ロール間隔が0mmと狭く、且つ、ロールの送り速度が、15.7mm/sと低速であるので、粉体ベントナイトが十分に圧縮されて比較的大きい平板状のベントナイトペレットが得られた。このことから、処理対象を粉体ベントナイトとする場合には、ロール間隔が狭く、且つ、ロール送り速度が遅い方が、比較的大きなベントナイトペレットが得られることが判った。なお、得られたベントナイトペレットは、かさ密度が1.98Mg/mであり、比較的高くなっているが、厚さが1.39mmと比較的薄い。
実験例4と実験例5とは、ロールプレス機10における圧縮成形工程におけるロール間隔が実験例2よりも大きくなっている。また、実験例4と実験例5とでは、ロールプレス機10における圧縮成形工程におけるロール間隔が実験例4よりも実験例5の方が大きくなっている。
実験例4及び実験例5のいずれの例においても、厚さが3.5mm以上であり、且つかさ密度が1.93Mg/m以上であるベントナイトペレットが得られた。実験例4及び実験例5によると、処理対象とした実験例2で得られたベントナイトペレットよりも厚いベントナイトペレットが得られた。実験例4のベントナイトペレットは、かさ密度が2.02Mg/mであって、2.0Mg/m以上となっており、かさ密度の点からは、実験例5のベントナイトペレットより好ましい。
実験例6においては、処理対象とした実験例4で得られたベントナイトペレットよりも厚い、厚さが4.13mmのベントナイトペレットが得られた。得られたベントナイトペレットは、かさ密度が1.98Mg/mであり、比較的高い。なお、実験例6では、ベントナイトペレットを得るために、ロールプレス機10を3回通す必要があるので、製造コストを低減するという点では実験例4及び実験例5の方が好ましい。
以上の実験例1から実験例6の実験結果によると、例えば、ベントナイトペレットの厚さが3.5mm以上であればよく、製造コストを抑えたい場合には、実験例4の方法によりベントナイトペレットを製造すればよい。具体的には、ロールプレス機10のロールの送り速度を15.7mm/s、ロール間隔を0mmに設定して、粉体ベントナイトをロールプレス機10に通してベントナイトペレットを製造する工程(第1圧縮成形工程:実験例2に相当)を実行し、次いで、ロールの送り速度を15.7mm/s、ロール間隔を2mmに設定して、得られたベントナイトペレットをロールプレス機10に通してベントナイトペレットを製造する工程(第2圧縮成形工程)を実行するようにすればよい。
以上説明したように、本実施形態に係るベントナイトペレット製造方法では、粉体ベントナイトをロールプレス機10に投入して圧縮成形することにより、第1次ベントナイトペレットを製造する第1圧縮成形工程と、第1圧縮成形工程と異なる設定がされたロールプレス機に第1圧縮成形工程により得られた第1次ベントナイトペレットを投入して、第1次ベントナイトペレットよりも厚さが厚い第2次ベントナイトペレットを製造する第2圧縮成形工程とを有するようにしたので、比較的厚さのある高密度のベントナイトペレットを容易且つ迅速に製造することができる。また、ロールプレス機10としては、一般的なロールプレス機を用いることができる。これにより、ベントナイトペレットの製造コストを低減することができる。また、圧縮成形工程後のベントナイトペレットに対して、乾燥工程を行わなくとも、比較的高いかさ密度を得ることができる。
なお、本発明は、上述の実施形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上記実施形態では、ベントナイトペレットの母材として、粉体ベントナイトのみを使用するようにしていたが、本発明はこれに限られず、母材として、例えば、ベントナイトと砂とを含むベントナイト混合土を用いてもよく、ベントナイトの原鉱石を用いてもよく、要は、ベントナイトを含有するものであればよい。
10…ロールプレス機、11…ロール、12…ロール、13…ホッパ、14…加工物受部、P…ベントナイトペレット

Claims (7)

  1. 2つのロール間に処理対象を通過させることにより圧縮成形可能なロールプレス機を用いてベントナイトペレットを製造するベントナイトペレット製造方法であって、
    ベントナイト含有材料を前記ロールプレス機に投入して圧縮成形することにより、第1次ベントナイトペレットを製造する第1圧縮成形工程と、
    第1圧縮成形工程と異なる設定がされた前記ロールプレス機に前記第1圧縮成形工程により得られた前記第1次ベントナイトペレットを投入して、前記第1次ベントナイトペレットよりも厚さが厚い第2次ベントナイトペレットを製造する第2圧縮成形工程と、を有する
    ベントナイトペレット製造方法。
  2. 前記第2圧縮成形工程における前記ロールプレス機の、前記第1次ベントナイトペレットを投入する前のロール間隔は、前記第1圧縮成形工程における前記ロールプレス機の、前記ベントナイト含有材料を投入する前のロール間隔よりも大きく設定されている
    請求項1に記載のベントナイトペレット製造方法。
  3. 前記第1圧縮成形工程における前記ロールプレス機の、前記ベントナイト含有材料を投入する前のロール間隔は、0mmであり、
    前記第2圧縮成形工程における前記ロールプレス機の、前記第1次ベントナイトペレットを投入する前のロール間隔は、2mmである
    請求項2に記載のベントナイトペレット製造方法。
  4. 前記ベントナイト含有材料は、粉体ベントナイトである
    請求項1から請求項3の何れか一項に記載のベントナイトペレット製造方法。
  5. 前記ロールプレス機の前記ロールの線圧は、137.2N/mm以上である
    請求項1から請求項4の何れか一項に記載のベントナイトペレット製造方法。
  6. 前記ロールプレス機の前記ロールの送り速度は、15.7mm/s以下である
    請求項1から請求項5の何れか一項に記載のベントナイトペレット製造方法。
  7. 前記第2次ベントナイトペレットは、厚さが3.5mm以上であり、かさ密度が1.93Mg/m以上である
    請求項1から請求項6の何れか一項に記載のベントナイトペレット製造方法。
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