JPH0735287B2 - 固化材およびそれを用いる放射性廃棄物の固化方法 - Google Patents

固化材およびそれを用いる放射性廃棄物の固化方法

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JPH0735287B2
JPH0735287B2 JP1178365A JP17836589A JPH0735287B2 JP H0735287 B2 JPH0735287 B2 JP H0735287B2 JP 1178365 A JP1178365 A JP 1178365A JP 17836589 A JP17836589 A JP 17836589A JP H0735287 B2 JPH0735287 B2 JP H0735287B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は放射性廃棄物の容器内への固定化や処分用ピッ
トの埋め戻しに用いるに好適な固化材、及び該固化材を
用いた放射性廃棄物の固化方法に関する。
[従来の技術] 原子力発電所や核燃料再処理施設等から発生する濃縮廃
液や使用済みイオン交換樹脂、雑固体等の放射性廃棄物
を固化処理して固化体とする目的に用いる固化材とし
て、セメントや水ガラス(ケイ酸アルカル)等の水硬性
無機固化材が知られている。
上記のような目的に用いられる固化材(充填材)は、固
化体が水没するような悪条件下でも、放射性核種の固化
体外への溶出を大幅に遅延できる性質を有することが必
要である。そのためには固化材(充填材)が放射性核種
を吸着する性質を持つこと、即ち放射性核種に関する分
配係数が大きいことが要求される。
従来より知られているセメント系固化材、例えばポルト
ランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、アル
ミナセメント等の水硬化性固化材は、硬化後の固化体の
細孔水のpHが高いため、Am,Cm等の超ウラン元素及び60C
o等の遷移金属に関する分配係数が大きく、また細孔表
面の電荷分布の特性から131I等の陰イオンに関する分配
係数が比較的大きい。一方、陽イオンでアルカリ金属で
ある137Csを吸着する性質はない。
そこで、固化材のCs分配係数を高めるため、日本原子力
研究所所報JAERI−M5779に記載されているように、陽イ
オンを吸着する性質をもつゼオライトをセメントに混和
する方法がある。
[発明が解決しようとする課題] しかし、上記のゼオライトを用いる従来技術では、セメ
ントをはじめとする水硬性固化材ペーストが高アルカリ
性(pH>10)であり、その成分である陽イオンCaz+の高
濃度溶液となっていることが考慮されておらず、ゼオラ
イトのCs吸着容量(分配係数)が著しく低下する問題が
あることを本発明者は見出した。
本発明の目的は、上記のようなアルカリ性の液性をもつ
水硬性固化材のペースト中においても、高いCs分配係数
を維持できる無機化合物を混和した水硬性固化材およ
び、かかる水硬性固化材を用いた放射性廃棄物固化方法
を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記目的の達成のため、本発明は高アルカリ性(pH>1
0)の雰囲気で、加水分解反応により、陽イオンの吸着
サイト(イオン交換基)が増加することによってCs吸着
容量がむしろアルカリ性で増加する性質を持つ無機化合
物を水硬性固化材のペーストに混和したものを固化材と
し、この固化材を用いて放射性廃棄物を固化するもので
ある。
上記の性質を持つ無機化合物としては、シロキサン結合
からなる骨格とシラノール基とを有するケイ素化合物が
挙げられる。
[作用] 発明者らは、高アルカリ性でCaイオン濃度が高い水硬性
固化材ペースト中で、高いCs分配係数を維持できる無機
化合物として、シロキサン結合(Si−O−Si)からなる
骨格とシラノール基(Si−OH)とを有するケイ素化合物
が好適であることを実験的に見い出した。
水硬性固化材の一例としてポルトランドセメントペース
トの液性を模擬した水酸化カルシウム飽和溶液中(pH=
12.5)に、及び純水中(pH=6)に、137Csをトレーサ
ー量(微量)入れ、これに下記の各種無機材を添加した
ときの該各種無機材のCs分配係数を測定した結果を表1
に示す。
ここに、本発明に係る無機材というのはシロキサン結合
からなる骨格とシラノール基とを有するケイ素化合物で
ある。
表1に示したように、ゼオライトやフライアッシュは純
水中では高い分配係数を示すが、セメントペースト中の
液性を模擬した水酸化カルシウム飽和溶液の液性におい
ては著しくそのCs吸着性能が低下することがわかる。一
般的にイオン交換反応でCsを分配する(すなわち吸着す
る)無機材は、おおむね、このようなpH依存性を示す。
特に純水中で高い吸着係数をもつゼオライトやベントナ
イトのような、結晶構造の層間に陽イオンをイオン交換
する無機材は、pHが高くなると結晶構造が変化し、吸着
容量が著しく低下する。
これに対して本発明に係る無機材、すなわちシロキサン
骨格とシラノール基とを有するケイ素化合物は、次のよ
うな性質を持っている。この化合物は純水中(pH=6)
では、 のような構造をとっており、シラノール基の部分が解離
することによって陽イオンを吸着する性質を持つ。高ア
ルカリ雰囲気では、 のようにシロキサン結合(Si−O−Si)部分が一部加水
分解反応を起こし新たにシラノール基が生じる。このこ
とは陽イオンの吸着サイトが増加することを意味してい
る。すなわち上記ケイ素化合物は高アルカリ性溶液中で
も高い陽イオン分配係数を維持できる特徴を有する。
本発明に係る無機材である、シロキサン結合よりなる骨
格とシラノール基とを有するケイ素化合物の一般的な構
造式は、中性条件の場合には第1図に、アルカリ性条件
の場合には第2図に示す如くである。
このような無機材をセメントのような水硬性固化材に混
合することにより、セメントが本来持っている陰イオン
吸着能と、添加した無機材の陽イオン吸着能とを合わせ
持った充填材(固化材)を実現することが可能となる。
このような充填材を用いることによって、各種の放射性
核種の溶出が著しく小さい放射性廃棄物の固化体を作成
できる。
[実施例] 実施例1 本発明の実施例1を第3図により説明する。本実施例は
放射性の廃液をセメント系の固化材で容器内に均質に固
化するのに好適な例である。
セメントサイロ1よりセメントがフィーダ6により、ま
た吸着材タンク2より吸着材として本発明に係る無機材
の粉末がフィーダ7により、それぞれ一定量、混練槽5
に供給される。混練槽5には予め、廃液タンク3よりバ
ルブ8を介して放射性廃液が混練槽5に供給されてお
り、セメントの供給時にモータ10により攪拌翼11を回転
させてセメントを混練する。場合に応じて、混練水タン
ク4よりバルブ9を介して混練水を添加し、セメントペ
ーストの粘度を調整する。なお混練水タンク4は、減水
剤タンクに置換可能であり、減水剤としてβナフタレン
スルホン酸塩縮合物等を用い、ペースト粘度を下げると
きに使用する。
十分混練の終了したペーストは、固化容器12に注入さ
れ、約1ヵ月間、密閉養生した後、固化体が完成する。
以上の手順で作成した固化体の水浸漬試験の結果につい
て以下に示す。使用したセメントは普通ポルトランドセ
メントであり、これに前記吸着材として活性ケイ酸を混
和した。それぞれの投入量はセメント70重量部に対し、
吸着材30重量部である。模擬廃液として137CsCl 100μC
iを含む純水を使用した。この模擬廃液にはその他の無
機塩は含まれていない。廃液/(セメント+吸着材)重
量比は0.3で実施した。本実施例と比較するため、吸着
材を含まないセメント単独の固化材を用いて作った固化
体、及び合成ゼオライトを吸着材としてセメントに混和
した固化材を使用して作った固化体も供試した。134CsC
lの添加量、廃液/固形分比等の条件は上記と同一であ
る。以上の3種類の固化体からの3ヵ月水浸漬後の134C
s浸出率の比を、セメント単独の固化体からの浸出率を
1として表わした結果を表2に示す。
表2の結果からわかるように、本発明に係る無機材とし
て活性ケイ酸をセメントに混和した固化材を使用するこ
とによって、固化体からの134Csの浸出率を、セメント
単独の場合の1/5、ゼオライト使用の場合の2/5以下に低
減する効果が得られた。これは、前述のように、高アル
カリであるセメントペースト中でも添加した活性ケイ素
のCs吸着容量が大きいためである。
本実施例における吸着材添加量は、(固化材+吸着材)
100重量部に対して、吸着材10〜50重量部が好ましく、2
0〜30重量部が最適である。
また、活性ケイ酸の代わりに、有機ケイ素化合物である
シリコーン類やケイ酸アルカリの重合体、含水酸化チタ
ン等を用いても同様の効果が得られる。
実施例2 本実施例はシロキサン結合よりなる骨格とシラノール基
とを有し、高pH領域でも陽イオン交換能をもつケイ素化
合物の調整方法に関する。
水ガラス(ケイ酸アルカリ)の水溶液に、重合開始剤と
して、好ましくはケイ酸アルカリと等モルのリン酸ケイ
素を加え、十分に攪拌する。この混合物を室温で1〜2
週間養生させる。この間にケイ酸アルカリは脱水重合
し、シロキサン結合によるポリマーを形成し、硬化す
る。この硬化体を、50〜100メッシュ程度に粗粉砕した
後水洗いし、リン酸塩等の可溶性塩を抽出する。水洗
後、乾燥し、250メッシュ程度に微粉砕することによっ
てセメントペースト添加用の吸着剤を作成できる。
以上の手順で調整したケイ素化合物の134Cs分配係数を
測定した結果、中性液中で2000〜3000、アルカリ性液中
で3000〜4000とpH>5の領域でpHに依存しない高いCs吸
着性能を持ち、セメントを始めとする水硬性固化材に混
和する吸着材として好適な性質を有することが確認され
た。
実施例3 本発明の実施例3を第4図を用いて説明する。本実施例
は原子力発電所から発生する使用済の放射性イオン交換
樹脂(廃樹脂という)を直接セメントと混合し、容器内
に固化するのに好適な例である。
樹脂脱水機13には、発電所から廃棄された廃樹脂が供給
され、遠心脱水により含水率50%前後に脱水される。脱
水後の廃樹脂は樹脂受槽14に送られ、フィーダ18で混練
槽21へ定量供給される。この廃樹脂は各種の放射線核種
をイオンまたはクラッドの形で吸着している。この混練
槽21にセメントサイロ15よりフィーダ19を介してセメン
トを、又、吸着材タンク16よりフィーダ29を介して吸着
材をそれぞれ定量供給する。この間、強制攪拌翼22は回
転させておく。攪拌翼22を駆動するモータ23はトルク計
24、回転計25と連動しており、これらの計測信号は制御
盤26に入り、モニタされる。主としてトルク値をモニタ
しながら、トルク値が設定値を越える場合、バルブ20を
開いて混練水タンク17から混練水を混練槽21に供給し、
ペースト粘度を下げ、容器への注入を容易にする。混練
槽21において十分に混合されペースト状になった廃樹脂
とセメントは容器27へ注入される。この際、加振機28で
脱泡を行なうと、マクロポアのない良好な固化体が作成
できる。
以上の手順で作成した固化体の水浸漬試験結果を次に示
す。使用したセメントはC種高炉セメントであり、吸着
材として実施例2の手順で調整したケイ素化合物粉末を
混和した。セメント/吸着材重量比は7/3であった。模
擬廃樹脂として、放射性の陽イオン核種である134Csお
よび陰イオン核種である125Iを吸着させた粒状イオン交
換樹脂(カチオン樹脂/アニオン樹脂=2/1)を、50kg/
200l固化体の割合で充填した。本実施例と比較するた
め、吸着材を含まないセメント単独の固化材を用いた廃
樹脂固化体、及びセメントに合成ゼオライトを添加した
固化材を用いた廃樹脂固化体についても同一の実験を実
施した。放射性核種の添加量、樹脂/(固化材+吸着
材)比等の条件は全て同一である。以上の3種類の固化
体からの134Cs,125I浸出率を、セメント単独の廃樹脂
固化体の134Cs浸出率を基準として表わした結果を表3
に示す。
125Iは陰イオンであり、セメント自身に吸着能力がある
ため、各固化体について浸出率は小さい。134Csについ
ては、本発明の実施例2の吸着材を添加したセメントを
用いた固化体が、無添加のセメントを用いた固化体に対
して1/10、またゼオライトを添加したセメントを用いた
固化体に対しても1/4と低い浸出率を示しており、廃棄
物の形態が変化しても134Csの吸着による溶出遅延効果
は変わらないことが示された。
本発明による充填材(固化材)は、雰囲気のPhに依ら
ず、陽イオンの交換能力を有するので、固化容器内への
廃棄物の固化用としてだけでなく、自然環境と直接接す
る放射性廃棄物処分用のピット構造材やピット内埋め戻
し材に好適であり、核種の性質(イオンの極性)によら
ず、その移行速度を従来の充填材の1/2以下に低減する
ことが可能となる。
[発明の効果] 本発明の無機固化材によれば、pHが高いセメントペース
ト中で吸着材の陽イオンの交換容量(吸着容量)が増加
するので、本発明の固化材を用いて放射性廃棄物を固化
処理すれば、Csを始めとする可溶性の陽イオン核種の外
部への浸出率を大幅に低減する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明において固化材に混和する無機材の中性
域での分子構造図、第2図は該無機材のアルカリ域での
分子構造図、第3図は本発明の一実施例のフロー図、第
4図は本発明の別の実施例のフロー図を示す。 5,21……混練槽、1,15……セメントサイロ 2,16……吸着材タンク 4,17……混練水タンク 12,27……固化容器、3……廃液タンク 13……樹脂脱水機、14……樹脂受槽 10,23……モータ、24……トルク計 25……回転計、26……制御盤 28……加振機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B09B 3/00 ZAB C04B 14/04 Z 16/04 22/08 Z 24/42 A G21F 9/12 501 A 9216−2G 9/30 ZAB 9117−2G 515 A 9117−2G //(C04B 28/02 16:04 24:42) (C04B 28/02 14:04 22:08) (72)発明者 小森 至 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 馬場 務 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 千野 耕一 茨城県日立市森山町1168番地 株式会社日 立製作所エネルギー研究所内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ケイ素および酸素で構成されるシロキサン
    結合と、ケイ素、酸素および水素で構成されるシラノー
    ル基を有するケイ素化合物をセメントペースト中に混和
    してなる固化材。
  2. 【請求項2】前記ケイ素化合物は、ケイ素および酸素で
    構成されるシロキサン結合と、ケイ素原子に結合する有
    機基、ケイ素、酸素および水素で構成されるシラノール
    基を有することを特徴とする請求項1記載の固化材。
  3. 【請求項3】前記ケイ素化合物は、ケイ酸アルカリを脱
    水重合し、しかる後に可溶性塩を抽出して得られたもの
    であることを特徴とする請求項1記載の固化材。
  4. 【請求項4】請求項1,2または3記載の固化材を用いる
    放射性廃棄物の固化方法。
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JP5976486B2 (ja) * 2011-10-20 2016-08-23 医療法人メディカル・ライフクォリティ 対象表面の処理方法
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