JPWO2006104227A1 - 材料の含水比調整方法 - Google Patents

Abstract

ベントナイト等の粉体材料等の原材料に水等の液体を加えて含水比調整を行うに際し、比較的簡易な設備により、原材料に水等の液体を均一に混合でき、また大量の原材料の含水比調整を容易に行え、さらに均一な含水比調整により良好な遮水性能等を有する材料が得られるようにする。通常の粉体ミキサーを低温に保持してなる攪拌槽（１）内において粉体ベントナイト（Ａ）と微粒子氷（Ｂ）とを攪拌混合し、粉体同士の攪拌混合により粉体ベントナイト（Ａ）と微粒子氷（Ｂ）を均一に混合し、均一に含水比調整されたベントナイトを得る。攪拌槽（１）には、例えば液体窒素ボンベ（２１）を接続し、このボンベからの窒素ガスにより攪拌槽内を低温に保持し、予め作成された微粒子氷（Ｂ）を投入口（２０）から投入する。

Description

本発明は、粉体材料等の含水比調整方法に関するものであり、特に放射性廃棄物地層処分等に用いられるベントナイトの含水比調整に有効である。

原子力発電から生じる放射性廃棄物のうち高レベル放射性廃棄物は、使用済核燃料の再処理工程で分離された液体廃棄物であり、放射能レベルが高いばかりでなく、長期間にわたって放射能を持ち続ける長寿命の放射性核種が数多く含まれている。そのため、このような高レベル放射性廃棄物は、ガラス原料と共にステンレス鋼製のキャニスターに溶かし込みガラス固化体として安定化処理し、冷却のため数１０年間貯蔵した後、ガラス固化体が収納されたキャニスターをオーバーパックと称される厚肉鋼板製の密閉容器内に密閉収納するなどして廃棄体とし、この廃棄体を地下３００ｍ（法律により決定）より深い安定した地層中に埋設処分するようにしている。
この放射性廃棄物の地層処分では、廃棄体の周囲のベントナイト緩衝材などの人工バリアと岩盤の天然バリアとの多重バリアシステムにより、安全性を確保する方策を採っている。人工バリアの役目は、廃棄体から天然バリアへの核種放出率の低減であり、天然バリアの役目は、生物圏への核種移行遅延である。
ベントナイトは、粘土鉱物のモンモリナイトを主成分とし、石英、方解石、斜長石等を共存鉱物とする資源鉱物群の総称であり、モンモリナイトは薄い板状の結晶（長さ約０．２μｍ）であり、結晶と結晶の間に水を吸収して膨潤し、締め固め等により圧力が加わると、層状に重なり合うため、難透水性を示し、また電気二重層で水分子がイオン的に引き付けられ、圧力により層間の隙間が小さくなるため、層間水が移動できなくなる。以上の理由により、ベントナイトは遮水材料として使用されている。放射性廃棄物地層処分においては、地下水に対する遮水性能、岩盤圧に対する緩衝性能、放射性核種遅延性能などからベントナイトが用いられている。
現行の放射性廃棄物地層処分概念では、ベントナイト系人口バリアは、所定の含水比に調整されたベントナイトを重機で締め固める、または静的に圧縮することによって構築する計画である。この際の含水比調整は、事前に加水し十分に攪拌混合するか、若しくは散水によってなされることが漠然と想定されている。
また、本発明に関連する先行技術文献として特許文献１〜６がある。特許文献１、２の発明は、ベントナイトの製造方法に関するものである。特許文献３〜６の発明は、水に代えて小氷塊などを用いてコンクリートを混練するコンクリートの製造方法に関するものである。
特開平８−２７７１０８号公報 特開平６−２９３５１２号公報 特開２００２−１４４３２５号公報 特開２００２−１１７０９号公報 特開２００１−２９３７１８号公報 特開平６−１７９２０９号公報

ベントナイトの含水比調整は、事前に加水して十分に攪拌混合するか、若しくは散水によってなされることが漠然と想定されているが、粉体ベントナイトに単に加水、若しくは散水すれば、水と接触したベントナイトのみが高含水比の団粒状になり、著しく不均一になる。また、水を含んだベントナイトを均一になるまで攪拌混合するには、強力なミキサーが必要であり、その間に何度も攪拌翼、攪拌槽にへばり付くベントナイトを除去するためにミキサーを停止しなければならない。そのために、ベントナイト系人工バリアを構築するために必要な膨大な量のベントナイトの含水比調整を行うことは現実的ではない。また、連続式の攪拌混合は不可能であった。
さらに、含水比調整後のベントナイトは、従来の方法では、団粒状（大粒径）となるため、締め固め直後の状態が「おこし」状となり、従来方法で含水比調整したベントナイトを締め固めて止水材として使用する場合、団粒状のベントナイトが浸水に伴って膨潤し空隙を塞ぐまでは、止水性能は期待できなかった。また、含水比調整したベントナイトは、従来の方法では含水比分布が不均一であるため、乾燥すると、高含水比部分の収縮が著しく、大きなひび割れが多数発生していた。
本発明は、ベントナイト等の粉体材料等の原材料に水等の液体を加えて含水比調整を行うに際し、比較的簡易な設備により、粉体材料等の原材料に水等の液体を均一に混合することができ、また大量の原材料の含水比調整を容易に行うことができ、さらに均一な含水比調整により良好な遮水性能等を有する材料を得ることができる材料の含水比調整方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、粉体材料や粒状材料等の原材料に液体（水やその他の溶液）を加えて含水比を調整する方法であり、低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合し、微粒子氷が均一に混合された原材料を常温に戻して所定の含水比の材料を得ることを特徴とする材料の含水比調整方法である。
本発明は、低温環境下において、低温に調整した粉体材料等に対して粒状の氷を添加し、粉体同士の攪拌混合によって含水比調整を行うものである。粒状の氷は微粒子であればあるほど混合後の粉体等の含水比は均一となる。低温ガス等で低温に保持された攪拌槽などを用いて攪拌混合するが、寒冷地で実施する場合には、積雪と寒気を利用することによってコストを低減することもできる。さらに、粉体材料等と微粒子氷を低温の気体が流れる管内に投入することで圧送しながら攪拌混合することも可能である。
本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の含水比調整方法において、攪拌槽を用い、低温・高圧のガス（窒素ガス等）により液体を吸引して攪拌槽内に噴霧することにより微粒子氷を攪拌槽内に投入し、低温に保持された攪拌槽内において低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法である。
攪拌槽を用いたバッチ式の含水比調整であり、微粒子氷を作成しつつ低温の攪拌槽内に投入する場合である。例えば、液体噴霧器を用い、液体窒素ボンベから供給される低温・高圧の窒素ガスにより容器から水等の液体を吸引し、冷却しつつ攪拌槽内に噴霧し、攪拌槽内に微粒子氷を供給する。通常の粉体ミキサーに簡単な装置を付加するだけで、粉体材料等と微粒子氷の均一な攪拌混合が可能となる。
本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の含水比調整方法において、攪拌槽を用い、予め作成された微粒子氷を攪拌槽内に投入し、低温に保持された攪拌槽内において低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法である。
攪拌槽を用いたバッチ式の含水比調整であり、予め作成された微粒子氷を低温の攪拌槽内に投入する場合である。例えば、液体窒素ボンベから供給される低温の窒素ガスにより低温に保持された攪拌槽内に低温保存された粉体材料等を収納し、ここに微粒子氷を投入する。この場合も、通常の粉体ミキサーに簡単な装置を付加するだけで、粉体材料等と微粒子氷の均一な攪拌混合が可能となる。
本発明の請求項４に係る発明は、請求項１に記載の含水比調整方法において、圧送管を用い、この圧送管内に投入した低温の原材料と微粒子氷とを低温・高圧のガスで圧送しつつ低温に保持された圧送管内で攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法である。
圧送管を用いた連続式の含水比調整であり、圧送管内で粉体材料等と微粒子氷を攪拌混合する場合である。例えば、液体窒素ボンベから供給される低温の窒素ガスで低温に保持された圧送管内に、低温保存された粉体材料等と微粒子氷とを投入し、低温ガスの気流によって圧送しつつ攪拌混合する。比較的簡易な装置で粉体材料等と微粒子氷を均一に攪拌混合し、連続して含水比調整を行うことができる。
本発明は、特に粉体ベントナイトの含水比調整に有効であり、粉体ベントナイトと同様の粉体としての微粒子氷を用いるものである。低温の攪拌槽や圧送管などの低温環境下では、粉体ベントナイトと微粒子氷は、共に微粒子であり、共に粉体として振舞うため、ベントナイトに吸水されることなく、均一に攪拌混合できる。均一に混合した後に、常温に戻せば、均一に含水比調整されたベントナイトを得ることができる。また、単なる粉体同士の混合作業となるため、強力なミキサーは不要であり、通常の粉体ミキサーを使用することができ、またミキサーの攪拌翼や攪拌槽等にへばり付くこともないため、容易に大量の材料の含水比調整も可能となる。さらに、低温気体により攪拌混合しながら圧送し、混合後も低温を保持することにより、含水比調整した粉体等を空気搬送することも可能となる。また、粉体等が団粒状になることがないため、粒度分布も含水比調整後も殆ど変化がない。なお、ベントナイトに限らず、その他の粉体材料や粒状材料等の含水比調整にも適用することができる。
本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。
（１）低温に保持された攪拌槽や圧送管等内で粉体ベントナイト等の粉体材料等と微粒子氷を攪拌混合するようにしたため、粉体材料等と微粒子氷は、共に微粒子であり、共に粉体として振舞い、粉体材料等に吸水されることなく、均一に混合され、均一に含水比調整された材料が得られる。
（２）放射性廃棄物の地層処分においては、均一な含水比のベントナイトにより、良好な遮水性能を有するベントナイト系人工バリアが得られる。
（３）含水比調整が単なる粉体同士の混合作業となるため、強力なミキサーは不要であり、通常の粉体ミキサーを使用することができ、コストの低減が可能となる。
（４）強力なミキサーは不要であり、ミキサーの攪拌翼や攪拌槽等に材料がへばり付くこともないため、大量の材料の含水比調整も可能となる。放射性廃棄物の地層処分における膨大な量のベントナイト系人工バリアに特に有効である。
（５）低温気体により攪拌混合しながら圧送し、混合後も低温を保持することにより、含水比調整した粉体等を空気搬送することも可能となる。連続して含水比調整が可能となり、容易に大容量化を図ることができる。
（６）含水比調整後の粉体等は、従来方法では団粒状（大粒径）となるため、締め固め直後の状態が「おこし」状となるが、本発明では、粒度分布に殆ど変化がなく、同じ締め固めエネルギーでは乾燥密度が高くなり、締め固め直後の状態は均一で緻密である。これにより、粉体材料等を締め固めて止水材として使用する場合、浸水直後であっても、初期透水係数が低く、高い止水性が期待できる。
（７）本発明によって含水比調整したベントナイトは、含水比分布が一定であり、乾燥しても、ひび割れが少ない。従来方法では、含水比分布が不均一であるため、乾燥すると、高含水比部分の収縮が著しく、大きなひび割れが多数発生していた。

図１は、本発明の含水比調整方法を実施するための含水比調整機の第１実施形態を示す断面図である。
図２は、本発明の含水比調整方法を実施するための含水比調整機の第２実施形態を示す断面図である。
図３は、本発明の含水比調整方法を実施するための含水比調整機の第３実施形態を示す断面図である。
図４は、ベーンせん断試験による本発明と従来法とのトルクの比較を示すグラフである。

以下、本発明を図示する実施の形態に基づいて説明する。この実施形態は、ベントナイトの含水比調整に適用した例である。図１は、本発明の含水比調整方法を実施するための含水比調整機の第１実施形態を示したものである。図２は、第２実施形態を示したものである。図３は、第３実施形態を示したものである。
図１に示す第１実施形態は、バッチ式の含水比調整機であり、低温に保持された攪拌槽１を用い、この攪拌槽１内で粉体ベントナイトＡと微粒子氷Ｂとを攪拌混合し、微粒子氷Ｂが均一に混合された粉体ベントナイトＡを常温に戻して所定の含水比のベントナイトを得る。
攪拌槽１には、モーター２で回転駆動される攪拌翼３を備えた通常の粉体用ミキサーを使用することができ、この槽下部の外周に断熱材または冷却ジャケット４を設けるなどして攪拌槽１を低温槽とする。このような低温の攪拌槽１内に低温保存された粉体ベントナイトＡを投入する。
微粒子氷Ｂは、例えば液体噴霧器１０を用いて攪拌槽１内に供給する。通常の粉体用ミキサーの上部に流入口１１を設け、この流入口１１に液体窒素ボンベ１２の供給管１３を接続し、この供給管１３の途中に液体収納容器１４の吸い上げ管１５の上部を連通させる。液体窒素ボンベ１２から供給される低温・高圧の窒素ガスにより液体収納容器１４内の水等の液体が負圧で吸引され、窒素ガスで冷却されつつ攪拌槽１内に噴霧され、攪拌槽１内に微粒子氷Ｂが供給される。なお、攪拌槽１の上部には、過大な圧力を逃がす高圧リリーフ弁５が接続されている。
攪拌槽１内では、粉体ベントナイトＡと微粒子氷Ｂとが攪拌翼３により攪拌混合される。粉体ベントナイトＡと微粒子氷Ｂは、共に微粒子であり、共に粉体として振舞うため、水等の液体がベントナイトに吸水されることなく、均一に混合される。均一に混合した後に、常温に戻せば、均一に含水比調整されたベントナイトを得ることができる。放射性廃棄物の地層処分においては、均一な含水比のベントナイトにより、良好な遮水性能を有するベントナイト系人工バリアが得られる。なお、ベントナイトに加えられる液体は、水に限らず、種々の溶液が用いられる場合もある。
この攪拌混合では、粉体同士の混合作業となるため、強力な攪拌機は必要なく、通常の粉体ミキサーを用いることができる。また、攪拌翼や攪拌槽に材料がへばり付くこともないため、大量の材料の含水比調整にも適用可能であり、放射性廃棄物の地層処分の膨大な量のベントナイト系人工バリアの製作にも容易に対応することができる。
また、含水比調整後の粉体ベントナイトは、粒度分布に殆ど変化がなく、従来方法と比較して同じ締め固めエネルギーでは乾燥密度が高くなり、締め固め直後の状態は均一で緻密となる。これにより、粉体ベントナイトを締め固めて止水材として使用する場合、浸水直後であっても、初期透水係数が低く、高い止水性が期待できる。
さらに、従来方法では、含水比分布が不均一であり、乾燥すると、高含水比部分の収縮が著しく、大きなひび割れが発生していたが、本発明によって含水比調整したベントナイトは、含水比分布が一定であり、乾燥しても、ひび割れが少ない。
図２に示す第２実施形態は、バッチ式含水比調整機であり、図１と同様の攪拌槽１の上部に微粒子氷投入口２０を設け、予め作成された微粒子氷Ｂを攪拌槽１内に投入するようにしている。また、攪拌槽１の上部には、液体窒素ボンベ２１を接続し、このボンベ２１から供給される窒素ガスで攪拌槽１内が低温に保持されるようにしている。この攪拌槽１内において、低温保存された粉体ベントナイトＡと微粒子氷Ｂとが攪拌翼３により攪拌混合される。図１の第１実施形態と同じ前述した作用・効果が得られる。
また、従来方法では大型のミキサーでも混合不可能であった含水比１００％の調整が、本発明の微粒子氷の使用により家庭用テーブルミキサーで可能であった。さらに、ミキサーを使用しなくても、人力で軽く数秒程度攪拌するだけでも十分に含水比調整が可能であった。また、目標含水比２０％に対して、従来方法では２０．４％であったものが、本発明では２０．１％が得られた。図４は、図２に示した方法で攪拌混合する際に必要なミキサーのトルクをベーンせん断試験機で計測したものである。本発明では、含水比に依らず低トルクで攪拌混合が可能である。
図３に示す第３実施形態は、連続式含水比調整機であり、攪拌槽を用いずに、低温に保持された圧送管３０内で低温保存された粉体ベントナイトＡと微粒子氷Ｂとを攪拌混合し、微粒子氷Ｂが均一に混合された粉体ベントナイトＡが連続して得られるようにしている。圧送管３０には液体窒素ボンベ３１が接続され、このボンベ３１から供給される低温の窒素ガスで圧送管３０内が低温に保持されるようにしている。また、ベントナイト投入口３２と微粒子氷投入口３３の上流側に圧縮空気供給口３４が設けられ、低温ガスの気流により粉体ベントナイトＡと微粒子Ｂが圧送されつつ攪拌混合されるようにしている。この場合も、攪拌槽と同様の作用・効果が得られる。圧送管３０の先端には常温貯蔵槽３５が設けられ、圧送管３０内で微粒子氷Ｂが均一に混合された粉体ベントナイトＡが常温に戻され、均一に含水比調整されたベントナイトが得られる。
低温保存した粉体ベントナイトＡと同重量の微粒子氷Ｂを直径１０ｃｍ程度の圧送管に投入し、５ｍ程度圧送・攪拌混合した。圧送後のベントナイトは含水比１００％となっており、従来不可能であった高含水比のベントナイトであっても圧送・混合可能であることが分かった。さらに、連続式の含水比調整が可能であることが分かった。
なお、以上は放射性廃棄物地層処分事業におけるベントナイトの含水比調整に適用した場合を示したが、これに限らず、その他の地盤材料、粉体材料、粒状材料などの含水比調整にも適用可能である。

Claims (4)

1. 粉体材料や粒状材料等の原材料に液体を加えて含水比を調整する方法であり、低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合し、微粒子氷が均一に混合された原材料を常温に戻して所定の含水比の材料を得ることを特徴とする材料の含水比調整方法。
2. 請求項１に記載の含水比調整方法において、攪拌槽を用い、低温・高圧のガスにより液体を吸引して攪拌槽内に噴霧することにより微粒子氷を攪拌槽内に投入し、低温に保持された攪拌槽内において低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法。
3. 請求項１に記載の含水比調整方法において、攪拌槽を用い、予め作成された微粒子氷を攪拌槽内に投入し、低温に保持された攪拌槽内において低温の原材料と微粒子氷とを攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法。
4. 請求項１に記載の含水比調整方法において、圧送管を用い、この圧送管内に投入した低温の原材料と微粒子氷とを低温・高圧のガスで圧送しつつ低温に保持された圧送管内で攪拌混合することを特徴とする材料の含水比調整方法。

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