JPWO2015029495A1 - ストロンチウムイオン濃度を低減する方法 - Google Patents
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Abstract
水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法を提供する。ストロンチウムイオンを含有する水溶液中で、カルシウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の可溶性化合物(A)と、可溶性炭酸アルカリ(B)とを反応させ、炭酸金属塩を生成させると共に該炭酸金属塩中にストロンチウムイオンを取り込む工程を含む、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法。
Description
本発明は、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法に関する。
東日本大震災による福島第一原子力発電所の事故により、放射性ストロンチウムに汚染された原子炉の炉心冷却水が大量に排出され大きな問題となっている。放射性ストロンチウムの除去方法として、吸着剤による吸着固定化がある。
このような吸着剤として、Ce(HPO4)x・yH2O(式中、x=1.8〜2.1、y=1〜4)で示されるリン酸セリウム化合物が高い固定化能を示すことが報告されている(特許文献1)。しかしながら、リン酸セリウム化合物は、吸着処理時の温度が高く、処理時間も長いために経済性等に問題がある。
また結晶質チタン酸繊維がストロンチウムに対して高い固定化能を示すことが報告されている(非特許文献1)。しかしながら、結晶質チタン酸繊維は、安定な固定化剤とするのに1000℃という高温の熱処理を必要とするために、経済性に問題がある。
このような吸着剤として、Ce(HPO4)x・yH2O(式中、x=1.8〜2.1、y=1〜4)で示されるリン酸セリウム化合物が高い固定化能を示すことが報告されている(特許文献1)。しかしながら、リン酸セリウム化合物は、吸着処理時の温度が高く、処理時間も長いために経済性等に問題がある。
また結晶質チタン酸繊維がストロンチウムに対して高い固定化能を示すことが報告されている(非特許文献1)。しかしながら、結晶質チタン酸繊維は、安定な固定化剤とするのに1000℃という高温の熱処理を必要とするために、経済性に問題がある。
ケミカル・レターズ(Chem.Lett.)957ページ 1981年
本発明の目的は、このような従来のストロンチウムイオンの除去方法の持つ欠点を克服し、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を、効果的に、安価に低減する方法を提供することにある。
本発明者は、ストロンチウムイオンを含有する水中において、カルシウムイオンおよび/またはマグネシウムイオンと、炭酸イオンとを反応させ、炭酸金属塩を生成させると、生成する炭酸金属塩中にストロンチウムイオンが取り込められ、水中のストロンチウムイオンを低減させることが出来ることを見出し、本発明を完成した。
すなわち本発明は、ストロンチウムイオンを含有する水溶液中で、カルシウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の可溶性化合物(A)と、可溶性炭酸アルカリ(B)とを反応させ、炭酸金属塩を生成させると共に該炭酸金属塩中にストロンチウムイオンを取り込む工程を含む、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法である。
本発明者は、ストロンチウムイオンを含有する水中において、カルシウムイオンおよび/またはマグネシウムイオンと、炭酸イオンとを反応させ、炭酸金属塩を生成させると、生成する炭酸金属塩中にストロンチウムイオンが取り込められ、水中のストロンチウムイオンを低減させることが出来ることを見出し、本発明を完成した。
すなわち本発明は、ストロンチウムイオンを含有する水溶液中で、カルシウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の可溶性化合物(A)と、可溶性炭酸アルカリ(B)とを反応させ、炭酸金属塩を生成させると共に該炭酸金属塩中にストロンチウムイオンを取り込む工程を含む、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法である。
本発明において、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減することが出来るメカニズムは、可溶性炭酸アルカリ(B)を投入することにより炭酸ストロンチウムが生成することによるものでない。
また水酸化ストロンチウムが生成することによるものでない。これは、ストロンチウムを含有する水溶液に、可溶性カルシウム化合物(A1)または可溶性マグネシウム化合物(A2)を加え、さらに水酸化ナトリウム水溶液を加えて、水酸化カルシウムまたは水酸化マグネシウムを生成させても、水溶液中のストロンチウムイオン濃度は低減しないことから分かる。
本発明では、生成する炭酸金属塩の構造中にストロンチウムイオンを取り込むことにより、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減することが出来るものと考えられる。
可溶性化合物(A)は、可溶性カルシウム化合物(A1)および可溶性マグネシウム化合物(A2)からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物であることが好ましい。
可溶性カルシウム化合物(A1)としては、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウムおよび水酸化カルシウム等が挙げられる。塩化カルシウムが安価で好ましい。また、水酸化カルシウムは安価であるが、水溶液に水酸化カルシウムを投入後、ボイラー等の排ガス(炭酸ガス)を長時間にわたり吹き込まなければならず、簡便な方法とは言えない。
可溶性マグネシウム化合物(A2)としては、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酢酸マグネシウムおよび水酸化マグネシウム等が挙げられる。硫酸マグネシウムが安価で好ましい。また、水酸化マグネシウムは安価であるが、水溶液に水酸化マグネシウムを投入後、ボイラー等の排ガス(炭酸ガス)を長時間にわたり吹き込まなければならず、簡便な方法とは言えない。
可溶性炭酸アルカリ(B)としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウムおよびこれらの重炭酸塩があげられ、炭酸ナトリウムが安価で好ましい。
炭酸金属塩は、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物であることが好ましい。
可溶性化合物(A)の量は、水溶液中で生成する炭酸金属塩が、水溶液100mLに対して好ましくは0.2〜3.0g、より好ましくは0.5〜3.0gである。
可溶性カルシウム化合物(A1)の量は、水溶液中で生成する炭酸カルシウム塩が、水溶液100mLに対して、好ましくは0.2〜1.0g、より好ましくは0.3〜1.0gとなる量である。生成する炭酸カルシウム量が水溶液100mLに対して、0.2g未満になると水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度が高くなり好ましくない。また、生成する炭酸カルシウム量が水溶液100mLに対して1.0gを超えると、1.0gに比較して水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度はほとんど下がらなくなり、さらに、経済性の点で好ましくない。
可溶性マグネシウム化合物(A2)の量は、水溶液中で生成する炭酸マグネシウムが、水溶液量100mLに対して、好ましくは1.0〜3.0g、より好ましくは2.0〜3.0gとなる量である。生成する炭酸マグネシウム量が水溶液量100mLに対して1.0g未満になると水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度が高くなり好ましくない。また、生成する炭酸マグネシウム量が水溶液量100mLに対して3.0gを超えると、水溶液中のストロンチウムイオン濃度はほとんど下がらなくなり、さらに、経済性の点で好ましくない。
可溶性炭酸アルカリ(B)のモル量は、可溶性化合物(A)の量に対して、炭酸金属塩となり得る理論モル量の0.9〜1.1倍であることが好ましい。
また水酸化ストロンチウムが生成することによるものでない。これは、ストロンチウムを含有する水溶液に、可溶性カルシウム化合物(A1)または可溶性マグネシウム化合物(A2)を加え、さらに水酸化ナトリウム水溶液を加えて、水酸化カルシウムまたは水酸化マグネシウムを生成させても、水溶液中のストロンチウムイオン濃度は低減しないことから分かる。
本発明では、生成する炭酸金属塩の構造中にストロンチウムイオンを取り込むことにより、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減することが出来るものと考えられる。
可溶性化合物(A)は、可溶性カルシウム化合物(A1)および可溶性マグネシウム化合物(A2)からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物であることが好ましい。
可溶性カルシウム化合物(A1)としては、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、酢酸カルシウムおよび水酸化カルシウム等が挙げられる。塩化カルシウムが安価で好ましい。また、水酸化カルシウムは安価であるが、水溶液に水酸化カルシウムを投入後、ボイラー等の排ガス(炭酸ガス)を長時間にわたり吹き込まなければならず、簡便な方法とは言えない。
可溶性マグネシウム化合物(A2)としては、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、酢酸マグネシウムおよび水酸化マグネシウム等が挙げられる。硫酸マグネシウムが安価で好ましい。また、水酸化マグネシウムは安価であるが、水溶液に水酸化マグネシウムを投入後、ボイラー等の排ガス(炭酸ガス)を長時間にわたり吹き込まなければならず、簡便な方法とは言えない。
可溶性炭酸アルカリ(B)としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウムおよびこれらの重炭酸塩があげられ、炭酸ナトリウムが安価で好ましい。
炭酸金属塩は、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物であることが好ましい。
可溶性化合物(A)の量は、水溶液中で生成する炭酸金属塩が、水溶液100mLに対して好ましくは0.2〜3.0g、より好ましくは0.5〜3.0gである。
可溶性カルシウム化合物(A1)の量は、水溶液中で生成する炭酸カルシウム塩が、水溶液100mLに対して、好ましくは0.2〜1.0g、より好ましくは0.3〜1.0gとなる量である。生成する炭酸カルシウム量が水溶液100mLに対して、0.2g未満になると水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度が高くなり好ましくない。また、生成する炭酸カルシウム量が水溶液100mLに対して1.0gを超えると、1.0gに比較して水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度はほとんど下がらなくなり、さらに、経済性の点で好ましくない。
可溶性マグネシウム化合物(A2)の量は、水溶液中で生成する炭酸マグネシウムが、水溶液量100mLに対して、好ましくは1.0〜3.0g、より好ましくは2.0〜3.0gとなる量である。生成する炭酸マグネシウム量が水溶液量100mLに対して1.0g未満になると水溶液中の残存ストロンチウムイオン濃度が高くなり好ましくない。また、生成する炭酸マグネシウム量が水溶液量100mLに対して3.0gを超えると、水溶液中のストロンチウムイオン濃度はほとんど下がらなくなり、さらに、経済性の点で好ましくない。
可溶性炭酸アルカリ(B)のモル量は、可溶性化合物(A)の量に対して、炭酸金属塩となり得る理論モル量の0.9〜1.1倍であることが好ましい。
以下、実施例に基づき本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
ストロンチウムイオン濃度は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP:エスアイアイナノテクノロジー社製 SPS3100)を用いて測定した。
(実施例1)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mL、塩化カルシウム2水塩0.147g(1mmol)を投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液1.34mL(1mmol)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す(処理後pHおよびろ液中のストロンチウムイオン濃度)。
(実施例2)
実施例1において、塩化カルシウム2水塩投入量を0.777g(5.28mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を7.1mL(5.28mmol)とした以外実施例1と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例3)
実施例1において、塩化カルシウム2水塩投入量を1.467g(9.97mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を13.38mL(9.97mmol)とした以外実施例1と同操作とした。その結果を表1に示す。
(比較例1)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.01mol/L炭酸ナトリウム水溶液1.14mL(0.0114mmol)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。なお、炭酸ナトリウム使用量は、採取したストロンチウム溶液中のストロンチウムに対して理論等量である。その結果を表1に示す。
比較例1では、炭酸ナトリウムにより炭酸ストロンチウムの生成を試みたが、水溶液中のストロンチウムイオンの低減は見られなかった。
(比較例2)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、和光純薬(株)製試薬1級炭酸カルシウム1.0gを投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す。
(実施例4)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mL、硫酸マグネシウム7水塩0.406g(1.65mmol)を投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液2.23mL(1.66mmol)を投入し、30分間撹拌後、pH測定する。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す。
(実施例5)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を1.29g(5.24mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を7.0mL(5.23mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例6)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を2.61g(10.6mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を14.2mL(10.6mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例7)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を5.18g(21mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を28.2mL(21mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例8)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を7.76g(31.5mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を42.28mL(31.5mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(比較例3)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、協和化学工業(株)製炭酸マグネシウム(商品名:ケタ)1.0g(Mg含有量:25.5%)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す(処理後pHおよびろ液中のストロンチウムイオン濃度)。
備考
1)炭酸カルシウム添加量(g):炭酸カルシウムのCa含有量は、化学組成式CaCO3・・M=100.08より40%と計算される。従って、使用した塩化カルシウム2水塩量(g)中のCa量(g)を計算で求め、これより炭酸カルシウム量に換算した。
2)炭酸マグネシウム添加量(g):使用した硫酸マグネシウム7水塩中のMg(g)を、比較例3で使用した炭酸マグネシウム中のMg含有量25.5%に換算して求めた計算値。
表1から明らかなように、本発明の処理方法を用いれば水中のストロンチウムイオン濃度をppbオーダーまで低くすることができる。
発明の効果
本発明の方法によれば、比較的安価でさらに簡単な方法で水中のストロンチウムイオン濃度を低減することができる。
ストロンチウムイオン濃度は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP:エスアイアイナノテクノロジー社製 SPS3100)を用いて測定した。
(実施例1)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mL、塩化カルシウム2水塩0.147g(1mmol)を投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液1.34mL(1mmol)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す(処理後pHおよびろ液中のストロンチウムイオン濃度)。
(実施例2)
実施例1において、塩化カルシウム2水塩投入量を0.777g(5.28mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を7.1mL(5.28mmol)とした以外実施例1と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例3)
実施例1において、塩化カルシウム2水塩投入量を1.467g(9.97mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を13.38mL(9.97mmol)とした以外実施例1と同操作とした。その結果を表1に示す。
(比較例1)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.01mol/L炭酸ナトリウム水溶液1.14mL(0.0114mmol)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。なお、炭酸ナトリウム使用量は、採取したストロンチウム溶液中のストロンチウムに対して理論等量である。その結果を表1に示す。
比較例1では、炭酸ナトリウムにより炭酸ストロンチウムの生成を試みたが、水溶液中のストロンチウムイオンの低減は見られなかった。
(比較例2)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、和光純薬(株)製試薬1級炭酸カルシウム1.0gを投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す。
(実施例4)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mL、硫酸マグネシウム7水塩0.406g(1.65mmol)を投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液2.23mL(1.66mmol)を投入し、30分間撹拌後、pH測定する。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す。
(実施例5)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を1.29g(5.24mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を7.0mL(5.23mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例6)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を2.61g(10.6mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を14.2mL(10.6mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例7)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を5.18g(21mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を28.2mL(21mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(実施例8)
実施例4において硫酸マグネシウム7水塩投入量を7.76g(31.5mmol)および0.745mol/L炭酸ナトリウム水溶液投入量を42.28mL(31.5mmol)とした以外実施例4と同操作とした。その結果を表1に示す。
(比較例3)
200mL容ビーカーに、ストロンチウム10mg/L水溶液100mLを投入し、マグネティックスタラーで撹拌下に、協和化学工業(株)製炭酸マグネシウム(商品名:ケタ)1.0g(Mg含有量:25.5%)を投入し、30分間撹拌後、pHを測定した。次に、メンブランフィルターを用いて固液分離し、ろ液中のストロンチウムイオン濃度を誘導結合プラズマ発光分光分析装置で測定した。その結果を表1に示す(処理後pHおよびろ液中のストロンチウムイオン濃度)。
1)炭酸カルシウム添加量(g):炭酸カルシウムのCa含有量は、化学組成式CaCO3・・M=100.08より40%と計算される。従って、使用した塩化カルシウム2水塩量(g)中のCa量(g)を計算で求め、これより炭酸カルシウム量に換算した。
2)炭酸マグネシウム添加量(g):使用した硫酸マグネシウム7水塩中のMg(g)を、比較例3で使用した炭酸マグネシウム中のMg含有量25.5%に換算して求めた計算値。
表1から明らかなように、本発明の処理方法を用いれば水中のストロンチウムイオン濃度をppbオーダーまで低くすることができる。
発明の効果
本発明の方法によれば、比較的安価でさらに簡単な方法で水中のストロンチウムイオン濃度を低減することができる。
本発明の方法は、ストロンチウムの除去に用いることができる。さらに、本発明の方法によれば水中のストロンチウムの放射性同位体90Srの濃度の低減にも適用することが期待される。
Claims (10)
- ストロンチウムイオンを含有する水溶液中で、カルシウムおよびマグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の可溶性化合物(A)と、可溶性炭酸アルカリ(B)とを反応させ、炭酸金属塩を生成させると共に該炭酸金属塩中にストロンチウムイオンを取り込む工程を含む、水溶液中のストロンチウムイオン濃度を低減する方法。
- 可溶性化合物(A)が、可溶性カルシウム化合物(A1)および可溶性マグネシウム化合物(A2)からなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物である請求項1記載の方法。
- 可溶性カルシウム化合物(A1)が、塩化カルシウムである請求項2記載の方法。
- 可溶性マグネシウム化合物(A2)が、硫酸マグネシウムである請求項2記載の方法。
- 可溶性炭酸アルカリ(B)が、炭酸ナトリウムである請求項1記載の方法。
- 炭酸金属塩が、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムからなる群より選ばれる少なくとも一種である請求項1記載の方法。
- 可溶性化合物(A)の量は、水溶液中で生成する炭酸金属塩が、水溶液100mLに対して0.2〜3.0gとなる量である請求項1記載の方法。
- 可溶性カルシウム化合物(A1)の量は、水溶液中で生成する炭酸カルシウム塩が、水溶液量100mLに対して0.2〜1.0gとなる量である請求項7記載の方法。
- 可溶性マグネシウム化合物(A2)の量は、水溶液中で生成する炭酸マグネシウムが、水溶液量100mLに対して1.0〜3.0gとなる量である請求項7記載の方法。
- 可溶性炭酸アルカリ(B)のモル量は、可溶性化合物(A)の量に対して、炭酸金属塩となり得る理論モル量の0.9〜1.1倍である請求項1記載の方法。
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