TW201408366A - 放射性物質吸附材、吸附容器、吸附塔、及水處理裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種吸附容量多之放射性物質吸附材。本發明之放射性物質吸附材係含有化學式以M2Ti2O5(M為一價陽離子)表示之鈦酸鹽。M2Ti2O5係陽離子交換容量大,熱性亦安定,於酸、鹼等之耐藥品性亦優異,適宜作為水處理用之吸附材。於此鈦酸鹽中加入黏結劑而成形之後,藉燒成而機械強度提昇,可抑制輸送中等所施加之振動或衝擊等造成的破碎,或投入於水時之一次粒子的脫落。

Description

放射性物質吸附材、吸附容器、吸附塔、及水處理裝置
本發明係關於一種放射性物質吸附材、填充此放射性物質吸附材而成之吸附容器及吸附塔、與適用此吸附容器或吸附塔之水處理裝置。
放射性鍶90Sr係與輻射性銫同樣地,半衰期長,又,為對水之擴散性高的核分裂生成物,期望處理受放射性鍶污染之水的系統之改良。
水中之放射性鍶係已知可以正鈦酸吸附而除去(非專利文獻1)。
吸附放射性鍶之鈦酸鈉離子交換體的製造方法已提出一種使含氫氧化鈦以醇與氫氧化鈉所構成之液體漿液化而加熱,過濾、乾燥後,破碎、分級而製造鈉/鈦莫耳比為0.6以下之顆粒狀的鈦酸鈉之方法(專利文獻1)。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]:特許第4428541號公報
〔非專利文獻〕
[非專利文獻1]:久保田益光外,”群分離法之開發:無機離子交換體管柱法之含90Sr及134Cs的廢液之處理法的開發”JAERI-M82-144(1982)
〔發明之概要〕
記載於專利文獻1之方法所製造的顆粒狀之鈦酸鈉係交換陽離子之鈉/鈦的莫耳比低,故吸附容量小。
記載於專利文獻1之方法所製造的顆粒狀之鈦酸鈉係因為一次粒子之凝集體,強度弱,若輸送中等所施加之振動或衝擊等被粉碎而微粒化,或投入於水中,凝集體之崩壞一次粒子脫落。因此,此微粉化之粒子或一次粒子使吸附塔之過濾器堵塞,或通過吸附塔過濾器,帶有放射線之微粉從吸附塔洩漏。
本發明之第1目的在於提供一種吸附容量多之放射性物質吸附材。
本發明之第2目的在於提供一種機械強度優,微粉等之洩漏無問題,作為水處理材而處理性優之放射性物質吸附材。
本發明之第3目的在於提供一種填充此放射性物質吸附材而成之吸附容器及吸附塔、與適用此吸附容器或吸附塔之水處理裝置。
本發明人等發現以M2Ti2O5(M為一價陽離子)所示之鈦酸鹽於放射性物質吸附量優異。又,發現於此鈦酸鹽之粉末加入黏結劑而成形為特定大小之粒狀體,進一步燒成所製造之放射性物質吸附材係機械強度優,無微粉等之洩漏,作為水處理材而處理性優。
本發明係依據如此之見識所達成者,以下為要旨。
[1]一種放射性物質吸附材,其特徵係含有化學式以M2Ti2O5(M為一價陽離子)所示之鈦酸鹽。
[2]如[1]項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽係平均粒徑為1~150μm。
[3]如[1]或[2]項之放射性物質吸附材,其中前述化學式以K2Ti2O5所示。
[4]如[3]項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽具有於不規則方向延伸複數突起物之形狀。
[5]如[1]~[4]項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述放射性物質為放射性鍶。
[6]如[1]~[5]項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽為使用黏結劑而成形為粒徑150~3000μm之範圍。
[7]如[6]項之放射性物質吸附材,其中前述黏結劑為黏土礦物。
[8]如[7]項之放射性物質吸附材,其中前述黏土礦物為鎂鋁海泡石(Attapulgite)。
[9]如[6]~[8]項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述成形後,進一步以500~900℃之溫度範圍燒成而成。
[10]一種吸附容器,其係填充如[1]~[9]項中任一項之放射性物質吸附材。
[11]一種吸附塔,其係填充如[1]~[9]項中任一項之放射性物質吸附材。
[12]一種水處理裝置,其係具備如[10]項之吸附容器或如[11]項之吸附塔。
以M2Ti2O5(M為一價陽離子)所示之鈦酸鹽係放射性物質之吸附容量大於其他之鈦酸鹽。
於此鈦酸鹽之粉末中加入黏結劑而成形之後,藉燒成所製造之放射性物質吸附材係機械強度高,可抑制輸送中等所施加之振動或衝擊等造成的破碎,或投入於水時之一次粒子的脫落。因此,可防止因微粉粒子之吸附塔過濾器的堵塞,或帶有放射線之微粉的洩漏。
圖1係表示實施例1及比較例2、3之結果的圖表。
〔用以實施發明之形態〕
以下,詳細說明本發明之實施形態,但以下說明之實 施形態係用以容易理解本發明者,並非限定任何本發明,本發明係在不超出其要旨的範圍,可使以下之實施形態所揭示的各要素進行各種變更而實施。
本發明之放射性物質吸附材其特徵係含有以M2Ti2O5所示之鈦酸鹽。M為一價陽離子。
鈦酸鹽一般以M2TinO2n+1所示,作為陽離子交換體之鈦酸鹽係n愈大,鈦酸鹽每一分子之陽離子交換位址變少,故陽離子交換容量變小。
陽離子交換容量之點係理想上為M2TiO3,但以M2TiO3所示之鈦酸鹽係非常不安定,藉加熱等立即改性成M2Ti2O5
M2Ti2O5係熱性安定,於酸、鹼等之耐藥品性優異,適宜作為水處理用之吸附材。
本發明所使用之以M2Ti2O5所示之鈦酸鹽的一價陽離子M係陽離子交換性優異,故宜為鉀。若依Y.Q.Jia,J.Solid State Chem.,95(1991)184,鍶之離子半徑與鹼金屬元素的離子半徑係如下表,K係略大於Sr之離子半徑,適宜作為陽離子交換體。
一價陽離子M為鉀之K2Ti2O5係若以一般熔融法等進行合成,成為纖維形狀,但如記載於WO2008/123046,一邊使鈦源及鉀源以機械化學粉碎一邊混合後,使其粉碎混合物以650~1000℃燒成之製法,俾可形成為在不規則方向延伸複數突起物之形狀。具有該形狀之鈦酸鹽的造粒體係粉體強度高,可增大短徑大小,故可控制陽離子交換速度。
以M2Ti2O5所示之鈦酸鹽宜為平均粒徑在1~150μm之範圍的粉末狀。平均粒徑係可藉例如雷射繞射式粒度分布測定裝置測定。
平均粒徑為1~150μm之鈦酸鹽粉末係吸附容量大,又,在後面之成形步驟中在操作面優異。亦即,若平均粒徑為1μm以上,不會產生因飛濺或靜電造成之容器附著等製造上的難點。若平均粒徑為150μm以下,不會因比表面積的降低使得吸附容量亦降低。
因此,在本發明中,宜使用如此之粒徑的鈦酸鹽粉末。鈦酸鹽粉末的平均粒徑更宜為4~30μm。
在本發明中,較佳係使如上述之鈦酸鹽粉末形成特定之大小而使用,尤其宜成形後,以特定之條件燒成而使用。
使鈦酸鹽粉末成形所得到之成形體的形狀或大小係填充於吸附容器或吸附塔,只要為適應於通入含放射性物質之水的形狀即可,可為例如球狀、立方體形狀、長方體形狀、圓柱形狀等之定形粒狀體,亦可為不定形狀體。若考 量對吸附容器或吸附塔之填充性,宜為球狀粒狀體。
形成鈦酸鹽粉末之方法係無特別限定,但可舉例如使用黏結劑等而使鈦酸鹽粉末成形為粒狀體之方法。
上述黏結劑係可舉例如蒙脫土、鎂鋁海泡石(Attapulgite)、海泡石(Sepiolite)、英石(Allophane)、埃洛石(halloysite)、絲狀鋁英石(Imogolite)、高嶺石(kaolinite)等之黏土礦物;矽酸鈉、矽酸鈣、矽酸鎂、偏矽酸鈉、偏矽酸鈣、偏矽酸鎂、偏矽酸鋁酸鈉、偏矽酸鋁酸鈣、偏矽酸鋁酸鎂等之矽酸鹽化合物等。此等係可1種單獨使用,亦可混合2種以上而使用。
此等之中,黏結劑係就可廉價地製造之點,宜為使用較化成品之矽酸鹽化合物更天然物之黏土礦物,進一步,即使在黏土礦物中,就粒狀體之機械強度之點,宜為使用鎂鋁海泡石或海泡石等之纖維狀的黏土礦物。
成形時,宜亦同樣地添加可得到造粒所需要之塑性的可塑劑。上述可塑劑可舉例如澱粉、玉米澱粉、糖蜜、乳糖、纖維素、纖維素衍生物、明膠、糊精、阿拉伯膠、藻酸、聚丙烯酸、甘油、聚乙二醇、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、水、甲醇、乙醇等。此等係可1種單獨使用,亦可混合2種以上而使用。
以特定之混合比混合鈦酸鹽與黏結劑與可塑劑之後,造粒成形,乾燥後,燒成,機械強度提昇,可抑制輸送中等所施加之振動或衝擊等造成的破碎,或投入於水時之一 次粒子的脫落。
黏結劑之使用量係無特別限定,相對於鈦酸鹽粉末1質量份,宜為0.1~0.5質量份。若黏結劑之使用量太少,所得到之粒狀體的強度弱,恐輸送中等所施加之振動或衝擊等而破碎,或投入於水時之一次粒子的脫落。若黏結劑之使用量太多,陽離子交換之活性部位的以M2Ti2O5所示之鈦酸鹽之比率變小,故陽離子交換容量(放射性物質吸附量)變小。
可塑劑之使用量係無特別限定,相對於鈦酸鹽粉末1質量份,宜為0.01~0.1質量份。若可塑劑之使用量為上述範圍內,可有效地成形鈦酸鹽粉末。
若考量製造成本,使用之可塑劑宜為水,進一步係若與水接觸,具有增黏之性質,宜為併用藉其黏化作用有助於粒子間之結合的物質與水。若考量此點,宜併用水與纖維素衍生物或PVA等作為可塑劑。
併用水與纖維素衍生物及/或PVA作為可塑劑時,在黏結劑之水與纖維素衍生物及/或PVA的摻合比(質量基準)宜為1000:1~10:1。若摻合比為此範圍內,可有效地成形鈦酸鹽粉末。
使用黏結劑與可塑劑而成形鈦酸鹽之粉末的方法,可舉例如混合鈦酸鹽粉末與鎂鋁海泡石等之黏結劑,使混合有可塑劑之水與纖維素衍生物等之黏性流體添加於鈦酸鹽與鎂鋁海泡石之混合粉末同時並造粒成形之方法,使鎂鋁海泡石等之黏結劑與纖維素的可塑劑直接混合於粉體之鈦 酸鹽粉末,一邊添加水等之液體,同時並造粒成形之方法等。
此造粒成形法具體上係可舉例如使用鼓型造粒機、皿型造粒機等之轉動造粒法;Flexomix、粒子造粒機等之混合攪拌造粒法;螺桿型押出造粒機、輥輪型押出造粒機、刮刀型押出造粒機、自己成形型押出造粒機等之押出造粒法;打錠形造粒機、塊狀形造粒機等之壓縮造粒法;在吹起之流體(主要為空氣)中一邊保持使鈦酸鹽粉末與黏結劑浮游懸濁之狀態,一邊噴霧水或醇等之黏結劑而造粒的流動層造粒法等,但若考量成形為粒狀體,宜為轉動造粒法或混合攪拌造粒法。
如此做法所得到之鈦酸鹽的粒狀體之大小係就粒徑為150~3000μm,宜為300~2000μm。若此粒狀體之大小大於上述範圍,表面積變小,故放射性物質吸附能降低,若小,恐從吸附塔之過濾器洩漏。粒狀體之粒徑係若粒狀體為球狀,相當於其直徑,其他之形狀時,使該粒狀體以2片之平行板挾住時,指其板之間隔成為最大的部位之長度(2片之板的間隔)。
在本發明中係宜使成形之鈦酸鹽的粒狀體在空氣環境下、500~900℃燒成,藉此燒成,黏結劑粉末與鈦酸鹽粉末被燒結,粒子強度提高。在此燒成處理中,若燒成溫度未達500℃,未燒結部位殘存而粒子強度變弱,若超過900℃,對鈦酸鹽結晶之構造造成影響而吸附性能降低。
燒成時間係亦依燒成溫度、粒狀體之大小而異,但一 般為0.5~10小時左右。
本發明之放射性物質吸附材係宜填充於在下部或上部具有過濾器構造之吸附容器或吸附塔而使用,使放射性物質、尤其含有放射性鍶之污染水通入於該吸附容器或吸附塔而可有效地適用除去放射性物質之水處理裝置。
〔實施例〕
以下,舉例實施例及比較例而更具體地說明本發明。
〔合成例1:二鈦酸鉀之合成〕
使氧化鈦418.94g及碳酸鉀377.05g以漢歇爾混合機混合,一邊使所得到之混合物以振動研磨粉碎,一邊混合0.5小時。使所得到之粉碎混合物50g填充於研缽,以電爐以780℃進行燒成4小時,使燒成物以鎚磨機進行粉碎,得到於不規則方向具有延伸複數突起物之形狀的二鈦酸鉀。平均粒徑為20μm。
〔合成例2:四鈦酸鉀之合成〕
使氧化鈦117.50g、碳酸鉀58.75g及氯化鉀23.50g以漢歇爾混合機混合,使所得到之混合物50g填充於研缽,以電爐以1000℃進行燒成4小時,將燒成物投入於溫水中,敲碎,過濾,乾燥,得到四鈦酸鉀纖維。
在以下中比較例1之放射性物質吸附材係使用專利文獻1所示之顆粒狀的鈦酸鈉之市售品商品名「SrTreat」 (Fortum公司製)。
比較例2之放射性物質吸附材係使用合成例2所得到之四鈦酸鉀,比較例3之放射性物質吸附材係使用8鈦酸鉀(商品名「Tismo」化學式:K2Ti8O17,大塜化學公司製)。
〔實施例1〕
於合成例1所得到之二鈦酸鉀粉末400g中加入鎂鋁海泡石粉末80g作為黏結劑,藉混合攪拌造粒機(商品名「VG-01」、Powrex公司製),以旋轉數400rpm高速攪拌。其後,徐緩地加入4重量%之聚乙烯醇溶液190g,藉轉動造粒使粒子成長為雪人式。使所得到之造粒體以105℃乾燥2小時後,以金屬製之篩分級成粒徑300~1180μm。使經分級之粒狀體以電器高溫爐在空氣環境下、以600℃燒成2小時。
〔耐一次粒子脫落性之評估〕
分別計量實施例1之放射性物質吸附材與比較例1之放射性物質吸附材1g,投入於錐形燒杯後,添加自來水(栃木縣野木町水)99g而輕輕搖混後,依據JIS K0101(工業用水試驗方法),計測上清液之濁液而評估耐一次粒子脫落性。
計測濁度之結果,實施例1之放射性物質吸附材濁度為1.9,但比較例1之放射性物質吸附材濁度為230。
從此結果,可知實施例1之放射性物質吸附材,較比較例1之放射性物質吸附材,更大幅地降低水中之一次粒子的脫落。
〔放射性物質吸附性能之評估〕
分別計量實施例1之放射性物質吸附材與比較例2,3之放射性物質吸附材1g,投入於塑膠容器。於各別之塑膠容器中,加入溶解於自來水(栃木縣野木町水)之水溶液100ml以使安定同位素之氯化鍶成為鍶濃度10mg/l。分別振動30分、1小時、2小時、4小時後,以0.45μm之過濾膜過濾,使濾液導入於ICP-MS而定量濾液中之鍶濃度。結果表示於圖1中。
從圖1可知鍶濃度係實施例1之放射性物質吸附材時可降低至最低濃度。
使用特定之態樣而詳細說明本發明,但不脫離本發明之意旨與範圍,可各種之變更係熟悉此技藝者所熟知。
又,在本申請案係依據2012年5月29日所申請之日本專利申請(特願2012-122215),其全體藉引用而被援用。

Claims (12)

  1. 一種放射性物質吸附材,其係含有化學式以M2Ti2O5(M為一價陽離子)所示之鈦酸鹽。
  2. 如申請專利範圍第1項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽係平均粒徑為1~150μm。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之放射性物質吸附材,其中前述化學式以K2Ti2O5所示。
  4. 如申請專利範圍第3項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽具有於不規則方向延伸複數突起物之形狀。
  5. 如申請專利範圍第1~4項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述放射性物質為放射性鍶。
  6. 如申請專利範圍第1~5項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述鈦酸鹽為使用黏結劑而成形為粒徑150~3000μm。
  7. 如申請專利範圍第6項之放射性物質吸附材,其中前述黏結劑為黏土礦物。
  8. 如申請專利範圍第7項之放射性物質吸附材,其中前述黏土礦物為鎂鋁海泡石(Attapulgite)。
  9. 如申請專利範圍第6~8項中任一項之放射性物質吸附材,其中前述成形後,進一步以500~900℃之溫度範圍燒成而成。
  10. 一種吸附容器,其係填充如申請專利範圍第1~9項中任一項之放射性物質吸附材。
  11. 一種吸附塔,其係填充如申請專利範圍第1~9項 中任一項之放射性物質吸附材。
  12. 一種水處理裝置,其係具備如申請專利範圍第10項之吸附容器或如申請專利範圍第11項之吸附塔。
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