(57)【要約】【課題】放射性セシウムを含有する汚染土壌中から、安価な手段により放射性セシウムを分離・除去するための前処理方法、および、その前処理方法を用いた汚染土壌からの放射性セシウムの除去方法を提供する。【解決手段】放射性セシウムを含有する土壌中に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの１種または２種と、酸と水とを添加して混練した状態で所定の時間保持した後、混練した土壌に水を加えてスラリー状態とし、放射性セシウムを水相に移行させることにより、放射性セシウムを汚染土壌から分離・除去する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セシウムを含有する土壌に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの１種または２種を含む塩を土壌１００質量部に対し１.０〜１５質量部、酸、並びに水を加えて土壌中の水の含有量を５〜４０質量％とし、該土壌を混練した後１〜３０日間保持する、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
【請求項２】
前記の酸が塩酸および硫酸の１種または２種である、請求項１に記載の土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
【請求項３】
前記の混練後の保持を常温で行う、請求項１または２に記載の土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
【請求項４】
請求項１〜３に記載の前処理方法により処理した土壌に水を加えてスラリーとし、土壌に吸着したセシウムを水相に移行させる、土壌からのセシウム除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性セシウムに汚染された土壌から、放射性セシウムを分離・除去し、該汚染土壌を浄化するための前処理方法、および、それを用いた土壌からのセシウムの除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電所の事故に伴う放射性物質の飛散、土壌への蓄積が社会問題化している。放射性物質の中でも、特に134Ｃｓや137Ｃｓ等の放射性セシウムは、その半減期が長く（137Ｃｓは３０年）、人体に与える影響が大きいため、効果的な除去技術の開発が望まれている。
【０００３】
土壌中の放射性セシウムの挙動については、以前から研究がなされており（例えば非特許文献１）、土壌中の粘土鉱物、特に２：１型層状ケイ酸塩鉱物の層間、なかでも層端部の層間が開いたフレイドエッジに強く吸着されることが知られている。この粘土鉱物は、ケイ素四面体シートとアルミニウム八面体シートが層状に重なった構造をしており、層間に取り込まれた放射性セシウムはケイ素四面体シートの空隙に強固に固定される。そのため、一度吸着された放射性セシウムは、雨水等で溶出することはなく、地表部分に蓄積されるため、環境中の放射線量の増大を招き、問題となる。なお、層状鉱物の層間に固定された放射性セシウムは、ＮＨ4+やＫ+等の１価の陽イオンと一部イオン交換すること、また、酸により一部溶出することが知られている。
【０００４】
土壌中の放射性セシウムを除去するためには、層状鉱物から放射性セシウムを溶離する必要があり、その方法としては最近、例えば有機酸の水溶液を使用する方法（非特許文献２）や、フッ化物＋酸の水溶液、または、それにカリウム塩を添加した水溶液を使用する方法（非特許文献３）などが提案されている。なお、非特許文献３には、参考例として、カリウム塩またはカリウム塩＋酸の水溶液を加圧加温状態で処理に用いる例が示されているが、その方法では、放射性セシウムの良好な溶離率は得られないとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小島ら、「２：１型粘土鉱物に固定されたセシウムの植物による吸収」、日本土壌肥料学雑誌、第５１巻、第１号、ｐ.１−７（１９８０）
【非特許文献２】三倉ら、「汚染土壌からのセシウム溶離回収技術の開発」、日本原子力学会「２０１２年春の年会」予稿集、ｐ.５４２−５４６（２０１２）
【非特許文献３】二見ら、「土壌からの放射性セシウム除去技術の開発（第１報）」、第１回環境放射能除染研究発表会要旨集、ｐ.３４（２０１２）［環境放射能除染学会編］
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、前述した汚染土壌からの放射性セシウムの除去方法には、以下の問題があった。
非特許文献２に記載の処理方法は、処理液として有機酸であるシュウ酸の水溶液を用いるものであるが、放射性セシウムの良好な溶離率を得るためには９５℃という高温を必要とするものである。そのため、非特許文献２に記載の処理方法に用いる設備は複雑、かつ高額なものになるという問題があった。
非特許文献３に記載の処理方法は、処理液として酸の水溶液中にフッ化物またはフッ化物とカリウム塩とを添加した水溶液を用いるものである。この方法は、処理自体は室温で可能であるが、処理に用いるフッ化物が土壌汚染対策法上の第二種特定有害物であるため、放射性セシウムを分離・除去した後の土壌を再度処理する必要があり、実用性に劣るという問題があった。
【０００７】
さらに、上述の処理方法は、汚染土壌と処理液とを混合し、スラリー状態で処理を行うため、処理すべき汚染土壌の体積と同程度の体積の処理液を必要とするため、処理液自体の費用が高価になるとともに、放射性セシウムを溶離した後、処理液から放射性セシウムを回収するのに高額の費用が発生するという、副次的な問題も存在する。
【０００８】
本発明は、この様な現状に鑑み、簡易な設備で操業可能であり、かつ、少量の処理液で処理が可能な、汚染土壌からの放射性セシウム除去のための安価な前処理方法、および、汚染土壌からのセシウムの除去方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下を提供する。すなわち、
［１］セシウムを含有する土壌１００質量部に、カリウムイオンおよびアンモニウムイオンの１種または２種を含む塩を土壌１００質量部に対し１.０〜１５質量部、酸並びに水を加えて土壌中の水の含有量を５〜４０質量％とし、該土壌を混練した後１〜３０日間保持する、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
［２］前記の酸が、塩酸および硫酸の１種または２種である、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
［３］前記の混練後の保持を常温で行う、土壌からのセシウム除去のための前処理方法。
［４］上記［１］〜［３］の前処理方法により処理した土壌に水を加えてスラリーとし、土壌に吸着したセシウムを水相に移行させる、土壌からのセシウム除去方法、である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法を用いることにより、高価で複雑な設備が不要で、かつ、少量の処理液により放射性セシウムに汚染された土壌から、放射性セシウムを除去することが可能になった。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［Ｋ+、ＮＨ4+イオン］
本発明の前処理においては、水を加えて水分含有量を調整した土壌に、Ｋ+イオンまたはＮＨ4+イオンを含む水可溶性の無機塩、有機塩もしくはそれらの混合物を混練する。これらのイオンは、粘土鉱物の層間に吸着したセシウムイオンと交換吸着する作用を有しており、吸着したセシウムイオン量に対して過剰量を存在させることにより、層間の吸着サイトからセシウムイオンを脱着させ、再吸着を防止する働きをする。
使用可能な塩としては、塩化物、硫酸塩、過硫酸塩、リン酸塩等の無機酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩等の有機酸塩等があり、水可溶性のものであればいずれを用いても構わないが、価格の面から、塩化物、硫酸塩、過硫酸塩の使用が好ましい。フッ化物および硝酸塩は、フッ素および硝酸性窒素が地下水環境基準項目に含まれるので、セシウムイオン除去後の処理液の処理を考えると、好ましくない。
これらのイオンの添加量としては、土壌１００質量部に対して１.０〜１５質量部が好適であり、２.５〜１５質量部がより好ましい。添加量が１.０質量部未満では、粘土鉱物の層間からセシウムイオンを脱着させる効果が十分ではない。また、添加量が１５質量部を超えると、セシウムイオンを脱着させる効果が飽和するとともに、処理費用の増大を招くので、好ましくない。
【００１２】
［酸］
本発明の前処理においては、水を加えて水分含有量を調整した土壌に、酸を添加し、混練する。酸は、前述のフレイドエッジの開口部において粘土鉱物を一部溶解することにより、セシウムイオンを脱着させる効果を示すとともに、Ｋ+イオンおよびＮＨ4+イオンがセシウムイオンと交換吸着することを助長する作用を有している。
使用可能な酸としては、塩酸、硫酸、リン酸等の無機酸、および、酢酸、シュウ酸等の有機酸が挙げられるが、価格の面から、塩酸および硫酸の使用が好ましい。フッ酸および硝酸は、フッ素および硝酸性窒素が地下水環境基準項目に含まれるので、セシウムイオン除去後の処理液の処理を考えると、好ましくない。また、有機酸は高価であり、処理費用の増大を招くので、好ましくない。
酸の添加量としては、土壌１００ｇに対して、濃塩酸（ＨＣｌ濃度：３５質量％程度）および濃硫酸（Ｈ2ＳＯ4濃度：９６質量％程度）の1種または２種の１.０〜２５ｍＬ(水素イオンｍｏｌ数として概ね０.０１ｍｏｌ〜１.０ｍｏｌ）が好ましく、４.０〜２５ｍＬ(水素イオンｍｏｌ数として概ね０.０５ｍｏｌ〜１.０ｍｏｌ）がより好ましい。添加量が１.０ｍＬ未満では、粘土鉱物の層間からセシウムイオンを脱着させる効果が十分ではない。また、添加量が２５ｍＬを超えると、セシウムイオンを脱着させる効果が飽和するとともに、処理費用の増大を招くので、好ましくない。なお、土壌への酸の添加方法としては、濃塩酸もしくは濃硫酸をそのまま添加しても良いし、水で希釈した後に添加しても構わない。
【００１３】
［水］
本発明の前処理方法において、土壌に添加する水は重要な作用を有する。すなわち、水の存在は、酸のプロトン解離、および、カリウム塩もしくはアンモニウム塩の解離・イオン化を促進し、それぞれ水和イオンとして粘土鉱物の層間に拡散させると同時に、脱着したセシウムを水和イオンとして粘土鉱物の系外に運び去る作用を有している。
水の添加量としては、セシウムを含有する土壌にカリウム塩およびアンモニウム塩の１種または２種と酸と水とを添加し、混練する時点での水分の含有量として５〜４０質量％に調整することが好ましい。この水は酸溶液の溶媒の形態で添加することができる。なお、汚染土壌が採取時点で充分な水分を含んでおり、塩と酸とを加えた時点でその水分の含有量がこの範囲にある時は、水をさらに添加しなくても良い。水分の含有量が５質量％未満では、酸およびカリウム塩、アンモニウム塩の解離・イオン化が不十分となり、好ましくない。また、水分の含有量が４０質量％を超えると、土壌が流動・流出しやすくなり、仮置きする際のハンドリングに支障をきたすため、好ましくない。
【００１４】
［保持時間］
本発明者らは、放射性セシウムで汚染された土壌から、カリウムおよびアンモニウムイオンと酸と水との複合作用によりセシウムを除去するに当たっては、反応温度を高くするよりも、混練後の保持時間を長くする方が効果的であることを見出して本発明を完成させた。この現象は、以下の様に理解できる。すなわち、混練直後には、混練された土壌に接し、かつ、比較的層間距離の大きなフレイドエッジにプロトンおよびカリウムイオン、アンモニウムイオンが短時間に供給されるので、その部分に吸着したセシウムが最初にイオン交換により脱着すると考えられる。しかし、粘土鉱物内部では層間距離が狭いので、水の浸透、および、プロトン並びにカリウムイオン、アンモニウムイオンの拡散に時間を要し、結果として脱着したセシウムの逆拡散に長時間を要するものと考えられる。したがって、これらの拡散プロセスについては、反の温度を上昇するよりも、反応時間を長く取る方が効果的であると考えられる。
混練後の土壌の保持時間としては１〜３０日間が好ましく、３〜３０日間がさらに好ましい。保持時間が１日間未満では、セシウムの脱着反応が充分に進行しないので、好ましくない。保持時間が３０日間を超えると反応が飽和し、処理費用も増大するので、好ましくない。
【００１５】
［保持温度］
本発明の前処理方法は、混練後の土壌の保持温度を特に規定するものではなく、常温下で保持しても、加温状態で保持してもどちらでも構わない。ここで、常温下で保持とは、屋外では外気温の状態で、屋内では室温の状態で、それぞれ特別な加熱手段を用いることなしに保持することを意味する。通常の外気温は、季節によって変動するが、１０〜３５℃程度である。汚染土壌の処理において、土壌の加温設備を設けると、設備が大型化して処理コストが増大するので、費用の観点からは常温で保持することが好ましい。なお、屋外で外気温が０℃を下回ると、土壌中の水が凍結する可能性があるので、その条件下で混練した土壌を保持することは好ましくない。
本発明の前処理方法において、特別な加温を必要としないのは、土壌に添加する水の量が少なく、混練後の土壌に含まれる水分中のカリウムイオンおよびアンモニウムイオンの濃度や、酸の濃度が高い状態に保たれているためと考えられる。
【００１６】
［セシウムの除去］
カリウム塩、アンモニウム塩と酸と水とを混練した状態で土壌を保持すると、時間の経過とともに、粘土鉱物の層間に吸着していたセシウムが脱着し、拡散等の作用により、土壌に含まれる水分中に移動する。所定の保持時間経過後に、混練した土壌に水を加え、スラリー状態にすると、粘土鉱物から脱着したセシウムは、水相に移行する。混練した土壌に加える水には、粘土鉱物からさらにセシウムを脱着させるため、カリウムイオン、アンモニウムイオン、酸等を添加しても良いが、混練後の保持により、セシウムの脱着が飽和状態に近づいているので、基本的には薬剤を添加しない水を用いて構わない。スラリー状態にするために、水のみを添加する場合には、処理に使用する薬剤は、混練時に添加するものだけになるので、本発明の前処理方法を使用することにより、薬剤の使用量を低減することが出来る。
土壌からのセシウムの分離を促進するために、スラリーを一定時間撹拌した後、ろ過、フィルタープレス等の公知の分離方法を用いて土壌と水とを分離することにより、放射性セシウムにより汚染された土壌から、放射性セシウムを除去することができる。スラリーの撹拌は、常温または加温状態のどちらで行っても構わない。放射性セシウムを含有した処理後の水は、フェロシアン化物を用いた凝集沈澱法等、公知のセシウムの分離方法を用いて処理する。
【実施例】
【００１７】
［供試サンプル］
供試サンプルとして、実際に採取した放射性セシウム含有土壌を用いた。供試した土壌の水分含有量は２０質量％であり、平成２４年３月１日付け厚生労働省事務連絡「食品中の放射性セシウムスクリーニング法」の内容を満足するＮａＩ検出器による放射能測定装置を用いて得られた放射性セシウムの濃度は、137Ｃｓについて７３２０Ｂｑ／Ｋｇ−ｄｒｙ、134Ｃｓについて５３６０Ｂｑ／Ｋｇ−ｄｒｙであった。
採取した放射性セシウム含有土壌を有姿で、目開き１０ｍｍの標準篩で篩分けし、得られた網下１０ｍｍ以下の土壌をサンプルとした。
［前処理］
サンプル１００ｇを蓋付の容器に採取し、下記表１および表２に示す抽出剤を加えて混練し、密栓した後、空調温度２５℃の室内で、１０分〜３０日間保持した。なお、サンプル土壌の水分含有量が２０質量％であったため、水は添加しなかった。
［抽出試験］
所定の期間保持した後、容器に水５００ｍＬを加え、振とう器を用いて１０分間振とうした。振とう後のサンプルを、５Ｃのろ紙を用いて吸引ろ過し、ろ液と洗浄土とを分離した。ろ過に際しては、２００ｍＬの水をすすぎ水として使用した。
［評価］
得られた脱水土壌とろ液とをそれぞれ秤量し、前述の放射能測定装置を用いて、放射性セシウム濃度を測定し、放射性セシウムの水への抽出率を算出した。なお、抽出率３０％以上を良好と判断した。
また、参考値として、ろ液のｐＨを測定した。ｐＨの測定はガラス電極法により行い、ガラス電極の較正には、中性のリン酸塩標準液と酸性のフタル酸塩標準液を用いた。実験結果で示すｐＨ値は、ｐＨの表示した値である。
【００１８】
［実施例１］
サンプル１００ｇに、抽出剤として３５％濃塩酸（以下ＨＣｌとも表示する）２０ｍＬと塩化カリウム（ＫＣｌ）２０ｇ（Ｋとして１０.５ｇに相当）を添加し、前記の実験手順に従って、セシウム抽出率の経時変化を測定した。結果を表１に示す。この場合、セシウム抽出率は1日でほぼ飽和した。なお、他の抽出剤についても、同様な傾向が観察された。表１には、参考値のｐＨも併せて示してある。ろ液のｐＨは、保持時間とともに徐々に上昇している。
【００１９】
【表１】
2014032110.tif 000002
【００２０】
［実施例２］
抽出剤を種々変化させただけで、実施例１と同じ抽出試験を行った結果を、表２に示す。ここでＨ2ＳＯ4とは、９６％濃硫酸を意味する。硫酸アンモニウム（（ＮＨ4）2ＳＯ4）２０ｇは、ＮＨ4として５.４５ｇに、過硫酸カリウム（ＫＨＳＯ5）２０ｇはＫとして５.１２ｇにそれぞれ相当する。表中のｐＨ値は、１４日保持後の、ろ液のｐＨ値である。本発明の実施例である実験番号１〜８は、セシウムの抽出率が飽和する保持時間７日において、抽出率の値がいずれも３０％以上となっている。酸については、塩酸よりも硫酸の方が高い抽出率を示す。これは、同体積では、硫酸の方が酸としての濃度が高いためと考えられる。酸の単独添加（実験番号１０）、カリウム（実験番号９、１２）およびアンモニウム（実験番号１１）の単独添加では、充分な効果が得られなかった。土壌をアルカリ性にすることは（実験番号１３〜１５）、セシウムの除去に効果を示さなかった。
【００２１】
【表２】
2014032110.tif 000003
【００２２】
以上の結果から明らかな様に、本発明のカリウムイオンおよびアンモニウムイオンまたはそのいずれかと、酸と水とをセシウム汚染土壌に添加し、混練後に一定時間保持する前処理方法を用いると、高額な処理設備を用いることなく、また少量の薬剤の使用で、放射性セシウムを汚染土壌から分離・除去することが可能になる。