(57)【要約】【課題】セシウムの吸着材であって、体積を小さくし得るセシウムの吸着材を提供する。【解決手段】セシウムの吸着材は、有機物質からなる担体と、吸着物質とを備えている。吸着物質は、担体に担持されている。吸着物質は、第１の芳香環と、第２の芳香環と、第１の芳香環と第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有する。構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含む。第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６である。第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環と担体とが化学結合している。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物質からなる担体と、
前記担体に担持された吸着物質と、
を備え、
前記吸着物質は、
第１の芳香環と、第２の芳香環と、前記第１の芳香環と前記第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有し、
前記構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含み、
前記第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６であり、
前記第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環と前記担体とが化学結合しているセシウムの吸着材。
【請求項２】
前記構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、炭素原子とヘテロ原子とにより構成されている、請求項１に記載のセシウムの吸着材。
【請求項３】
Ｘが酸素原子である、請求項１または２に記載のセシウムの吸着材。
【請求項４】
前記吸着物質が下記の一般式（１）で表される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセシウムの吸着材。
【化１】
2015051397.tif 000008
一般式（１）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよく、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、それぞれ独立に、０又は１であり、ｍ及びｎは、それぞれ独立に、０〜２の整数である。
【請求項５】
Ｒ１〜Ｒ３が水素原子であり、Ｒ４〜Ｒ７のうちの少なくとも３つが水素原子である、請求項４に記載のセシウムの吸着材。
【請求項６】
ｍ及びｎが、それぞれ１である、請求項４又は５に記載のセシウムの吸着材。
【請求項７】
ａ、ｂ、ｃ及びｄが、それぞれ０である、請求項４〜６のいずれか一項に記載のセシウムの吸着材。
【請求項８】
前記吸着物質が下記の一般式（２）で表されるクラウンエーテルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセシウムの吸着材。
【化２】
2015051397.tif 000009
一般式（２）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよい。
【請求項９】
第１の芳香環と、第２の芳香環と、前記第１の芳香環と前記第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有し、
前記構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含み、
前記第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６であり、
前記第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環に反応性の置換基が結合しているセシウムの吸着物質。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のセシウムの吸着材と放射性セシウム含有物質とを接触させ、前記セシウムの吸着材に放射性セシウムを吸着させる工程と、
前記放射性セシウムを吸着した前記吸着材を燃焼させる工程と、
を備える放射性セシウム含有物質の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セシウムの吸着材、セシウムの吸着物質及びセシウムの吸着材を用いた放射性セシウム含有物質の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電において、ウランやプルトニウムの核分裂反応が生じた際に、放射性同位体であるセシウム１３７（１３７Ｃｓ）やセシウム１３４（１３４Ｃｓ）等が生成する場合がある。これに鑑み、放射性セシウムを含有する物質の処理方法が種々提案されている。その一例として、特許文献１には、放射性セシウムをゼオライトに吸着させ、放射性セシウムを吸着したゼオライトをセメントにより固化する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１１７４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の方法では、放射性セシウムを吸着したゼオライトが大量に生じる。このため、広大な処分場が必要になるという問題が生じる。
【０００５】
本発明の主な目的は、セシウムの吸着材であって、体積を小さくし得るセシウムの吸着材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るセシウムの吸着材は、有機物質からなる担体と、吸着物質とを備えている。吸着物質は、担体に担持されている。吸着物質は、第１の芳香環と、第２の芳香環と、第１の芳香環と第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有する。構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含む。第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６である。第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環と担体とが化学結合している。
【０００７】
構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、炭素原子とヘテロ原子とにより構成されていてもよい。
【０００８】
Ｘが酸素原子であってもよい。
【０００９】
吸着物質が下記の一般式（１）で表される化合物であってもよい。
【００１０】
【化１】
2015051397.tif 000002
一般式（１）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよく、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、それぞれ独立に、０又は１であり、ｍ及びｎは、それぞれ独立に、０〜２の整数である。
【００１１】
一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ３が水素原子であり、Ｒ４〜Ｒ７のうちの少なくとも３つが水素原子であってもよい。
【００１２】
一般式（１）において、ｍ及びｎが、それぞれ１であってもよい。
【００１３】
一般式（１）において、ａ、ｂ、ｃ及びｄが、それぞれ０であってもよい。
【００１４】
吸着物質が下記の一般式（２）で表されるクラウンエーテルであってもよい。
【００１５】
【化２】
2015051397.tif 000003
一般式（２）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよい。
【００１６】
本発明に係るセシウムの吸着物質は、第１の芳香環と、第２の芳香環と、第１の芳香環と第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有する。構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含む。第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６である。第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環に反応性の置換基が結合している。
【００１７】
本発明に係る放射性セシウム含有物質の処理方法では、上記セシウムの吸着材と放射性セシウム含有物質とを接触させ、セシウムの吸着材に放射性セシウムを吸着させる。放射性セシウムを吸着した吸着材を燃焼させる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セシウムの吸着材であって、体積を小さくし得るセシウムの吸着材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【００２０】
本実施形態に係るセシウムの吸着材は、例えば、放射性セシウム含有物質に含まれる放射性セシウムを吸着させる部材である。もっとも、本実施形態に係るセシウムの吸着材は、放射性を有さないセシウムも吸着させることができる。
【００２１】
本実施形態に係るセシウムの吸着材は、担体と、吸着物質とを備える。担体は、有機物質からなる。担体は、例えば、有機高分子により構成することができる。具体的には、担体は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルフォン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール等の線状または架橋高分子、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジビニルベンゼン重合体、ジビニルベンゼン−スチレン共重合体、ジビニルベンゼン−アクリル酸エステル共重合体、ジアリルフタレート重合体、トリアリルイソシアヌレート重合体、ベンゾグアナミン重合体等の網目構造を有する樹脂等により構成することができる。
【００２２】
担体の形状は、特に限定されない。担体は、例えば、粒子状、繊維状、ゲル状等であってもよい。
【００２３】
吸着物質は、担体に担持されている。吸着物質は、第１の芳香環と、第２の芳香環と、構造Ａと、構造Ｂとを有する。構造Ａと、構造Ｂとは、それぞれ、第１の芳香環と第２の芳香環とに結合している。このため、第１及び第２の芳香環と、構造Ａと、構造Ｂとにより環が形成されている。この第１及び第２の芳香環と、構造Ａと、構造Ｂとにより構成された環を構成している原子の数は、１９〜２６である。第１及び第２の芳香環と、構造Ａと、構造Ｂとにより構成された環を構成している原子の数は、１９〜３０であることがより好ましく、２０〜２６であることがさらに好ましい。
【００２４】
第１及び第２の芳香環は、例えば、六員環、五員環等であってもよい。第１及び第２の芳香環は、例えば、複素環であってもよい。第１及び第２の芳香環のそれぞれは、例えば、ベンゼン環であってもよい。また、第１及び第２の芳香環は、それぞれ、ナフタレンやアントラセン、それらの誘導体等を構成していてもよい。
【００２５】
本実施形態では、第１及び第２の芳香環のうちの一方と担体とが化学結合しており、他方は担体と化学結合していない。すなわち、第１及び第２の芳香環のうちの一方のみと担体とが化学結合することにより、吸着物質が担体に担持されている。なお、第１又は第２の芳香環と担体とは、単結合により直接化学結合していてもよいし、例えば、アルキレン基、アリーレン基、ウレタン結合、尿素結合、アミド結合、エステル結合、エーテル結合、シロキサン結合等を介して化学結合していてもよい。
【００２６】
構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含む。［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］は、例えば、［−Ｃ−Ｏ−Ｃ−］、［−Ｃ−Ｓ−Ｃ−］、［−Ｃ−Ｎ−Ｃ−］、［−Ｃ−Ｐ−Ｃ−］等であってもよい。構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、複数種類の［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］を含んでいてもよい。構造Ａ及び構造Ｂは、炭素原子とヘテロ原子とにより構成されていることが好ましい。
【００２７】
好ましい吸着物質の例としては、例えば、下記の一般式（１）で表される化合物が挙げられる。
【００２８】
【化１】
2015051397.tif 000004
一般式（１）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよく、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、それぞれ独立に、０又は１であり、ｍ及びｎは、それぞれ独立に、０〜２の整数である。
【００２９】
一般式（１）において、Ｒ１〜Ｒ３が水素原子であり、Ｒ４〜Ｒ７のうちの少なくとも３つが水素原子であってもよい。
【００３０】
一般式（１）において、ｍ及びｎが、それぞれ１であってもよい。
【００３１】
一般式（１）において、ａ、ｂ、ｃ及びｄが、それぞれ０であってもよい。
【００３２】
一般式（１）で表される化合物の具体例としては、下記の一般式（２）で表されるクラウンエーテルが挙げられる。
【００３３】
【化２】
2015051397.tif 000005
一般式（２）中、Ｒ１〜Ｒ７は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基であり、Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよく、Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよい。
【００３４】
一般式（２）で表されるクラウンエーテルは、環を構成している原子の数が、２０であり、環に含まれるヘテロ原子（酸素原子）の数が６である。このため、一般式（２）で表されるクラウンエーテルは、２０−クラウン−６（詳細には、ジベンゾ２０−クラウン−６）と呼ばれる。このように、環を構成している原子の数がＸであり、環に含まれる酸素原子の数がＹであるクラウンエーテルは、Ｘ−クラウン−Ｙと呼ばれる。
【００３５】
ところで、クラウンエーテルは、クラウンエーテル環の大きさに応じたイオン半径のカチオンを選択的に取り込む性質を有する。一般的には、セシウムイオンは、１８−クラウン−６に選択的に取り込まれると考えられる。
【００３６】
しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、環に２つの芳香環を配した場合は、環を構成する原子の数を１８よりも大きくする方が、セシウムイオンに対する選択性、セシウムイオンへの吸着力が高くなることを見出し、本発明をなすに至った。
【００３７】
本実施形態においては、環に第１及び第２の芳香環が含まれ、構造Ａと、構造Ｂとにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６であり、かつ、第１及び第２の芳香環のうちの一方が担体に担持されている。このため、本実施形態のセシウムの吸着材は、セシウムイオンに対する優れた選択性を有し、かつ、セシウムイオンに対する高い吸着力を有する。
【００３８】
この理由としては、定かではないが、例えば、以下の理由が考えられる。すなわち、環を構成している原子の数が１９〜２６であり、第１及び第２の芳香環の一方のみが担体に化学結合しているため、本実施形態の吸着材では、吸着物質が、環並びに第１及び第２の芳香環がセシウムイオンを包み込むような分子形状を取り得る。このため、環を構成しているヘテロ原子とセシウムイオンとの間に配位結合が生じると共に、第１及び第２の芳香環のπ電子とセシウムイオンのｄ−ｆ混成軌道との間に相互作用が生じる。よって、セシウムイオンに対する高い吸着力が得られるものと考えられる。また、カリウムやナトリウムには、ｄ−ｆ混成軌道が生じないため、本実施形態の吸着材は、ｄ−ｆ混成軌道を有するセシウムイオンを優れた選択性で吸着することができるものと考えられる。
【００３９】
例えば、第１及び第２の芳香環の両方を担体に化学結合させた場合は、吸着物質が、環並びに第１及び第２の芳香環がセシウムイオンを包み込むような分子形状をとることが困難となる。このため、第１及び第２の芳香環のπ電子とセシウムイオンのｄ−ｆ混成軌道との間に相互作用が生じにくくなる。従って、セシウムイオンに対する優れた選択性と高い吸着力が得難くなるものと考えられる。
【００４０】
セシウムイオンに対するより優れた選択性と高い吸着力を得る観点からは、環を構成している原子の数が、１９〜３０であることが好ましく、２０〜２６であることがより好ましく、２０程度であることがさらに好ましい。
【００４１】
（セシウムの吸着材の製造方法）
なお、本実施形態に係るセシウムの吸着材は、例えば、以下のようにして製造することができる。
【００４２】
まず、セシウムの吸着物質を準備する。具体的には、第１の芳香環と、第２の芳香環と、第１の芳香環と第２の芳香環とにそれぞれ結合している構造Ａ及び構造Ｂとを有し、構造Ａ及び構造Ｂは、それぞれ、［−Ｃ−Ｘ−Ｃ−］（但し、Ｘは、ヘテロ原子である。）を含み、第１及び第２の芳香環並びに構造Ａ，Ｂにより構成された環を構成している原子の数が１９〜２６である吸着物質を用意する。この吸着物質においては、第１及び第２の芳香環のうちの一方の芳香環に反応性の置換基が結合しており、他方の芳香環には、反応性の置換基が結合していない。この吸着物質としては、下記の一般式（３）で表される化合物が例示される。
【００４３】
【化３】
2015051397.tif 000006
一般式（３）中、Ｒ１〜Ｒ８は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基である。Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよい。Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよい。Ｒ１〜Ｒ３及びＲ８のうちの少なくともＲ８が反応性の置換基である。Ｒ１〜Ｒ３及びＲ８のうち、Ｒ８のみが反応性の置換基であり、Ｒ１〜Ｒ３が非反応性の置換基であることが好ましい。Ｒ４〜Ｒ７は、非反応性の置換基である。ａ、ｂ、ｃ及びｄは、それぞれ独立に、０又は１である。ｍ及びｎは、それぞれ独立に、０〜２の整数である。
【００４４】
一般式（３）で表される化合物の例としては、下記の一般式（４）で表される化合物が挙げられる。
【００４５】
【化４】
2015051397.tif 000007
一般式（４）中、Ｒ１〜Ｒ８は、それぞれ独立に、水素原子、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基である。Ｒ１〜Ｒ３は、互いに結合して環を形成していてもよい。Ｒ４〜Ｒ７は、互いに結合して環を形成していてもよい。Ｒ１〜Ｒ３及びＲ８のうちの少なくともＲ８が反応性の置換基である。Ｒ１〜Ｒ３及びＲ８のうち、Ｒ８のみが反応性の置換基であり、Ｒ１〜Ｒ３が非反応性の置換基であることが好ましい。Ｒ４〜Ｒ７は、非反応性の置換基である。
【００４６】
次に、準備した吸着物質の反応性の置換基と、担体とを化学結合させることにより、本実施形態のセシウムの吸着材を得ることができる。
【００４７】
なお、反応性の置換基の具体例としては、例えば、水酸基、一級アミノ基、二級アミノ基、カルボキシル基、エポキシ基、イソシアネート基、加水分解性シリル基、エステル基、活性エステル基、酸ハロゲン化物基、酸無水物基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン化ベンジル基、ビニル基、ビニルエーテル基、アリル基、スチリル基、（メタ）アクリル基、アルデヒド基、ケトン基、チオール基、チオイソシアネート基等が挙げられる。非反応性の置換基の具体例としては、例えば、アルキル基、アリール基、アリールアルキル基、アルコキシ基、ポリ（アルキレンオキシド）基、シアノ基またはアミド基等が挙げられる。
【００４８】
（放射性セシウム含有物質の処理方法）
次に、本実施形態のセシウムの吸着材を用いた放射性セシウム含有物質の処理方法について説明する。
【００４９】
まず、放射性セシウム含有物質を溶液に投入し、放射性セシウムイオンを含む溶液を作製する。溶液に投入する放射性セシウム含有物質は、放射性セシウムを含む焼却灰であってもよい。次に、その溶液に上記セシウムの吸着材を投入することにより、吸着材に放射性セシウムを吸着させる（吸着工程）。
【００５０】
その後、放射性セシウムを吸着した吸着材を回収する（回収工程）。吸着材は、担体を有するため、例えば、濾過等により、放射性セシウムを吸着した吸着材を容易に回収することができる。
【００５１】
次に、回収した放射性セシウムを吸着した吸着材を燃焼させ、放射性セシウムを含む灰を得る（燃焼工程）。その後、放射性セシウムを含む灰をコンクリート等で固化させたり、放射線遮蔽能を有する容器に入れたりした状態で保管する。
【００５２】
このように、本実施形態では、吸着物質と担体との両方が有機物質からなる。このため、本実施形態の吸着材は、燃焼させることにより、体積を小さくすることができる。よって、放射性セシウムを高濃度に濃縮することができる。従って、本実施形態の処理方法を用いることにより、放射性セシウムの廃棄に要する処分場を小さくすることができる。