(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２価の金属イオンであるストロンチウムイオン及び１価の金属イオンを含む被処理水溶液からストロンチウムを除去する装置であって、
前記被処理水溶液から淡水にイオン交換膜を介して電気的な推進力により前記１価の金属イオンを移動することにより１価イオンリッチの水溶液と２価イオンリッチの水溶液とに分離する電気透析部と、
吸着材を有するイオン交換吸着塔と、を備え、
前記１価イオンリッチの水溶液と前記２価イオンリッチの水溶液とを、この順で前記イオン交換吸着塔に通水する、吸着除去装置。
【請求項２】
請求項１記載の吸着除去装置において、
前記１価の金属イオンの主成分は、ナトリウムイオンであり、
前記イオン交換吸着塔の前記吸着材には、ナトリウムイオンが添加されている、吸着除去装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の吸着除去装置において、
前記イオン交換吸着塔を通過した処理水から淡水を回収し、その淡水を前記電気透析部に導入する、吸着除去装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸着除去装置において、
前記電気透析部で得られた前記１価イオンリッチの水溶液は、淡水で更に希釈し、前記イオン交換吸着塔に通水する、吸着除去装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸着除去装置において、
前記被処理水溶液は、２価の金属イオンであるカルシウムイオン又はマグネシウムイオンを含む、吸着除去装置。
【請求項６】
２価の金属イオンであるストロンチウムイオン及び１価の金属イオンを含む被処理水溶液からストロンチウムを除去する方法であって、
前記被処理水溶液から淡水にイオン交換膜を介して電気的な推進力により前記１価の金属イオンを移動することにより１価イオンリッチの水溶液と２価イオンリッチの水溶液とに分離する電気透析工程と、
吸着材を有するイオン交換吸着塔に、前記１価イオンリッチの水溶液と前記２価イオンリッチの水溶液とを、この順で通水する吸着工程と、を含む、吸着除去方法。
【請求項７】
請求項６記載の吸着除去方法において、
前記１価の金属イオンの主成分は、ナトリウムイオンであり、
前記イオン交換吸着塔の前記吸着材には、ナトリウムイオンが添加されている、吸着除去方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の吸着除去方法において、
前記イオン交換吸着塔を通過した処理水から淡水を回収し、その淡水を前記電気透析工程に用いる、吸着除去方法。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか一項に記載の吸着除去方法において、
前記電気透析工程で得られた前記１価イオンリッチの水溶液を淡水で更に希釈し、前記イオン交換吸着塔に通水する、吸着除去方法。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか一項に記載の吸着除去方法において、
前記被処理水溶液は、２価の金属イオンであるカルシウムイオン又はマグネシウムイオンを含む、吸着除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性核種の吸着除去装置及び吸着除去方法に関し、特に、放射性ストロンチウムを吸着除去するのに好適な装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力施設において発生する放射性核種を含む放射性廃液には、放射性ストロンチウムと放射性セシウムの他に、非放射性ストロンチウム、ナトリウム、カルシウム及びマグネシウムが含まれる。
【０００３】
このような放射性廃液からストロンチウム及びセシウムを除去するための吸着材が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の吸着材は、結晶化シリコチタネート（ＣＳＴ）を水酸化ナトリウムに接触させることにより作製したものである。
【０００４】
また、放射性廃液は、通常、ストロンチウムに比べて高い濃度でカルシウム及びマグネシウムを含み、これらが吸着サイトを消費する。
【０００５】
特許文献２には、前段でカルシウム及びマグネシウムを除去し、後段でストロンチウムを除去する二段構成の吸着除去装置が開示されている。
【０００６】
非特許文献１には、塩化ナトリウム濃度が増加するとイオン交換のストロンチウム等の分配係数が減少すること、及び、２価イオンであるストロンチウムの分配係数がナトリウム濃度の２乗に逆比例して増加することが記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、海水から、マグネシウムやカルシウムなどのミネラル成分濃度が充分に高く、ナトリウム濃度が充分に低減されたミネラル液を得る技術の例として、選択透過性のイオン交換膜を用いた電気透析装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−１２２８０６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４５６８７号公報
【特許文献３】特開２００６−１４２２６５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Teresia Moller et al.: "Ion exchange of 85Sr, 134Cs and 57Co in sodium titanosilicate and the effect of crystallinity on selectivity", Separation and Purification Technology 28 (2002) 13-23
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献２の二段構成の装置では、前段で吸着除去される２価のカルシウムイオン及びマグネシウムイオンを除去する際、同じく２価のストロンチウムイオンが吸着される。このため、主としてストロンチウムを除去する後段の吸着材だけでなく、前段の吸着材も放射性廃棄物となる。さらに、１価のナトリウムイオンの濃度が増加すると、２価イオンの吸着量を著しく減少させる（非特許文献１）。これは前段の大規模化を招く。
【００１１】
本発明の目的は、放射性廃棄物を増やさないように、放射性同位元素を含むストロンチウムを吸着除去するとともに、非放射性であるカルシウム、マグネシウム及びナトリウムを排出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の吸着除去装置は、２価の金属イオンであるストロンチウムイオン及び１価の金属イオンを含む被処理水溶液からストロンチウムを除去する装置であって、被処理水溶液から淡水にイオン交換膜を介して電気的な推進力により１価の金属イオンを移動することにより１価イオンリッチの水溶液と２価イオンリッチの水溶液とに分離する電気透析部と、吸着材を有するイオン交換吸着塔と、を備え、１価イオンリッチの水溶液と２価イオンリッチの水溶液とを、この順でイオン交換吸着塔に通水する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ナトリウムリッチと２価イオンリッチとに分離した上で吸着処理をすることができ、吸着性能を向上し、吸着材の消費を抑制することができる。また、非放射性元素であるカルシウム、マグネシウム及びナトリウムを処理水として放出することができるため、廃棄物の量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の吸着除去装置を示す模式構成図である。
【図２】本発明の吸着除去装置を示す模式構成図である。
【図３】本発明の吸着除去装置を示す模式構成図である。
【図４】本発明の吸着除去方法の主要な工程を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書においては、金属イオンについて、金属元素の名称のみを記載し、「イオン」を付けないで表記する場合がある。すなわち、水溶液中の金属イオンに関する説明、水溶液の濃度について説明する場合等においては、金属元素の名称（元素記号の場合もある。）のみを記載した場合であっても金属イオンの説明である場合がある。
【００１６】
以下、本発明を着想するに至った考え方について説明する。
【００１７】
ナトリウム等の１価の陽イオンは、ストロンチウム、カルシウム、マグネシウム等の２価の陽イオンの吸着除去を阻害する。このため、あらかじめ電気透析によりナトリウム等の１価の陽イオンを除去して、ストロンチウムの除去を確実にすることが望ましい。
【００１８】
ストロンチウムは、カルシウム及びマグネシウムよりも吸着材に吸着されやすい性質を有する。このため、被処理水溶液を吸着塔に通過させると、放射性元素であるストロンチウムが吸着除去され、非放射性元素であるカルシウム、マグネシウム及びナトリウムが処理水として放出される。よって、処理水は、廃棄物とならない。
【００１９】
また、電気透析により得られたナトリウム等の１価の陽イオンを含む水溶液は、微量のストロンチウム等の２価イオンを含むが、十分に容量を有する吸着塔を用いれば、吸着塔の上流側でストロンチウム等を吸着除去することができる。この吸着塔は、十分な容量を有するため、ナトリウム等の１価の陽イオンを含む水溶液を流した後、ストロンチウム等の２価イオンの比率が高い水溶液を流してもストロンチウム等の放射性核種を除去することができる。言い換えると、特許文献２に記載されている機能の異なる前段及び後段の吸着塔を用いなくても、ストロンチウム等の放射性核種を十分に除去することができる。
【００２０】
さらに、次に示す非特許文献１に記載されている原理を考慮し、ナトリウム水溶液を選択的に希釈することが有効である。
【００２１】
非特許文献１に示されているように、２価イオンであるストロンチウムの分配係数は、ナトリウム濃度の２乗に逆比例し、２価イオン濃度の１乗に逆比例する。希釈することにより、ナトリウムだけでなく、ストロンチウムの濃度が減少するが、ストロンチウムの分配係数が濃度の２乗で逆比例し、増加するため、吸着量が増える。２価イオンの場合、分配係数が濃度の１乗に逆比例するため、希釈してもストロンチウムの吸着量は変わらない。
【００２２】
希釈効果を向上するためには、ナトリウムと２価イオンとを分離し、ナトリウム水溶液を選択的に希釈することが有効である。
【００２３】
ナトリウム水溶液の希釈には、排水の一部から逆浸透膜を用いて得られる淡水を用いれば、排水の増加にはつながらない。
【００２４】
本発明においては、吸着塔の前段にイオン価数選択型の電気透析装置を置き、１価のナトリウムを淡水に透析し、ナトリウムリッチの水溶液を生成する。残されるのは、ナトリウム濃度が減少した２価イオンリッチの水溶液である。透析される２価イオンは、微量であるため、２価イオンの濃度はほぼ保たれる。操作結果として、微量の２価イオンを含むナトリウムリッチの水溶液と２価イオン濃度がほぼ保たれた２価イオンリッチの水溶液に分離し、それぞれを個別に吸着処理する。
【００２５】
特に、特許文献１に開示されたナトリウムを添加した吸着材を用いる場合、ナトリウムリッチの水溶液を先に処理した後で、２価イオンリッチの水溶液を処理することが望ましい。ナトリウムリッチの希釈水を処理してもナトリウムを添加した吸着材の組成が概ね保たれており、吸着性能を保ち、２価イオンリッチを処理するためである。また、汚染水量を増やさないために、電気透析に用いる淡水を処理水から回収する。
【００２６】
ここで、ナトリウムリッチの水溶液とは、他の金属イオンに対するナトリウムイオンの比率が高い水溶液をいう。同様に、１価イオンリッチの水溶液とは、他の金属イオン（２価の金属イオン）に対する１価の金属イオンの比率が高い水溶液をいう。そして、２価イオンリッチの水溶液とは、他の金属イオン（１価の金属イオン）に対する２価の金属イオンの比率が高い水溶液をいう。
【００２７】
使用した吸着材は、再生せずに廃棄する。再生には、再生用の水を大量に消費し、その結果、排出される汚染水が増加するため、更なるコストが必要となる問題もあるからである。
【００２８】
なお、電気透析の条件は、特に限定されるものではなく、特許文献３に記載の技術等、公知の技術を用いることができる。
【００２９】
以下、実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の吸着除去装置を示す模式構成図である。
【００３１】
本図において、１は原水タンク、２は電気透析部、３、４はそれぞれ分離液タンク、５は吸着塔モジュール、６は逆浸透膜、５３、５４は開閉バルブ、６０は排出管、６１は淡水管である。
【００３２】
電気透析部２には、陽イオンを通すカチオン膜（陽イオン交換膜。Ｃと略記する。）と、陰イオンを通すアニオン膜（陰イオン交換膜。Ａと略記する。）と、が交互に設けられ、両端に電位差が印加される。カチオン膜には、１価イオンの選択透過機能を有する膜を用いる。
【００３３】
電気透析部２には、原水タンク１からの原水（被処理水溶液）に加え、淡水管６１より淡水が供給され、１価のナトリウムイオンがカチオン膜を通過し、淡水に透析される。塩素イオンは、アニオン膜を通過し、淡水に透析され、電気的中性が保たれる。この結果、淡水はＮａイオンリッチの水溶液に、原水はナトリウムが減少した２価イオンリッチの水溶液に変化し、排出され、それぞれ分離液タンク３、４に蓄えられる。すなわち、分離液タンク３にはＮａイオンリッチの水溶液が貯留され、分離液タンク４には２価イオンリッチの水溶液が貯留される。
【００３４】
放射性ストロンチウムは２価イオンであるため、その多くは２価イオンリッチの水溶液に残るが、カチオン膜で選択しきれなかった一部がＮａイオンリッチの水溶液に移行する。なお、ここでＮａイオンとしたのは、ナトリウムが主成分の海水が混入することを想定したためであり、ナトリウムに代わって他の１価イオンが主成分であっても良い。
【００３５】
以上をまとめると、電気透析部２においては、被処理水溶液から淡水にイオン交換膜を介して電気的な推進力により１価の金属イオンを移動することにより１価イオンリッチの水溶液と２価イオンリッチの水溶液とに分離する。
【００３６】
吸着塔モジュール５においては、含まれる放射性ストロンチウムが微量であるＮａイオンリッチの水溶液を先に処理する。吸着材への放射性ストロンチウムの吸着量が僅かであるためである。ナトリウムリッチの水溶液を先に処理した後で、２価イオンリッチの水溶液を処理する。この場合、開閉バルブ５４を閉じた状態で開閉バルブ５３を開け、分離液タンク３から吸着塔モジュール５にＮａイオンリッチの水溶液を送る。つぎに、開閉バルブ５３を閉じ、開閉バルブ５４を開けて、分離液タンク４から吸着塔モジュール５に２価イオンリッチの水溶液を送る。
【００３７】
また、吸着塔モジュール５の吸着材として、特許文献１に開示されたナトリウムを添加した吸着材（結晶化シリコチタネート（ＣＳＴ）を水酸化ナトリウムに接触させることにより作製したもの）を用いる場合、ナトリウムリッチの水溶液を処理してもナトリウムを添加した吸着材の組成が概ね保たれており、初期の吸着性能が維持される。
【００３８】
吸着塔モジュール５から流出した水溶液は、逆浸透膜６に送られる。逆浸透膜６により処理された水溶液から回収された淡水は、淡水管６１により電気透析部２に送られ、再度、電気透析に用いられる。吸着塔モジュール５から流出した水溶液は、逆浸透膜６により処理されて濃縮されるため、保管対象の汚染水の量を低減することができる。
【００３９】
図４は、原水の処理における主要な工程を示すフロー図である。
【００４０】
本図においては、原水は、電気透析工程Ｓ１０１にて１価の金属イオンを分離し、吸着工程Ｓ１０２にて２価イオンリッチの水溶液からストロンチウム等を除去する。これにより、放射性廃棄物の量を低減することができる。
【００４１】
なお、本実施例においては、吸着材として結晶化シリコチタネート（ＣＳＴ）を水酸化ナトリウムに接触させることにより作製したものを用いたが、適用可能な吸着材は、これに限定されるものではなく、未処理の結晶化シリコチタネート（ＣＳＴ）でもよいし、イオン交換能を有する他の吸着材でもよい。
【実施例２】
【００４２】
図２は、本発明の吸着除去装置の構成図である。
【００４３】
本図において図１と異なる点は、淡水管６１が別系統となっている点である。
【００４４】
図２に示すように、本実施例においては、電気透析に用いる淡水、すなわち電気透析部２に導入される淡水は、外部から供給される。処理された汚染水の総量は増えるが、システムが簡素化されるという利点がある。
【実施例３】
【００４５】
図３は、本発明の吸着除去装置の構成図である。
【００４６】
本図においては、図２に示す系統に加え、もう１つの淡水管６１を設け、分離液タンク３に淡水を供給し、Ｎａイオンリッチの水溶液を更に希釈している。ストロンチウムの分配係数はナトリウム濃度の２乗に逆比例するため、ストロンチウムの吸着除去特性を向上する効果がある。導入する淡水は、実施例１のように処理水から回収しても良いし、実施例２のように別系統から導入しても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１：原水タンク、２：電気透析部、３：分離液タンク、４：分離液タンク、５：吸着塔モジュール、６：逆浸透膜、５３：開閉バルブ、５４：開閉バルブ、６０：排出管、６１：淡水管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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