(57)【要約】【課題】試料から電荷を帯びた化学種を除去する界面動電的システムを提供する。【解決手段】界面動電的システムは、陽極区画および陰極区画；それらの間を流体が流通するように接続する処理ゾーン（試料コンテナおよびチャンバーを含んでいる）；陽極区画と陰極区画との間に電圧勾配を加える手段；ならびに、ｐＨコントローラを有して成る。チャンバーは、陽極区画と試料コンテナとの間および陰極区画と試料コンテナとの間に配置されている。チャンバーには、汚染物質の電荷を帯びた成分の移動を妨害すると共に、電荷を帯びている化学種を通過させる多孔質マトリックス材料が含まれている。電圧勾配に起因して、試料中の電荷を帯びている化学種は移動する。処理ゾーンのｐＨ調節によって、多孔質マトリックス材料において汚染物質の蓄積が促進され、電荷を帯びている化学種の分離が促進される。【選択図】図３
2007326100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可溶性の塩およびコロイド粒子からなる群から選ばれる電荷を帯びているカチオンまたはアニオンの化学種を、それが重金属、放射性物質およびそれらの混合物からなる群から選ばれる少なくとも１種の汚染物質と混合されている液体または多孔質固体廃棄物の試料から取り除くための界面動電的システムであって、
陽極を有する陽極区画および陰極を有する陰極区画を含む複数の電極区画；
陽極区画と陰極区画との間を流体が流通するように接続する処理ゾーンであって、試料コンテナおよび少なくとも１つのチャンバーが含まれている処理ゾーン；
処理ゾーンにおいて試料を介する電流の流れを生じさせる陽極と陰極との間で電圧勾配を加える手段；ならびに
ｐＨをモニタするモニタ手段およびｐＨ調節手段を有して成るｐＨコントローラ
を有して成り、
汚染物質はアニオン成分、カチオン成分およびこれらの混合物から成る群から選ばれる少なくとも１種の電荷を帯びた成分を含んで成り、
少なくとも１つのチャンバーは、電極区画の少なくとも１つと試料コンテナとの間に配置され、その少なくとも１つのチャンバーには、汚染物質の少なくとも１種の電荷を帯びた成分の移動を妨害すると共に、電荷を帯びている化学種を通過させる多孔質マトリックス材料が含まれており、
電圧勾配は、その電流の影響下において、試料中に存在する電荷を帯びているカチオンの化学種の陰極区画への移動及び試料中に存在する電荷を帯びているアニオンの化学種の陽極への移動を生じさせるようになっており、また
該ｐＨ調節手段は、モニタ手段に応じて処理ゾーンのｐＨを調節し、処理ゾーンに設けられている多孔質マトリックス材料において少なくとも１種の汚染物質の蓄積を促進させ、処理ゾーンからの電荷を帯びている化学種の分離を促進する、
システム。
【請求項２】
少なくとも１つのチャンバーと陽極区画および陰極区画の少なくとも１つとの間に配置される少なくとも１つの多孔質セパレータを更に有する請求の範囲１記載のシステム。
【請求項３】
陽極区画及び陰極区画の少なくとも１つが、電解溶液を導入又は排出するようになっている口を更に有する請求の範囲１記載のシステム。
【請求項４】
電解溶液の流れをモニタするようになっている口に取り付けられた少なくとも１つの流れ用モニタを更に有して成る請求の範囲３記載のシステム。
【請求項５】
処理ゾーン内における試料の中の電流の流れをモニタするために少なくとも１つの補助電極を処理ゾーン内に更に有する請求の範囲１記載のシステム。
【請求項６】
陽極区画及び陰極区画の少なくとも１つが気体排出口を更に有する請求の範囲１記載のシステム。
【請求項７】
少なくとも１つのチャンバーが陽極に隣接して配置され、多孔質マトリックス材料は、汚染物質のアニオン成分の移動を妨害し、カオリナイト及びアンディソル・クレーからなる群から選ばれる請求の範囲１記載のシステム。
【請求項８】
陽極区画及び陰極区画の少なくとも１つが、ｐＨのモニタ及び調節を行うｐＨコントローラを更に有する請求の範囲１記載のシステム。
【請求項９】
少なくとも１つのチャンバーが陰極に隣接して配置され、多孔質マトリックス材料は、汚染物質のカチオン成分の移動を妨害し、カオリナイト及びモンモリロナイトからなる群から選ばれる請求の範囲１記載のシステム。
【請求項１０】
可溶性の塩およびコロイド粒子からなる群から選ばれる電荷を帯びているカチオンまたはアニオンの化学種を、それが重金属、放射性物質およびそれらの混合物からなる群から選ばれる少なくとも１種の汚染物質と混合されている試料から取り除くための方法であって、
請求の範囲１記載の界面動電的システムを供する工程；
界面動電的システムの処理ゾーン内に試料を入れる工程；
陽極と陰極との間に電圧勾配を形成することによって試料の中に電流を流れさせ、その電流の影響下において、試料中に存在する電荷を帯びているカチオンの化学種の陰極区画への移動及び試料中に存在する電荷を帯びているアニオンの化学種の陽極区画への移動を生じさせる工程；並びに
処理ゾーン内のｐＨをモニタ及び調節し、処理ゾーンに設けられている多孔質マトリックス材料において少なくとも１種の汚染物質の蓄積を促進させ、試料からの電荷を帯びている化学種の分離を促進する工程
を含んで成る方法。
【請求項１１】
界面動電的システムの陽極区画及び陰極区画の少なくとも１つに電解溶液を入れる工程を更に含む請求の範囲１０記載の方法。
【請求項１２】
試料がセシウムを含んでなる請求の範囲１０記載の方法。
【請求項１３】
試料を処理ゾーン内に入れる前に、セシウムに結合する物質により試料を予備処理する工程を更に含む請求の範囲１２記載の方法。
【請求項１４】
試料の予備処理工程が、試料をモンモリロナイトに接触させることを含む請求の範囲１３記載の方法。
【請求項１５】
電荷を帯びている化学種を除去した試料をガラス状化する工程を更に含む請求の範囲１０記載の方法。
【請求項１６】
カチオン及びアニオンからなる群から選ばれる電荷を帯びている化学種を、それが少なくとも１種の汚染物質と混合されている試料から取り除くための界面動電的システムであって、
陽極を有する陽極区画；
陰極を有する陰極区画；
陽極区画と陰極区画との間を流体が流通するように接続する処理ゾーンであって、試料コンテナ、第１のチャンバーおよび第２のチャンバーが含まれている処理ゾーン；
処理ゾーンにおいて試料を介する電流の流れを生じさせる陽極と陰極との間で電圧勾配を加える手段；ならびに
ｐＨをモニタするモニタ手段およびｐＨ調節手段を有して成るｐＨコントローラ
を有して成り、
汚染物質は、アニオン成分、カチオン成分およびこれらの混合物から成る群から選ばれる少なくとも１種の電荷を帯びた成分を含んで成り、
第１のチャンバーが、試料コンテナと陽極区画との間に配置されており、汚染物質のアニオン成分の移動を妨害すると共に、電荷を帯びている化学種を通過させる多孔質マトリックス材料を含むようになっており、また、第２のチャンバーが、試料コンテナと陰極区画との間に配置されており、汚染物質のカチオン成分の移動を妨害すると共に、電荷を帯びている化学種を通過させる多孔質マトリックス材料を含むようになっており、
電圧勾配は、その電流の影響下において、試料中に存在するカチオンの陰極区画への移動及び試料中に存在するアニオンの陽極への移動を生じさせるようになっており、また
該ｐＨ調節手段は、モニタ手段に応じて処理ゾーンのｐＨを調節し、処理ゾーンに設けられている多孔質マトリックス材料において少なくとも１種の汚染物質の蓄積を促進させ、処理ゾーンからの電荷を帯びている化学種の分離を促進する、
システム。
【請求項１７】
第１のチャンバーと試料コンテナとを隔てる第１の多孔質セパレータおよび第２のチャンバーと試料コンテナとを隔てる第２の多孔質セパレータを更に含む請求の範囲１６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば核燃料の再処理からの汚染された液体又は多孔質固体廃棄物質から電荷を帯びた化学種を除去するためのシステム及び方法に関する。特に、本発明は、汚染された廃棄物、スラッジ、土壌等から可溶性の塩を電気化学的／界面動電的に除去し、それらの中に存在する汚染物質、例えば放射性核種のガラス状化による固定を容易ならしめるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
界面動電的方法（界面動電現象を利用する方法）は、土壌及び工業的スラッジの汚染物質除去に有用であることが見出されている。一般に、陽極と陰極との間に電圧勾配をかけて電流を生じさせる。電流は、水、イオン及び電荷を帯びた粒子等に陽極又は陰極への移動を生じさせる。水は、電気浸透として知られるプロセスによって、表面が負電荷を帯びている粒状物質を含む土壌の中を陽極から陰極へ流れる。このプロセスは、土壌が正電荷を帯びている粒状物質を主として含む場合には、逆方向になると考えられる。水の流れは、水に溶解又は懸濁されている粒状物質を移送する。更に、アニオン又は負電荷を帯びている化学種は陽極へ向かって移動し、一方、カチオン又は正電荷を帯びている化学種は陰極へ向かって移動する。更に、正又は負の電荷を帯びているコロイド粒子もそれぞれ、電流によって陰極及び陽極へ向かっての移動が引き起こされる。結果として、正及び負の電荷を帯びている化学種は陰極及び陽極の付近に濃縮され、その後に除去することができる。
【０００３】
界面動電現象は、土地の水含量を減らし、従って、高水含量の地域の土壌を緻密化し、また、土壌から望ましくない塩の除去を促進することによって土地の改質及び再生に用いられている。ある種の土壌には過剰な量の塩水又はアルカリ塩が含まれており、それらの塩はその土壌の農業的な有用性を実質的に低下させ得るということはよく知られている。一般的には、排水溝の底に陰極を設置する。一般に溝に対して平行に線状で一連の陽極を土壌中に打ち込む。電流を流すと、排水溝の中の水の量及び塩分が増大することが観察される。或いは、土壌からの浸出による汚染物質の除去を促進するために、界面動電的方法を用いることもできる。浸出流体、例えば水を陽極へ供給するために、多孔質電極を用いることもできる。電流によって、流体の陰極へ向かう流れが引き起こされる。汚染物質は、流体の流れによって陰極の近くに集められ、陰極の細孔を通してのポンプ作用によって除去される。
【０００４】
更に、界面動電的方法は、工業的スラッジの沈降速度、濾過性、及び脱水を向上させるために使用されてきている。スラッジの直接的な脱水は、孔のあいた一対の電極の間でスラッジの中に電流を通じることによって行う。水は電気浸透によって陰極へ向かって流れ、孔のあいた陰極を通る際に集められる。更に、電気泳動の結果としてイオン性粒状物質は陽極の近くに蓄積され、孔のあいた陽極を通過する際に集められる。
しかしながら、電気化学的／界面動電的プロセスは、従来においては核燃料の再処理の液体タンクのケーキ状廃棄物の処理には用いられていなかった。これらの廃棄物は、一般に高い塩含量を有し、プルトニウム、セシウム及びアクチノイド等のように長い半減期を有する核分裂生成物により汚染されている。これらの廃棄生成物は、環境を汚染する可能性を最小にするために、処分する前に、安定で適切な廃棄物形態に変えることが好ましい。
【０００５】
そのような廃棄物形態の１つは、固体の放射性廃棄物質を陰極に結合させる場合に、廃棄物質の存在下で銅等の耐腐食性金属を陰極に電着させることによって形成される。金属が陰極上に電着される際に、廃棄物質は、金属のマトリックスに組み込まれる。この技術には、廃棄物が適切な形態、例えば、酸化物、オキシヒドロキシド又はヒドロキシド粒状物質を含む放射性核種であることが必要とされる。廃棄物は、電着に用いる電解溶液に本質的に不溶性であることが必要とされ、陰極に接触できることも必要とされる。このことは、廃棄物を適当な寸法及び形状、例えばペレットに成形することによって、又は廃棄物を導電性物質により被覆若しくは導電性物質と混合することによって行われることが多い。
【０００６】
そのような適切な廃棄物のもう１つの形態は、非浸出性のガラス状化生成物、例えばガラス又はセラミックである。廃棄物をガラス状化する技術は一般的に知られており、汚染された土壌をガラス状化する方法の例が、特許文献１及び非特許文献１に記載されている（両文献の内容全体は、参照することによって本出願の明細書に含まれる）。しかしながら、ガラス状生成物中で安定化させることができる塩の量に限界があるという問題点が生じている。これは、多くの放射性廃棄物、例えば核燃料再処理によって生成する廃棄物等は許容され得ない程の高い塩含量を有するので、解決困難な問題点である。従って、廃棄物をガラス状化する前に、核分裂生成物を廃棄物の中に保持させつつ、廃棄物から塩を除去する必要がある。
【０００７】
従って、汚染された液体及び多孔質固体から電荷を帯びているもの、例えば化学種を除去し得るシステム及び方法が強く望まれている。特に、そのようなシステム及び方法には、放射性核種が混ざっている工業的スラッジ、汚染された土壌及び核廃棄物等から種々の塩を除去するのに適用できることが必要とされる。そのようなシステム及び方法には、固定化された形態に転化するスラッジ、土壌又は廃棄物等の中に放射性核種を保持しつつ、塩を選択的に除去することができることが必要とされる。更に、そのようなシステム及び方法は、効率的及び経済的であり、広範な廃棄物質について適用し得ることが必要とされる。
【特許文献１】米国特許出願第08/266,209（Wittle等）の出願書類
【非特許文献１】Department of Energy Report（PNL-8525,1993年6月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、汚染された液体及び多孔質固体から電荷を帯びたもの、例えば化学種を除去するシステム及び方法を提供することである。本発明は、放射性核種及び／又は重金属カチオンにより汚染された試料、例えば工業的スラッジ、土壌及び核廃棄物等から塩を除去するために特に適用される。本発明は、スラッジ、土壌又は廃棄物等の中に放射性核種及び／又は重金属を保持しつつ、塩を選択的に除去するシステム及び方法を提供する。更に、本発明のシステム及び方法は、広範な廃棄物質の処理に効率的及び経済的な手段となり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のシステムは、陽極を有する陽極区画、陰極を有する陰極区画、及び陽極区画と陰極区画との間を流体が流通するように接続し、処理に付する廃棄物質を入れる処理ゾーンを有してなる。陽極区画、陰極区画及び処理ゾーンは、陽極と陰極との間に電圧勾配が形成されると、処理ゾーン内の試料の中を電流が流れるように配される。この電流は、水、イオン及び電荷を帯びた粒状物質等に、粒状物質が帯びている正又は負の電荷に応じて、試料の中を通過して陽極区画又は陰極区画へ向かって移動を生じさせる。
【００１０】
試料中に放射性核種及び／又は重金属を保持しつつ、試料から塩を選択的に分離することは、試料のｐＨを調節することによって、放射性核種及び／又は重金属に対して親和性を有するマトリックス材料を利用することによって、又はその両者によって行う。
【００１１】
本発明のシステムは、試料のｐＨを測定し、調節するｐＨコントローラを含み得る。多くの放射性核種及び重金属は所定のｐＨレベル以下で沈殿するということが知られているので、ｐＨコントローラを用いて試料のｐＨをそのレベル以下に保ち、従って、放射性核種及び重金属を試料中で沈殿させて陽極区画又は陰極区画へ到達させないようにすることができる。
【００１２】
別法として又は更に追加して、本発明のシステムは、廃棄物質中に存在するアニオンに対して親和性を有し、陽極区画と処理ゾーンとの間に位置するマトリックス材料を有し得る。このマトリックス材料には、放射性核種及び重金属を含むアニオン化学種の移動を妨害しつつ、塩のアニオンを選択的に通過させるものを選ぶ。従って、放射性核種及び重金属は、陽極へ向かう移動が防止され、マトリックス材料の中に効率的に捕捉される。
【００１３】
同様に、本発明のシステムは、陰極区画と処理ゾーンとの間に位置するカチオンに対して親和性を有するマトリックス材料を有し得る。このマトリックス材料には、放射性核種及び重金属を含むカチオン化学種の移動を妨害しつつ、塩のカチオンを選択的に通過させるものを選ぶ。従って、廃棄物質から除去することが求められるカチオン化学種が陰極へ向かって移動する際に、放射性核種及び重金属はマトリックス材料中に捕捉される。
【００１４】
本発明の方法は、処理すべき廃棄物の試料を装置の処理ゾーン内に供給する、本発明の電気化学的／界面動電的装置を提供することも含む。その後、装置の陽極と陰極との間に電圧勾配が形成される。電圧勾配は、陰極から陽極へ試料の中を通る電流の流れを生じさせる。電流は、水及び電荷を帯びた化学種に、主たる表面電荷および化学種が帯びている正又は負の電荷に応じて、陽極又は陰極へ向かって移動させる。水及び電荷を帯びた化学種が移動することによって、電荷を帯びた化学種を装置の特定の領域に濃縮させ、そこで、電荷を帯びた化学種を分離できる。
【００１５】
本発明の方法の１つの態様例では、試料のｐＨを調節することによって、試料中に含まれている塩を、試料中に存在する放射性核種及び重金属から選択的に分離する。ｐＨを調節することによって、放射性核種及び重金属を含有する化学種を試料内で沈殿させることができる。
【００１６】
本発明の方法の別の態様例では、電気化学的／界面動電的装置の試料と陽極区画との間に、アニオンに対して親和性を有するマトリックス材料を導入することによって、試料中に含まれるアニオンから塩を選択的に分離する。同様に、電気化学的／界面動電的装置の試料と陰極区画との間に、カチオンに対して親和性を有するマトリックス材料を導入することによって、試料中に含まれるカチオンから塩を選択的に分離することができる。本発明の方法の更に別の態様では、電荷を帯びている化学種を除去した試料をガラス状化する工程を更に含んで成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
上述の概要並びに以下に詳細に説明する本発明の好ましい態様例は、添付図面を参照しながら読むことによって、より明確に理解することができる。
【００１８】
本発明は、汚染された廃棄物から可溶性の塩、例えばナトリウム、カリウム及び／若しくはアンモニウム塩、並びに塩化物及び／若しくは硝酸塩を除去するための電気化学的／界面動電的システムに関する。このシステムの参考例となる態様を図１に示す。図１に示すように、システム１０は、陽極１２を有する陽極区画１１及び陰極１６を有する陰極区画１５を有してなる。処理すべき廃棄物質のための試料コンテナ９を含んだ処理ゾーン１９は、陽極区画１１と陰極区画１５との間に流体が流通するように配されている。図１に示す態様例において、処理ゾーン１９は、円筒状のチューブ、例えばガラス製チューブでできている。処理ゾーン１９は、テフロンアダプター２３（「テフロン」：登録商標）によって陽極区画１１及び陰極区画１５に取り付けられる。尤も、処理ゾーン１９は、その代わりとして、例えば汚染現場にて見受けられるような、現場の土壌を含んで成ってもよい。陽極区画１１、陰極区画１５及び処理ゾーン１９の少なくとも１つは、酸性度及び塩基性度の測定及び調節を行うためのｐＨコントローラ（図示せず）を更に有して成る。
【００１９】
陽極１２及び陰極１６が処理ゾーン１９の断面積よりも大きな電極表面を有するようにして、電極１２及び１６における小さい電流密度で試料コンテナ９において比較的大きな電流密度が与えられるようにすることが好ましい。例えば、２２.６ｃｍ（８.９インチ）の表面領域を有する電極アッセンブリは、導電性接着剤により一体に結合させたグラファイト棒又は適当なステンレス鋼合金で構成することができる。
【００２０】
図２に示すように、陽極１２及び陰極１６は、可変直流電流（ＤＣ）の電源３０の端子３１に電気的に接続されている。電源３０は、陽極１２と陰極１６との間に電圧勾配(voltage gradient)を形成するために用いられる。
【００２１】
処理ゾーン１９は、場合によって、試料９中を流れる電流をモニタするために、少なくとも１つの補助電極３３を有してよい。この補助電極３３は処理ゾーン１９内に延び、試料９が処理ゾーン１９内に入っている時、電極３３は試料と接触するようになっている。
【００２２】
処理ゾーン１９と、陽極区画１１及び陰極区画１５のそれぞれとの間に多孔質セパレータ３６ａ及び３６ｂを配置して、試料９が陽極区画１１及び陰極区画１５に侵入することを防止することが好ましい。多孔質セパレータ３６は、本質的にいずれの多孔質物質から形成してもよい。しかしながら、多孔質セパレータ３６は、アルミナフリット又はカーボランダム石のいずれかから成ることが好ましい。
【００２３】
陽極区画１１及び陰極区画１５は、電気分解によって陽極１２及び陰極１６のところで発生する気体を排出するための気体排出口４０ａ及び４０ｂを有して成ってよい。
【００２４】
更に、陽極区画１１及び陰極区画１５には、陽極区画１１及び陰極区画１５に対して電解溶液を出し入れするための供給口４３ａ及び４３ｂを設けることもできる。本質的にいずれの電解溶液を使用してもよいが、水が好ましい。陽極及び陰極の供給口４３ａ及び４３ｂはいずれも、図２に示すように、電解質供給用のサブシステム４６に接続されている。サブシステム４６は、陽極の供給口４３ａに取り付けられる第１の溶液貯蔵部４７、例えばビュレット、及び陰極の供給口４３ｂに取り付けられる第２の溶液貯蔵部４９を有してなることが好ましい。溶液貯蔵部４７及び４９は、常套のチューブ５０、例えばテフロンチューブを用いて、供給口４３ａ及び４３ｂへ取り付けることができる。供給口４３ａ及び４３ｂをドレーン５２へ接続して、陽極区画１１及び陰極区画１５から溶液を排出させることもできる。場合によって、１又はそれ以上のポンプ５４を設けて、陽極区画１１及び陰極区画１５に対する溶液の供給又は排出を促進することもできる。更に、供給口４３ａ及び４３ｂに少なくとも１つの流れ測定装置（図示せず）を取り付けて、電解溶液の流れをモニタすることもできる。
【００２５】
図３に本発明の実施例を示す。陽極区画１１’及び陰極区画１５’は本質的に、図１についての上記の説明と同じである。第１のチャンバー（または区画）２０が陽極区画１１’の隣に設けられており、第２のチャンバー２１が陰極区画１５’の隣に設けられている。第１のチャンバー２０と第２のチャンバー２１との間には、処理すべき廃棄物質が含まれる試料コンテナ９が設けられている。図３に示す態様において、試料コンテナ９は円筒状のチューブを有してなり、チャンバー２０及び２１と共に試料ゾーン１９’を規定している。試料コンテナ９は第１のチャンバー２０及び第２のチャンバー２１へテフロンアダプター２３’によって取り付けられている。試料コンテナ９へ試料を導入するために、場合によって供給口５６を設けることもある。別法として、試料コンテナ９の中へ未処理の試料を連続的に流入させる入口（図示せず）及び試料コンテナ９から処理した試料を連続的に流出させる出口（図示せず）を試料コンテナ９に設けることもできる。尤も、試料コンテナ９には、その代わりとして、上述のような現場の土壌を含ませることもできる。  
【００２６】
第１のチャンバー２０は、アニオンに対して親和性を有する多孔質マトリックス５９を有するように設けられている。第１のチャンバー２０は、アルミナフリット又はカーボランダム石等の多孔質セパレータ３６’によって、陽極区画１１’及び試料コンテナ９から隔てられることが好ましい。図３に示すように、第１のチャンバー２０はテフロンアダプター２３’によって陽極区画１１’に接続されている。第１のチャンバー２０には、場合によって、多孔質マトリックス５９に接触するように第１のチャンバー２０の中に延びる補助電極３３’が少なくとも１つ設けられる。補助電極３３’は、多孔質マトリックス５９の中を流れる電流を測定するために用いられる。
【００２７】
第２のチャンバー２１は、カチオンに対して親和性を有する多孔質マトリックス６０を有するように設けられている。第２のチャンバー２１は、アルミナフリット又はカーボランダム石等の多孔質セパレータ３６’によって、陰極区画１５’及び試料コンテナ９から隔てられることが好ましい。図３に示すように、第２のチャンバー２１はテフロンアダプター２３’によって陰極区画１５’に接続されている。第２のチャンバー２１には、場合によって、多孔質マトリックス６０に接触するように第２のチャンバー２１の中に延びる補助電極３３’が少なくとも１つ設けられる。補助電極３３’は、多孔質マトリックス６０の中を流れる電流を測定するために用いられる。
【００２８】
本発明は、汚染された液体又は多孔質固体の廃棄物の試料から、電荷を帯びた化学種を除去する方法にも関するものである。本明細書において用いる「汚染物」という用語は、国や地方公共団体レベルの規制機関によって設定された濃度や放射線レベルを越えるような重金属及び放射性物質を意味する。代表的な例には、鉛、セシウム（１３７）、ストロンチウム（９０）及びウランがあり、各元素自体又はそれらを成分に含む物質を含む。本発明の方法は、放射性核種及び／又は重金属汚染廃棄物質を、固定化するのが一層容易である形態に転化させるのに特に効果的である。
【００２９】
本発明の方法を実施する際に、汚染された廃棄物質の試料は、上述した電気化学的／界面動電的装置の試料コンテナ９に仕込まれる。試料コンテナ９に仕込む前に、試料を圧縮または団結(consolidate)させることが好ましい。図４に示すように、圧縮化装置７０は、廃棄物質の試料を保持するためのチャンバー７１、及びチャンバー７１の頂部及び底部に位置するカーボランダム多孔質石７２ａ及び７２ｂを有してなる。空気圧によって制御される空気圧式ピストン７３によって、試料８の頂部から圧力が加えられ、それによって試料８は結合され、密度が増大する。チャンバー７１の上方及び下方に配されるチューブ７４ａ、７４ｂ及び７４ｃによって、試料８から過剰の流体が排出される。圧縮化の後で、試料８は電気化学的／界面動電的システム１０の中に入れられる。通常の操作において、試料８の結合化はＡＳＴＭを参照した方法（Ｄ２４３５）を用いて行われる。別法では、未処理の試料８を入口（図示せず）を通して試料コンテナ９の中へ連続的に流入させ、処理した試料８を出口（図示せず）を通して試料コンテナ９から連続的に流出させる。
【００３０】
陰極から陽極へ試料を介して電流を流すことができる塩橋を形成するように、試料が電解溶液で十分に満たされている（または浸されている）場合、陽極と陰極との間に電圧勾配が印加され、それによって試料の中で電流の流れが生じる。
【００３１】
しかしながら、試料が電解溶液で十分に満たされていない場合、陽極区画及び陰極区画の少なくとも一方に電解溶液が導入される。処理ゾーンは、陽極区画及び陰極区画に対して流体が流通するように接続されているので、電解溶液は試料を浸し、それによって、陰極から試料を通って陽極へ電流が流れ得る塩橋が形成される。それから陽極と陰極との間に電圧勾配が付与され、それにより電流が試料中を流れる。
【００３２】
電流は、水及び荷電粒状物質に、電気化学的／界面動電的プロセスにより、陽極又は陰極へ向かって移動を生じさせる。電解溶液は、表面に負電荷を帯びている粒状物質を含む土壌の中で電気浸透として知られているプロセスによって陽極から陰極へ流れる。土壌が主として正電荷を帯びている粒状物質を含む場合には、このプロセスは逆向きになると考えられる。電解溶液の流れは、電解溶液に溶解している又は懸濁されている粒状物質を移動させる。更に、アニオン又は負電荷を帯びているイオンは陽極に向かって移動し、一方、カチオン又は正電荷を帯びているイオンは陰極に向かって移動する。更に、電荷を帯びているコロイド状粒状物質は、電流によって陽極又は陰極のいずれかに向かって流される。結果として、アニオン及びカチオンを、試料から取り除いて、それぞれ陽極及び陰極の近くに濃縮できる。
【００３３】
印加される電圧勾配のために、陽極区画及び陰極区画の水は、電気分解して分解する。陽極では酸素ガス及び水素イオンが生成し、一方、陰極では水素ガス及び水酸化物イオンが生成する。陽極及び陰極においてガスが生成するため、陽極及び陰極の各々には、陽極区画及び陰極区画からガスを逃がすための気体排出口が設けられていることが好ましい。更に、電極反応のために、電極は試料から隔離されることが好ましい。
【００３４】
陽極において水素イオンが生成する結果、陽極区画内の電解溶液は酸性になる。水素イオンは正電荷に帯電しているので、水素イオンは陰極に引きつけられる。従って、水素イオンは、処理ゾーン内の試料の中を通って移動し、酸性先端部（acid front）を形成する。この酸性先端部は、水素イオンが試料表面の金属イオンに取って代わり、従って、電気化学的／界面動電的プロセスによる除去に金属イオンを用いられやすいようにするので、試料の汚染物質除去に有利であり得る。同様に、陰極において生成する負電荷を帯びた水酸化物イオンは、陽極に向かって移動する。ある状況では、ある種の金属、例えば鉛は水酸化物イオンに接触すると沈殿を生じ得るので、水酸化物イオンは汚染物質除去方法を妨げることになる。幸運なことに、試料の中を通る水素イオンのイオン速度は、一般に固体の中を通る水酸化物イオンの速度よりも速い。従って、試料はたいてい酸性になる。処理ゾーン、陽極区画及び陰極区画内のｐＨをモニタして調節するために、１又はそれ以上のｐＨコントローラを使用することができ、最適の汚染物質除去条件を確立できる。ｐＨの調節は、手動で行うこともできるし、ｐＨメータ及びポンプに接続されているコンピュータによって行うこともできる。
【００３５】
陽極における水素イオン及び陰極における水酸化物イオンの生成のもう１つの結果として、陽極において生成する酸及び陰極において生成する塩基を回収する可能性があることである。核燃料再処理廃棄物の場合には、燃料の再処理工程の中に酸及び塩基をリサイクルできる。
【００３６】
本発明の好ましい態様例によれば、電気化学的／界面動電的システム１０は図３に示すように提供される。第１のチャンバー２０には、アニオンに対して親和性を有するマトリックス材料５９が充填されている。マトリックス材料５９は、場合によって、使用前に、上記のようにして団結することができる。同様に、第２のチャンバー２１には、カチオンに対して親和性を有するマトリックス材料６０が充填されている。第２のチャンバー２１内のマトリックス材料６０も、場合によって、使用前に、上記のようにして団結することができる。試料コンテナ９内には、重金属又は放射性核種を含む試料が入れられる。それから、電気化学的／界面動電的システム１０が組み立てられる。
【００３７】
次に、陽極区画１１’及び陰極区画１５’に電解溶液、例えば水が注入される。これによって、陰極１６’から試料を通って陽極１２’へ電流が流れることができる塩橋が形成される。
【００３８】
陽極１２’と陰極１６’との間に電圧勾配が印加される。例えば、電極１２’と１６’との間に３０ボルトの定電圧をかけてよい。上述のように、電圧勾配は陽極１２’と陰極１６’との間に試料を通過して流れる電流を生じさせ、これによって上述のように、水及び荷電粒状物質は試料の中を通って流される。放射性核種、例えばウラン又は重金属カチオンは陰極１６’へ向かって誘導される。その過程で、重金属カチオン又は放射性核種は、第２のチャンバー２１内でカチオンに対して親和性を有するマトリックス材料６０に遭遇する。従って、重金属カチオン又は放射性核種の陰極１６’へ向かう移動が妨害され、マトリックス材料６０内に既に存在していたカチオンと交換され、それによって重金属カチオン又は放射性核種の陰極１６’への到達が防止される。
【００３９】
このプロセスは、第２のチャンバー２１内のマトリックス材料６０中のｐＨが十分に高いレベルに保たれる場合に、更に促進され得る。マトリックス材料６０に到達した重金属カチオン又は放射性核種は、次にマトリックス材料６０中に存在している水酸化物イオンと反応して沈殿を生じる。例えば、試料中にウランがウラニル塩として存在する場合、一連の水酸化物錯体が沈澱する。約６以下のｐＨでは、ＵＯ２(ＯＨ)２・Ｈ２Ｏが沈殿する。これ以上のｐＨでは、アニオン性の水酸化物種、例えばＵＯ２(ＯＨ)３−及びＵＯ２(ＯＨ)４＝が生成し、これらは陽極１２’へ向かって移動する。従って、陰極区画１５’内の電解溶液のｐＨが約６以上に保たれ、マトリックス材料６０のｐＨが約６以下に保たれる場合、ウランはマトリックス材料６０内に蓄積され、陰極区画１５’内に蓄積されることはない。マトリックス材料６０内のｐＨの調節は、手動でも、ｐＨメータ及びポンプに接続されているコンピュータによっても行うことができる。
【００４０】
試料内に存在する汚染物質が重金属カチオンのセシウムである場合、セシウムに対して高い親和性を有するクレーを用いて試料を予備処理することにより、塩からセシウムの一部が除去され得る。セシウムに対して高い親和性を有するクレーの例は、モンモリロナイトである。クレーはセシウムに対して高い親和性を有するので、セシウムはクレーに優先的に結合し、その場合、セシウムは洗浄によって容易に除去されない。処理からデカントされた液体は、その後、本発明に従って処理することができる。
【００４１】
マトリックス材料５９及び６０の選択は、問題点としている汚染物質をマトリックス材料５９及び６０の中に保持しつつ、イオン性塩化学種の最適な除去を達成するために重要である。マトリックス材料５９及び６０は、汚染物質の陽極区画１１’及び陰極区画１５’への移動を防止する一方で、マトリックス材料５９及び６０の中を通るイオン性塩化学種の移動を抑制しないようにすべきである。上述のような塩の除去を促進するために、ｐＨ及び酸化還元電位の修正による交換容量の調節を用いることができる。本発明を実施する上で、種々のクレー及びゼオライトをマトリックス材料５９及び６０として用いることができ有用である。例えば、モンモリロナイトクレー及びゼオライトはカオリナイトクレーよりも、カチオンに対して高い親和性を有している。同様に、アンディソル土壌クレー（Andisol soilクレー）は、アニオンの移動の抑制に有用である。更に、第２のチャンバー２１においてモンモリロナイトを使用して、セシウムを他の重金属及び放射性核種と共に捕捉することも可能である。
【００４２】
テクネチウム及びヨウ素等のアニオン性化学種を保持するために、アニオンに対して親和性を有するマトリックス材料５９について類似するアレンジメントを用いることができる。アニオン性化学種は陽極１２’へ向かって推進される。移動の間、アニオン性化学種は第１のチャンバー２０内で、アニオンに対して親和性を有するマトリックス材料５９に遭遇する。従って、アニオン性化学種の陽極１２’へ向かう移動が妨害され、マトリックス材料５９内に既に存在していたアニオンと交換され、それによってアニオン性化学種の陽極１２’への到達が防止される。
【００４３】
本発明のシステム及び方法は、一部飽和された（浸った）土壌、例えば通気帯（地表のすぐ下側の水）及び半乾燥地域において見出されるような土壌、並びに飽水帯及び地下水において見出されるような土壌における水及びイオン移動に適用することができる。本発明は、アニオン性並びにカチオン性土壌の処理に用いることができる。更に、本発明は、工業的スラッジ及び核廃棄物の処理にも適用することができる。
【００４４】
本発明の広範な概念から離れることなく、上述した態様例を変更し又は改良することができるということが当業者には理解されるであろう。従って、本発明は、本明細書に記載した特定の態様例に限定されるものではなく、請求の範囲に記載する発明の概念及び範囲内における変更及び改良を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本願発明の参考例となる、汚染された廃棄物を処理するための電気化学的／界面動電的システムの正面図である。
【図２】図２は、本願発明の参考例となる、電気的な連絡及び流体の連絡の状態を示す図１の電気化学的／界面動電的システムの模式図である。
【図３】図３は、本願発明の実施例を示す電気化学的／界面動電的システムの正面図である。
【図４】図４は、汚染された廃棄物の予備処理のための団結化（又は圧縮）装置の側面図である。
【符号の説明】
【００４６】
８…試料、９…試料コンテナ、１０…界面動電的システム、１１…陽極区画、１２…陽極、１５…陰極区画、１６…陰極、１９…処理ゾーン、２３…テフロンアダプター、３０…電源、３１…電源の端子、３３…補助電極、３６ａ…多孔質セパレータ、３６ｂ…多孔質セパレータ、４０ａ…気体排出口、４０ｂ…気体排出口、４３ａ,４３ｂ…電解溶液用の供給口、４６…電解質供給用のサブシステム、４７…第１の溶液貯蔵部、４９…第２の溶液貯蔵部、５０…チューブ、５２…ドレーン、５４…ポンプ、７０…圧縮化装置、７１…チャンバー、７２ａ…カーボランダム多孔質石、７２ｂ…カーボランダム多孔質石、７３…空気圧式ピストン、７４ａ, ７４ｂ, ７４ｃ…チューブ、１１’…陽極区画、１２’…陽極、１５’…陰極区画、１６’…陰極、１９’…処理ゾーン、２０…第１のチャンバー、２１…第２のチャンバー、２３’…テフロンアダプター、３３’…補助電極、３６’…多孔質セパレータ、４０’…気体排出口、４３ａ’,４３ｂ’…電解溶液用の供給口、５０…常套のチューブ、５６…供給口、５９…多孔質マトリックスおよび６０…多孔質マトリックス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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