(57)【要約】【課題】３室型電解装置を用いた電気分解によってトリチウム水の濃度を制御する。【解決手段】３室型電解装置１０の中間室１２の出入口からトリチウム水を通水し、アノード室１１およびカソード室１３に純水を通水し、電気分解によってアノード室１１で水素イオンを発生させて、これをカソード室１３側の電極１７に向けて移動させ、この水素イオンに対して中間室１２に通水したトリチウム水中のトリチウムを、トリチウム水分子Ｘとして配位結合又は水素結合を通じて随伴させ、カソード室１３側の電極１７に向けて移動させることにより、中間室１２のトリチウム水のトリチウム濃度を希釈するとともに、トリチウム水分子Ｘが移動してくるカソード室１３のトリチウム濃度を濃縮し、これを通じてトリチウム水のトリチウム濃度を制御する。【選択図】図２
2016041400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解槽がアノード室と中間室とカソード室とから構成され、前記アノード室、前記中間室及び前記カソード室のそれぞれに液体の出入口を備え、前記アノード室と中間室の間に第１の陽イオン交換膜と電極が配置され、前記カソード室と中間室の間に第２の陽イオン交換膜と電極が配置されている３室型電解装置を用い、
少なくとも前記第１の陽イオン交換膜として強酸性陽イオン交換膜を配置し、又は前記中間室に強酸性陽イオン交換樹脂を充填し、
前記中間室の前記出入口にトリチウム水を通水し、
このトリチウム水中のトリチウム水分子を、電気分解によって水素イオンに随伴させて前記カソード室側に移動させることで前記トリチウム水の濃度を制御する、
ことを特徴とするトリチウム水濃度制御方法。
【請求項２】
前記カソード室の前記出入口に純水又はトリチウム水を通水する、
ことを特徴とする請求項１に記載のトリチウム水濃度制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３室型電解装置を用いた電気分解によって、トリチウム水のトリチウム濃度を制御可能としたトリチウム水濃度制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の事故において、燃料の緊急冷却から発生した高線量の放射性物質を大量に含む放射能汚染水に対し、仏国ＡＲＥＶＡ及び米国Ｋｕｒｉｏｎのプロセスが導入され、主にセシウムを除去する処理が進められている。６２種の放射性物質を除去できるとされる多核種除去設備（Advanced Liquid Processing System：ＡＰＬＳ）の導入も進められているところである。しかしながら、各種設備の処理能力の限界、設備にトラブルが発生する等により、放射能汚染水の量は日々、増え続けているとされる。したがって、放射能汚染水の量そのものを減らす技術が求められている。併せて、ＡＰＬＳを通じて放射能汚染水を処理してもトリチウムは除去されないことが分かっているので、この取り除くことができないトリチウムを除去することのできる技術が求められている。
【０００３】
一方、本件の発明者は下記特許文献１において、水の供給流量を増加することができ、水の電気分解を効率よく行うことができる３室型電解装置を提案している。具体的には、アノード室と中間室の間に、陰イオン交換膜と電極を配置し、カソード室と中間室の間に、陽イオン交換膜と電極を配置した構成の３室型電解装置に係る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２５３４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した放射能汚染水中でトリチウムは、ＨＴＯやＴ2０の分子式で表されるトリチウム水として存在している。したがって、Ｈ2０の分子式で表される水（軽水）と分離してトリチウム水を濃縮する等、そのトリチウム濃度を制御することができれば、他の設備と併せて放射能汚染水の量そのものを減らすことを期待することができる。また、トリチウムを除去する技術としても活用することができる可能性がある。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑み提案され、水の電気分解に係る技術を適用し、水（軽水、Ｈ2０）とトリチウム水（ＨＴＯやＴ2０）との分離を試みることにより、トリチウム水を濃縮する等、その濃度を制御することを可能にしたトリチウム水濃度制御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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は、電解槽がアノード室と中間室とカソード室とから構成され、前記アノード室、前記中間室及び前記カソード室のそれぞれに液体の出入口を備え、前記アノード室と中間室の間に第１の陽イオン交換膜と電極が配置され、前記カソード室と中間室の間に第２の陽イオン交換膜と電極が配置されている３室型電解装置を用い、少なくとも前記第１の陽イオン交換膜として強酸性陽イオン交換膜を配置し、又は前記中間室に強酸性陽イオン交換樹脂を充填し、前記中間室の前記出入口にトリチウム水を通水し、このトリチウム水中のトリチウム水分子を、電気分解によって水素イオンに随伴させて前記カソード室側に移動させることで前記トリチウム水の濃度を制御することを特徴とするトリチウム水濃度制御方法である。
【０００８】
特に、本発明は、上記トリチウム水濃度制御方法において、前記カソード室の前記出入口に純水又はトリチウム水を通水することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、中間室の出入口にトリチウム水を通水し、このトリチウム水中のトリチウム水分子を、電気分解によって得られる水素イオンに随伴させてカソード室側に移動させることで、トリチウム水のトリチウム濃度を制御する構成である。したがって、中間室に通水されるトリチウム水中のトリチウム水分子をカソード室側へ移動させることで、中間室のトリチウム水のトリチウム濃度を薄める、すなわち、その濃度を制御することができる。これにより、他の設備と併せて放射能汚染水の量そのものを減らすことを期待することができ、トリチウムを除去する技術として活用することができる可能性がある。
【００１０】
さらに、上記トリチウム水濃度制御方法において、カソード室の出入口に純水又はトリチウム水を通水する構成である。したがって、カソード室の出入口に通水される純水又はトリチウム水へ、中間室に通水されるトリチウム水中のトリチウムを移動させることで、カソード室の出入口に通水される純水又はトリチウム水のトリチウム濃度を高める、すなわち、その濃度を制御することができる。これにより、他の設備と併せて放射能汚染水の量そのものを減らすことを期待することができ、トリチウムを除去する技術として活用することができる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明で用いる３室型電解装置を模式的に表した模式図である。
【図２】本発明で濃度制御されるトリチウムに関し、水素イオン及びトリチウム水分子の移動の様子を模式的に表した模式図である。
【図３】実施例にあたり構築したシステムを模式的に表した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係るトリチウム水濃度制御方法の一実施形態を説明する。なお、この実施形態は、本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ種々の設計変更を行うことができる。
【００１３】
本発明に係るトリチウム水濃度制御方法の実施に用いる電解装置１０は、その概略を図１に示すように、アノード室１１と、カソード室１３と、このカソード室１３及びアノード室１１を仲介する中間室１２とから電解槽が構成されている３室型電解装置である。電解装置１０は、アノード室１１と中間室１２の間に、第１の陽イオン交換膜１４と電極１５が配置されている。カソード室１３と中間室１２の間には、第２の陽イオン交換膜１６と電極１７が配置されている。中間室１２には陽イオン交換樹脂１８が充填されている。アノード室１１と中間室１２とカソード室１３は、それぞれ通水又は循環させる液体の出入口を備えている。
【００１４】
本発明において、電解装置１０に配置される第１の陽イオン交換膜１４、第２の陽イオン交換膜１６及び陽イオン交換樹脂１８は、次のような組み合わせで用いることが好ましい。すなわち、第１の陽イオン交換膜１４及び第２の陽イオン交換膜１６に陽イオンを透過させる膜を用い、陽イオン交換樹脂１８に陽イオンを放出する強酸性陽イオン交換樹脂を用いる組み合わせ。第１の陽イオン交換膜１４に陽イオンを透過させる強酸性陽イオン交換膜を用い、第２の陽イオン交換膜１６に陽イオンを透過させる膜を用い、陽イオン交換樹脂１８を採用しない組み合わせ。または、第１の陽イオン交換膜１４に陽イオンを透過させる強酸性陽イオン交換膜を用い、第２の陽イオン交換膜１６に陽イオンを透過させる膜を用い、陽イオン交換樹脂１８に陽イオンを放出する強酸性陽イオン交換樹脂を用いる組み合わせである。強酸性陽イオン交換膜の例示としてフッ素系陽イオン交換膜を挙げることができる。陽イオンを透過させる陽イオン交換膜の例示として炭化水素系陽イオン交換膜を挙げることができる。
【００１５】
本発明に係るトリチウム水濃度制御方法では、図２に示すように、上記のような構成の３室型電解装置１０の中間室１２の出入口からトリチウム水を通水する。また、アノード室１１及びカソード室１３には純水を通水する。この状態で、電解装置１０に電圧をかける（電流を流す）電気分解によって、アノード室１１で水素イオンを発生させて、これをカソード室１３側の電極１７に向けて移動させる。第１の陽イオン交換膜１４や陽イオン交換樹脂１８は、電気分解が始まるスターターとしての機能を果たす。なお、図２において、星形状で表したものがトリチウム水分子Ｘであり、水素イオンの移動する様子をカソード室１３側方向に向いた矢印で表している。図２に示すように、カソード室１３側の電極１７に向けて移動する水素イオンのほとんどは、電気分解によってアノード室１１で発生したものである。
【００１６】
カソード室１３側の電極１７に向けて移動する水素イオンに対し、中間室１２に通水したトリチウム水中のトリチウムは、トリチウム水分子Ｘとして配位結合又は水素結合を通じて随伴し、カソード室１３側の電極１７に向けて移動する。したがって、中間室１２のトリチウム水のトリチウム濃度は、３室型電解装置１０を用いた電気分解によってトリチウム水分子Ｘがカソード室１３側へ徐々に除去され、希釈される。すなわち、中間室１２のトリチウム水のトリチウム濃度を制御することができることになる。特に、後述する実施例において明らかなように、トリチウム水は、軽水に比べて優先的に水素イオンに随伴される。
【００１７】
カソード室１３側の電極１７に向けてのトリチウム水の移動では、２種類の結合様式を通じてトリチウム水分子Ｘが水素イオンに随伴し、移動することになる。すなわち、トリチウム水分子Ｘが水素イオンに配位結合により結合し、オキソニウムイオン（ヒドロニウムイオン）としてカソード室１３側の電極１７に向けて移動する形態をとる。また、水素イオンに軽水の水分子が配位結合してオキソニウムイオンを形成した上で、このオキソニウムイオンにトリチウム水分子Ｘが水素結合し、トリチウム水分子Ｘが水素結合した形のオキソニウムイオン（ヒドロニウムイオン）としてカソード室１３側の電極１７に向けて移動する形態をとる。なお、電流効率を高める（電流値を高くする）で、トリチウム水分子Ｘが水素イオンに随伴する機会を増やすことができるので、電流値を可能な範囲で高めて本発明を実施することが好ましい。
【００１８】
ここで、カソード室１３の出入口に通水するのは、図２に示すように純水であっても、或いはトリチウム水であっても構わない。トリチウム水を通水する場合、電気分解によって中間室１２からトリチウム水分子Ｘが移動してくるので、中間室１２のトリチウム水のトリチウム濃度を希釈すると同時に、カソード室１３のトリチウム水のトリチウム濃度を濃くすることができる。すなわち、３室型電解装置１０を用いた電気分解によってカソード室１３のトリチウム水分子Ｘが徐々に増えていくので、カソード室１３のトリチウム水のトリチウム濃度は、濃縮されることとなる。なお、本発明に係るトリチウム水濃度制御方法において、支持電解質は不要である。
【００１９】
そして、図２に示すように、本発明に係るトリチウム水濃度制御方法では、電解装置１０を連続して２つ並べた多連式とし、この連続して並べた電解装置１０に次々とトリチウム水や純水が通水される構成とする。これにより、中間室１２のトリチウム水からのトリチウム除去を加速させることができ、カソード室１３のトリチウム水の濃縮を加速させることができる。本発明では、連続して並べる電解装置１０の数は多ければ、多いほどが良いものの、２〜１００の電解装置１０を連続して並べるのが常識的である。また、本発明では、電解装置１０のアノード室１１、中間室１２、カソード室１３へ純水又はトリチウム水を循環させて通水する構成とすることでも、中間室１２のトリチウム水からのトリチウム除去、及びカソード室１３のトリチウム水の濃縮を加速させることができる。電解装置１０を上述のような多連式とし、かつ、各室へ純水又はトリチウム水を循環させて通水する構成とすれば益々、中間室１２のトリチウム水からのトリチウム除去、及びカソード室１３のトリチウム水の濃縮を加速させることができる。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明に係るトリチウム水濃度制御方法を実施し、トリチウム水のトリチウム濃度を制御する実験を行ったので、その手順とともに結果について説明する。
【００２１】
本実施例では、図３に示すようなシステムを構成した。なお、図３に示す電解槽Ａには、株式会社レドックス社製の３室型電解槽を用いた。３室型電解槽を構成するアノード室側の陽イオン交換膜（第１の陽イオン交換膜）に、デュポン株式会社製ナフィオン（登録商標）４２４を用いた。カソード室側の陽イオン交換膜（第２の陽イオン交換膜）に、旭硝子株式会社製セレミオン（登録商標）ＣＭＦを用いた。中間室内の陽イオン交換樹脂に、三菱化学株式会社製ダイヤイオン（登録商標）ＳＫ１Ｂを用いた。
【００２２】
また、本実施例を構築するシステムとして、中間室液を循環させるためのトリチウム水を入れた循環用容器としての１リットル（Ｌ）ビーカーＢ、カソード室液を循環させるための純水を入れた循環用容器としての２ＬビーカーＣ及び、アノード室液を循環させるための純水を入れた循環用容器としての１００ＬタンクＤを配設した。電源には直流安定化電源Ｅを採用し、電気分解の間において１５アンペア（Ａ）が安定的に出力されるようにした。
【００２３】
本実施例の実験手順はおよそ、以下のとおりである。
【００２４】
（１）純水を中間室に６００グラム（ｇ）、カソード室に４００ｇ入れる。
（２）トリチウム水（濃縮液）を中間室に５０ｇ入れる。
（３）中間室から検体を採取し、放射能（トリチウム濃度）等を計量する。中間室液の量も算出する。
（４）中間室液およびカソード室液の循環、アノード室の通水を開始する。
（５）定電流（１５Ａ）で電気分解を開始する。
（６）３時間（１８０分）後、電気分解および液体の循環、通水を停止する。
（７）中間室液量、カソード室液量を測定する。
（８）中間室およびカソード室から検体を採取し、放射能（トリチウム濃度）等を計量する。
【００２５】
電気分解のスタート時点での各室の水量、流量等の各情報を下記［表１］に表す。
【００２６】
【表１】
2016041400.tif 000003
【００２７】
電気分解を１８０分行った後の中間室、カソード室の水量の変化及び、中間室、カソード室の放射能（トリチウム濃度）の増減を調べた。なお、トリチウム濃度は、九州環境管理組合において測定した。その結果を、下記［表２］に示す。
【００２８】
【表２】
2016041400.tif 000004
【００２９】
表２から、トリチウム水は、軽水に比べて優先的に水素イオンに随伴されることが理解される。すなわち、まず、アノード室から中間室へ１３３．１ｇの水が移動し、中間室からカソード室へ１４５．７ｇの水が移動したことが分かる。
【００３０】
アノード室から中間室に純水が移動したときの中間室のトリチウム（Ｔ）濃度は、カソード室への水の移動を考慮しない場合、下記［数１］に示すとおりに表すことができる。
【００３１】
【数１】
2016041400.tif 000005
【００３２】
そして、中間室からカソード室へ移動した水のトリチウム（Ｔ）濃度は、下記［数２］に示すとおりに表すことができる。
【００３３】
【数２】
2016041400.tif 000006
【００３４】
そうすると、中間室からカソード室へ移動するのに、トリチウム（Ｔ）水（ＨＴＯやＴ2０）が軽水（Ｈ2０）よりも優先的に水素イオンの移動に随伴して移動する割合（以下、「優先選択率」という。）は、下記［数３］に示すとおりとなる。
【００３５】
【数３】
2016041400.tif 000007
【００３６】
なお、上記［表２］において表したトリチウム（Ｔ）量の誤差は２％以内（１．８７％）であり、本実施例で行った実験は妥当であるといえる。
【００３７】
以上より、中間室からカソード室へ移動する水素イオンに対し、トリチウム水（ＨＴＯやＴ2０）のトリチウム水分子は、軽水（Ｈ2０）の水分子よりも１．３２倍の優先選択率で優先的に随伴される。したがって、中間室のトリチウム水のトリチウム濃度はトリチウム水分子が軽水（Ｈ2０）の水分子よりも優先的に除去されていくので、希釈されることとなる。さらに、電気分解によって中間室からトリチウムが１．３２倍の優先選択率で移動してくるので、カソード室のトリチウム水分子は、軽水（Ｈ2０）の水分子よりも優先的に増え、カソード室のトリチウム水のトリチウム濃度を濃縮することができる。
【００３８】
以上から、本発明は、中間室の出入口にトリチウム水を通水し、このトリチウム水中のトリチウム水分子を、電気分解によって水素イオンに随伴させてカソード室側に移動させることにより、中間室のトリチウム水のトリチウム濃度を制御することを達成している。さらに、カソード室の出入口に通水される純水又はトリチウム水へ、中間室に通水されるトリチウム水中のトリチウムを移動させることで、カソード室の出入口に通水される純水又はトリチウム水のトリチウム濃度を制御することを達成している。そして、本発明は、他の設備と併せて放射能汚染水の量そのものを減らすこと、およびトリチウムを除去する技術として活用することを期待することができる。
【００３９】
以上、実施例等により本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。例えば、上記実施例は、実験室レベルで実施されているので、分離性能やその処理水の規模などを大幅に引き上げることができる。さらに、電解装置を多連式等の構成にすること、及び電解装置に純水又はトリチウム水を循環して通水することで、より効率的かつ狙ったトリチウム水のトリチウム濃度制御が達成される。アノード室に通水するのは水道水であってもよい。また、アノード室にトリチウム水を通水しても本発明を実施することが可能である。カソード室に通水するのが純水である場合には、これを水道水に代えてもよい。このほか、トリチウム水に代えて重水（ＤＴＯやＤ2０）を用いて本発明を実施すれば、本発明を重水の濃度制御方法として利用することができる。陽イオン交換樹脂としては水素イオン放出型（Ｈ型）、ナトリウムイオン放出型（Ｎａ型）のいずれも用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０・電解装置
１１・ アノード室
１２・中間室
１３・カソード室
１４・第１の陽イオン交換膜
１５・電極
１６・第２の陽イオン交換膜
１７・電極
１８・陽イオン交換樹脂
Ａ・・電解槽
Ｂ・・１Ｌビーカー
Ｃ・・２Ｌビーカー
Ｄ・・１００Ｌタンク
Ｅ・・直流安定化電源
Ｘ・・トリチウム水分子（ＨＴＯ、Ｔ2０）
【図２】
2016041400.tif 000008
【図３】
2016041400.tif 000009
【図１】
2016041400.tif 000010