(57)【要約】【課題】水溶性放射性物質を含む水溶液の濃縮が可能であり、かつ、素子の再利用が可能な水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮方法を提供する。【解決手段】水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１０は、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に浸漬される正極２０および負極３０と、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する電流供給手段４０と、を備え、正極２０は、化学式ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。）で表わされるプルシャンブルー類似体を含み、電流供給手段４０は、正極２０と負極３０の間を流れる直流電流の方向を切り替え可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に浸漬される正極および負極と、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給する電流供給手段と、を備え、
前記正極は、化学式ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。）で表わされるプルシャンブルー類似体を含み、
前記電流供給手段は、前記正極と前記負極の間を流れる直流電流の方向を切り替え可能であることを特徴とする水溶性放射性物質の除去・濃縮装置。
【請求項２】
前記負極は、グラファイトからなることを特徴とする請求項１に記載の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置。
【請求項３】
水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液に、化学式ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。）で表わされるプルシャンブルー類似体を含む正極と、負極とを浸漬し、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給し、前記正極にて還元反応を生じさせ、前記正極に前記水溶性放射性物質のイオンを吸着させる工程と、
前記水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、前記水溶性放射性物質のイオンを吸着した前記正極と、前記負極とを浸漬し、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給し、前記正極にて酸化反応を生じさせ、前記水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、前記正極に吸着した前記水溶性放射性物質のイオンを放出させる工程と、を有することを特徴とする水溶性放射性物質の除去・濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
福島原発事故以来、放射性セシウムの除去・濃縮・彫像技術の開発は、喫緊の課題となっている。事故後３年を経過した現在でも、日に日に増加し続ける汚染水を処理する決定的な手段がないように思われる。また、汚染水を処理できたとしても、放射性セシウムに汚染された大量の廃棄物の保管は、社会・政治問題となっており、解決の目処が立っていない。保管場所の問題が解決されたとしても、今後、気の遠くなるような長い年月の保管は、莫大なコストが掛かる上に、二次汚染の危険性もなくならない。
技術の観点から、上記のような問題に対処するには、放射性セシウムを除去するだけでは不充分である。放射性セシウムを濃縮し、廃棄物の量を極力減らす技術が不可欠である。廃棄物の量を減らすことができれば、保管場所も小さくなるばかりでなく、管理も容易になる。
従来、水溶性放射性セシウムの除去技術としては、イオン交換法が主流である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４８５５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、イオン交換法において、低濃度の放射性セシウムを含む水溶液では、放射性セシウムを濃縮することができないため、大量の放射性廃棄物が生じてしまうという課題があった。また、イオン交換法では、イオン交換に用いた素子を再利用することができないため、大量の放射性廃棄物が生じてしまうという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、水溶性放射性物質を含む水溶液の濃縮が可能であり、かつ、素子の再利用が可能な水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮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】
【０００６】
本発明の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置は、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に浸漬される正極および負極と、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給する電流供給手段と、を備え、前記正極は、化学式ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。）で表わされるプルシャンブルー類似体を含み、前記電流供給手段は、前記正極と前記負極の間を流れる直流電流の方向を切り替え可能であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置において、前記負極は、グラファイトからなることが好ましい。
【０００８】
本発明の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法は、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液に、化学式ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ（式中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。）で表わされるプルシャンブルー類似体を含む正極と、負極とを浸漬し、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給し、前記正極にて還元反応を生じさせ、前記正極に前記水溶性放射性物質のイオンを吸着させる工程と、前記水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、前記水溶性放射性物質のイオンを吸着した前記正極と、前記負極とを浸漬し、前記正極と前記負極の間に直流電流を供給し、前記正極にて酸化反応を生じさせ、前記水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または前記水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、前記正極に吸着した前記水溶性放射性物質のイオンを放出させる工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水溶性放射性物質を含む水溶液の濃縮が可能であり、かつ、素子の再利用が可能な水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】水溶性放射性物質の除去・濃縮装置の第１の実施形態を示す模式図である。
【図２】水溶性放射性物質の除去・濃縮装置の第２の実施形態を示す模式図である。
【図３】還元反応と酸化反応における容量と電圧の変化を示すグラフである。
【図４】容量のサイクル特性を示すグラフである。
【図５】還元反応と酸化反応におけるプルシャンブルー類似体を含む薄膜の組成の変化を示すグラフである。
【図６】正極において還元反応を継続した場合における電解液中のセシウムの濃度の変化を示すグラフである。
【図７】還元反応と酸化反応における容量と電圧の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮方法の実施の形態について説明する。
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
［水溶性放射性物質の除去・濃縮装置］
図１は、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置を示す模式図である。
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１０は、正極２０と、負極３０と、電流供給手段４０と、液槽５０とから概略構成されている。
【００１３】
液槽５０は、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液（以下、「水溶液」と略することもある。）６０Ａ、または、水溶性放射性物質のイオンを含まない水（以下、「水」と略することもある。）６０Ｂを収容するための容器である。本実施形態において、水溶性放射性物質とは、放射性セシウム（Ｃｓ）や放射性ストロンチウム（Ｓｒ）のことである。すなわち、本実施形態において、水溶性放射性物質のイオンとは、セシウムイオン（Ｃｓ＋）やストロンチウムイオン（Ｓｒ２＋）のことである。
【００１４】
正極２０および負極３０は、液槽５０に収容されている水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに浸漬される。
電流供給手段４０は、正極２０と負極３０に電気的に接続され、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに浸漬された正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する。また、電流供給手段４０は、正極２０と負極３０の間を流れる直流電流の方向を切り替え可能である。
【００１５】
正極２０は、導電性基材２１と、導電性基材２１の一方の面２１ａおよび他方の面２１ｂに形成され、正極活物質として、下記の化学式（１）で表わされるプルシャンブルー類似体の粉末を含む薄膜２２とを有する電極である。
また、正極２０は、図１に示すように、例えば、矩形の平板状をなしている。
【００１６】
導電性基材２１としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等からなる基材の一方の面および他方の面（表裏面）に、銅、酸化インジウム錫（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）等からなる導電性の薄膜（導電膜）が形成されたものや、ステンレスからなる基材が挙げられる。
【００１７】
薄膜２２は、下記の化学式（１）で表わされるプルシャンブルー類似体の粉末と、導電材と、バインダーと、を含む電極材料からなる。
【００１８】
プルシャンブルー類似体は、下記の化学式（１）で表わされる。
ＮａｘＭ［Ｆｅ（ＣＮ）６］ｙ  （１）
化学式（１）中、Ｍは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎまたはＣｄを表わす。ｘは、０〜２を表わす。ｙは、０〜１を表わす。
このようなプルシャンブルー類似体としては、例えば、Ｎａ１．３３２Ｍｎ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８３３．５Ｈ２Ｏ、Ｎａ１．６０Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．９０２．９Ｈ２Ｏ、Ｎａ０．７１Ｎａ０．１３Ｃｏ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．７１３．８Ｈ２Ｏ、Ｎａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏ、Ｎａ０．９６Ｎａ０．８８Ｃｄ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．９６４．８Ｈ２Ｏ等が挙げられる。
【００１９】
導電材としては、特に限定されないが、例えば、アセチレンブラック等が用いられる。
【００２０】
バインダーとしては、正極２０の性能を損なわずに、プルシャンブルー類似体の粉末と導電材を結合することができるものであれば、特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が用いられる。
【００２１】
次に、正極２０の製造方法の一例を説明する。
まず、フェロシアン化ナトリウム（Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］）の濃度が４０ｍｍｏｌ／Ｌの水溶液と、硝酸ニッケル（ＩＩ）（Ｎｉ（ＮＯ３）２）の濃度が４０ｍｍｏｌ／Ｌの水溶液とを調製する。
【００２２】
次いで、これら２つの水溶液を混合して、Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］の濃度が２０ｍｍｏｌ／Ｌ、Ｎｉ（ＮＯ３）２の濃度が２０ｍｍｏｌ／Ｌの混合溶液とし、その混合溶液を撹拌しながら、Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］とＮｉ（ＮＯ３）２を１時間反応させる。その後、混合溶液を、室温（３００Ｋ）で１日静置する。
【００２３】
次いで、上記の混合溶液を、アスピレーター、ダイアフラムポンプ、ロータリーポンプ等を用いて濾過し、固形分（粉末）を回収する。
次いで、得られた粉末を、室温（３００Ｋ）で２４時間乾燥し、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏ（プルシャンブルー類似体）の粉末を得る。
【００２４】
次いで、プルシャンブルー類似体の粉末（７００ｍｇ）を乳鉢で磨り潰す。
次いで、プルシャンブルー類似体の粉末と、アセチレンブラック（２００ｍｇ）とを乳鉢で混合する。
【００２５】
また、ポリフッ化ビニリデン（１００ｍｇ）とＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）（３．０ｍＬ）を混合し、その混合物をペンシルミキサーで撹拌し、その混合物を、凝集体がなくなるまで混合する。
【００２６】
次いで、ポリフッ化ビニリデンとＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの混合物に、プルシャンブルー類似体の粉末とアセチレンブラックの混合物を加え、さらに、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（２．０ｍｌ）を徐々に加え、その混合物をペンシルミキサーで混合し、正極材料のペーストを調製する。
【００２７】
次いで、矩形の平板状をなす厚さ２０μｍの導電性基材２１の一方の面２１ａおよび他方の面２１ｂに、正極材料のペーストを塗布する。
次いで、正極材料のペーストが塗布された導電性基材２１を、真空乾燥機を用いて、１００℃で２時間乾燥することにより、導電性基材２１の一方の面２１ａおよび他方の面２１ｂに、上記の化学式（１）で表わされるプルシャンブルー類似体の粉末を含む薄膜２２が形成された正極２０を得る。
【００２８】
負極３０としては、白金、金、ニッケル等の金属からなる電極やグラファイトからなる電極が用いられる。これらの中でも、コストの観点から、負極３０としては、グラファイトからなる電極が好ましい。
負極３０の形状は、図１に示すように、例えば、矩形の平板状をなしている。
【００２９】
電流供給手段４０としては、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給でき、かつ、正極２０と負極３０の間を流れる直流電流の方向を切り替え可能であれば特に限定されない。電流供給手段４０としては、例えば、乾電池、二次電池、太陽電池等の電源と、これらの電源から供給される直流電流の量を制御する制御部と、直流電流の流れる方向を切り替える切替部とを有するものが挙げられる。
液槽５０としては、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂによって腐食しないものであれば特に限定されない。
【００３０】
［水溶性放射性物質の除去・濃縮方法］
次に、図１を参照して、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法を説明することにより、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１０の作用を説明する。
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法は、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液６０Ａに浸漬した正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０にて還元反応を生じさせ、正極２０に水溶性放射性物質のイオンを吸着させる工程と、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液６０Ａまたは水溶性放射性物質のイオンを含まない水６０Ｂに、水溶性放射性物質のイオンを吸着した正極２０と、負極３０とを浸漬し、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０にて酸化反応を生じさせ、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させる工程と、を有する。
【００３１】
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法では、まず、液槽５０Ａに収容されている水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液６０Ａに、正極２０と負極３０を浸漬する。
なお、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法の説明において、正極２０にて還元反応を生じさせる際に、水溶液６０Ａを収容する容器を液槽５０Ａとし、正極２０にて酸化反応を生じさせる際に、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂを収容する容器を液槽５０Ｂとする。
【００３２】
水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度は、特に限定されないが、通常、１ｐｐｍ程度である。なお、水溶液６０Ａには、極微量の水溶性放射性物質のイオンが含まれていても、正極２０と負極３０の間に直流電流を流せば、正極２０に水溶性放射性物質のイオンを吸着することができる。
【００３３】
次いで、電流供給手段４０から、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０と負極３０の間に直流電流を流す。このとき、直流電流の流れる方向を、正極２０から負極３０へと向かう方向とする。これにより、正極２０にて還元反応を生じさせ、正極２０に、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンを吸着させる。
正極２０において還元反応が生じる場合、正極２０と負極３０における化学反応は、例えば、以下の通りとなる。
（正極２０）Ｃｓ０．６１Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏ＋０．８７Ｃｓ＋＋０．８７ｅ−→Ｃｓ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏ
（負極３０）２ＯＨ−＋Ｈ２→２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
【００３４】
また、還元反応において、正極２０と負極３０の間に印加する電圧は、特に限定されず、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度に応じて適宜調整されるが、例えば、−１Ｖ〜１Ｖである。
また、還元反応において、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する時間は、特に限定されず、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度に応じて適宜調整されるが、例えば、１時間〜１００時間である。
【００３５】
この還元反応により、正極２０に、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンを吸着させることにより、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質を除去することができる。すなわち、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質を正極２０内に貯蔵することができる。
【００３６】
次いで、正極２０が、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンを吸着した後、水溶液６０Ａから正極２０と負極３０を引き上げる。
次いで、液槽５０Ａとは別の液槽５０Ｂに収容されている水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液６０Ａまたは水溶性放射性物質のイオンを含まない水６０Ｂに、正極２０と負極３０を浸漬する。
水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度は、特に限定されない。
【００３７】
次いで、電流供給手段４０から、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０と負極３０の間に直流電流を流す。このとき、直流電流の流れる方向を、負極３０から正極２０へと向かう方向とする。これにより、正極２０にて酸化反応を生じさせ、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させる。なお、水溶性放射性物質のイオンを含まない水６０Ｂとは、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出する前の水であるから、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出した後の水は全て水溶液６０Ａである。
正極２０において酸化反応が生じる場合、正極２０と負極３０における化学反応は、例えば、以下の通りとなる。
（正極２０）Ｃｓ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏ→Ｃｓ０．６１Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏ＋０．８７Ｃｓ＋＋０．８７ｅ−
（負極３０）２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−＋Ｈ２
【００３８】
また、酸化反応において、正極２０と負極３０の間に印加する電圧は、特に限定されず、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンの量に応じて適宜調整されるが、例えば、０Ｖ〜２Ｖである。
また、酸化反応において、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する時間は、特に限定されず、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンの量に応じて適宜調整されるが、例えば、１時間〜１００時間である。
【００３９】
この酸化反応により、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させることができる。
さらに、上述の還元反応を行う工程と、上述の酸化反応を行う工程とを繰り返し行うことにより、水溶液６０Ａを濃縮することができる。すなわち、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質の濃度を高くすることができる。これにより、放射性廃棄物を大幅に減容することができる。よって、放射性廃棄物の保管場所を小さくすることができる上に、放射性廃棄物の管理を容易にすることができる。
【００４０】
濃縮した水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質は、例えば、特開２０１３−１４８５５２号公報に記載されているセシウムイオンの除去方法および除去装置を用いて、水溶液６０Ａから除去・回収された後、廃液やスラッジ等を、できる限り焼却処理等で減容した後、固化装置でセメント固化して貯蔵に適した形状に変えられる。あるいは、特開２０１３−１４８５５２号公報に記載されているセシウムイオンの除去方法および除去装置を用いて、水溶液６０Ａから除去・回収された水溶性放射性物質は、プラント内の燃料プールや高放射性固体廃棄物専用貯蔵プール内に長期貯蔵しておき、放射能の減衰を待って別途の処理が施される。
【００４１】
また、上述の酸反応を行う工程において、水溶液６０Ａまたは水６０Ｂに、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させることにより、正極２０を、水溶性放射性物質のイオンを吸着する前の状態に回復（復元）することができる。すなわち、正極２０を繰り返し使用することができ、装置のコストを大幅に低減することができる。
また、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１０および本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法によれば、水溶液６０Ａに含まれる水溶性放射性物質を正極２０内に吸着（貯蔵）することができるため、吸着した水溶性放射性物質の量を測定することにより、水溶液６０Ａの放射能レベルをモニター（監視）することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
［水溶性放射性物質の除去・濃縮装置］
図２は、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置を示す模式図である。図２において、図１に示した第１の実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１００は、正極２０と、負極３０と、電流供給手段４０と、浮き（フロート）１１０とから概略構成されている。
【００４３】
浮き１１０は、電流供給手段４０を内蔵または外付けし、電流供給手段４０に電気的に接続された正極２０と負極３０を吊り下げるためのものでる。
また、浮き１１０は、発泡スチロールや、内部に空気などの気体を収容する浮き袋からなる。
図２に示すように、沼、池、湖、川、田、貯水池等の水１３０に、浮き１１０を浮かべることにより、浮き１１０の下面１１０ａ側に、正極２０と負極３０が垂れ下がり、水１３０に正極２０と負極３０が浸漬されるとともに、水１３０の表面（水面）１３０ａよりも上側に、電流供給手段４０が配置される。
【００４４】
また、浮き１１０の下面１１０ａ側には、水１３０に浮き１１０を浮かべたときに、水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１００が所定の位置に留まるようにするために、碇（錘）１２０を設けてもよい。
【００４５】
［水溶性放射性物質の除去・濃縮方法］
次に、図２を参照して、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法を説明することにより、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１００の作用を説明する。
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法は、水１３０に浸漬した正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０にて還元反応を生じさせ、正極２０に水溶性放射性物質のイオンを吸着させる工程と、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、水溶性放射性物質のイオンを吸着した正極２０と、負極３０とを浸漬し、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０にて酸化反応を生じさせ、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させる工程と、を有する。
【００４６】
本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法では、まず、水１３０に浮き１１０を浮かべて、水１３０に正極２０と負極３０を浸漬する。
【００４７】
次いで、電流供給手段４０から、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０と負極３０の間に直流電流を流す。このとき、直流電流の流れる方向を、正極２０から負極３０へと向かう方向とする。これにより、正極２０にて還元反応を生じさせて、水１３０に水溶性放射性物質のイオンが含まれている場合、正極２０に水溶性放射性物質のイオンを吸着させる。
【００４８】
また、還元反応において、正極２０と負極３０の間に印加する電圧は、特に限定されず、水１３０に含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度に応じて適宜調整されるが、例えば、−１Ｖ〜１Ｖである。
また、還元反応において、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する時間は、特に限定されず、水１３０に含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度に応じて適宜調整されるが、例えば、１時間〜１００時間である。
【００４９】
この還元反応により、正極２０に、水１３０に含まれる水溶性放射性物質のイオンを吸着させることにより、水１３０に含まれる水溶性放射性物質を除去することができる。すなわち、水１３０に含まれる水溶性放射性物質を正極２０内に貯蔵することができる。
【００５０】
次いで、正極２０が、水１３０に含まれる水溶性放射性物質のイオンを吸着した後、水１３０から水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１００を引き上げる。
次いで、水１３０とは別の液槽等に収容されている水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、浮き１１０を浮かべて、水１３０に正極２０と負極３０を浸漬する。
水溶液に含まれる水溶性放射性物質のイオンの濃度は、特に限定されない。
【００５１】
次いで、電流供給手段４０から、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給し、正極２０と負極３０の間に直流電流を流す。このとき、直流電流の流れる方向を、負極３０から正極２０へと向かう方向とする。これにより、正極２０にて酸化反応を生じさせ、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させる。
【００５２】
また、酸化反応において、正極２０と負極３０の間に印加する電圧は、特に限定されず、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンの量に応じて適宜調整されるが、例えば、−１Ｖ〜１Ｖである。
また、酸化反応において、正極２０と負極３０の間に直流電流を供給する時間は、特に限定されず、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンの量に応じて適宜調整されるが、例えば、１時間〜１００時間である。
【００５３】
この酸化反応により、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させることができる。
さらに、上述の還元反応を行う工程と、上述の酸化反応を行う工程とを繰り返し行うことにより、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液を濃縮することができる。すなわち、水溶液に含まれる水溶性放射性物質の濃度を高くすることができる。これにより、放射性廃棄物を大幅に減容することができる。よって、放射性廃棄物の保管場所を小さくすることができる上に、放射性廃棄物の管理を容易にすることができる。
【００５４】
濃縮した水溶液に含まれる水溶性放射性物質は、第１の実施形態と同様にして、貯蔵に適した形状に変えられるか、あるいは、長期貯蔵しておき、放射能の減衰を待って別途の処理が施される。
【００５５】
また、上述の酸反応を行う工程において、水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液または水溶性放射性物質のイオンを含まない水に、正極２０に吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出させることにより、正極２０を、水溶性放射性物質のイオンを吸着する前の状態に回復（復元）することができる。すなわち、正極２０を繰り返し使用することができ、装置のコストを大幅に低減することができる。
また、本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置１００および本実施形態の水溶性放射性物質の除去・濃縮方法によれば、水１３０に含まれる水溶性放射性物質を正極２０内に吸着（貯蔵）することができるため、吸着した水溶性放射性物質の量を測定することにより、水１３０の放射能レベルをモニター（監視）することができる。すなわち、沼、池、湖、川、田、貯水池等における放射線による汚染をモニター（監視）することができる。
【実施例】
【００５６】
以下、実験例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。
【００５７】
「実験例１」
（正極の作製）
フェロシアン化ナトリウム（Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］）の濃度が４０ｍｍｏｌ／Ｌの水溶液と、硝酸ニッケル（ＩＩ）（Ｎｉ（ＮＯ３）２）の濃度が４０ｍｍｏｌ／Ｌの水溶液とを調製した。
次いで、これら２つの水溶液を混合して、Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］の濃度が２０ｍｍｏｌ／Ｌ、Ｎｉ（ＮＯ３）２の濃度が２０ｍｍｏｌ／Ｌの混合溶液とし、その混合溶液を撹拌しながら、Ｎａ４［Ｆｅ（ＣＮ）６］とＮｉ（ＮＯ３）２を１時間反応させた。その後、混合溶液を、室温（３００Ｋ）で１日静置した。
次いで、上記の混合溶液を、１．０μｍの濾紙を用いて濾過し、固形分（粉末）を回収した。
次いで、得られた粉末を、室温（３００Ｋ）で２４時間乾燥し、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末を得た。
Ｘ線回折計（商品名：ＲＩＮＴ２０００ＰＣ、リガク社製）を用いて、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末の結晶構造を分析したところ、その粉末は、プルシャンブルー類似体の構造（面心立方格子）を有していることが確認できた。
【００５８】
次いで、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末７００ｍｇを乳鉢で磨り潰した。
次いで、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末と、アセチレンブラック２００ｍｇとを乳鉢で混合した。
また、ポリフッ化ビニリデン１００ｍｇとＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）３．０ｍＬを混合し、その混合物をペンシルミキサーで撹拌し、その混合物を、凝集体がなくなるまで混合した。
次いで、ポリフッ化ビニリデンとＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミドの混合物に、プルシャンブルー類似体の粉末とアセチレンブラックの混合物を加え、さらに、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド２．０ｍｌを徐々に加え、その混合物をペンシルミキサーで混合し、正極材料のペーストを調製した。
次いで、アプリケーターの厚さを４ｍｉｌとして、ＰＥＴ基材と、その表裏面に形成されたＩＴＯ膜とからなる導電性基材のＩＴＯ膜上に、正極材料のペーストを塗布した。
次いで、正極材料のペーストが塗布された導電性基材を、真空乾燥機を用いて、１００℃で２時間乾燥することにより、導電性基材の表裏面に、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末を含む薄膜が形成された正極を得た。
【００５９】
（容量と電圧の評価）
電解液として、ＣｓＣｌの濃度が１ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製した。
この水溶液に、Ｎａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの粉末を含む薄膜が形成された正極と、白金からなる負極と、Ａｇ／ＡｇＣｌからなる標準電極とを浸漬し、正極と負極の間に、１Ｃの直流電流を、６０分間供給し、正極にて還元反応を生じさせ、正極にＣｓ＋を吸着させた。このとき、直流電流の流れる方向を、正極から負極へと向かう方向とした。また、直流電流の流れる方向を、負極から正極へと向かう方向に切り替えて、正極と負極の間に、１Ｃの直流電流を、６０分間供給し、正極にて酸化反応を生じさせ、正極に吸着したＣｓ＋を放出させた。このように、正極と負極の間を流れる直流電流の方向を切り替えて、還元反応と酸化反応における容量と電圧の変化を測定した。容量の変化と電位の変化の測定は、マルチポテンショスタット（商品名：ＶＳＰ、バイオロジック社製）を用い、充放電曲線測定モードで行った。結果を、図３に示す。
【００６０】
図３において、電圧が下降している曲線が、正極にＣｓ＋を吸着させるとき（還元反応）の容量と電圧の変化を示す曲線（貯蔵曲線）であり、電圧が上昇している曲線が、正極に吸着したＣｓ＋を放出させるとき（酸化反応）の容量と電圧の変化を示す曲線（放出曲線）である。初期曲線αにおける容量と電圧の変化は、貯蔵曲線および放出曲線とは異なっている。これは、初期過程では、正極に含まれるＮａが放出されるためである。２回目以降の還元反応では、正極にＣｓ＋が吸着され、２回目以降の酸化反応では、正極からＣｓ＋が放出される。図３の結果から、正極と負極の間に直流電流を流すことにより、正極においてＣｓ＋を吸着または放出できることが確認できた。また、正極に含まれるＮａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの１ｇ当たりの容量は５４ｍＡｈ／ｇであることが分かった。この容量は、セシウムの質量に換算すると、０．２８ｇとなる。すなわち、正極に含まれるＮａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏの１ｇ当たり、セシウムを０．２８ｇ吸着、除去できることが分かった。
【００６１】
「実験例２」
（容量のサイクル特性の評価）
実験例１と同様の装置を用いて、正極と負極の間を流れる直流電流の方向を複数回切り替えた場合について、容量の変化を評価した。結果を、図４に示す。
図４において、初期容量βは、正極にＣｓ＋を吸着したとき（還元反応）の容量および正極に吸着したＣｓ＋を放出したとき（酸化反応）の容量とは異なっている。これは、初期過程では、正極に含まれるＮａが放出されるためである。２回目以降の還元反応では、正極にＣｓ＋が吸着され、２回目以降の酸化反応では、正極からＣｓ＋が放出される。図４の結果から、正極と負極の間を流れる直流電流の方向を複数回切り替えても、容量の低下がほとんど見られなかった。すなわち、１つの正極を繰り返し用いて、水溶液に含まれるセシウムを吸着、除去できることが分かった。
【００６２】
「実験例３」
（正極を構成する薄膜の組成分析）
実験例１と同様の装置を用いて、正極へのＣｓ＋の吸着（還元反応）と正極からのＣｓ＋の放出（酸化反応）を繰り返し、ＩＣＰ発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＩＣＰ−ＡＥＳ）により、正極を構成するＮａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏを含む薄膜の組成を分析し、薄膜中のセシウムの濃度を測定した。
正極へのＣｓ＋の吸着および正極からのＣｓ＋の放出を行う度に、正極を分解した。正極の分解には、まず、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドに正極を浸漬して、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミドにポリフッ化ビニリデンを溶解し、その溶液を濾過して、ポリフッ化ビニリデンを除去する操作を３回行った。その後、濾過により回収したＮａ１．４８Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７５．５Ｈ２Ｏとアセチレンブラックの混合物を、硝酸水溶液に溶解し、ＩＣＰ発光分光分析法により、その混合物の組成を分析した。ＩＣＰ発光分光分析には、ＩＣＰ発光分析装置（商品名：ＩＣＰＳ−８１００、島津製作所社製）を用いた。結果を、図５に示す。なお、図５において、縦軸ｘは、Ｎｉに対するＣｓの割合を示す。
図５の結果から、上記の薄膜は、ＣｓｘＮａｙＮｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．８７という組成の物質を含むことが分かった。すなわち、正極がＣｓ＋を吸着することが確認できた。また、正極へのＣｓ＋の吸着により、Ｃｓ＋の吸着量が増加し、正極からのＣｓ＋の放出により、Ｃｓ＋の吸着量が減少することが確認できた。
【００６３】
「実験例４」
（正極によるＣｓ＋の吸着能力の評価）
自然界の水に含まれるセシウムの濃度は非常に低い。そこで、電解液として、セシウムの濃度が０．１ｐｐｍとなるようにＣｓＣｌ水溶液を調製し、実験例１と同様の装置を用いて、水溶液に含まれるセシウムの濃度をどこまで低減できるかを評価した。ここでは、正極と負極の間に印加する電圧を、０．６Ｖ、０．４Ｖ、０．０Ｖ、−１．０Ｖと変化させた。また、比較のために、正極と負極の間に電圧を印加しない場合についても評価した。正極と負極の間に電流を流してから０．１時間後と４８時間後に、ＩＣＰ発光分光分析法により、電解液中のセシウムの濃度を測定した。結果を、図６に示す。なお、図６において、破線はセシウムの初期濃度（０．１ｐｐｍ）を示す。
図６の結果から、正極と負極の間に印加する電圧を、０．６Ｖまたは−１．０Ｖとした場合、電解液中のセシウムの濃度が０．０１ｐｐｍ以下に減少することが確認できた。これに対して、正極と負極の間に電圧を印加しない場合には、電解液中のセシウムの濃度がほとんど変化しなかった。
【００６４】
「実験例５」
（正極の作製）
Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］の濃度が０．５ｍｍｏｌ／Ｌ、Ｎｉ（ＮＯ３）２の濃度が０．５ｍｍｏｌ／Ｌ、ＮａＮＯ３の濃度が１．０ｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製した。
次いで、この水溶液に、ＰＥＴ基材と、その表裏面に形成されたＩＴＯ膜とからなる正極基板と、白金からなる負極と、Ａｇ／ＡｇＣｌからなる標準電極とを浸漬し、正極基板と負極に−１Ｖの電圧を、３０分間印加した。
これにより、正極基板のＩＴＯ膜上に、厚さ１μｍの薄膜を形成した。
【００６５】
（薄膜の評価）
ＩＣＰ発光分光分析法（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＩＣＰ−ＡＥＳ）とＣＨＮ有機元素分析とを組み合わせて、得られた薄膜の組成を分析した。その結果、得られた薄膜は、Ｎａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏからなることが確認された。
また、薄膜を形成するＮａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏを、Ｘ線回折法で分析した結果、Ｎａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏの結晶構造は、プルシャンブルー類似体特有の面心立方格子であることが確認された。
【００６６】
（容量と電圧の評価）
電解液として、ＳｒＣｌ２の濃度が１ｍｍｏｌ／Ｌの水溶液を調製した。
この水溶液に、Ｎａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏの粉末を含む薄膜が形成された正極と、白金からなる負極と、Ａｇ／ＡｇＣｌからなる標準電極とを浸漬し、正極と負極の間に、１Ｃの直流電流を、６０分間供給し、正極にて還元反応を生じさせ、正極にＳｒ２＋を吸着させた。このとき、直流電流の流れる方向を、正極から負極へと向かう方向とした。また、直流電流の流れる方向を、負極から正極へと向かう方向に切り替えて、正極と負極の間に、１Ｃの直流電流を、６０分間供給し、正極にて酸化反応を生じさせ、正極に吸着したＳｒ２＋を放出させた。なお、正極、負極および標準電極を０．５Ｍ塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液に浸漬し、塩化ナトリウム水溶液中でＮａを放出させてから、正極へのＳｒ２＋の吸着および正極からのＳｒ２＋の放出を行った。このように、正極と負極の間を流れる直流電流の方向を切り替えて、還元反応と酸化反応における容量と電圧の変化を測定した。容量の変化と電位の変化の測定は、マルチポテンショスタット（商品名：ＶＳＰ、バイオロジック社製）を用い、充放電曲線測定モードで行った。結果を、図７に示す。
【００６７】
図７において、電圧が下降している曲線が、正極にＳｒ２＋を吸着させるとき（還元反応）の容量と電圧の変化を示す曲線（貯蔵曲線）であり、電圧が上昇している曲線が、正極に吸着したＳｒ２＋を放出させるとき（酸化反応）の容量と電圧の変化を示す曲線（放出曲線）である。図７の結果から、正極と負極の間に直流電流を流すことにより、正極においてＳｒ２＋を吸着または放出できることが確認できた。また、正極に含まれるＮａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏの１ｇ当たりの容量は６７ｍＡｈ／ｇであることが分かった。この容量は、ストロンチウムの質量に換算すると、０．１１ｇとなる。すなわち、正極に含まれるＮａ０．６８Ｎａ０．０４Ｎｉ［Ｆｅ（ＣＮ）６］０．６８５．１Ｈ２Ｏの１ｇ当たり、ストロンチウムを０．１１ｇ吸着、除去できることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の水溶性放射性物質の除去・濃縮装置および水溶性放射性物質の除去・濃縮方法は、放射性セシウム等の水溶性放射性物質のイオンを含む水溶液から、これらの水溶性放射性物質のイオンを吸着し、また、吸着した水溶性放射性物質のイオンを放出することにより、水溶性放射性物質を濃縮することができる。したがって、放射性廃棄物の減容化および放射性廃棄物の保管場所の小型化を実現することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１０，１００・・・水溶性放射性物質の除去・濃縮装置、２０・・・正極、２１・・・導電性基材、２２・・・薄膜、３０・・・負極、４０・・・電流供給手段、５０・・・液槽、６０Ａ・・・水溶液、６０Ｂ・・・水、１１０・・・浮き（フロート）、１２０・・・碇（錘）、１３０・・・水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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