(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属元素が吸着された縮合型タンニンを原料とするゲル状組成物からなる不溶性タンニンで構成された吸着剤を３５０℃以下の温度の炉内に投入し、この吸着剤から可燃性ガスが発生する熱分解温度より低い温度である２０℃／min以下の昇温速度で昇温加熱して炭化する温度である３９０℃〜６００℃の範囲内に到達させ、その後に完全燃焼させるようにした金属元素吸着剤の焼却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウランやクロム等の金属元素を吸着したゲル状組成物からなる不溶性タンニンの吸着剤を焼却して、吸着した金属元素を回収等するための金属元素吸着剤の焼却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ウラン、トリウム、超ウラン元素などのアクチニド元素、カドミウム、鉛、クロム、水銀及び鉄を含む重金属元素、或いはコバルト、セシウム、ストロンチウム等の金属元素を吸着するための金属元素の吸着剤として、縮合型タンニンを原料とする安定化したゲル状組成物からなる吸着剤がある。この吸着剤は本発明者らによって、特開平５−６６２９１号公報等により、その製造方法と金属元素の吸着分離方法が提案されている。
この吸着剤は、上記公報に開示されているように柿渋を含まない天然に多量に存在する縮合型タンニンを原料として例えば縮合型タンニン粉末をアンモニア水に溶解すると共にアルデヒド水溶液を混合してゲル状組成物を生成し、このゲル状組成物を熟成したり加熱する等して安定化することで得られる。安定化したゲル状組成物は水や酸やアルカリのいずれに対しても不溶な組成物となる。
【０００３】
そしてこのようにして得られた吸着剤は、核燃料製造工程から発生する放射性廃液中のウラン、トリウム及び海水中のウランの吸着性能に優れるだけでなく、再処理工程から発生する超ウラン元素であるキュリウム、アメリシウム、ネプツニウム、プルトニウム、更には金属元素を取り扱う工程から発生するカドミウム、鉛、六価クロム、水銀、鉄、コバルト、セシウム、ストロンチウム等の多種の金属元素の吸着性能に優れている。
このような金属元素を吸着した吸着剤を焼却することで、吸着剤の容積を大きく減少して固体廃棄物の発生量を少なくすることができる。一般の焼却炉でこの吸着剤を焼却する場合、被燃焼物である吸着剤を炉内で流動させつつ空気を供給すれば、吸着剤は有機物であるために完全燃焼で焼却できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般の焼却炉でこの吸着剤を焼却する場合、吸着剤に含まれる金属元素を回収することができないという問題がある。また急激に加熱して高温で焼却すると有機物が熱分解してメタンガス等の可燃性ガスが発生し、爆発の危険性が生じる。しかも金属元素がウランなど放射性元素である場合、燃焼の際に放射性元素を吸着した吸着剤が急激に熱分解して炉内に飛散して炉内を汚染するおそれがあり、周辺汚染の可能性も生じる。
本発明は、このような課題に鑑みて、熱分解による可燃性ガスを発生させずに焼却できると共に焼却によって金属元素を回収できるようにした金属元素吸着剤の焼却方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る金属元素吸着剤の焼却方法は、金属元素が吸着された縮合型タンニンを原料とするゲル状組成物からなる不溶性タンニンで構成された吸着剤を３５０℃以下の温度の炉内に投入し、この吸着剤から可燃性ガスが発生する熱分解温度より低い温度である２０℃／min以下の昇温速度で昇温加熱して炭化する温度である３９０℃〜６００℃の範囲内に到達させ、その後に完全燃焼させるようにしたことを特徴とする。
この吸着剤の焼却に際して、吸着剤を炭化させて完全燃焼させることで、吸着剤は焼却されて分解され金属元素酸化物が残存することになり、吸着剤の容積を大きく減少して固体廃棄物の発生量を少なくすることができる上に、金属元素を回収できる。
【０００６】
吸着剤の焼却に際して燃焼温度より低い温度で熱分解させて、その後に炭化させることで、吸着剤が急激に焼却されることなくそのまま炭素化され、燃焼の際にメタンガスなどの可燃性ガスを発生させないで焼却処理できる。尚、可燃性ガスが発生する熱分解温度より低い加熱温度で生じるガスは、有機物が分解して二酸化炭素と水が発生したものであるので問題はない。
【０００７】
また、吸着剤を炭化させる温度は３９０〜６００℃の範囲内である。３９０℃より低い温度であると炭化するには加熱温度が不十分であって炭化は行われておらず、６００℃を越える高温加熱であると炭化することなく急激な熱分解が行われ、メタンなどの可燃性ガスが発生することになるが、上記範囲内の温度に維持すれば熱分解によって可燃性ガスを発生させることなく吸着剤を完全に炭化できる。尚、吸着剤を炭化させるための温度を３９０〜５００℃の範囲にすればより好ましく、吸着剤の重量減少率の変化の境界付近である炭化の始まる温度付近に設定できるので、無駄な燃焼エネルギーを費やすことなく一層効率的な炭化処理を達成できる。或いは４５０℃〜６００℃の範囲としてもよく、この場合には吸着剤をより確実に炭化できて好ましい。
【０００８】
しかも、吸着剤の焼却の際に炭化温度に到達するまで、２０℃／min以下の昇温温度で加熱することで、可燃性ガスが発生する吸着剤の急激な熱分解を防止して炭化温度にまで加熱させることができる。尚、昇温温度を１５℃／min以下とすれば、焼却時の吸着剤の重量減少率が極めて小さいために熱分解を一層確実に防止できる。
また、焼却のために炉内に吸着剤を投入する際、炉内温度が３５０℃以下であれば投入時の急激な温度変化によるメタンガスなどの可燃性ガスの発生はほとんど起こらず、その後の炭化を進めることができるが、３５０℃を越えた炉内に投入すると急激に熱分解するために可燃性ガスが発生したり、吸着剤が炉内に飛散したりするために好ましくない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図５により説明する。図１は本発明の実施の形態による吸着剤の焼却方法を示すフローチャート、図２は吸着剤を投入する際の加熱温度と投入によって発生するメタンガス濃度との関係を示す図、図３は炉内の昇温速度に応じた加熱温度と吸着剤の重量減少率との関係を示す図、図４は図３に示す昇温速度に対する吸着剤の重量減少率の関係を示す図、図５は吸着剤の加熱温度を適宜の一定温度に所定時間保持した後の吸着剤の重量変化を示す図である。
本発明の実施の形態による吸着剤は上述した特開平５−６６２９１号公報記載の吸着剤であり、この吸着剤は上述した縮合型タンニンを原料とするゲル状組成物からなる不溶性タンニンで構成されており、例えば放射性金属元素であるウランを含む放射性廃液から放射性金属元素が吸着された吸着剤を例えばバッチ炉によって焼却する際の焼却方法に関する。
この実施の形態による吸着剤の焼却方法について、図１に示すフローチャートに沿って説明する。
【００１０】
ウランなど放射性の金属元素が吸着された吸着剤を金属容器に充填して乾燥処理後にバッチ炉による密閉された焼却炉に投入する際、炉内温度が３５０℃以下の状態で投入する（ステップ１０２）。これによって吸着剤が炉内で加熱されるが、図２に示すように３５０℃以下の加熱温度であれば、投入によって吸着剤の温度が上昇しても、吸着剤が熱分解してメタンガス等の可燃性ガスが発生することはほとんどない。
即ち、図２において、炉内の加熱温度が３５０℃以下であれば、吸着剤の投入によって発生するメタンガスＣＨ4濃度は０．１ｐｐｍ程度以下であり、ほとんど発生していない。これに対して炉内温度が３５０℃を越えていると吸着剤が熱分解されるためにメタンガス発生量が増大し、このメタンガス濃度は加熱温度の上昇につれて比例的に増大する傾向にあり、好ましくない。
従って、吸着剤の投入時の加熱温度即ち炉内温度は３５０℃以下に設定すべきである。
尚、吸着剤の加熱温度が３５０℃以下の場合でも、吸着剤は有機物であるために一部熱分解して二酸化炭素と水に分解されるが、二酸化炭素は爆発のおそれがなく問題は生じない。
【００１１】
炉内に吸着剤が投入された後、加熱温度を３５０℃以下から徐々に上昇させ、吸着剤を固相炭化させる炭化温度の領域、例えば４５０℃に到達させる。炉内の加熱温度の昇温速度は２０℃／min以下、好ましくは１５℃／min以下に設定し、同時に完全燃焼するのに必要な空気を炉内に供給する（ステップ１０３）。
昇温速度と吸着剤の重量減少率との関係を示すと図３及び図４のようになる。尚、図３、図４及び図５は熱重量分析（ＴＧＡ）によって吸着剤の焼却時の熱的特性を解析したものである。
【００１２】
図３及び図４により昇温速度について説明する。
図３において、昇温速度の例として１℃／min、５℃／min、１０℃／min、１５℃／min、２０℃／min、３０℃／min、５０℃／minの７種類を設定し、燃焼前の常温の状態から各昇温速度で金属元素ウランが吸着された吸着剤を加熱した場合、加熱温度が常温から１８０℃〜２６０℃程度の範囲Ａでそれぞれ重量減少率が大きいが、これは吸着剤中の水分が蒸発するためである。そして水分が蒸発した後の加熱温度領域Ｂでは重量減少率が比較的小さい状態になり、更に４５０℃前後から６００℃にかけては重量減少率が多少大きくなっている。
ところで、昇温速度３０℃／min、５０℃／minでは、加熱温度が３５０℃程度に上昇した領域ｂ１，ｂ２で吸着剤の重量減少率が急激に大きくなっており、この領域ｂ１，ｂ２で急激に熱分解してメタンガス等を発生することになる。
また図４においても、昇温速度が１℃／min〜１５℃／minの領域では吸着剤の重量減少率は４％前後でほぼ一定しており、熱分解を生じることはないが、昇温速度２０℃／minで若干上昇し、昇温速度が２０℃／minを越えると重量減少率が大きくなっており、これは急激な加熱によって吸着剤が熱分解するためにメタンガス等の可燃性ガスを発生するためといえる。
これらのデータから炉内に吸着剤を投入した後の炭化温度の領域、例えば４５０℃までの昇温速度は、急激な加熱に起因する熱分解による可燃性ガスの発生を防止するために２０℃／min以下に制御する必要があり、より好ましくは１５℃／minに制御する。
【００１３】
次に吸着剤の炭化温度領域とその後の完全燃焼について主として図５により説明する。
加熱温度がほぼ４５０℃になると炭化温度の領域に入り、６００℃までの加熱温度領域で吸着剤が完全に炭化するまで保持する（ステップ１０４）。
尚、吸着剤を炭化させるための加熱温度は４５０℃〜６００℃の範囲に限定されることなく３９０℃から６００℃の範囲内で設定できる。吸着剤を炭化させる際、一定温度に保持しても良いし、３９０℃〜６００℃の範囲で温度変化させても良い。
ここで、図５に示す、吸着剤を燃焼させた時の加熱温度１００℃から７００℃の範囲の適宜の各値の一定加熱温度に１〜２時間保持した後の重量変化を示す図によって炭化の状態を説明すれば、まず加熱温度１００℃の吸着剤の重量を基準値にしてこれを１ｇとしたときに、１００℃から４５０℃までの範囲の適宜の加熱温度に保持した場合には、加熱温度が増大するにつれて重量が減少することになるが、熱分解でメタンなど可燃性ガスを発生することがない。この段階の重量の減少は有機物である吸着剤の一部が二酸化炭素と水に熱分解することによって生じる。
そして約４５０℃から６００℃までの範囲の加熱温度では重量はほぼ一定の状態、図５ではほぼ０．２８〜０．３０ｇの大きさに維持される。この段階では吸着剤の固相炭化が行われる。尚、この領域で加熱温度の増大に沿って若干重量が増加するのは吸着剤に吸着された金属元素ウランが酸化するためである。
このため図５に示す各値の加熱温度に１〜２時間保持した場合では炭化温度の範囲は４５０℃から６００℃とされている。
【００１４】
しかし炭化温度の範囲はこれに限定されることなく３９０℃〜６００℃の範囲に設定してもよい。即ち昇温速度との関係で炭化温度を観察すれば、図３に示すように、昇温速度が１℃／minであれば約３９０℃で有機物の分解が始まり炭化が進むことになり、昇温速度との関係で３９０℃が炭化の下限値となる。この場合、分解の度合い即ち重量減少率の変化の度合いが、上述した３０℃／min、５０℃／minより緩やかであるために急激な熱分解による可燃性ガスの発生は防止される。尚、図５では加熱温度が３９０℃であれば重量は約０．４０ｇである。
しかしながら３９０℃未満では炭化が行われておらず、また６００℃を越えると吸着剤は炭化状態に保持されることなく焼却されることになる。加熱温度が３９０℃〜６００℃の範囲内で０．４０ｇ〜０．２８ｇ程度であり固相炭化状態に保持されている。
或いは炭化温度は３９０℃〜５００℃の範囲に設定してもよい。図３に示すように昇温速度２０℃／minでは加熱温度約５００℃で熱分解による炭化が始まるためである。この場合、吸着剤の重量減少率の変化の境界付近である炭化の始まる温度付近に範囲を設定できるので、無駄な燃焼エネルギーを費やすことなく一層効率的な炭化処理を達成できる。
尚、炭化温度を４５０℃〜６００℃の範囲とすれば、吸着剤をより確実に炭化できて好ましい。
【００１５】
そして吸着剤の炭化が完全に終了した段階で６００℃を越える加熱温度に昇温させ（ステップ１０５）、炭化された吸着剤を完全燃焼させる（ステップ１０６）。この段階では吸着剤は完全に炭化しているので、例えば昇温速度２０℃／minを越えて急激に加熱させても可燃性ガスが発生することはない。
６００℃を越えた加熱温度とすることで、吸着剤は図５で加熱温度１００℃の重量を１ｇとしたときに６００℃で重量０．３ｇだったものが７００℃では重量０．２ｇ未満にまで減少し、これによって吸着剤は完全に焼却されて分解され、吸着されていた金属元素ウランが酸化物として残存するために金属酸化物として回収できる（ステップ１０７）。
【００１６】
上述のように本実施の形態によれば、バッチ炉等の密閉した焼却炉内でも金属元素ウランを吸着した吸着剤について熱分解によってメタンガス等の可燃性ガスが発生することなく焼却でき、焼却に際して爆発の危険がなく安全に焼却でき、金属元素がウランなどの放射性元素であっても急激な熱分解で飛散する危険がなく安全に焼却できる。しかも焼却の際、縮合型タンニンを原料とするゲル状組成物からなる吸着剤を加熱して完全炭化した後に燃焼させて分解でき、吸着された金属元素だけを酸化物として回収できて、大幅に減容できる。
しかも吸着剤を炉内に投入する際、加熱温度を３５０℃以下とし、その後の昇温過程では２０℃／min以下とし、更に炭化温度３９０℃〜６００℃の範囲で完全に炭化した後、昇温して完全燃焼させたから、各段階で熱分解によるメタンガス等の可燃性ガスがほとんど発生せず、安全に焼却できる。
【００１７】
尚、本発明による吸着剤の焼却方法は、上述したウランを含む放射性廃棄物に限定されることなく、核燃料製造工程から発生するウラン、トリウム、再処理工程から発生する超ウラン元素であるキュリウム、アメリシウム、ネプツニウム、プルトニウム、更に金属元素を取り扱う工程から発生するカドミウム、鉛、六価クロム、水銀、鉄、コバルト、セシウム、ストロンチウム等の多種の金属元素を含む廃液、ウランを含む海水等を含む各種の溶液等からこれら金属元素を吸着した吸着剤の焼却に用いることができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る金属元素吸着剤の焼却方法は、金属元素が吸着された縮合型タンニンを原料とするゲル状組成物からなる不溶性タンニンで構成された吸着剤を加熱して炭化させ、その後完全燃焼させるようにしたから、吸着剤は焼却されて分解され金属元素酸化物が残存することになり、吸着剤の容積を大きく減少して固体廃棄物が発生しないか極めて少なくすることができる上に、金属元素を回収できる。
【００１９】
また、吸着剤を、この吸着剤が熱分解するより低い温度で昇温加熱して炭化する温度に到達させ、その後に炭化させるようにしたから、吸着剤が熱分解されることなくそのまま炭素化され、燃焼に際してメタンガスなどの可燃性ガスを発生させないで焼却処理できる。
また、吸着剤を炭化させる温度は３９０〜６００℃の範囲内であるから、この範囲内の温度に維持すれば可燃性ガスを発生させることなく吸着剤を完全に炭化でき、３９０℃より低い温度であると炭化するための加熱温度として不十分であり炭化が行われておらず、６００℃を越えると加熱温度が高すぎるために炭化せずに熱分解が行われ、メタンなどの可燃性ガスが発生することになる。
【００２０】
また吸着剤を炭化させるまで、２０℃／min以下で昇温させるようにしたから、吸着剤の急激な加熱による熱分解を抑制して可燃性ガスの発生を防止して炭化温度まで加熱することができる。
また吸着剤を３５０℃以下の温度の炉内に投入して燃焼させるようにしたから、投入によるメタンガスなどの可燃性ガスの発生はほとんど起こらず、その後の加熱を進めることができ、他方、３５０℃を越えた温度の炉内に投入すると急激に加熱されて熱分解するために可燃性ガスが発生し、好ましくない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態による吸着剤の焼却方法を示すフローチャートである。
【図２】  吸着剤を投入する際の炉内加熱温度と投入によって発生する可燃性ガス濃度との関係を示す図である。
【図３】  炉内の昇温速度に応じた炉内の加熱温度と吸着剤の重量減少率との関係を示す図である。
【図４】  図３に示す昇温速度に対する吸着剤の重量減少率の変化を示す図である。
【図５】  吸着剤の加熱温度を１００℃〜７００℃までの適宜の一定温度に所定時間保持した後の、加熱温度１００℃における吸着剤重量１ｇを基準とした吸着剤の重量変化を示す図である。
【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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