○木下 亮1), （正）東條 安匡1), （正）松尾 孝之1), （正）黄 仁姫1), （正）松藤 敏彦1), （正）島岡 隆行2)
1)北海道大学 2)九州大学

1. 研究背景・目的
主灰中のCsの大部分は難溶性態であると報告されている (NIES, 2011)2011年の福島第一原子力発電所の事故以降、東日本の焼却施設では放射性Csを高濃度に含む焼却灰が発生している・MSW
・Sewage sludge
・Plants

Easily soluble
Hardry soluble

・難溶性態Csの具体的な存在形態は解明されていない
・長期的に変化する埋立層内の環境中において、Csが安定的に保持され続けるのかを検証する必要がある

Bottom ash<8000Bq/kg

Fry ash

Cs

Cs

0%

Bottom ash

Incineration
facility50%

主灰中の難溶性態Csの存在形態を明らかにする
Csの溶出挙動に影響を与える要因を明らかにする

Leachate

Landfill

研究目的

100%

2. 主灰中Csの存在形態
まず、人工調整主灰に含まれるCsを3つの形態に分画した 易溶性態 イオン交換態 難溶性態

実際の焼却炉から排出された主灰中に含まれる放射性Csの含有量は極めて小さく、分析が困難
本研究では、高濃度にCsを含有する焼却主灰を人工的に作成したシリアルバッチ試験
繰り返し溶出試験を行うシリアルバッチ試験を行い、全ての易溶性態
Csを溶出させるのに必要な液固比(L/S)を検討した
L/S:10DIW
Duplicated200 rpm
6 hours

Shaking

Cs

Cs2CO3易溶性態

Filtration

AAS

Cs

Dryingresidue 50℃
24 hours

Repetition

Fry ashPilot-scale incinerator

Ca284392

K21097

Na37268

Residue
CH3COONH4
L/S:10

難溶性態

1400

Ca1200

最初の溶出試験(L/S=10)で溶出するCsが最も多く、それ以降のCsの溶出は極めてわずかだった

K

1000

Na

800

5回の繰り返しの溶出試験で得られた、合計のCs溶出量を易溶性態Cs量と判断した

600

400
200
0234
Repetition of leaching5

今回の対象試料中にイオン交換態のCsは確認されなかった

6000

易溶性態

Filtration

200 rpm
24 hours

Shaking

Cs

Cs

7000

Shaking

Cs

1600

8000

200 rpm
48 hours

Bottom ash

金属含有量 [mg-Cs/kg-ash]
Cs6631

イオン交換態と難溶性態の分画
L/S:10DIW

1800

1[mg/kg]

RDF

結果

方法
Cs[mg/kg] Ca,K,Na×10[mg/kg]

研究に使用した焼却主灰

イオン交換態

Filtration= Cs含有量 – 易溶性態–

Hardly-soluble

5000
4000

Exchangeable3000

Water-soluble

2000

液固比10で水洗した試料中のCsは主に難溶性態と見なせる

1000

イオン交換態0

王水分解 + AASにより分析

Result of fractionation of Cs

3. 難溶性態Csの溶出挙動
結果・考察

方法

Cs

Shaking

Filtration

CsAAS

いくつかのCs化合物の溶解度曲線を地球平衡モデル(Phreeqc)によって示し、pH依存試験で得られた結果と比較した

主灰中のCsはガラス性非晶質、あるいはアルミノシリケートとして存在するという報告がある
そこで、SiとAlの濃度も合わせて測定した

1000

1000

Cs metal
100

Clinoptilolite-dehy-Cs
pH dependence test

10

Nontronite-Cs

Clinoptilolite-Cs

10.1

Montmor-Cs
Saponite-Cs
Beidelite-Cs
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
pH

pH依存試験の結果と完全に一致する溶解度曲線は得られなかったが、Nontronite-Csの一部は一致した

10000

Si100
1010110.10.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213

pHpH

Csと同様にpHの低下に伴い、Si、Alの溶出量が増加
アルミナシリケート、あるいはガラス性非晶質のようなマトリクスが、pHの低下により強酸に冒され、溶出量が増加したと考えられる

3)XRDによる鉱物組成分析

3) XRDの結果

1)オリジナルのサンプル
2)前処理を行ったサンプル(水洗)3)酸分解後の残渣についてXRDによる鉱物組成分析を行い、それぞれの鉱物構造の違いを分析した

Name
Chemical form Original Washed Acid extraction
Gehlenite Ca2(Al(AlSi)O4) 1390
1327
539
Quartz
SiO21111
1381
1916
LimeCaO7361930Calcite
CaCO33514380Hematite
Fe2O33072351934) 粒径によるCs溶出挙動の違い
主灰の粒径がCs溶出挙動に及ぼす影響を確認するために、粒径ごとのCs含有量と難溶性態CsのpH依存性を調べた

Al

1000
100

Csを含む鉱物は確認されなかった
Csの含有量はXRDの検出下限ほど低くないた
め、Csが結晶体として存在しないと考えられる

主灰中のCsはおそらくXRDで検出できないガラス性非晶質の形態として存在
10004) 結果
表面積の大きい小粒径であっても、難溶性Csの溶出量は他の粒径の結果と相違が確認されなかった

粒径：<0.125, 0.125-0.25, 0.25-0.5, 0.5-1.0, 1.0-2.0, 2.0-5.6, >5.6mm

Concentration[mg/L]

Pre-treated sample
pH adjusted soln.
L/S:10200 rpm48 hours

Concentration of Si and Al under pH dependence test
Concentration[mg/L]

2) pH依存試験

2) pH依存試験結果

Concentration[mg/L]

1)サンプルの前処理
本研究では、難溶性態Csのみを対象とするため、人工調整灰を蒸留水で水洗し、易溶性成分を除去した(L/S=10)～0.1250.5～1.0
5.6～

100

pH dependence test
10

1012

3456 7pH89 10 11 12 13

人工的に高濃度化した主灰サンプルを用いて、セシウムの溶出特性を調査した
 使用した人工調整灰にはイオン交換態は確認されなかった 難溶性態Csの溶出はAl、Siと共に低pHにおいて増大することを確認し、その溶解度曲線はNontronite-Csのものに類似していた
 XRDの分析では、Csを含む鉱物は特定できず、Csはガラス性非晶質の形態として存在していると考えられる

Reaching rate[%]結論
100806040200 埋立地における焼却主灰のpHは通常12程度で 、たとえ長い期間が経過したとしても、pHは8.5程度までしか低下しない
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213
pH

このpHの区間では主灰中に存在する難溶性態Csのうち2~3％しか溶出しない