静電気学会誌，40, 1（2016）14-19

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

汚染土壌からの動電学的手法によるセシウム除去に及ぼす有機酸の影響
三浦 智彰 ，カビール ムハムドゥル ，鈴木 雅史 ，中島 春介 ，森 茂久
＊, 1

＊

＊

＊＊

＊＊

（2015年9月24日受付；2015年12月16日受理）

Effect of Organic Acids on Cesium Removal from Contaminated Soilby the Electrokinetic Remediation
＊, 1

＊

＊

Tomoaki MIURA , Mahmudul KABIR , Masafumi SUZUKI ,＊＊＊＊Shyunsuke NAKAJIMA and Shigehisa MORI
（Received September 24, 2015; Accepted December 16, 2015)
Radioactive materials were scattered on the vast area near Fukushima, Japan after the Fukushima Atomic Power Plant accident
after the earthquake occurred on the 11th March, 2011. Among the radioactive materials, especially Cesium（ Cs ）caused asevere contamination of soil and due to its longer half-life（30.0 years）, the removal of Cesium is urgently needed. However,
the removal of Cesium from soil especially in the mountainous area is not so easy. We have proposed a method of Cesium
removal which can also be applied in the slope area. Non-radioactive Cesium was used in our experiments. During theElectrokinetic process of the contaminated soil, acetic acid and citric acid were applied in purpose of more Cesium removal.
These acids are easily decomposable in nature. Without any electric field, a small range of Cesium removal was possible withtap water, and the two organic acids. Performing the experiment with Electrokinetic process, using acetic acid as electrolyte,
showed a better result considering the amount of removal of Cesium. Thus, our Electrokinetic process has showed goodresults to remove Cesium from contaminated soil.

1．はじめに方法として掘削除去が主に行われている．しかし，掘削除福島第一原子力発電所の事故による放射性物質の拡散去は技術的には難しくないが，汚染土壌の掘削・運搬やは，広範な環境汚染を引き起こした．土壌への蓄積性お保管などの管理における作業員の安全や周辺環境への配よび移行性の観点から重要と考えられる放射性物質は，慮，膨大な除去土壌の保管施設など課題も多く

ヨウ素 I，セシウム Cs，ストロンチウム Sr，ウラン U，プ

汚染サイトの大部分を占める中山間地においては汚染物質

ルトニウム Pu などの放射性同位体である．福島第一原子の拡散や作業時事故の危険性から適用が難しい．こうし力発電所事故では，特に I， Cs および Cs が大量に環た現状の中で，原位置で放射性物質を土壌中から除去す境中に放出され問題視されている． I は半減期（8.04 日）る原位置処理技術の研究が行われている．中でも，界面131134137131，特に2, 3）が短く，比較的短期間で環境中から消失する．一方， Cs

動電現象を利用した動電学的手法による原位置処理技術

は半減期（30.0 年）が長く，また土壌への吸着能が高いは，地下水揚水法など他の原位置処理技術では困難な，ため，長期にわたり環境中に残存する．そのため，土壌粘土やシルトなどの微細な土粒子で構成された難透水性に含有された Cs および Cs が主な問題となっている ．の土壌に対しても有効な技術として注目されている

137

1341371）

現状では，放射性物質によって汚染された土壌の浄化

．

4-6）

動電学的手法は，土壌中に電極を設置し，直流電流を流すことで電気分解，電気泳動および電気浸透といったキーワード：セシウム，汚染土壌，動電処理，有機酸＊
秋田大学大学院工学資源学研究科（〒010-8502 秋田市手形学園町 1-1）
Graduate School of Engineering and Resource Science,
Akita University, 1-1 Tegata Gakuen Machi, Akita 0108502, Japan＊＊
三和テッキ株式会社（〒140-8669 東京都品川区南品川 6-5-19）
SANWA TEKKI CORPORATION 6-5-19 MinamiShinagawa, Shinagawa-Ku, Tokyo 140-8669, Japan
121tmak.mur.kr@gmail.com

界面動電現象を誘起し，汚染物質を電界方向に移動させて除去する方法である．電気分解によって陽極付近では酸性前線を移動させる水素イオンが生成される．水素イオンは土粒子表面の陽イオンの脱着を促進させる．電気泳動は電界下で帯電しているイオンが電荷に応じて電極方向に移動する現象である．陽イオンは陰極方向へ，陰イオンは陽極方向へ移動する．電気浸透は土壌中の間隙水が電気的な力により移動する現象である．土粒子表面は通常負電荷を帯びており，静電気力により陽イオンが汚染土壌からの動電学的手法によるセシウム除去に及ぼす有機酸の影響（三浦 智彰ら）吸着する．電界によって陽イオンは陰極方向へ移動し，粘性によって間隙水も誘引され陰極へ移動する． 本手法は，電気浸透により透水性の低い土壌にも適用でき，汚染物質の移動を電界によって制御するため，汚染物質の拡散が生じにくい，他の浄化修復技術との組み合わせが容易といった利点を有する．
土壌に吸着した汚染物質の脱着を促進するために錯化

15

表 1 電解液の pH および導電率の初期値
Table 1 Initial values of pH and conductivity of electrolyticsolutions.

Electrolytic solutions

pHConductivity［ µS/cm ］

Water

7.31030.01 M Citric acid

3.0

380

0.01 M Acetic acid

3.6161剤を利用する検討が行われている．錯化剤の添加は水素撹拌する．その後，60℃の乾燥機に入れて 72 時間乾燥イオンを供給し，また有機配位子は土粒子表面構成陽イさせ，セシウム汚染濃度 50 mg/kg の汚染土壌とする．

オンと複合体を形成することで陽イオンの脱着を促進す

エージングによるセシウムの土壌吸着への影響を最小限る．代表的な錯化剤であるエチレンジアミン四酢酸にするため，すべての汚染土壌は実験の都度上記の手順（ EDTA ）は重金属の抽出に対して有効であることが示に従い，同一過程の下で調整する．

されている ．しかし，EDTA は錯化剤として比較的高2.2 土壌洗浄実験の手順

価であり，微生物によって分解されない ．一方，クエTable 1 に電解液の初期 pH および導電率を示す．電解ン酸および酢酸は，根酸として土壌中に自然に存在し，液には水道水（ pH7.3，導電率 103 µS/cm ），0.01 M クエ

入手および扱いが容易な錯化剤であるン酸溶液（ pH3.0，導電率 380 µS/cm ）および 0.01 M 酢7）8）．また，重金7-10）

属汚染土壌に対する錯化剤を使用した動電学的手法の検討に比べ，これらの酸の適用を放射性核種汚染土壌に対酸溶液（ pH3.6，導電率 161 µS/cm ）を使用する．
電解液のセシウム脱着に対する効果を調べるために土壌洗浄実験を行う．粒径 40 µm-212 µm の汚染土壌を 80して検討した報告は少ない．
本研究では，中山間地の放射性セシウム汚染土壌におけg ずつ円筒容器に入れ，水道水，0.01 M クエン酸溶液おる動電学的手法による原位置処理を目的として，傾斜面のよび 0.01 M 酢酸溶液をそれぞれ 200 ml 混合し，回転攪

セシウム汚染土壌に対するクエン酸および酢酸を利用した

拌機により 1 時間撹拌する．そして 23 時間静置し，上動電処理のセシウム除去効果を実験により検討した．

澄み液を採取して再び電解液を注入する．この処理を10 回行い，採取した上澄み液のCs 濃度を原子吸光分

1332．実験方法析装置（ Analytic jena 製，contrAA700）により測定する．

2.1 人工汚染土壌

以下の式（1）からセシウム除去率を算出し，各電解液の動電処理実験の土壌は市販の園芸用黒土を使用する．

セシウム脱着能力を評価する．

土壌の粒径を均一にするために乾燥した黒土をミキサーにより粉砕し，40 µm-212 µm および 40 µm 以下の大きさでふるいにかける．それぞれの粒径の黒土 400 g に，P＝nΣ i＝1（ρi×Vi）
×100 
m（1）イオン交換水 50 ml と非放射性セシウム標準液（ Cs，P は除去率［％］，ρi は排水サンプルのセシウム濃度1000 mg/l ）20 ml を混合し，回転攪拌機を用いて 24 時間［ mg/l ］，Vi は排水量［ l ］，m は人工汚染土壌のセシウ

133

ム添加量［ mg ］
，n は実験日数．

2.3 実験装置
Fig.1 に動電処理実験装置の構成を示す．実験のため，アクリル製の実験容器を製作した．中山間地の斜面を考慮し，土壌室には 20°の傾斜を設ける．陽極には耐酸性に優れているチタンメッシュ（ Nilaco 製），陰極には耐塩基性に優れているステンレスメッシュ（ Nilaco 製）をそれぞれ使用する．土壌室，陽極室および陰極室は有孔板で仕切り，電極室への土壌の流出を防ぐためにろ紙（ ADVANTEC No.101）を設置する．陽極室にフロートスイッチを設置し，ポンプによって電解液を注入するこ
図 1 動電処理装置の概略構成図
Fig.1 Schematic diagram of the electrokinetic equipment system.とで陽極室内の水位を一定に保つ．陰極室に排水のための排水口を設ける．

静電気学会誌 第40巻 第 1 号（2016）16

表 2 各条件における動電処理実験の実験結果
Table 2 Cs removal efficiency, potential gradient, effluent solution volume during the experiment conditions.

Electrolytic solution

Water

0.01 M Citric acid0.01 M Acetic acid

Remediation time
［ days ］
2121
21
21
21
21
21
21

Cs removal
efficiency［％］
16.1
46.2
13.1
27.9
36.5
19.7
87.3
60.2

Potential
gradient［ V/m ］
02000200200200200200

Effluent solution
volume［ ml ］
14930
17394
10411
12281
11243
4336
33703
16146

Soil hydraulicconductivity［ m/s ］－6
2.26 × 10－6
2.26 × 10－9
7.97 × 10－9
7.97 × 10－6
2.26 × 10－9
7.97 × 10－6
2.26 × 10－9
7.97 × 10

2.4 動電処理実験
Table 2 に実験条件を示す．汚染土壌を 400 g ずつ土壌室に入れ，水道水，0.01 M クエン酸溶液および 0.01 M酢酸溶液をそれぞれ陽極室に注入する．各電解液が陰極室の排水口に達したら，電極間に直流電界 200 V/m を印加する．同時に，動電処理による除去効果を確認するた
めに水道水を電解液として直流電界を印加しない実験も行う．24 時間ごとに，陽極室および陰極室内の pH と導電率および排水量を測定し，排水サンプルを採取する．
pH は pH 計（ HORIBA 製，B-211），導電率は導電率計（ HORIBA 製，B173）により測定する．また，電極間に流れる電流の経時変化をデータロガー（ GRAPHTEC 製，

図 2 水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を用いた土壌洗浄実験におけるセシウム除去率の挙動
Fig.2 Cs removal efficiency by soil washing with water, 0.01 M
citric acid, and 0.01 M acetic acid with remediation time.

midi LOGGER GL200A ）により記録する．なお，実験は一定の温度のもと行う．
21 日間の動電処理実験終了後，排水サンプルに溶出した

Cs 量を原子吸光分析装置により分析する．各電133

はクエン酸が酢酸に比べて H 濃度が高く，またトリカ＋ルボン酸であり金属イオンと複合体形成するための有機配位子が多いためであると考えた．

解液を用いた動電処理実験によるセシウム除去効果は，3.2 有機酸を使用した動電処理実験

排水サンプルに含まれるセシウムの回収量からセシウム粒径 40 µm-212 µm，飽和透水係数 2.26×10 m/s の細の除去率を推定することで評価する．

-6

砂～シルト質に分類される汚染土壌で動電処理実験を行った．

3．実験結果Table 2 に 21 日間の動電処理による Cs 除去率および3.1 有機酸によるセシウム脱着効果

排水量を示す．Fig.3（a）は動電処理期間中に排出された動電処理実験に使用する電解液である水道水，0.01 M電解液量の推移を示す．排出された電解液量の平均は，クエン酸，および 0.01 M 酢酸の汚染土壌からのセシウ水道水（0 V/m ）では 677 ml/d，水道水（200 V/m ）ではム脱着に対する効果を調べるために，動電処理とは別に788 ml/d，0.01 M ク エ ン 酸（200 V/m ） で は 468 ml/d，前述の手順で予め各電解液による土壌洗浄実験を行っ

そして 0.01 M 酢酸（200 V/m ）では 1538 ml/d だった．

た．Fig.2 に，各電解液を用いた土壌洗浄実験の結果をしたがって，0.01 M 酢酸を用いた場合が最も排水量が示す．水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を使多かった．また，電界を印加していない場合と比べ，水用して 10 日間土壌洗浄することで汚染土壌から脱着し道水または酢酸に電界を印加した場合は排水量が増加したセシウム除去率はそれぞれ 1.80％，8.76％および 4.71ており，動電処理による電気浸透の効果が確認された．

％だった．この結果は有機酸が水道水に比べ，汚染土壌

しかし，0.01 M クエン酸を用いた場合は排水量が減少からより多くのセシウム脱着を誘導し，またクエン酸はしている．このような現象が生じた原因として，pH が酢酸よりもセシウム脱着効果が高いことを示した．これ

電荷ゼロ点を下回り，土壌の表面電荷が正電荷に変化し汚染土壌からの動電学的手法によるセシウム除去に及ぼす有機酸の影響（三浦 智彰ら）

（a）排水量17（b）セシウム除去率（d）導電率図 3 水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を用いた動電処理実験における測定結果の挙動
Fig.3 Results of electrokinetic remediation with water, 0.01 M citric acid, and 0.01 M acetic acid.

たことで電気浸透流が逆転し，排水の流れを妨げた可能V/m ）では 2.6 程度とほぼ一定となった．水道水および性が考えられる．一方，総排水量に対するセシウム除去

クエン酸では陰極室内の pH は電気分解により OH が生量の割合はそれぞれ 0.22 mg/l，0.53 mg/l，0.65 mg/l，お成されたことで上昇しているが，酢酸では陰極内の pH

よび 0.52 mg/l であり，0.01 M クエン酸を用いた場合がも低下した．これは水道水およびクエン酸と比較して，最も大きく，土壌洗浄実験によるセシウム脱着効果の結酢酸の流量が大きいことから，陽極室で pH が低下した果と一致した．

電解液が陰極室へ多く流れ込むことで陰極室内の pH 上－Fig.3（b）に排水量と排水サンプルのセシウム濃度から昇が抑制されたと考える．また電界を印加していない水推定した，処理時間に対するセシウム除去率を示す．21

道水でも陰極室の pH の低下がみられた．これは人工汚日経過後のセシウム除去率は，水道水（0 V/m ）では染土壌の作製に使用した黒土が土壌 pH 6.4 の弱酸性土壌16.1％，水道水（200 V/m ）では 46.2％，0.01 M クエンであるため，土壌中の H が流出することで陰極室内の酸（200 V/m ）では 36.5％，そして 0.01 M 酢酸（200 V/m ）pH が低下したと考える．いずれの実験条件においても同では 87.3％だった．粒径 40 µm-212 µm の汚染土壌から様に土壌中の H の影響を受けるが，電界を印加した場のセシウム除去率は，動電処理に酢酸を用いた場合が最合においては電気分解による pH 変化が支配的である．

も高く，クエン酸を用いた場合は水道水に電界を印加した場合よりも低かった．

＋＋

Fig.3
（d）は動電処理期間中の陽極室および陰極室内の導電率の挙動を示す．電界を印加した場合，陽極室ではFig.3（c）は動電処理期間中の陽極室および陰極室内の電気分解によるイオン濃度の上昇に伴い導電率が上昇しpH の挙動を示す．電界を印加した場合，陽極室内の pHた．陽極室でのクエン酸の導電率が水道水および酢酸のは電気分解により H が生成されたことで低下し，水道水2 倍以上となっているが，これは元々の導電率の大きさ（0 V/m ）では 7.3，水道水（200 V/m ）では 2.8，0.01 Mに加え，排水量が少なくイオンがより高濃度となったた

クエン酸（200 V/m ）では 2.3，そして 0.01 M 酢酸（200めと考える．陰極室内の導電率は，開始直後は土壌中の＋静電気学会誌 第40巻 第 1 号（2016）18（a）排水量（b）セシウム除去率（d）導電率図 4 水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を用いた低透水性土壌に対する動電処理実験における測定結果の挙動
Fig.4 Results of electrokinetic remediation with water, 0.01 M citric acid, and 0.01 M acetic acid in low hydraulic conductivity soil.

イオンが溶け出し全体的に高くなったが，処理日数の経電解液量の推移を示す．排出された電解液の平均は，水過とともに減少し初期値よりも小さくなった．特に陰極道水（0 V/m ）では 490 ml/d，水道水（200 V/m ）では室におけるクエン酸の導電率は初期値の 30％程度まで574 ml/d，0.01 M ク エ ン 酸（200 V/m ） で は 202 ml/d，低下した．これは OH の移動度（2.06×10cm /V・s ）そして 0.01 M 酢酸（200 V/m ）では 757 ml/d だった．しに対し，H の移動度（3.62×10 cm /V・s ）が大きいた

たがって，0.01 M 酢酸を用いた場合が最も排水量が多め，陰極室側に pH の境目である pH jump が形成され，かった．また，クエン酸の排水量の減少が顕著に現れた．

陰極室の導電率が低下したと考える．

これは透水性の低い土壌では，電気浸透流の影響が大き－－3＋－322以上の実験結果から，水道水，0.01 M クエン酸およびいためであると考えた．一方，総排水量に対するセシウ

0.01 M 酢酸を用いた動電処理によるセシウム除去効果

ム 除 去 量 の 割 合 は そ れ ぞ れ 0.25 mg/l，0.45 mg/l，0.91を確認した．酢酸を電解液として使用した場合が最もセmg/l，および 0.75 mg/l であり，0.01 M クエン酸を用いシウム除去効果が高く，水道水に電界を印加した場合とた場合が最も大きく，土壌洗浄実験によるセシウム脱着比べて，21 日間の処理でおよそ 2.03 倍のセシウム除去効果の結果と一致した．
Fig.4（b）に排水量と排水サンプルのセシウム濃度から推効果が得られた．

3.3 低透水性土壌に対する動電処理実験

定した，処理時間に対するセシウム除去率を示す．21 日

透水性の低い汚染土壌に対する動電処理のセシウム除経過後の土壌からのセシウム除去率は，水道水（0 V/m ）去効果を調べるため，先程より粒径の細かい粒径 40 µm

では 13.1％，水道水（200 V/m ）では 27.9％，0.01 M ク以下，飽和透水係数 7.97×10エン酸（200 V/m ）では 19.7％，そして 0.01 M 酢酸（200－9m/s の粘土質に分類される汚染土壌で動電処理実験を行った．
Table 2 に 21 日間の動電処理による Cs 除去率および排水量を示す．Fig.4（a）は動電処理期間中に排出されたV/m ）では 60.2％だった．粒径 40 µm 以下の汚染土壌からのセシウム除去率は，動電処理に酢酸を用いた場合が最も高く，クエン酸を用いた場合が最も低かった．

汚染土壌からの動電学的手法によるセシウム除去に及ぼす有機酸の影響（三浦 智彰ら）
Fig.4（c）は動電処理期間中の陽極室および陰極室内のpH の挙動を示す．電界を印加した場合，陽極室内の pH19が，クエン酸を使用した場合，排水のセシウム濃度は高いが，得られる排水量が少ないためである．

は電気分解により H が生成されたことで低下し，水道水透水性の低い粘土質土壌に対する動電処理では，排水（0 V/m ）では 7.0，水道水（200 V/m ）では 2.9，0.01 M

量の減少によるセシウム除去効率の若干の低下はみられ

クエン酸（200 V/m ）では 2.2，そして 0.01 M 酢酸（200たが，動電処理の効果は十分に確認された．また，酢酸V/m ）では 2.7 程度とほぼ一定となった．動電処理開始添加による除去効率の向上も確認された．なお，この実直後の陰極室内の pH は，高透水性土壌での実験よりも験では電気浸透による流量の変化が顕著に現れた．電気高い値を示した．これは土壌の透水性が低く，電解液が浸透により間隙水を陰極方向へ誘引することで排水が得－陰極室に停滞することで OH 濃度が高くなったと考える．

られる．しかし，土壌中の pH が土壌固有の電荷ゼロ点

Fig.4（d）は動電処理期間中の陽極室および陰極室内のを下回ると電気浸透流が逆転する可能性があるため，電＋導電率の挙動を示す．電界を印加した場合，陽極室では解液の pH を調整するなどの対策が必要である．

電気分解によるイオン濃度の上昇に伴い導電率が上昇し以上より，酢酸を使用した動電処理は斜面および低透た．また，電界印加直前の陰極室内には土壌中のイオン水性のセシウム汚染土壌に対して有効であり，動電処理が溶出しており，イオン濃度が大きいため導電率が大きにおいて水道水に対して酢酸を添加することでセシウムくなっている．電界印加後，導電率は低下してクエン酸除去率が向上することを示した．の陰極室内の導電率は初期値より低くなった．
以上の実験結果から，透水性の低い粘土質土壌における水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を用いた動電処理によるセシウム除去効果を確認した．酢酸を電解液として用いた場合が最もセシウム除去効果が高く，水道水に電界を印加した場合と比べて，21 日間の処理でおよそ 2.16 倍のセシウム除去効果が得られた．低透参考文献
1） 齋藤勝裕：東日本大震災後の放射性物質汚染対策 , NTS（2012）
2） 農学委員会・土壌化学分科会：放射能汚染地における除染の推進について , 日本学術会議（2014）3） IAEA, Technologies for Remediation of Radioactively

水性土壌においては，3.2 で示した細砂～シルト質に分Contaminated Sites（1999）

類される土壌より排水量が減少し，セシウム除去効率は

4） 鈴木雅史，昌子智由，吉村昇：動電現象を用いた重金若干減少するものの，動電処理による効果は顕著にみら

属回収に関する研究．IEEJ Trans. FM, 125［4］（2005）

れ，有機酸の添加に関しても酢酸が最も効果的であるこ

5） Ana Nieto Castillo a, Rafael A. Garcia-Delgadob, Victoriaとに変わりはなかった．

Cala Riveroc, Electrokinetic Treatment of Soils Contaminatedby Tannery Waste, 86, Electrochim Acta（2012）

4．まとめ

6） 三浦智彰，カビール ムハムドゥル，中島春介，森 茂久，

本研究では，斜面および透水性の低い汚染土壌に対す

鈴木雅史：中山間地の斜面を想定した動電学的手法による有機酸を使用した動電処理のセシウム除去効果を検討

る汚染土壌からのセシウム除去．IEEJ Trans. FM, 135［11］した．

（2015）

水道水，0.01 M クエン酸および 0.01 M 酢酸を使用して 10 日間土壌洗浄したことによる汚染土壌からのセシウム除去率はそれぞれ 1.8％，8.76％および 4.71％であり，クエン酸が最も高かった．
一方，これらの電解液を使用した動電処理によるセシウム除去率は，細砂～シルト質土壌および粘土質土壌の7） W. Stumm: Chemistry of the Solid-Water Interface, WileyInterscience, New York（1992）1658） A. Barona, I. Aranguiz, A. Elias, Environ. Polut., 113（2001）
799） R. Bassi, S.O. Prasher, B.K. Simpson, Environ. Prog., 19（2000）275

いずれにおいても，水道水と比べて，0.01 M 酢酸を使

10）G.M. Nystrom, Investigations of Soil Solution During

用した場合はおよそ 2 倍であり，0.01 M クエン酸を使

Enhanced Electrodialytic Soil Remediation, Report No. BYG-

用した場合は 0.7～0.85 倍となった．これは酢酸を使用

DTU R009, Denmark Technical University（2001）21

した場合は排水のセシウム濃度および排水量ともに高い