環境に優しいジオポリマー
日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門
先端基礎研究センター
界面反応場化学研究グループ
研究主席 香西直文
2021年9月2日
1自己紹介
1986年 ⽇本原⼦⼒研究所

研究系職員①放射性廃棄物の処理・処分関連研究
廃液の放射性核種の除去・濃集
放射性廃棄物の固化②放射性核種の環境動態研究
福島原⼦⼒発電所事故で放出された放射性核種
あるいは処分場から漏洩すると想定した放射性核種が、環境の中でどのように振る舞うのか

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①放射性廃棄物の処理・処分関連研究
・廃棄物固化体の性能評価・開発→ ジオポリマーによるヨウ素の固化 (論⽂査読中)

・放射性核種除去技術（吸着・共沈）・デブリ特性評価
・放射性セシウムで汚染した下⽔汚泥焼却灰の特性評価・処理技術→ ジオポリマーによる下⽔汚泥焼却灰の固化(論⽂掲載済み)

このような研究開発は目的元素の回収・閉じ込め性能のみに着目することが多く、例えば使⽤済み吸着材をどう処分するか、あるいはそこから溶け出る元素の状態などに注意を払わないことが多い (個人の感想)。
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②放射性核種の環境動態研究
・粘土鉱物・リン酸塩鉱物等による固定
・元素の環境動態に及ぼす微生物影響（バクテリア・ゾウリムシ・きのこ）
きのこ(しいたけ）は必須元素のKを吸収するついでにCsを吸収し、きのこが枯れて雨に曝されると吸収されたCsはすべて溶け出て土に固定される (論⽂掲載済み)。

・地下⽔など環境⽔中での元素の化学状態
廃棄物の処理処分技術の開発は、その後の環境影響も考えて⾏うべき (個人の感想)。

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なぜ本技術開発を⾏ったか
廃棄物固化体へのジオポリマーの適⽤が検討され始めている。
セメント固化の欠点を克服するため

福島原⼦⼒発電所事故により様々な形態の放射性廃棄物が発生している。ジオポリマーは適⽤可能か︖
従来型のジオポリマーの欠点を克服できないか︖
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従来技術であるセメント⻑所 ・安い、実績がある・何でも固めることができる
・高アルカリ性なので、重元素が溶けにくくなる
短所 ・石灰石(CaCO3)の脱炭酸によるCO2排出・Ca(OH)2が容易に炭酸イオンと反応する
・⽔に溶けやすい→(⽔酸化物を多く含む)

⻑期安定性が懸念される
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新技術であるジオポリマー
セメントにかわる凝結固化剤として注目されている新材料・原材料の製造過程及びジオポリマー製造過程でCO2の発生が少ない・産業副産物等*を利⽤し、安価に生産可能*フライアッシュ、高炉スラグ、メタカオリナイト等

・⽔に溶けにくい (酸化物、共有結合）・耐火性が高い・廃棄物を固めることができる(可能性が高い)
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セメントとジオポリマーの比較
セメント

ジオポリマー

・石灰石(CaCO3)の脱炭酸による多量のCO2排出

・CO2排出量が少ない

・Ca(OH)2が容易に炭酸イオンと反応する

・炭酸イオンと反応しない
⽤いる原材料の種類他によっては可能性あり

・⽔に溶けやすい (⽔酸化物を多く含む)
⻑期的な性能劣化
・使⽤実績が多い
適⽤範囲が広い・⽔に溶けない
⻑期的な性能安定性・使⽤実績が非常に少ない
適⽤範囲が不明

8ジオポリマーとは✓ 無機物が架橋剤により重合した形状✓ ケイ酸アルミニウム類を高アルカリ⽔溶液あるいは濃リン酸と反応させる→ 共有結合による架橋

架橋
SiまたはP✓ ⽔への溶解度が低い✓ 熱に強い✓ 機械強度が高い

ケイ酸アルミニウム類

9本技術開発で着目したジオポリマーの問題点・アルカリ⽔溶液で作製したGP＞pH 12・濃リン酸⽔溶液で作製したGP＜ pH 3(アルカリGP)(リン酸GP)

純⽔に固化体を入れ、60℃で48時間静置液相のpHを調べた。

10グ リ ーン イ ン フ ラ ＆植栽基盤 T O P

放射性廃棄物処分においても、セメントの高アルカリ性が問題であった。
建設分野でもコンクリートによる土壌のアルカリ化を問題として指摘されている。

都市のア ルカ リ 化問題｜樹木医に よ る 早わかり ガ イ ド■ 現場の土壌がアルカ リ にな っ て いる かど う か不安だ
■ アルカ リ 化し て いる 現場発生土を 「 ロ ーコ ス ト 」 で 改善を 行いたい
■ アルカ リ 土壌の改良方法について 具体的に知り たい！
■ 土壌のアルカ リ 化について 分かり やすく 会議で 説明し たい！

建設工事現場で は、 近年ゼロ エ ミ ッ シ ョ ン 化（ 廃棄物を ゼロ に近づける 活動） や、 建設工事に係る 資材の再資源化に関する 法律（ 建設リ サイク ル法） を 受け、 廃棄物を 有効利用する 動き が活発化し ていま す。 植物のための土壌は、 外部から 搬入し て いた良質な 土壌から 、 コ ン ク リ ート 塊が多く 混じ っ た「 残土（ 場内発生土） 」 にな る ケース が多く なり 、 大規模な土木造成地で は、 地盤安定処理のために大量のセメ ン ト 系固化材が使用さ れる など 、 都市の土壌や植物を 取り 巻く 環境が急速に「 アルカ リ 化」 に向かっ て いま

環境負荷が小さい中性pH付近のジオポリマーを目指す。

す。
こ の「 土壌のアルカ リ 化問題」 に２ ０ 年も 取り 組んでき た樹木医がいま す。 その名は木田幸男。 こ れま で の経験を 生
かし 、 建設現場で 活用で き る 「 土壌のアルカ リ 対策」 について、 具体的な 内容を も と に分かり やすく ご 案内いたし ます。 現場や計画段階で 「 土壌のアルカ リ 化」 を 懸念さ れて いる 方には、 参考にな る 情報が含まれて いる と 思いま すので、 ぜひ問題解決の糸口を 探し てく ださ い。
樹木医によ る 「 土壌のアルカ リ 化問題」 早わかり ガイ ド は、 全１ ２ 回の連載形式と な り ま す。
以下のコ ン テ ン ツ の中から 、 興味のある 分野を ご 覧下さ い。 アルカ リ 対策分野について 全体像を 把握さ れたい方は、 ぜひ第一話よ り ご 覧下さ い。

http://www.soil-doctor.jp/alkali-guide/11

本技術開発で着目したジオポリマーの問題点

基本的な原因︓薬剤(架橋剤・硬化剤)を過剰に使っていること
アルカリGP

リン酸GP

化学反応せずに残った(遊離した)イオン*がたくさんある*アルカリGPではNa+、ケイ酸イオン、⽔酸化物イオン、リン酸GPでは⽔素イオン、リン酸イオン

12本技術で実現したこと
優れた性能を持つジオポリマーにおけるｐHの問題を解決し、環境負荷が少ないジオポリマーの開発に成功した。
ポイント

薬剤(架橋剤・硬化剤)の精密な調整により必要最小限の成分量を求めることができた。
それを実現するために必要な評価方法を明確にした。
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本技術ではリン酸GPに着目
メタカオリナイト等のアルミノケイ酸塩(酸化物)の結晶をリン酸イオンで架橋する

架橋させるためにはリン酸イオン・⽔素イオンの両方が必要
メタカオリナイト︓カオリナイトを加熱して非晶質化したもの
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新技術のポイント
リン酸イオンと⽔素イオンの量を別々に調整する
⽔濃リン酸

可溶性リン酸塩(リン酸ナトリウム等)

予め混ぜて溶かしておく

原料粉末(アルミノケイ酸塩等)

混合

養生→産業応⽤においても簡易で安価な⼿法

15具体的には
1. 濃リン酸とメタカオリナイトの量⽐を変えて、リン酸イオンの必要最少量を求める

固化体の浸出試験

2. リン酸イオン量を⼀定にし、⽔素イオン量を変えて、pHと機械強度を調べる

純⽔、60℃、48時間

PO43-

溶け出たリン酸イオン / %pH

原料のリン酸イオンとメタカオリナイトの⽐
P/MK mol/g

溶け出たイオンを定量

圧縮強度

pH

リン酸ナトリウム[Na]と濃リン酸[H]のモル濃度比[Na]/([Na]+[H])[Na] = Na3PO4中のNaのモル数[H] = H3PO4中のHのモル数16新技術によるジオポリマーの特徴✓ 従来技術の問題点であったｐHを、リン酸イオン量と⽔素イオン量を別々に調整することにより、
3.3 < pH < 6.5の範囲に調整することに成功した✓ 調整の方法は、濃リン酸と可溶性リン酸塩の重量を変えるだけである✓ 中性付近でも数十MPaと高い圧縮強度を持つ
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本技術の可能性①（建材ジオポリマーとしての＋α）• ジオポリマーに期待されている⽤途・性能
道路や橋梁、港湾等のインフラ施設におけるコンクリート材の⻑寿命化＋αとして環境負荷をさらに減らす
植物の生育に適したpH 5 < pH < 8 → 農業環境での使⽤• 本技術開発の⼿法はアルカリGPにも適⽤可能 (原理は同じ)

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本技術の可能性②（廃棄物固化材・バリア材）• 放射性廃棄物貯蔵のセメント固化の代替や、産業廃棄物の固化処理にも貢献可能
Sr⽔溶液を固化したGPからSrがほとんど溶け出さない• リン酸GPの粉末は、重⾦属に対する吸着材(産廃処分場の透過性バリア材等)としても利⽤可能
粉末を⽔で洗って乾燥させた試料にSrがとても良く吸着した

H+OOOPPPOOO

Na+→ リン酸GPはリン酸基を構造内に持つリン酸基と重⾦属元素とがリン酸錯体を形成し安定に保持される
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実⽤化に向けた課題
企業との連携可能性
リン酸GP
今回研究に⽤いたメタカオリナイトでは硬化(固化)させるために昇温(40℃以上)が必要。
低温で反応するケイ酸アルミニウム材料の選定・開発

アルカリGP
室温で硬化反応が進⾏するメタカオリナイトがある。
⾶灰・高炉スラグなども原料に使⽤できる。
原理的には本技術と同じアプローチで開発可能
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本技術に関する知的財産権
発明の名称：新規ジオポリマー及びその製造方法
公 開 番 号：特開2020-152611
出 願 人 ：日本原子力研究開発機構
発 明 者 ：香西 直文

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お問い合わせ先
国立研究開発法人
日本原子力研究開発機構
研究連携成果展開部
ＴＥＬ 029－284－3420
e-mail seika.riyou＠jaea.go.jp
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