2018 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Cs Desorption from Soil Clay Minerals by Subcritical Water containing Metal Ions
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18H03398
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
竹下 健二 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (80282870)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾上 順 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50241245)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 原子力発電所事故 / 汚染土壌 / 粘土鉱物 / 放射性セシウム / 分子動力学 / イオン交換 / 除染 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、粘土鉱物からのCsのイオン交換脱離について層間構造とCs-Mgイオン交換現象の関係を明らかにし、分子動力学(MD)計算によりイオン交換機構を原子・分子スケールで解析することである。Csを高選択吸着する粘土鉱物は主にバーミキュライトであるが、その層間距離がXRDにより実験的に調べられ、Cs飽和吸着時に10.7 A、Mgで交換されることで14.5 Aまで広げられた。この実験結果をMD計算で解析した。MD計算の妥当性を調べるために力場パラメータおよびアンサンブル等の計算条件を検討し、clayff力場パラメータを用いたNPTアンサンブルが有効であることを見出した。次に、バーミキュライト層間にCs, K, Mg, H2Oを入れ込んだモデルでMD計算を行った結果、Csイオンのみが層間に取り込まれた場合、層間長は約11A程度に収縮し、Mgイオン及びH2OとCs, Kがともに層間に取り込まれた場合は、層間長が約14.5 A程度に広がることが分かった。これらの結果は、XRDによる実験結果とよく一致した。これらのMD計算結果より、Csイオンが単独でバーミキュライトの層間に取り込まれた場合、その層間長が25 %程度収縮することにより高選択的に吸着し固定化されると言える。これらの挙動は、300 K(室温)のみならず523 Kでも観測されることから、Csイオンを層間に高選択吸着・固定化した場合、温度効果だけでは、元の層間長まで拡張することはなく、Csイオンを取り除くことが難しい。したがって、水を含む他金属イオンによる交換が必要であることと考えられる。水およびMgイオンを含む場合は、バーミキュライトの層間が14.5 A程度まで膨潤し、広がった層間からCsが水相中を拡散することによりイオン交換の可能性があることが分かった。これらのMD計算の結果は実験結果をよく表していた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成30年度の提案書で挙げている５つの課題（①福島の土壌を構成する粘土鉱物類を準備し、回分式の亜臨界水接触装置を用いて、亜臨界水条件におけるイオン交換平衡、交換速度を測定する。②XRD用の高温高圧セルを用いて、亜臨界水条件のイオン交換平衡における粘土鉱物の層間距離を測定し、層間距離から金属イオンの存在状態を解析する。③亜臨海水条件下で起こる粘土鉱物内の原子・分子の交換挙動をナノスケールで解析するための分子動力学（MD）計算条件および構造モデルを最適化する。④実際の系を模擬する統計集団および粘土鉱物に適した原子間ポテンシャルおよび構造モデルの検討と決定する。網羅的なパターン計算を行うことで、MDシミュレーションモデルの最適化を図る。⑤X線回折実験およびMDシミュレーションによる構造情報の比較・解析によるMDシミュレーション条件の妥当性検討する。）についてほぼ研究を終えている。計画通りに順調に研究を進めていると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は申請書に従い、以下の５つの研究項目を進める。
①実汚染土壌を篩分けした細粒分（＜75μm）を準備し、回分式亜臨界接触装置及び小型カラム試験装置を用いてイオン交換平衡・速度、Cs連続脱離を測定する。
②XRD用の高温高圧セルを用いて、亜臨界水条件のイオン交換平衡における汚染土壌の分級細粒物の層間距離を測定し、層間距離から金属イオンの存在状態を解析する。
③土壌細粒物のイオン交換挙動（平衡、速度）を支配している土壌構成成分及びプロセス操作条件を明らかにする。
④MDシミュレーションによる水熱条件下における固液界面での原子・分子レベルでのイオン交換過程の動的変化を解析する。固液界面でのイオン交換挙動をMDシミュレーションにより模擬し、交換過程を解析する。
⑤第一原理計算による層間に取り込まれた水分子およびその他のイオンや分子の化学状態を解析する。粘土鉱物層間に取り込まれた水分子やイオンの電子状態を解析する。
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