| 研究課題/領域番号 |
16H02437
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| 研究機関 | 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
下山 巌 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 先端基礎研究センター, 研究主幹 (10425572)
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| 研究分担者 |
奥村 雅彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究副主幹 (20386600)
小暮 敏博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50282728)
町田 昌彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主席 (60360434)
馬場 祐治 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 福島研究開発部門 福島研究開発拠点 福島事業管理部, 嘱託 (90360403)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | セシウム / 除染 / 汚染土壌 / 熱処理 |
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| 研究実績の概要 |
H30年度において実施した研究の実績概要は以下の通りである。
１．非放射性Cs収着風化黒雲母（WB）を模擬土壌とし、硝酸塩試薬添加時のCs除去率と構造変化について調べた。Ca(NO3)2は大気条件で高い効果を示し、NaNO3とKNO3は低圧条件で高い効果が得られた。Ca(NO3)2は5mmol/WB100mg添加461℃の大気熱処理2時間によりCsが検出限界以下の値となり、この条件で500℃以下でのCs完全除去をクリアしている。NaNO3は5mmol/WB100mg添加634℃の低圧熱処理2時間によりCsが検出限界以下となり、NaClよりも優れた成績を示すことがわかった。NaClとKClはWBの結晶構造を保ったままイオン交換によるCs除去過程が主だったが、NaNO3とKNO3はWBの相変態を引き起こしたことから、Cs除去過程とCs除去率は試薬中の対アニオンに大きく依存することを明らかにした。
２．昨年度は実汚染土壌にMgCl2、NaClを添加した場合は低圧熱処理により高い除染率が得られることが確かめられた。これらの塩は海水塩の主要成分であるため、標準海水に含まれる塩を試薬とした除染を試みた。重量比1/1で海水塩を汚染土壌に添加し、790℃の低圧熱処理2時間を行ったところ1回の処理で86％、4回で99％の除染率が得られた。従って低圧環境では低環境負荷で低コストの海水塩を熱処理の反応剤として利用できることを明らかにした。
３．CaCl2は熱処理によりWBの相変態を誘起する効果がCa(OH)2やCaCO3よりも大きく、塩素が何らかの役割を担っていることが推測される。その詳細を調べるため、熱処理後のClの化学状態をX線吸収分光法で分析し、分子軌道計算による解釈を行った。その結果、塩素は酸素と結合して粘土鉱物の構造を不安定化させることで相変態を誘起する効果を持つことを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2018年度は上記の実績概要と共に、Cs除去過程に関して新たな知見が得られた。昨年度までに2時間の熱処理後にCaCl2とMgCl2は粘土鉱物の相変態を誘起してCsを除去するのに対してNaClとKClは粘土鉱物の構造を保ったままイオン交換を通してCsを除去する傾向があることを見出した。このため我々は塩化物試薬はカチオンの価数に応じて異なるCs除去過程を引き起こすのではないかと考えていた。ところがLiClの場合、大気条件ではイオン交換を通してCsが除去されるのに対し、低圧条件では相変態を通してCsが除去されることが確認された。更にCaCl2の場合でも熱処理の初期過程ではイオン交換過程が支配的であり、その後相変態が進行することが明らかになった。従って、多くの試薬はイオン交換と相変態に関する2種類の反応速度を持つことが推察される。試薬最適化のためにはこれらの反応速度に関する試薬毎の定量的な比較が必要不可欠であり、2018年度後半にその検討を開始した。その経過において、興味深いことにCaCl2を添加した場合はAr雰囲気中でイオン交換の反応速度が大気条件よりも大きくなる傾向を示すことを見いだした。実土壌を用いた除染試験では700℃での大気熱処理を数分行った場合の除染率が10～25％程度であったのに対し、同じ条件でのAr置換熱処理の場合は黒雲母が分解しないまま除染率が70～80％に達した。この結果は雰囲気による反応速度の違いを反映しており何らかの揮発成分が反応に関与している可能性を示唆している。反応速度の定量的評価のためには温度と処理時間を変えた場合の多数のデータを必要とするため、まずは効果の高いCaCl2試薬から始めた検討を継続中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究方針は3つに大別されそれぞれ以下の通りである。
１．モデル土壌を用いた研究：WBをモデル土壌とした模擬試験の継続。昨年度までに粘土鉱物からのCs除去過程には1）イオン交換2）粘土鉱物の相変態の2種類の過程が存在することが確認されているが、試薬の多くはどちらの効果も持つが、温度、圧力条件、処理時間に依存してどちらかの面が強く現れることがわかってきた。従って、個々の試薬の効果を比較するためにはそれぞれのCs除去過程の反応速度に関する定量的なデータが必要になる。そこで、塩化物試薬を中心として速い反応であるイオン交換と遅い反応である相変態のそれぞれの反応速度を評価する。また、高温XRD測定により熱処理中の反応のその場観察を行う。
２．生成物の光触媒機能付与の研究：セシウムフリー鉱化法は従来の熱処理と異なる特徴の一つに化学反応による生成物の制御があり、生成物に機能性付与することで除去土壌再生利用の用途拡大を狙いの一つとしている。その試みの一環として、六価クロム還元に関する光触媒活性の機能性付与に関する研究を行う。そのためWBをモデル土壌とし、熱処理前後の試料の光触媒活性について検討する。
３．混合塩による相乗効果の研究：共晶点仮説の検討のため、2種類以上の試薬を用いた反応剤による処理温度低下効果を確かめる。塩化物試薬を単独で添加した場合のWB模擬土壌及び実汚染土壌の除染試験の結果はある程度得られているため、それらの試薬を組み合わせた場合に実際に相乗効果が得られるかどうかを調べ、試薬の共晶点と処理温度との相関関係について明らかにする。単独の試薬としては水酸化物、炭酸塩、フッ化物などについても検討を継続する。
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