JP7398049B2 - ストロンチウム含有廃液の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ストロンチウム含有廃液の処理方法に関し、特に、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＭｇイオンから選択される１種以上をさらに含むストロンチウム含有廃液の処理方法に関する。

水溶液から有害または有用なイオンを固相吸着剤を用いて吸着分離する操作は、高コストの水溶液の濃縮を伴わないため、分離技術として重要である。特に、ウラン核分裂型原子力発電における核分裂生成物中のストロンチウム生成量が多く、かつストロンチウム濃度の排水基準値が低いことから、ストロンチウムイオンの吸着はとりわけ重要である。ストロンチウムの選択吸着分離が可能な材料として、マンガン酸化物が従来広く知られている。

海水中のストロンチウムイオンの吸着剤として、マンガン原料とナトリウム原料を混合して焼成する固相反応法で合成した、層間内にナトリウムイオンを有する層状マンガン酸化物が特許文献１に開示されている。

また、同じく海水中のストロンチウムイオンの吸着剤として、マンガン原料とカリウム原料を混合して焼成する固相反応法で合成した、層間内にカリウムイオンを有する層状マンガン酸化物が特許文献２および３に開示されている。

さらに、ストロンチウムを含む放射性核種の吸着剤として、バーネサイト型の層状マンガン酸化物が非特許文献１に開示されている。本物質は水酸化マンガンのゾルと過マンガン酸マグネシウムとを反応させて高アルカリ条件下（ｐＨ１３．７）で７日間熟成することで得られる。

しかし、何れの文献も粉末での吸着性能に関する記載に留まり、成形体としての性能への言及は一切ない。実際の原子力発電所汚染水処理設備での吸着剤の使用形態を考えた場合、圧力損失が高くかつ廃棄処理が煩雑である粉末形態である必然性はなく、むしろ不都合である。この目的には、吸着塔に充填可能でありかつ圧力損失が低く、廃棄処理が簡便な成形体として使用されることが想定される。このような成形体についてはストロンチウム吸着性能のみならず、乾燥状態もしくは海水通水時の機械的強度、保形性など副次的機能も要求されることは言うまでもない。

ＷＯ２０１７／０８６０５６Ａ１ ＷＯ２０１８／１１０６１５Ａ１ ＷＯ２０１８／１０９８２３Ａ１

ＤＹＥＲ Ａｌａｎ ｅｔ ａｌ．， Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅｓ ｏｎ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｂｉｒｎｅｓｓｉｔｅ－ｔｙｐｅ ｌａｙｅｒｅｄ ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｘｉｄｅｓ， Ｊ． Ｍａｔｅｒ． Ｃｈｅｍ．，２０１０年，１０巻，１８６７－１８７４頁

従来の固相反応法で合成した層状マンガン酸化物は、それ自体の凝集による成形体の作製は困難である。したがって、成形体として使用用途に好適な強度を実現するには無機結合剤の添加使用が不可欠であった。しかし、無機結合剤はストロンチウム吸着には寄与しないため、その使用は吸着性能低下につながる。また、吸着表面を無機結合剤で被覆、閉塞することで層状マンガン酸化物の吸着利用率が低下する。加えて、無機結合剤と層状マンガン酸化物との混錬物につき、押し出し成型などを利用する場合、有機化合物で増粘させる追加工程が必要な場合がある。このような有機化合物で処理した成形体を原子力発電所汚染水処理に使用した場合、放射線による変質で成形体の機械的強度低下は免れない。また、熱処理して有機化合物を酸化または燃焼させた場合も、層状マンガン酸化物が還元または分解して変質する懸念がある。

また、固相反応法で合成した層状マンガン酸化物粉末に無機結合剤を添加して調製した成形体は、かさ密度が低い場合が多い。一定体積の吸着塔への層状マンガン酸化物成形体の充填については、かさ密度が高い方がより多くの重量が充填可能となるため、結果的にストロンチウム吸着容量が増大する。この点でも、結合剤などの成分を含まず、かさ密度が高いことは有利に働く。

さらには、固相反応法で合成した層状マンガン酸化物成形体については、通水時の保形性が乏しい。保形性に乏しい場合、微粉化して吸着塔流路を閉塞する、あるいは吸着塔から層状マンガン酸化物成形体を取り出す際に泥状になり取扱いが困難になる不都合がある。このため、原子力発電所汚染水処理に固相反応法で合成した層状マンガン酸化物成形体を用いることは、放射性の成形体の廃棄に際し、大きな問題となることが想定される。

したがって、無機結合剤および有機物を含有せず、層状マンガン酸化物の含有率が極めて高く、ストロンチウム吸着性能、機械的強度および保形性を満足する成形体のストロンチウム吸着剤が望まれている。

本発明は、これらの課題を解決することを目的とし、十分なストロンチウム吸着性能、機械的強度および保形性を同時に支障なく成立させる層状マンガン酸化物成形体からなるストロンチウム吸着剤を用いるストロンチウム含有廃液の処理方法を提供するものである。

本発明者らは機械的強度、保形性およびストロンチウム吸着性能に優れる層状マンガン酸化物成形体について鋭意検討した結果、特定の層状マンガン酸化物の成形体が機械的強度、保形性およびストロンチウム吸着性能をいずれも高いレベルで満足することを見いだし、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の構成よりなる。

［１］無機結合剤および有機成分を含まず、少なくともアルカリ金属を含む層状マンガン酸化物の成形体粒子から構成されており、全粒子の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に分布しており、０．９ｇ／ｃｍ^３以上のかさ密度および１０００ｍＮ以上５０００ｍＮ以下の下記方法で測定した圧壊強度を有するストロンチウム吸着剤と、ストロンチウム含有廃液と、を接触させることを特徴とするストロンチウム含有廃液の処理方法。
・圧壊強度の測定方法：
ランダムに取り出した測定対象粒子を、微小圧縮試験機の試料台に置き、ダイヤモンド圧盤を自動的に下げて負荷をかけ、負荷時のダイヤモンド圧盤の変位が最も大きい時点を粒子が崩壊した際の試験力として測定する。２５回の測定結果の平均値を圧壊強度とする
。

［２］前記ストロンチウム吸着剤は、ＡｘＭｎＯ_２（Ａはナトリウムおよびカリウムから選ばれる１種以上のアルカリ金属であり、ｘは０．２以上０．６以下の任意の数である）で表される組成を有し、粉末Ｘ線回折測定による（００１）面の面間隔が７．０Å以上７．３Å以下であり、（００１）面のピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）が０．４゜以上３．０゜以下であることを特徴とする、上記［１］に記載の処理方法。

［３］前記ストロンチウム吸着剤は、下記方法で測定した撹拌摩耗度が１５ｗｔ％以下であることを特徴とする、上記［１］又は［２］に記載の処理方法。
・撹拌摩耗度の測定方法：
水７．５ｇ、および測定対象粒子を乾燥重量で２．５ｇ秤量し、３０ｍＬ広口ポリエチレン瓶に入れ、２５℃、２４時間静置した後、ポリエチレン瓶をペイントシェイカー（東洋精機製作所製）を用いて５分間振とう撹拌し、摩耗により粒子から脱落した脱落物を、１００ｍｅｓｈ（目開き１５０μｍ）篩にかけて分離回収し、２００℃、１２時間乾燥した際の乾燥後の脱落物重量を以下の式で算出する。
撹拌摩耗度（重量％）＝（脱落物の重量／撹拌前の測定対象粒子の乾燥重量）×１００

［４］前記ストロンチウム含有廃液は、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＭｇイオンから選択される１種以上をさらに含むことを特徴とする、上記［１］～［３］のいずれか１に記載の処理方法。

［５］前記ストロンチウム吸着剤は、充填密度０．９５ｇ／ｃｍ^３以上で吸着塔に充填されており、
前記ストロンチウム含有廃液を当該吸着塔に通水することにより、前記ストロンチウム含有廃液と前記ストロンチウム吸着剤とを接触させることを特徴とする、上記［１］～［４］のいずれか１に記載の処理方法。

本発明は、実際の原子力発電汚染水処理設備での使用形態を鑑みて、ストロンチウム吸着性能と機械的強度、保形性とを同時に支障なく成立させ、吸着に不活性な結合剤を含まず、アルカリ金属を含む層状マンガン酸化物成形体粒子から構成されるストロンチウム吸着剤を用いることで、従来の粉末よりも高い充填密度で吸着塔に充填することが可能であり、従来よりも多い通水量または早い通水速度で廃液の処理が可能となり、結果的により短時間での廃液処理が可能となる。

実施例１で調製した層状マンガン酸化物の粉末Ｘ線回折パターンである。 実施例１で調製した層状マンガン酸化物成形体の走査電子顕微鏡像である。 実施例２で調製した層状マンガン酸化物（試料Ａおよび試料Ｂ）の粉末Ｘ線回折パターンである。 実施例２で調製した層状マンガン酸化物成形体の走査電子顕微鏡像である。 比較例で調製した層状マンガン酸化物成形体の粉末Ｘ線回折パターンである。 比較例で調製した層状マンガン酸化物成形体の走査電子顕微鏡像である。

本発明によれば、無機結合剤および有機成分を含まず、少なくともアルカリ金属を含む層状マンガン酸化物の成形体粒子から構成されており、全粒子の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に分布しており、０．９ｇ／ｃｍ^３以上のかさ密度および１
０００ｍＮ以上５０００ｍＮ以下の下記方法で測定した圧壊強度を有するストロンチウム吸着剤と、ストロンチウム含有廃液と、を接触させることを特徴とするストロンチウム含有廃液の処理方法が提供される。
・圧壊強度の測定方法：
ランダムに取り出した測定対象粒子を、微小圧縮試験機の試料台に置き、ダイヤモンド圧盤を自動的に下げて負荷をかけ、負荷時のダイヤモンド圧盤の変位が最も大きい時点を粒子が崩壊した際の試験力として測定する。２５回の測定結果の平均値を圧壊強度とする。

本発明の処理方法で用いるストロンチウム吸着剤は、無機結合剤および有機成分を含まず、少なくともアルカリ金属を含む層状マンガン酸化物の成形体粒子から構成される。特に、組成式Ａ_ｘＭｎＯ_２（Ａはナトリウムおよびカリウムから選ばれる少なくとも１種以上のアルカリ金属であり、ｘは０．２以上０．６以下の任意の数である）で表される層状マンガン酸化物は、乾燥状態および湿潤状態の結晶格子の大きさに差がなく、通水時の成形体崩壊を抑制可能であることから、ストロンチウム吸着剤として好ましい。中でも、層状マンガン酸化物成形体の乾燥時および湿潤時の格子体積変化を抑制することができ、通水時の成形体保形性を維持可能である点から、アルカリ金属としてはカリウムが好ましい。ｘは、０．２以上０．６以下の任意の数であり、ストロンチウム吸着性能の観点から０．３以上０．５以下であることがより好ましい。なお、酸素の比率は空格子生成などにより若干の変動はあるが、整数値で２とみなせる。また、層状マンガン酸化物成形体を構成する層状マンガン酸化物の層間、または粒子間に水を含んでいてもよい。

また、層状マンガン酸化物成形体の乾燥状態から湿潤状態への格子体積変化を抑制するためには、構成する層状マンガン酸化物の層間距離、すなわち粉末Ｘ線回折測定による（００１）面の面間隔が７．０Å以上７．３Å以下であることが好ましい。この範囲を超えると、乾燥状態から湿潤状態への体積変化で成形体内部に歪を生じ、層状マンガン酸化物成形体が崩壊する可能性がある。層状マンガン酸化物成形体の層間距離は、粉末Ｘ線回折パターンの最低角回折ピークである、六方晶で帰属した場合の（００１）面のピーク位置（角度）を面間隔（Å）に換算することで得られる。

また、層状マンガン酸化物成形体の結晶性が低いほど、ストロンチウム吸着容量は増大する。このため、粉末Ｘ線回折測定において、六方晶で帰属した場合の（００１）面のピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は大きいことが好ましい。具体的には、ＦＷＨＭが０．４°以上３．０°以下が好ましく、さらに好ましくは０．７°以上２．２°以下である。

ストロンチウム吸着剤を構成する層状マンガン酸化物成形体は、上記微小圧縮試験機による測定で１０００ｍＮ以上５０００ｍＮ以下の高い圧壊強度を示すことが特徴である。保形性およびストロンチウム吸着性能の点から、好ましくは２０００ｍＮ以上４０００ｍＮ以下の圧壊強度である。上記微小圧縮試験機による測定で１０００ｍＮ未満の場合は、機械的強度が不十分であり、５０００ｍＮを超える場合は、多孔性を損なうため、ストロンチウム吸着性能が低下する。

ストロンチウム吸着剤は、通水時の成形体粒子の保形性を評価する指標となる撹拌摩耗度が１５ｗｔ％以下であることが好ましい。撹拌摩耗度は、ＪＩＳ－Ｋ－１４６４（工業用乾燥剤の摩耗試験）に準拠して測定することができる。具体的には、以下の方法で測定する。
・撹拌摩耗度の測定方法：
水７．５ｇ、および測定対象粒子を乾燥重量で２．５ｇ秤量し、３０ｍＬ広口ポリエチレン瓶に入れ、２５℃、２４時間静置した後、ポリエチレン瓶をペイントシェイカー（東洋精機製作所製）を用いて５分間振とう撹拌し、摩耗により粒子から脱落した脱落物を、
１００ｍｅｓｈ（目開き１５０μｍ）篩にかけて分離回収し、２００℃、１２時間乾燥した際の乾燥後の脱落物重量を以下の式で算出する。
撹拌摩耗度（重量％）＝（脱落物の重量／撹拌前の測定対象粒子の乾燥重量）×１００

ストロンチウム吸着剤は、無機結合剤および有機成分を含まないことを特徴とする。「無機結合剤および有機成分を含まない」とは、各々の測定手段において検出限界以下であることを意味する。吸着に機能しない無機結合剤や有機成分を含まないことで吸着性能を向上させ、成形体の強度、保形性を維持することができる。無機結合剤として一般的なものとして、ケイ素、アルミニウム、チタン、ジルコニウム成分などのコロイダル粒子、層状または繊維状ケイ酸塩、具体的にはベントナイトやセピオライトなどを列挙することができるが、これらを含まない。さらに、成形体粒子は有機成分を含まないものであり、成形体粒子中の炭素濃度が３０００ｐｐｍ以下であり、各々の測定手段において検出限界以下であることが好ましい。一般的な炭素量測定手段としては、試料の高温燃焼で生成したＣＯまたはＣＯ_２量から逆算することで求めることができる。

本発明のストロンチウム吸着剤は、無機結合剤や有機物増粘剤を含まないため、成形体粒子全てが吸着に機能し、かさ密度も増大させるため、一定体積の吸着塔に対してより多くの重量の吸着剤を充填可能である。さらには、結合剤を使用しないにもかかわらず、層状マンガン酸化物成形体粒子の静電的な凝集のみで強固な機械的強度と通水時の保形性を実現可能である。

本発明のストロンチウム吸着剤を構成する層状マンガン酸化物の成形体粒子は、全粒子の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に存在る粒度分布を有する。粒径が０．２ｍｍ未満の粒子が全粒子の１０ｗｔ％以上である場合、成形体を吸着塔に充填した際に圧力損失が高くなる弊害がある。一方、１．７ｍｍを超える粒子が全粒子の１０％以上である場合、液接触表面積が減少するため、吸着性能が著しく低下する。全粒子の９５ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に分布していることが好ましい。また、全粒子の９０ｗｔ％以上の粒径が０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に分布していることが好ましい。これらは実際の原子力発電所汚染水処理設備の吸着塔に充填することを前提にした粒径である。

本発明のストロンチウム吸着剤を構成する層状マンガン酸化物成形体は、かさ密度０．９ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする。更に好ましくは１．０ｇ／ｃｍ^３以上である。かさ密度が０．９ｇ／ｃｍ^３未満であると、一定体積に充填できる成形体重量が少なくなるため、吸着容量が低下する。

次に、ストロンチウム吸着剤の製造方法について説明する。少なくともマンガンを含む金属塩水溶液、アルカリ金属水溶液および酸化剤をアルカリ金属／マンガンモル比が２以上１０以下、反応液の酸化還元電位が飽和カロメル電極基準で－０．２Ｖ以上０．６Ｖ以下、温度０℃以上１００℃以下で混合して混合水溶液を得て、該混合水溶液中で層状マンガン酸化物を析出させた上で、析出した層状マンガン酸化物をろ過した後に４０℃以上２００℃以下で熱硬化させることで層状マンガン酸化物成形体が得られる。

マンガンを含む金属塩水溶液は、マンガンを含む金属塩を水に溶解させることで調製することができる。マンガンを含む金属塩は、例えば、水溶性の硫酸マンガン（ＩＩ）、塩化マンガン（ＩＩ）、硝酸マンガン（ＩＩ）、酢酸マンガン（ＩＩ）などが挙げられ、無水物であっても水和物であってもよい。これらのうち、硫酸マンガン（ＩＩ）が廃液処理、腐食性、原料コストを考慮した場合、最も好適である。また、マンガンと他の金属イオンとを混合して用いることも可能である。金属塩水溶液中のマンガンなどの全金属の合計濃度（金属濃度）は任意であるが、金属濃度は生産性に影響を及ぼすため、１．０ｍｏｌ
／Ｌ以上が好ましく、２．０ｍｏｌ／Ｌ以上がさらに好ましい。

アルカリ金属水溶液は、アルカリ金属化合物を水に溶解させることで調製することができる。アルカリ金属化合物は、例えば、水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムなどの水酸化アルカリ金属、炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムなどの炭酸アルカリ金属などが水溶性とコストおよびｐＨ調整の点から好適である。また、アルカリ金属水溶液のアルカリ金属濃度は、生産性の観点から１ｍｏｌ／Ｌ以上を例示することができる。アルカリ金属／マンガンモル比は２以上１０以下である。アルカリ金属／マンガンモル比が２未満または１０超過の場合にはストロンチウム吸着能が低い四三酸化マンガン（Ｍｎ_３Ｏ_４）が副生する。ストロンチウム吸着性能の点から、アルカリ金属／マンガンモル比は３以上８以下であることが好ましい。

酸化剤は、例えば、過酸化水素、酸素、空気、ペルオキソ二硫酸塩などが挙げられる。ペルオキソ二硫酸塩としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウム、ペルオキソ二硫酸カリウム、ペルオキソ二硫酸アンモニウムなどが例示できる。このうち原料調達の容易さおよびコストの点で過酸化水素水、酸素又は空気が好ましい。さらに経済上、酸素又は空気が好ましく、空気がより好ましい。空気や酸素などのガスはバブラーなどを用いて混合水溶液中にバブリングさせることで添加する。

酸化剤として酸素または空気を用いた場合、反応液の酸化還元電位を－０．２Ｖ以上０．６Ｖ以下に調整することにより混合水溶液が得られ、該混合水溶液から本発明の層状マンガン酸化物が析出する。当該酸化還元電位範囲を外れると、副生成物として四三酸化マンガン（Ｍｎ_３Ｏ_４）や過マンガン酸塩等が生成する。四三酸化マンガン（Ｍｎ_３Ｏ_４）は、ストロンチウム吸着には不活性であることから、その生成はストロンチウム吸着性能低下につながる。また、同じく当該酸化還元電位範囲を外れると、層状マンガン酸化物成形体の強度が低下する。より好ましい酸化還元電位範囲は飽和カロメル電極基準で－０．１Ｖ以上０．５Ｖ以下である。なお、反応液の酸化還元電位は一般的な標準水素電極を基準とした値であり、市販の酸化還元電位計により求めることができる。酸化還元電位は酸化剤の供給量や反応温度により制御可能である。

マンガンを含む金属塩水溶液、アルカリ金属水溶液および酸化剤を混合する温度は０℃以上１００℃以下である。混合する温度が０℃未満であると酸化反応が進まないとともに反応液が凝固する可能性があり、１００℃を超えると粒子成長が進むことで目的とする緻密な凝集体が得られない。酸化反応が進みやすくなり、層状マンガン酸化物がより析出しやすくなるため、４０℃以上８０℃以下が好ましい。

マンガンを含む金属塩水溶液、アルカリ金属水溶液および酸化剤を混合する際は、バッチ式、連続式反応のどちらでも構わない。混合終了時のｐＨは７以上１４以下であることが好ましく、ｐＨ、反応液の酸化還元電位（ＯＲＰ）はマンガンを含む金属塩又はアルカリ金属水溶液いずれかの投入速度を制御することで適宜調整可能である。

析出した層状マンガン酸化物のろ過方法については、固液分離可能であれば、特に制限はない。工業的にはベルトフィルター、フィルタープレス、加圧ろ過装置、限外ろ過装置などを使用することができる。ろ過時に層状マンガン酸化物の洗浄を行ってもよい。

層状マンガン酸化物成形体を製造する際の熱硬化は、析出物のろ過により得られたろ過ケーキを４０℃以上２００℃以下で乾燥（熱処理）することにより同時に行われる。この熱硬化処理により、溶液中で析出した層間距離９Å以上１０Å以下のブセライト型層状マンガン酸化物は、層間距離７．０Å以上７．３Å以下のバーネサイト型層状マンガン酸化物に変化し、ろ過ケーキの体積収縮（高密度化）と熱硬化が起こる。これは、ろ過ケーキ
をそのままの形状で、あるいは適当に解砕、または成形した後に所定温度および所定時間で乾燥することにより行われる。熱硬化温度は、層状マンガン酸化物成形体の保形性の点から、４０℃以上２００℃以下で行うことができ、成形体の保形性の点から４０℃以上１６０℃以下で行うことが好ましい。熱硬化時間は硬化の進行に従って適宜決定される。また、急速に乾燥した場合、粒子間に空隙を生じやすいため、機械的強度低下につながる。以上のように、温和な乾燥条件にすることで高硬度で高密度な凝集体である粒状成形体が得られるため、適宜、熱硬化条件（ろ過ケーキの乾燥時形状、温度、時間）を制御することにより達成される。ロータリー式乾燥やフラッシュ式乾燥は粒径が０．２ｍｍ未満の粒子を形成しやすく、不適である。

ろ過ケーキを熱硬化させた後に、さらに、必要に応じ、破砕・分級することにより、全粒体の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に分布させることができる。破砕法は特に制限はなく、一般的な破砕機、例えばコーンクラッシャー、ロールクラッシャーなどのクラッシャー式破砕機、カッターミル、スタンプミル、リングミル、ローラーミル、ジェットミル、ハンマーミル、回転ミル（ボールミル）、振動ミルなどのミル式破砕機等により行うことができる。分級法は、乾式分級又は湿式分級のいずれの方法も使用でき、水力分級機、沈降分級機、機械式分級機、気流分級機、重力分級機、サイクロン式分級機、ふるい式分級機等を適宜用いて分級することができる。

本発明の処理方法は、上記ストロンチウム吸着剤と、ストロンチウム含有廃液とを接触させることにより、上記ストロンチウム吸着剤にストロンチウムを選択的に吸着させることができる。上記ストロンチウム吸着剤を用いることにより、従来の層状マンガン酸化物では選択的吸着が困難であったＮａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＭｇイオンから選択される１種以上を含むストロンチウム含有廃液から、ストロンチウムを選択的に吸着することができる。また、上記ストロンチウム吸着剤は、従来の層状マンガン酸化物粉体では困難であった吸着塔への高密度充填および交換も容易に行うことができる。上記ストロンチウム吸着剤を吸着塔に高密度充填することにより、ストロンチウム含有廃液の流通量、ストロンチウム吸着剤との接触面積および接触時間を増大させることができ、結果的に処理時間あたりのストロンチウム吸着量を増大させることができる。具体的には、吸着塔へのストロンチウム吸着剤の充填密度を０．９５ｇ／ｃｍ^３以上、好ましくは１．０ｇ／ｃｍ^３以上とすることが望ましい。従来の吸着剤の充填密度は０．７ｇ／ｃｍ^３程度であることと比較すると、本発明のストロンチウム吸着剤は非常に高い充填密度を実現することができる。充填密度が０．９ｇ／ｃｍ^３未満であると、吸着塔に充填できる成形体重量が少なく、吸着容量が低い。ストロンチウム含有廃液の処理量は、通常ストロンチウム吸着剤の充填密度に比例するが、本発明の処理方法では、上述の通り、ストロンチウム吸着剤との接触面積および接触時間を増大させることができるため、充填密度の比例倍以上の処理量を達成することができる。

以下、実施例および比較例により、本発明を具体的に説明する。実施例および比較例において用いた測定方法は以下のとおりである。

＜元素組成の測定＞
元素組成分析は、誘導結合プラズマ発光分析装置（商品名：ＯＰＴＩＭＡ３０００ＤＶ、ＰＥＲＫＩＮ ＥＬＭＥＲ製）を用い、誘導結合プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により行う。測定溶液は、測定対象粒子を過酸化水素水とフッ化水素酸とで加圧酸溶解により完全に溶解させることで調製する。

＜炭素濃度の測定＞
炭素濃度分析は、全自動元素分析装置（ＰＥ２４００シリーズ２ ＣＨＮＳ／Ｏ Ａｎ
ａｌｙｚｅｒ、パーキンエルマー製）を用いて行う。
測定条件：燃焼温度９５０℃、還元温度６４０℃

＜粉末Ｘ線回折測定＞
粉末Ｘ線回折測定は、粉末Ｘ線回折装置（商品名：Ｕｌｔｉｍａ４、リガク製）を使用して行う。線源にはＣｕＫα線（λ＝１．５４０５Å）を用い、測定モードはステップスキャン、スキャン条件は毎秒０．０４°、計測時間は０．２５秒、測定範囲は２θとして５°～９０°の範囲で測定する。

＜圧壊強度測定＞
圧壊強度は、微小圧縮試験機（商品名：ＭＣＴ－５１０、島津製作所製）を使用して行った。ランダムに取り出した測定対象粒子を試料台に置き、ダイヤモンド圧盤を自動的に下げて負荷をかけ、負荷時のダイヤモンド圧盤の変位が最も大きい時点を粒子が崩壊した際の試験力として測定する。なお、マイクロスコープによる観察から、崩壊以前の、粒子の微細な動きとみられる変位は除外する。この測定を２５個繰り返し、その平均値を成形体の圧壊強度とする。

＜撹拌摩耗度の測定＞
撹拌摩耗度の測定は、米国特許５９２５２８４号公報のＥＸＡＭＰＬＥ ９に準拠して行う。具体的には、水７．５ｇ、および測定対象粒子を乾燥重量で２．５ｇ秤量し、３０ｍＬ広口ポリエチレン瓶に入れ、２５℃、２４時間静置した後、ポリエチレン瓶を、ペイントシェイカー（東洋精機製作所製）を用いて５分間振とう撹拌し、摩耗により粒子から脱落した脱落物を、１００ｍｅｓｈ（目開き１５０μｍ）篩にかけることで分離回収し、２００℃、１２時間乾燥した際の乾燥後の脱落物重量を以下の式で算出する。
撹拌摩耗度（重量％）＝（脱落物の重量／撹拌前の測定対象粒子の乾燥重量）×１００

＜かさ密度の測定＞
粒度を０．３ｍｍ～０．６ｍｍに分級した測定対象粒子を乾燥重量で５ｇ秤量し、自然落下によりメスシリンダー内に収め、メスシリンダー目盛で体積を読みとり、以下の式によりかさ密度を算出する。
かさ密度＝Ｗ／Ｖ（ｇ／ｃｍ^３）
Ｗ：測定対象粒子の乾燥重量（ｇ）
Ｖ：メスシリンダーの読み取り値（ｃｍ^３）

＜粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に相当する粒体重量分率の測定方法＞
測定対象粒子を目開き１．７ｍｍ（１０メッシュ）および目開き０．２１ｍｍ（７０メッシュ）の金属製ふるいに通して分級する。０．２ｍｍから１．７ｍｍの粒径に相当する粒体重量分率は、目開き１．７ｍｍのふるい上および目開き０．２１ｍｍのふるい下の粒体の重量Ａを全粒体の重量Ｂを用いて以下の式で求める。
粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に相当する粒体重量分率（％）＝１００×（Ｂ－Ａ）／Ｂ

＜ストロンチウム吸着試験＞
汚染海水を模擬し、塩化ナトリウム、塩化ストロンチウム６水和物、塩化カルシウム、塩化マグネシウム６水和物、塩化セシウムの試薬を所定量秤量し純水で希釈することにより、ＮａＣｌ：０．３％、Ｃａ^２＋：５ｐｐｍ、Ｍｇ^２＋：２ｐｐｍ、Ｓｒ^２＋：５ｐｐｍ、Ｃｓ：１ｐｐｍである模擬海水を調製した。
測定対象粒子を３０分水に浸漬させ空気抜きを行った後、高さ１２ｃｍ×内径８ｍｍの吸着塔（カラム）に５ｍＬ充填して充填層の高さを１０ｃｍとし、１時間純水を１００ｍＬ／ｈｒの速度で通液させた後、カラム温度を３０℃に保持しながら、模擬海水をカラム
に１００ｍＬ／ｈｒの速度で通液させ続け、以後２４時間毎に１００ｍＬずつカラムに通液させて、カラム底部から流出する処理液のサンプリングを行った。
処理液中のストロンチウム濃度測定は、誘導結合プラズマ発光分析装置（商品名：ＯＰＴＩＭＡ３０００ＤＶ、ＰＥＲＫＩＮ ＥＬＭＥＲ社製）を用いて、誘導結合プラズマ発光分析法（ＩＣＰ法）により行った。
吸着試験を行う前の模擬海水のストロンチウム濃度をＣ_０（ｍｇ／Ｌ）、処理液のストロンチウム濃度をＣ（ｍｇ／Ｌ）とし、Ｃ／Ｃ_０を模擬海水通液開始からサンプリング時刻までの単位吸着剤体積あたりの総模擬海水通液量（以下、「Ｂ．Ｖ．」とする）に対してプロットし、Ｃ／Ｃ_０＝０．１となるまでのＢ．Ｖ．（以下、「破過Ｂ．Ｖ．」とする）を求めた。

［実施例１］
内容積１Ｌの反応容器に純水３００ｇを収め、これを４０℃まで昇温、維持した。別に、硫酸マンガンを純水に溶解し、０．８２ｍｏｌ／Ｌの硫酸マンガンを含む金属塩水溶液を調製した。当該金属塩水溶液を供給速度１０ｇ／ｍｉｎで反応容器に添加した。同時に、酸化剤として３５％過酸化水素水を供給速度５．４ｇ／ｍｉｎで反応容器中に添加した。金属塩水溶液および３５％過酸化水素水を供給した際のＫ／Ｍｎモル比は４．７であった。また、酸化還元電位が飽和カロメル電極基準で－０．０５５Ｖとなるように、５ｍｏｌ／Ｌの水酸化カリウム水溶液（アルカリ金属水溶液）を連続的に３０分添加した。上記操作により層状マンガン酸化物が析出したスラリーを得た。得られたスラリーをろ過し、純水で洗浄した後、洗浄後のウェットケーキを６０℃で５時間乾燥して熱硬化させることで、層状マンガン酸化物（Ｋ_０．３４ＭｎＯ_２）の塊状凝集物を得た。塊状凝集物をアルミナ製乳鉢と乳棒でタッピングすることで解砕した。その後、目開き０．６ｍｍのメッシュを通し、目開き０．３ｍｍのメッシュの上に残ったものを採取することで、０．３ｍｍ～０．６ｍｍに分級し、ストロンチウム吸着剤を得た。

得られたストロンチウム吸着剤は、粉末Ｘ線回折の測定により層状結晶構造を有することがわかり、層間にカリウムイオンが存在するバーネサイト型の結晶構造に由来する回折パターンと一致した。層間距離は７．１８Å、（００１）面（六方晶に帰属したときの００１ピーク）のＦＷＨＭは１．５０°であった。元素組成の測定によるＫ／Ｍｎモル比は０．３４であった。

得られたストロンチウム吸着剤のかさ密度は１．３９２ｇ／ｃｍ^３であり、圧壊強度は２３３９ｍＮ、撹拌摩耗度は２．１５ｗｔ％であった。なお、撹拌摩耗度の測定前後におけるストロンチウム吸着剤を構成する成形体粒子の形状変化はなかった。また、ストロンチウム吸着剤のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ濃度はＩＣＰ測定の結果、検出限界以下、炭素濃度は検出限界以下（３０００ｐｐｍ以下）であった。また、ストロンチウム吸着試験における吸着剤の充填密度は１．３５ｇ／ｃｍ^３であり、Ｃ／Ｃ_０＝０．１となるまでの破過Ｂ．Ｖ．値は４６００であった。

上記測定結果を表１に示し、粉末Ｘ線回折パターンを図１に示し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を図２に示す。

［実施例２］
６００ｍｌメスフラスコに、硝酸マンガン六水和物（関東化学特級、９８％）５２．８３ｇを少量の純水に溶解させ、次いで０．３ｍｏｌ／ｌ濃度となるように純水を注いで、６００ｍｌにメスアップすることで硝酸マンガン水溶液を調製した。別の６００ｍｌメスフラスコに、水酸化カリウム（ＫＯＨ）４７．６１ｇを少量の水に溶解させ、次いで過酸化水素水（Ｈ_２Ｏ_２、３５％）５１．６０ｍｌを加え、純水を注いで６００ｍｌにメスアップすることで（Ｈ_２Ｏ_２＋ＫＯＨ）水溶液を調製した。この際のＫＯＨ濃度は１．２ｍ
ｏｌ／ｌ、Ｈ_２Ｏ_２濃度は１．０ｍｏｌ／ｌであった。

６００ｍｌの硝酸マンガン水溶液を２０００ｍＬのビーカーに移し、マグネティックスターラーを用いて撹拌しながら、（Ｈ_２Ｏ_２＋ＫＯＨ）水溶液６００ｍｌをゆっくりと加えた。１０分間撹拌した後、撹拌を止めて１時間静置した後、得られた固体をろ紙を用いて減圧ろ過し、３０００ｍｌの水で洗浄を行った。その後、当該ろ紙を乾燥機に入れ、６０℃で１日間乾燥させることにより、熱硬化させた。乾燥物は光沢を帯びた塊状凝集物であり、収量は２１．１２ｇであった。

当該塊状凝集物をアルミナ乳鉢に入れ、乳棒で解砕した。解砕後の破砕片を開き０．６ｍｍのメッシュを通し、目開き０．３ｍｍのメッシュの上に残ったものを採取することで、０．３ｍｍ～０．６ｍｍに分級し、ストロンチウム吸着剤を得た。

また、ろ過洗浄後、得られた湿潤試料Ａおよび６０℃で一日間熱硬化した試料Ｂの粉末Ｘ線回折パターンを図３に示す。試料Ａは層間距離約９．４Åのブセライト、試料Ｂは層間距離約７．１Åのバーネサイトに帰属できる。また、（００１）面のピークのＦＷＨＭは０．８２８°であった。したがって、硝酸マンガン、過酸化水素水、ＫＯＨ混合水溶液中で析出させる工程においては、析出物質は層間距離９Å以上１０Å未満のブセライトであって、熱硬化過程で層間距離約７Åのバーネサイトに変化することが確認された。

得られたストロンチウム吸着剤のかさ密度は１．１９ｇ／ｃｍ^３であり、圧壊強度は３４２６ｍＮ、撹拌摩耗度は２．８７ｗｔ％であった。なお、撹拌摩耗度の測定前後におけるストロンチウム吸着剤を構成する成形体粒子の形状変化はなかった。また、ストロンチウム吸着剤のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ濃度はＩＣＰ測定の結果、検出限界以下であり、炭素濃度は検出限界以下（３０００ｐｐｍ以下）であった。また、ストロンチウム吸着試験における吸着剤の充填密度は１．３５ｇ／ｃｍ^３であり、破過Ｂ．Ｖ．値は５１０５であった。

上記測定結果を表１に示し、ＳＥＭ像を図４に示す。

［比較例］
炭酸カリウム（特級試薬、キシダ化学製）と炭酸マンガン（Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ Ｄｏｎｇｄｕ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．製）をＫ／Ｍｎモル比１．０となるよう秤量して、乾式ボールミル混合を行い、混合粉をマッフル炉で空気流通下３００℃、１２時間、次いで４００℃で６時間焼成を行った。該焼成品を５倍量の水にて水洗ろ過し、６０℃にて一晩乾燥し、乾式粉砕機（フォースミル、大阪ケミカル製）にて粗粒を粉砕し、カリウム型層状マンガン酸化物を得た。得られたカリウム型層状マンガン酸化物は、粉末Ｘ線回折の測定により層状結晶構造を有することがわかり、層間にカリウムイオンが存在するバーネサイト型の結晶構造に由来する回折パターンと一致した。層間距離は７．１４Å、六方晶に帰属したときの（００１）面ピークのＦＷＨＭは０．５７７°、元素組成から求めたＫ／Ｍｎモル比は０．３０７であった。

次に、得られたカリウム型層状マンガン酸化物、シリカゾル、及び、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を以下の重量割合となるように混合し、混合物を得た。
カリウム型層状マンガン酸化物：１００重量部
シリカゾル中のシリカ：１６重量部
水：３６重量部
ＣＭＣ：５重量部

無機結合剤としてのシリカゾルは、ゾル濃度４８ｗｔ％およびゾル中のシリカ粒子の平
均粒子径（平均ゾル粒径）０．０２μｍのシリカゾル（商品名：スノーテックス５０－Ｔ、日産化学工業製）を使用した。また、成形助剤としてＣＭＣ（商品名：セロゲンＷＳ－Ｄ、第一工業製薬製）を使用した。

得られた混合物をヘンシェルミキサーで２０分間混合した後、押出し成形して、直径１．５ｍｍの円柱状の成形体を得た。得られた成形体を２５ｌ／ｍｉｎの空気流通下で、５００℃、３時間焼成した後、解砕し、開き０．６ｍｍのメッシュを通し、目開き０．３ｍｍのメッシュの上に残ったものを採取することで、０．３ｍｍ～０．６ｍｍに分級し、層状マンガン酸化物成形体を得た。

得られた層状マンガン酸化物成形体のかさ密度は０．７７ｇ／ｃｍ^３であり、圧壊強度は４８３ｍＮ、撹拌摩耗度は３１ｗｔ％であった。なお、撹拌摩耗度の測定前後における層状マンガン酸化物成形体の形状変化はなかった。また、成形体のＳｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ濃度はＩＣＰ測定の結果、Ｓｉが６．４ｗｔ％となった。炭素濃度は検出限界以下（３０００ｐｐｍ以下）であった。また、ストロンチウム吸着試験における吸着剤の充填密度は０．９４ｇ／ｃｍ^３であり、破過Ｂ．Ｖ．値は２５６０であった。

上記測定結果を表１に示し、粉末Ｘ線回折パターンを図５に示し、ＳＥＭ像を図６に示す。

無機結合剤および有機成分を含まず、少なくともアルカリ金属を含む層状マンガン酸化物の成形体粒子から構成されており、全粒子の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に分布しており、０．９ｇ／ｃｍ^３以上のかさ密度および１０００ｍＮ以上５０００ｍＮ以下の圧壊強度を有する実施例１および２のストロンチウム吸着剤は、吸着塔への充填密度が１．３５ｇ／ｃｍ^３と高く、破過Ｂ．Ｖ．が４５００以上と優れたストロンチウム吸着性能を示す。一方、無機結合剤を含み、０．７７１ｇ／ｃｍ^３のかさ密度および４８３ｍＮの圧壊強度を有する比較例の層状マンガン酸化物成形体は吸着塔への充填密度が０．９４ｇ／ｃｍ^３と低く、破過Ｂ．Ｖ．が２５６０であった。以上より、本発明のストロンチウム吸着剤の選択的ストロンチウム吸着性能の優位性が確認される。

Claims (4)

1. 無機結合剤および有機成分を含まず、少なくともアルカリ金属を含む層状マンガン酸化物の成形体粒子から構成されており、全粒子の９０ｗｔ％以上が粒径０．２ｍｍ以上１．７ｍｍ以下に分布しており、０．９ｇ／ｃｍ^３以上のかさ密度および１０００ｍＮ以上５０００ｍＮ以下の下記方法で測定した圧壊強度を有し、Ａ _ｘ ＭｎＯ _２ （Ａはナトリウムおよびカリウムから選ばれる１種以上のアルカリ金属であり、ｘは０．２以上０．６以下の任意の数である）で表される組成を有し、粉末Ｘ線回折測定による（００１）面の面間隔が７．０Å以上７．３Å以下であり、（００１）面のピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）が０．４゜以上３．０゜以下であるストロンチウム吸着剤と、ストロンチウム含有廃液と、を接触させることを特徴とするストロンチウム含有廃液の処理方法。
   ・圧壊強度の測定方法：
   ランダムに取り出した測定対象粒子を、微小圧縮試験機の試料台に置き、ダイヤモンド圧盤を自動的に下げて負荷をかけ、負荷時のダイヤモンド圧盤の変位が最も大きい時点を粒子が崩壊した際の試験力として測定する。２５回の測定結果の平均値を圧壊強度とする。
2. 前記ストロンチウム吸着剤は、下記方法で測定した撹拌摩耗度が１５ｗｔ％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の処理方法。
   ・撹拌摩耗度の測定方法：
   水７．５ｇ、および測定対象粒子を乾燥重量で２．５ｇ秤量し、３０ｍＬ広口ポリエチレン瓶に入れ、２５℃、２４時間静置した後、ポリエチレン瓶をペイントシェイカー（東洋精機製作所製）を用いて５分間振とう撹拌し、摩耗により粒子から脱落した脱落物を、１００ｍｅｓｈ（目開き１５０μｍ）篩にかけて分離回収し、２００℃、１２時間乾燥した際の乾燥後の脱落物重量を以下の式で算出する。
   撹拌摩耗度（重量％）＝（脱落物の重量／撹拌前の測定対象粒子の乾燥重量）×１００
3. 前記ストロンチウム含有廃液は、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＭｇイオンから選択される１種以上をさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の処理方法。
4. 前記ストロンチウム吸着剤は、充填密度０．９５ｇ／ｃｍ^３以上で吸着塔に充填されており、
   前記ストロンチウム含有廃液を当該吸着塔に通水することにより、前記ストロンチウム含有廃液と前記ストロンチウム吸着剤とを接触させることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１に記載の処理方法。