福島第一原発事故により放出された放射性物質で汚染された、ごみの焼却灰や下水汚泥のうち、放射性セシウム濃度が1kg当たり8000 Bqを超えるものは指定廃棄物として、現在は各地のごみ処理施設や下水処理場に保管されています。そのうち、下水汚泥などを処理した焼却灰(以下「汚泥焼却灰」という)は、1300℃以上の高温での焼却や、有機酸や硝酸などの酸溶液で溶解するなど、様々な方法で適切に処理するための検討がされています。
これらの処理方法のうち、酸溶液で溶解する方法は、汚泥焼却灰に含まれる放射性セシウムが酸溶液になかなか溶け出さないため、放射性セシウムの回収率が低いことが課題となっています。
汚泥焼却灰(図1)中の放射性セシウムは、その元素濃度が極めて低く、化学状態を直接分析することができません。そこで当研究グループは、汚泥焼却灰に含まれる放射性セシウムを保持している物質を明らかにするために、異なる酸溶液の溶解特性に着目しました。有機酸や無機酸など、様々な酸溶液の種類と濃度を変えて溶解試験を行い、溶出する放射性セシウムと鉄などの元素濃度を測定して、それらの関係を調べました。
その結果、汚泥焼却灰は、鉄を含む粒子や、リン酸カルシウム及びケイ酸塩鉱物などで構成され、放射性セシウムの大部分が鉄酸化物に保持されていることを解明しました(図2)。また、溶解試験で用いた酸溶液には約70%の放射性セシウムが溶出しましたが、溶出しなかった放射性セシウムの20%以上は、難溶解性の物質内に保持されていることも分かりました。
次に、その難溶解性物質の正体を明らかにするために、溶解残渣(さ)物を電子顕微鏡で分析したところ、鉄を含む粒子がケイ酸塩に覆われているため、溶解しないことが分かりました(図3)。そこで、この粒子を細かく粉砕することで、鉄含有粒子が表面に現れ、放射性セシウムが鉄酸化物となってさらに溶出するのではないかと考え、汚泥焼却灰を機械により粉砕する方法を試みました。
その結果、汚泥焼却灰の粉砕時間を長くするほど、放射性セシウムが溶出する割合が増加し(図4)、最終的には、粒子を数百ナノメートルレベルの細かさにまで粉砕した汚泥焼却灰からは、90%以上の放射性セシウムを溶出することに成功しました。なお、溶出した溶液中には鉄、カルシウムやリン酸が溶けていました。また、溶解せずに残った残渣物を60℃の模擬海水や純水に長時間浸漬しても、放射性セシウムは全く溶出しませんでした。
汚泥焼却灰を細粒子化して塩酸で溶解し、鉄酸化物として放射性セシウムをできるだけ多く溶出させることは、残渣物(図5の残渣A)中の放射性セシウムを、指定廃棄物の濃度以下にまで減少させることになります。また、溶出した溶液のpHを中性にして沈殿させた、鉄及びカルシウムリン酸塩(図5の沈殿B)には放射性セシウムは含まれず、沈殿物中の放射性セシウム濃度を、廃棄物を安全に再利用できる基準である100Bq/kg以下にすることが可能です。そして溶液に残った放射性セシウムを、陽イオン交換材で回収することができます。
今回の研究結果は、このような方法を確立することにより、指定廃棄物である汚泥焼却灰を1kg当たり8000 Bqの基準濃度以下にして処理することや、大幅に減容させることを可能にするものです。
今後は、今回の知見に基づき、民間企業や各研究機関などと協力して、細粒化プロセスによる汚泥焼却灰の処理システムの開発に取り組んでいきたいと考えています。