独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米系统研究部[研究部主任八濑清]绿色技术研究组组长河本彻、高级研究员田中久、日本产业技术研究院（以下简称“关东化学”）特别研究员北岛明子，廉价颜料普鲁士蓝，我们开发了各种可用于各种目的的铯吸附剂。
2011 年 3 月 11 日东北太平洋海岸地震期间，东京电力福岛第一核电站发生事故，各地放射性铯已检测到。放射性铯的回收需要一种选择性吸附铯的吸附剂，并且可以多种形式使用。通过适当地使用AIST最初开发的普鲁士蓝纳米颗粒和市售的普鲁士蓝，我们开发了各种铯吸附剂，根据用途可以以布状、液体状或珠状形式使用。这些铯吸附剂预计将有助于去除环境中的放射性铯，例如受污染的水和土壤。
该成果的一部分将于 2011 年 8 月 24 日用于国家农业食品研究机构的“福岛县饭馆村当地稻田的农业土壤等放射性物质去除技术开发系列试验”。
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图：使用普鲁士蓝的各种铯吸附剂 |
2011年3月11日，伴随东北太平洋海岸地震，东京电力公司福岛第一核电站发生放射性物质泄漏事故，大量放射性物质释放到环境中，已成为重大社会问题。释放的放射性物质主要是碘131、铯134、铯137。然而，碘131半条命虽然短至8天，但两种类型的铯134被认为会造成长期问题：半衰期约为2年的铯134和半衰期约为30年的铯137。人为地使这些物质无害化是很困难的，对策需要采取诸如从生活环境中除去放射性铯并将其限制在受控区域等方法。在这种情况下，能够选择性地吸收放射性铯的吸附剂就很重要。
另外，由于放射性铯分散在环境中的各个地方，因此取决于目标净化的方法是不同的。例如，为了净化含有放射性铯的污染水，可以通过使水通过填充有吸附放射性铯的吸附剂的柱来从水中除去放射性铯。当放射性铯的浓度较高时，期望使用不含对辐射敏感的有机高分子材料的吸附剂，但当放射性铯的浓度较低时，期望使用吸附后能够减小其体积的吸附剂。另一方面，为了防止农作物吸收放射性铯，可以考虑的一种方法是在农田上喷洒铯吸附剂来吸附放射性铯。在这种情况下，为了增加土壤和铯吸附剂之间的接触面积，需要将更细的颗粒分散在水中并喷洒它们。如上所述，放射性铯对策所需的吸附剂有多种形式。
作为铯吸附剂沸石等天然矿物质之外，还有一种称为普鲁士蓝的颜料。普鲁士蓝具有铯吸附容量高、成本低的特点，并且可以通过金属替代进一步提高吸附容量。
产业技术研究院从2005年左右开始，利用普鲁士蓝开发功能性材料和器件。其中，我们还开发了从核电站排出的放射性废液中回收放射性铯的系统。特别是，我们一直致力于将普鲁士蓝和普鲁士蓝类似物制成纳米颗粒并开发使用它们的设备。
自2011年3月起，作为放射性铯的对策，我们与大日精化和关东化学一起开始开发使用普鲁士蓝的各种铯吸附剂。此外，作为2011年科学技术战略推进基金“放射性物质环境影响对策基金会”的一部分，我们正在参与开发作为铯净化方法的农业用地净化技术。作为该项目的一部分，我们负责开发各种吸附剂，这些吸附剂与铯吸附剂相比，普鲁士蓝具有优越的加工性和即时采购性，例如沸石。该研究和开发的一部分是在该项目中进行的。
这次，我们适当地使用两种普鲁士蓝材料，开发了各种形式的铯吸附剂。其中一种材料是普鲁士蓝纳米颗粒，由 AIST 开发。普通的普鲁士蓝材料不溶于水，但由于这些纳米颗粒分散在水中，因此它们可以用作分散液并用于多种其他用途，例如为织物着色。此外，由于颗粒尺寸小，约为10纳米(nm)，并且具有大的比表面积，因此可以预期高吸附效率。关东化学也在考虑量产。另一种是大日精化公司生产的“Konsei”。这也具有与普鲁士蓝相同的基本晶体结构，并且具有铯吸附功能。海军蓝每年产量约2500吨，因此可以立即大量使用。它也已被用作土壤喷洒的草坪着色剂。图1和表1展示了本次开发的各种铯吸附剂及其特性和应用的概述。
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图1 使用普鲁士蓝制成的各种铯吸附剂 |
表1各种铯吸附剂的特性和用途 |
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下面将详细解释每种吸附剂的特性。
1。无机珠
通过对海军蓝和氧化物等无机材料进行捏合和加热，我们开发出了不含有机材料的珠子。预期用途是通过填充净水器、柱等并使水通过其中来吸附铯。虽然树脂等有机聚合物材料通常被认为具有低耐辐射性，但预计具有高耐辐射性的无机珠有望应用于高度污染的水。
2。彩色棉布
通过用纳米粒子分散液对棉布进行着色并干燥，我们制造出了具有铯吸附功能的棉布。由于普鲁士蓝纳米颗粒附着在棉表面，功能性普鲁士蓝的比例很高，预计它们会高速吸附铯。此外，由于棉花是可燃材料，通过将放射性铯吸附到普鲁士蓝上，然后通过焚烧除去棉花，仅留下普鲁士蓝，可以显着减少放射性废物。与沸石等粒状吸附剂不同，它可以作为水过滤器轻松安装在水道中。
3。无纺布
通过在无纺布生产过程中将海军蓝混炼到材料中，我们制造出了具有铯吸附功能的无纺布。无纺布具有较大的内部孔隙，有望用于水道和通风等过滤应用。与彩色棉布不同，与颗粒状吸附剂不同，它易于安装在水道中。
4。纳米粒子分散体
普鲁士蓝纳米粒子分散液的粒径比普鲁士蓝更小，因此有望具有更大的比表面积和更高的吸附功能。还可用作生产吸附剂的原料，如上述彩色棉布的着色剂。此外，还可用于混凝沉淀法去除水溶性铯。
5。海军蓝分散体
以使用海军蓝的草坪涂料为基础，通过调整原料，制成了用于铯吸附的海军蓝分散液。目前正在福岛县天荣村对该分散剂进行测试，将其喷洒在田野、稻田等处，目的是抑制农作物对放射性铯的吸收。也可在混凝沉淀法去污时添加，用于沉淀水溶性铯。
通常，作为从铯水溶液中吸附铯的能力的标准，分配系数(Kd)尽管与彩色棉布或无纺布等其他材料加工成复合材料时的 Kd 较低，但本次开发的所有铯吸附剂的 Kd 均约为 10,000 mL/g 或更高。这与未加工的沸石的性能相当。特别是，由于纳米粒子分散液未加工成复合材料，因此有时表现出Kd超过1,700,000mL/g。
另外，对于彩色棉布，通过填充柱并通过其中溶解有非放射性铯离子的模拟河水来评价柱形式的吸附能力。图2显示了铯离子浓度为58 ppm（是正常河流浓度的1000倍以上）的模拟河水通过181 g彩色棉布时的结果。这种彩色棉织物能够很大程度上吸附铯离子，直到通过它的水量超过1100毫升，将浓度降低到水流前的约1/1000。 181克彩棉布吸附的铯离子量为64毫克，如果全部铯离子都是铯137，则为20吉贝克勒尔河水中的放射性物质已被去除。
此次开发的一些吸附剂已经投入使用或计划用于各种示范测试。这种深蓝色分散液已经喷洒在福岛县天荣村的稻田和田野上，目的是抑制农作物对放射性铯的吸收，计划等待农作物收割后再评估其效果。彩色棉布和无纺布预定于2011年8月24日在国家农业食品研究机构的“福岛县饭馆村稻田农田土壤放射性物质去除技术开发系列试验”中使用。
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图2 当模拟含有铯的河水通过填充有彩色棉布的柱子时
水流后的铯浓度与水流前的铯浓度之比（透过率） |
我们计划对我们开发的各种吸附剂进行示范测试，并与相关公司合作，建立一个可以大规模部署的系统。