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Toru Kawamoto，研究组组长，Hisashi Tanaka，首席研究员，杜尔加·帕拉茹利AIST特别研究人员开发了一种从土壤中提取铯到低浓度酸性水溶液中的技术。提取铯普鲁士蓝使用纳米颗粒吸附剂进行收集有望减少放射性废物的总量。
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，各地放射性铯已经检测到，挑战之一是如何处理大量受污染的土壤。众所周知，可以使用高浓度酸从土壤中提取放射性铯，但存在许多问题，包括处理困难、用吸附剂回收提取的放射性铯效率低、酸重复使用困难且成本高。
这次，通过增加所用酸性水溶液与土壤重量的重量比（固液比）并在200摄氏度的高温下处理，可以将大部分铯离子提取到低浓度酸性水溶液中。此外，他们使用重量为土壤1/150的普鲁士蓝纳米颗粒吸附剂成功回收了提取的铯离子。他们还发现，通过将从土壤中提取与使用吸附剂回收相结合，可以实现更有效的提取。未来，我们计划征集合作伙伴公司并进行示范测试。
 |
|
图：使用普鲁士蓝纳米颗粒吸附剂从土壤中提取铯离子并回收铯离子的示意图（左）。从土壤中提取铯离子的速率与温度的关系（右）。
|
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，但据认为会造成长期问题的两种类型是半衰期约为2年的铯134和半衰期约为30年的铯137。使这些物质无害化是很困难的，对策包括从生活环境中除去放射性铯并将其控制在受控区域。
目前，土壤受到放射性铯污染净化一种可能的方法是去除含有高浓度放射性铯的表土，但需要处理的土壤量将非常大。 2011年6月，独立行政机构国家农业和食品研究组织进行的农田表土去除试验中，处理7英亩农田产生了50吨废土。福岛第一核电站周边纳入警戒区、计划疏散区、紧急疏散准备区的12个市町村的农业用地面积为26万公顷，简单计算就意味着将产生1800万吨以上的废土。在一个管理区内容纳如此大量的废土是不现实的。为了减少废弃土壤的量，已经提出了一种方法，其中仅提取并从土壤中去除被认为吸收大量放射性铯的小粒径粘土矿物。然而，存在诸如在粘土含量高的土壤中减量效果低等问题。
通过从去除的土壤和粘土颗粒中解吸放射性铯并用吸附剂吸附和浓缩，可以更有效地减少放射性废物。此外，如果可以从废土中解吸铯离子，并且在处置时可以将放射性铯浓度降低到各种标准以下，则可以使用简单的处理方法，并且有望显着降低处理成本。作为从土壤中解吸放射性铯的方法，已知使用6mol/L浓硝酸或浓盐酸并将其加热至约90℃，可以从土壤中提取约90%的放射性铯。然而，浓硝酸和浓盐酸处理起来很困难，包括容器的选择，而且还存在成本问题，比如大量的酸浸入土壤中，导致酸性水溶液无法重复利用。此外，已知铯吸附剂吸附提取的铯离子的能力在高浓度的酸性水溶液中通常会降低。为此，需要一种能够使用低浓度酸性水溶液容易地从土壤中提取放射性铯的方法。
2011年3月，东京电力福岛第一核电站发生放射性物质泄漏事故后，日本产业技术协会立即开始研究和制定对策。针对土壤污染，我们一直致力于从土壤中提取放射性铯技术的开发和铯吸附材料的开发。
关于铯吸附剂的开发，我们使用称为普鲁士蓝的颜料开发了一组可用于各种环境的吸附剂（2011 年 8 月 24 日 AIST 新闻稿）。这次，我们开发了一种使用低浓度酸性水溶液从土壤中提取铯的技术，并将其与铯吸附剂相结合，建立了提取-回收系统。
该研究开发的一部分是在2011年度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设立”下进行的。
图1显示了使用低浓度酸性水溶液从土壤中提取和回收放射性铯系统的示意图。用低浓度酸性水溶液洗涤土壤，以将铯离子释放到酸性水溶液中。使用普鲁士蓝纳米颗粒（铯吸附剂）回收提取到酸性水溶液中的铯离子。由于酸性水溶液浓度较低，可重复用于土壤冲洗（图1左）。此外，通过连接这两个过程，还可以连续处理（图1右）。
 |
|
图1从土壤中提取放射性铯并回收系统示意图。 （左）间歇式，（右）连续式。
|
为了实现该系统，我们首先研究了从土壤中有效提取铯离子，发现通过增加所用酸性水溶液与土壤重量的重量比（以下简称“固液比”），即使在低酸浓度下也可以有效提取铯离子，并且当将酸性水溶液加热到更高温度时，提取效率会变得更高。虽然酸水溶液的量随着固液比的增加而增加，但由于酸的浓度较低，所以酸水溶液可以重复使用，并且使用的总量可以很小。
由于人们普遍认为放射性铯和非放射性铯的化学行为相似，因此我们决定评估从土壤中提取到酸性水溶液中的非放射性铯的量。使用的土壤样品是从福岛县饭馆村（被指定为计划疏散区域）的田野采集的未受污染的土壤（底土、棕色森林土壤）。通过完全分解土壤并测量溶液中的铯离子浓度，估计土壤中含有的非放射性铯总量为23±03 ppm。下面所示的铯离子提取量作为铯离子提取量与该铯离子浓度23ppm的比率来计算。
图2显示了通过提高固液比提取的铯离子量的增加。这显示了使用05mol/L稀硝酸时提取的铯离子量对固液比的依赖性。可以看出，即使酸浓度恒定，提高固液比也能显着提高铯离子的萃取率。通过这个过程，例如12000贝克雷尔 (Bq)/kg土壤可降至5000 Bq/kg以下，这是当前限制种植的标准值。另外，通过使用硫酸作为所使用的酸，能够提取更多的铯离子。当使用05 mol/L稀硫酸时，在固液比200、95℃、静置45分钟的条件下，可萃取约88%的铯离子。然而，在实践中，需要考虑系统要求（例如容器的耐用性）来决定使用硝酸还是硫酸。
 |
|
图2 将饭馆村土壤与05mol/L稀硝酸混合并在95℃下放置45分钟时提取的铯离子量的固液比依赖性
|
通过进一步提高处理温度，几乎可以100%提取铯离子。水的沸点为 100 °C，但通过在压力容器中加热，可以在更高的温度下对其进行处理。图3显示了当相同的土壤和05mol/L稀硝酸以固液比为200混合萃取时，铯离子萃取量的温度依赖性。在200℃时，铯离子几乎完全萃取出来。提取率超过100%的原因被认为是土壤中铯离子量变化引起的误差。
 |
|
图3 将饭馆村土壤与05mol/L稀硝酸以固液比200混合并静置45分钟时提取的铯离子量的温度依赖性
|
如表1所示，使用普鲁士蓝纳米粒子，可以从通过将硝酸铯溶解在酸性水溶液中制备的铯溶液以及从通过从土壤中提取铯离子获得的溶液中回收几乎100%的铯离子。当使用高浓度的酸时，大量的氢离子、土壤中的其他离子以及有机物被萃取，降低了铯吸附剂的吸附能力。然而，通过使用低浓度的酸水溶液，可以毫无问题地回收铯。称为吸附效率的指标分配系数获得了约 890,000 mL/g 的高值。在用05mol/L硝酸水溶液萃取铯离子的溶液中。这被称为铯吸附剂沸石时更高的恢复效率用于从无酸铯水溶液中吸附铯。另一方面，用5mol/L硝酸和硫酸水溶液提取铯离子的溶液具有200至3000mL/g的低值。此外，本实验中使用的普鲁士蓝纳米粒子的量是提取铯离子的土壤量的1/150，这表明可以将放射性废物的量减少到1/150。理论上可以降低到1/100,000以下。
此外，尽管在铯离子回收后的酸性水溶液中观察到酸浓度略有下降，但当再次用于新鲜土壤洗涤时，可以毫无问题地使用。因此，期望通过简单调节酸浓度即可重复使用酸性水溶液。
|
表1 使用普鲁士蓝纳米颗粒从酸性水溶液中萃取铯离子的测试结果。
“硫酸”和“硝酸”是溶解在05 mol/L 酸性水溶液中的硝酸铯。
“硫酸（土）”和“硝酸（土）”是从土壤中提取铯离子的溶液。
|
 |
15505_15655专栏(固液比175)。流水9小时后，提取率达到305%的稳定水平。这里，将酸性水溶液通过填充有不溶性普鲁士蓝纳米晶体的柱子，几乎100%地从酸性水溶液中去除铯，然后再次将水通过填充有土壤的柱子，萃取率提高到401%。这表明，通过增加固液比、高温处理以及在工艺中使用吸附剂去除铯离子，可以更有效地从土壤中提取铯。
继续优化处理温度、酸浓度等技术改进，进一步减少普鲁士蓝相对土壤用量的用量。此外，为了利用该技术对福岛县等地区的污染土壤进行净化处理，我们希望寻求各种合作公司，并进行示范测试以实现实际应用。此外，我们将研究使用常用于土壤净化的加热蒸汽的高效铯离子解吸，并考虑将其不仅用于土壤净化，还用于污泥和焚烧灰等其他污染物的净化。