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 Kiyoshi Yase] 绿色技术研究小组 Toru Kawamoto，研究小组组长，Hisashi Tanaka，首席研究员，Ken Takahashi，研究员，杜尔加·帕拉茹利AIST 特别研究员北岛晶子，AIST 特别研究员，与关东化学株式会社[代表董事兼总裁野泽学]、郡山芯片工业株式会社[代表董事兼总裁大内雅敏]和东京电力环境工程有限公司[代表董事兼总裁楢崎裕]合作放射性铯表示吸附能力普鲁士蓝我们批量生产了纳米颗粒并展示了它们的性能。
普鲁士蓝选择性吸附铯。这次，我们基于普鲁士蓝纳米颗粒技术，开发出了一种具有极高吸附效率的铯吸附剂（图1）。此外，我们成功地通过水洗从焚烧灰中提取铯，并使用吸附剂从提取液中回收铯。在这种情况下，所开发的吸附剂的吸附容量为沸石的 67 至 1400 倍基于这些结果，我们提出了一种安全处理放射性污染焚烧灰的方法。未来，我们将与多家公司合作，将铯提取和吸附工厂商业化，用于处理渗滤液、焚烧灰和含有放射性铯的土壤等污染物质。
该研究成果详情请参见第十一届国际纳米技术综合展览会暨技术会议（纳米技术 2012) 将作为 AIST 展位特别展览“纳米技术对抗地震”的一部分宣布。
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| 图1 普鲁士蓝纳米颗粒吸附剂（左）的扫描电子显微镜（SEM）照片（右） |
9630_9787净化在野外使用。为了减少净化后的废物，要求吸附剂具有高吸附能力，使其能够吸附较少量的铯。另一方面，由于环境中的金属离子远多于放射性铯，因此很难有效回收，除非吸附剂具有高选择性并且只能吸附铯。
城市垃圾焚烧粉煤灰据报道，铯很容易浸出到水中，但例如，已知在纯水中能很好地吸附放射性铯离子的天然矿物膨润土，其从焚烧灰洗涤水中吸附铯的能力明显较低，约为纯水的1/100（环境部第五次灾害废物安全评估委员会材料）。其原因之一是膨润土不仅吸附铯，还吸附溶出到与焚烧灰接触的水（焚烧灰清洗水）中的其他离子。
此外，净化工作将导致大量受放射性铯污染的工厂废物的排放。计划是通过焚烧来减少这些物质的体积（环境省，特定废物和净化相关废物的处理流程（福岛县）），但焚烧灰与水接触时铯溶出的行为并不一定明确。为了安全地处理焚烧灰，有必要明确其洗脱行为并建立铯溶解水的处理方法。
普鲁士蓝是一种高选择性铯吸附剂的候选者，可以高效回收从焚烧灰中洗脱的铯。普鲁士蓝用作颜料已有约 300 年的历史，也被称为高度环保的铯吸附剂，因为在切尔诺贝利核电站事故期间，它被用于牲畜以减少牛奶中的铯。此外，它还具有选择性高的特点，即使吸附海水，吸附能力也不会明显下降。尽管这种选择性的机制并不一定清楚，但据认为原因是铯离子的水合半径与普鲁士蓝的内部孔隙相匹配（图2）。
迄今为止，AIST已经进行了将普鲁士蓝转化为纳米颗粒并将纳米颗粒应用于放射性铯吸附剂等材料的研究。特别是东京电力公司福岛第一核电站事故发生后，我们一直积极致力于利用放射性铯对放射性铯污染区域进行净化的研究和开发。2011 年 8 月 24 日、2011 年 8 月 31 日，AIST 新闻稿）。
图2所示为铯吸附剂用普鲁士蓝纳米粒子（纳米粒子吸附剂）的概要，该铯吸附剂已建立了量产技术。纳米颗粒本身可以被制造为水分散性或不溶性纳米颗粒，并且可以制成可用于支撑有机材料的分散体或悬浮液。负责大规模生产的关东化学株式会社估计，每年可以以每公斤2,000日元的价格生产300吨纳米粒子分散液或悬浮液（针对未经过纯化的低纯度产品）。而且，不溶性纳米颗粒本身列也可以将其造粒至约 10 至 70 微米 (μm) 的尺寸，以用于其他应用。根据粉末X射线衍射的结果估计该纳米颗粒吸附剂中的纳米颗粒的初级粒径为5至10纳米(nm)。此外，电子显微镜图像显示初级粒径约为 10 nm（图 1）。一般认为，随着比表面积的增加，吸附能力也随之增加。颗粒化至约 60 µm 的纳米颗粒吸附剂BET 方法确定是 390 m2/g 和传统普鲁士蓝报告的值（以 100 m 为例）2/g) 更大。
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| 图2纳米颗粒吸附剂概述 |
为了评估新开发的纳米粒子吸附剂的吸附能力，我们研究了溶解在纯水中的1 ppm非放射性铯水溶液的吸附特性。我们将纳米粒子吸附剂（颗粒化为11μm和60μm）与作为颜料市售的普鲁士蓝（PB市售品）以及沸石中吸附性能相对较高的来自仙台市爱光市的沸石进行了比较（图3）。结果，它们都表现出较高的铯吸附能力，但发现纳米颗粒吸附剂的吸附效率在液固比（处理水体积/吸附剂重量）较大的区域较高。
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| 图3纯水铯溶液非放射性铯离子吸附特性比较 |
接下来，为了明确纳米颗粒吸附剂的实际使用情况，我们通过水洗工厂焚烧灰来评估铯的洗脱状况，并考察吸附剂在洗涤水中对铯的吸附效果。结果发现，铯通过水洗被浸出，并且根据灰的类型，有些表现出接近100%的浸出。首先，使用飞灰进行了模型实验，飞灰不含放射性铯，是在热风炉中焚烧九州生长的针叶树的结果。当我们研究将这种非放射性焚烧灰装入柱中并用水冲洗时铯的洗脱行为时，我们发现，大量非放射性铯（植物中天然含有的）在水通过柱后立即洗脱，并且此后洗脱量被大大抑制（图4左）。所使用的灰分中的铯浓度为约15ppm，确认通过90℃以上的水而溶出约09ppm、约60％的铯。因此，放射性铯可能会因与水接触而从被放射性铯污染的植物的焚烧灰中浸出，显然需要充分的防水管理。还发现这种洗涤水含有超过2000ppm的钾离子，以及各种其他离子，例如钠离子和铝离子。
显示了使用各种吸附剂从该洗涤水中进行铯吸附实验的结果（图 4 右）。纳米粒子吸附剂和PB商业产品的吸附性能与纯水没有显着差异。另一方面，即使在液固比低的区域，沸石也不能充分吸附铯。它是铯吸附性能的指标分配系数对于液固比为 5000 的纳米粒子吸附剂（11 µm 和 60 µm）、PB 商业产品和沸石，其分别约为 920,000、45,000、16,000 和 660 (mL/g)。换句话说，纳米粒子吸附剂的分配系数约为沸石的67至1400倍。沸石吸附性能下降被认为是由于其吸附其他共存离子而不能选择性地仅吸附铯。
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| 图4 工厂焚烧灰清洁过程中的非放射性铯洗脱行为（左）以及使用各种吸附剂从工厂焚烧灰洗涤水中非放射性铯吸附率（右） |
此外，我们还采用相同的方法对受放射性铯污染的城市垃圾焚烧灰的放射性铯去除效果进行了研究。气化、熔化设施焚烧垃圾产生的粉煤灰（约1,400日元）Bq/kg)填充到柱中并用水洗涤时，证实90％以上的放射性铯被洗脱到水中。将纳米颗粒吸附剂（60μm）以液固比1000加入到所得放射性铯溶解水（约200Bq/kg）中，搅拌100分钟，水中放射性铯浓度低于检测限10Bq/kg。
通过使用纳米颗粒吸附剂，可以采用以下两种方法来处理存在铯洗脱风险的焚烧灰（图 5）。
一是埋地处置场渗滤液经净化处理后排放。由此，即使铯从焚烧灰中溶出到水中，也可以防止被污染的水被排放到环境中。当安装到现有设备中或需要简单的方法时，这种方法是理想的。具体来说，含有纳米颗粒吸附剂的水筒可以安装在焚烧灰最终处置场的排水设备中，或者可以用于管理净化过程中产生的放射性废物临时储存场的排水。
另一种方法是在埋葬前清洗焚烧后的灰烬，并用纳米颗粒吸附剂对清洗水进行净化。初步清洁可以大大抑制掩埋后铯的溶出，并被认为可以大大降低处理成本。
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| 图5使用新设计的纳米颗粒吸附剂处理受污染的焚烧灰的方法 |
除了这次设计的焚烧灰处理方法外，我们还将在福岛县等地区进行示范试验，以去除和减少从山区和森林流入水道等的水中的放射性铯，以使其实用化。
我们目前还在建设一座容量为 20 升的小型污水污泥焚烧灰厂。此外，针对放射性铯难以提取且污染量大的土壤，我们的目标是构建去污系统技术，降低其中所含的放射性铯浓度，并实现再利用或简单处理。我们还旨在通过结合AIST积累的污染地区地质和土壤的基本信息和AIST的先进测量技术，研究和开发去污技术，以便尽早应用于整个系统。