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[研究部主任山口智彦]绿色技术研究组组长河本彻、研究组组长白田幸也、首席研究员田中恒、首席研究员小川宏、首席研究员南公隆、AIST特别研究员、AIST特别研究员北岛晶子等是东电环境工程株式会社[代表董事兼社长楢崎]与Yu]（以下简称“东京电力 Kankyo”），植物性放射性铯污染物并对所得焚烧灰进行净化，提取出放射性铯普鲁士蓝（以下简称PB）我们开发了使用纳米颗粒吸附剂的收集技术，东京电力勘协是主要实施主体示范试验工厂在福岛县双叶郡川内村成立。
我们现在将开始演示测试，以展示所开发的技术并优化工厂运行条件。此次试验将试行焚烧数吨植物源放射性铯污染物，目的是使用污染物量1/1000的PB纳米颗粒吸附剂回收放射性铯。预计这将减少未来安装的净化废物中间储存设施的数量。此外，通过利用焚烧污染物的燃烧热生物质发电的基础技术。
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| 放射性铯净化和回收设备，示范试验厂的一部分 |
自2011年3月11日东日本大地震后，东京电力福岛第一核电站发生放射性物质泄漏事故以来，以福岛县为中心的消污工作的推进已成为国家课题。然而，储存和储存净化过程中产生的含有放射性物质的废物的设施位置尚未确定，也不清楚是否有足够大的设施来储存和储存。因此，建立减少净化过程中产生的废物量的技术已成为一个紧迫的问题。
应减少数量的废物之一是植物性放射性铯污染材料。除了房屋周围区域净化时产生的草和树叶外，农林业产生的树皮和堆肥也受到放射性铯污染，但尚未达成包括最终处置在内的解决方案。此外，环境部成立的环境恢复研究小组正在讨论是否需要对森林去污进行必要的研究和研究。
当植物性放射性铯污染废物被焚烧时，会排放出含有高浓度放射性铯的灰烬，因此如何管理成为一个问题。特别是，从焚烧炉中残留的底灰中，错误过滤器捕获的飞灰放射性铯的浓度特别高，此外，众所周知，放射性铯在与水接触时会被浸出，这使得建立处理和管理方法成为一个问题。
自东京电力福岛第一核电站发生放射性物质泄漏事故以来，AIST一直积极致力于去污技术的开发。特别是，我们一直在开发 PB 纳米粒子作为铯吸附剂，具有高效率和选择性。 PB纳米粒子可以高效地选择性吸附铯离子，甚至可以从含有高浓度钠离子和钾离子的水中吸附铯离子，这些离子具有与铯类似的性质。到目前为止，我们提出了一种方法，从焚烧灰中提取放射性铯到水中，然后将PB纳米颗粒添加到提取的水中，以回收放射性铯并减少放射性铯污染物的体积（2012 年 2 月 8 日 AIST 新闻稿）。另外，关于使用混凝沉淀法添加PB纳米粒子的固液分离方法，我们在2011年去污技术示范项目中与郡山芯片工业株式会社等合作，研究了工艺条件、实施成本等。
另一方面，东电观光和日本产业技术研究院在郡山芯片工业株式会社的领导下，于2011年开展了有关植物性放射性铯污染物质焚烧的去污技术示范试验项目。即使焚烧被水污染的树皮，通过安装袋式过滤器，在废气中也检测不到放射性铯，焚烧飞灰中的放射性铯浓度约为焚烧前受污染树皮的50倍。
基于这些研究结果，我们设计并开发了一个示范试验工厂，旨在实施从焚烧到灰烬净化（放射性铯回收）的一体化工艺。使用该示范工厂进行的示范测试还旨在更准确地确定焚烧基于植物的放射性铯污染材料并将其用作能源所涉及的问题。
新开发的示范试验装置由燃烧/热回收装置和放射性铯净化与回收装置组成。图1显示了该工厂对放射性铯污染物质进行去污减容处理的流程。燃烧/热回收设备燃烧植物性放射性铯污染物，通过灰化减少体积，并使用热交换器产生热水。使用该装置进行实验的目的是评估焚烧材料的类型、焚烧温度以及是否添加添加剂对灰烬特性的影响。具体来说，我们将分析灰中放射性铯的浓度及其进入水中的浸出性，以查明原因。另一个目标是确认配备热交换器的焚烧炉产生的焚烧灰的放射性铯特性。
在没有热交换器的焚烧炉中，已知与燃烧后残留在焚烧炉内的底灰相比，过滤除尘器的袋式除尘器捕获的飞灰中放射性铯的浓度更高，并且更多的铯浸出到水中。这被认为是因为放射性铯以盐的形式被袋式过滤器捕获，盐在加热后冷却的温度过程中溶解在水中。如果有换热器，温度分布会和没有换热器的燃烧炉不同，所以要验证其效果。
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图1 已开发的示范试验装置流程图 焚烧和热回收设备焚烧植物性放射性铯污染材料，以减少其体积并产生热水。使用放射性铯净化和回收装置对所得灰分进行铯（Cs）提取处理，并进行净化或非浸出处理。使用 PB 纳米颗粒吸附剂回收提取的放射性铯。 |
在放射性铯去污回收设备中，将焚烧灰与水或酸等提取液混合，搅拌后固液分离灰分中含有的放射性铯溶解在提取溶液中。可以提取的放射性铯的量取决于灰分的性质和提取溶液的类型。例如，据认为大约 90% 的放射性铯可以从焚烧的飞灰和水中提取。该过程的另一个主要目的是显着减少焚烧灰中放射性铯的洗脱。焚烧灰通常掩埋在最终处置场，但有报道称，在处置场的渗滤液中检测到放射性铯。发生这种情况是因为当焚烧灰与水接触时，放射性铯会被滤出。通过预先提取放射性铯，可以大大减少处置后放射性铯的溶出。
PB 纳米粒子用于从提取物中回收放射性铯。由于提取物中含有特别大量的钾离子，因此如果使用沸石或其他吸附剂作为吸附剂，铯的回收率将会降低。但是，通过使用PB纳米颗粒，即使在这种情况下，也可以选择性且高效地吸附放射性铯。
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| 图2 燃烧/热回收设备 |
燃烧/热回收设备和放射性铯净化和回收设备的规格如下所示。
[燃烧/热回收设备]（图2）
(1)(2)燃烧段及换热段：燃烧段由两级组成，一次燃烧炉在600～800℃高温下燃烧污染物，二次燃烧炉在1000～1200℃高温下燃烧污染物。水在燃烧炉周围循环并通过燃烧炉后部的热交换器并被加热以产生热水。每小时可焚烧20公斤污染物，产生约1吨80℃热水。此外，有效的热利用将废气温度降低至约200°C，使其成为通过后续阶段过滤部分的合适温度。
(3)过滤部分：采用圆柱形滤布、孔径较小的袋式过滤器Hepa 过滤器放射性铯在炉内汽化后，随着温度降低而沉淀并变成细小颗粒，999%的放射性铯被布袋除尘器捕获。以往的研究中，废气通过袋式过滤器后并未检测到放射性铯，但为了安全起见，还分两级安装了Hepa过滤器。
虽然产生的灰分量取决于燃烧材料，但一般认为对于木材来说不到燃烧前重量的1%，对于树皮和枝叶来说约为2%至8%。若灰分含量为2%，则计算每小时产生灰分04公斤。
【放射性铯净化及回收设备】（图3）
该装置是在假设每小时净化处理20公斤灰烬的情况下开发的。换句话说，它可以处理每小时燃烧 1 吨植物物质的焚烧炉产生的灰烬（假设灰分含量为 2%）。此次，我们将利用该装置进行示范试验，了解改变灰分和萃取原液类型时萃取特性的差异、最佳放射性铯回收吸附剂及其使用方法、最佳辐射屏蔽方法。为了确认本次示范试验的有效性，示范工厂的部分样品将被带到AIST筑波中心，在适当的安全管理体系下进行详细分析。
(4)放射性铯提取工段：将灰分和提取液混合并洗脱放射性铯后，再次分离灰分和提取物。混合罐容积为200L，按固液比1:10混合时，一次可处理20kg灰。主要使用水作为提取原液，但也可以使用热水、酸和其他提取原液。陶瓷膜和压滤机用于固液分离。
(5)放射性铯吸附单元：使用PB纳米颗粒吸附剂从提取物中回收放射性铯。可以使用使用填充有固体吸附剂的柱进行过滤的方法，以及向提取物中添加粉末或液体吸附剂然后进行固液分离的方法。
过滤过程中用作吸附剂的物质包括颗粒和无纺布（图4），它们是AIST与各公司合作开发的。该颗粒是与关东化学株式会社共同开发的，颗粒尺寸约为1毫米，为正常过滤的尺寸，易于使用。此外，PB纳米粒子的含量高达80%，表明具有较高的吸附能力。支持吸附剂的无纺布是与日本Vilene株式会社共同开发的产品，最大的优点是吸附速度快，即使与提取物的接触时间为10秒，铯浓度也可降至1/100以下。我们还计划考虑与Marusan Sangyo Co, Ltd共同开发的彩色棉布吸附剂以及与Futamura Chemical Co, Ltd共同开发的负载PB纳米粒子的活性炭。另一方面，与Kanto Kagaku Co, Ltd共同开发的PB纳米粒子粉末（AIST新闻发布于2012年2月8日），添加后可以通过固液分离回收放射性铯。
(6)水净化部门：回收放射性铯后，去除提取液中残留的重金属，准备排放。
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图3放射性铯净化和回收设备
净化焚烧灰中的放射性铯，并使用PB纳米颗粒吸附剂回收提取的铯。 |
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| 图4 PB纳米颗粒吸附剂示例 |
该示范试验厂获得的验证结果预计将有助于加快净化工作并支持福岛县的农业和林业。通过这项技术的建立，将能够净化灰烬并显着减少废物中放射性铯的洗脱，并且最终的处置方法将大大简化。由于放射性物质高度浓缩在吸附剂中，因此预计通过严格仅储存使用过的吸附剂，可以消除放射性物质重新释放等担忧。此外，通过这次示范试验，我们还将积累有关放射性污染物焚烧的知识。环境部环境恢复研究小组编制了《未来森林无害化近期安排》，希望考虑利用森林无害化废弃物进行生物质发电。这项研究有望为此类生物质发电的实现做出贡献。
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| 图5 该示范试验装置的定位和热利用 |
东京电力环电将作为实施实体，在福岛县双叶区川内村的示范试验工厂进行试验，进行评估，并酌情报告结果。我们还将研究并提出更有效的净化方法，包括改进设备。根据研究结果，我们将与各公司合作并与相关组织合作开发一个实用工厂，旨在减少基于植物的放射性铯废物的量，并为促进城市垃圾等其他可燃材料中焚烧灰的净化做出贡献。