著者名：Zheng, Z.; Yang, J.; Cui, M.; Yang, K.; Shang, H.; Ma, X.; Li, Y.
論文タイトル：Adsorption/Desorption Performances of Simulated Radioactive Nuclide Cs+ on the Zeolite-Rich Geopolymer from the Hydrothermal Synthesis of Fly Ash
掲載誌名：Energies
出版年：2023
巻数：16
ページ範囲：7815
研究の背景と動機
原子力発電所はクリーンで信頼性の高いエネルギー源として世界中で注目されていますが、同時に大量の低レベルおよび中レベル放射性廃棄物液を発生させています。1 セシウム137は、半減期が短く（t1/2 = 30.2 a）、収率が高いことから、低レベルおよび中レベル放射性廃棄物液（LILW）の最も重要な核分裂生成物の一つです。2 セシウム137はストロンチウム90と比較してアルカリ金属元素であり、水に対する溶解度が高いため、強い流動性を持ちます。2
ジオポリマーは、アルカリ（時にはアルカリ活性化材料と呼ばれる）で活性化されたフライアッシュから調製されることが多く、放射性核種イオンを固化するのにしばしば使用されます。3 放射性核種イオンは、ジオポリマー内で物理吸着または化学結合の形で固化されます。4 ジオポリマーは、機械的強度、酸/塩抵抗性、熱安定性においてポルトランドセメントよりも優れており、建設業界の持続可能な発展に役立ち、有害廃棄物の固化にも大きな応用可能性を秘めています。5 さらに、世界中で毎年大量のフライアッシュが生成されています。6 フライアッシュから調製されたジオポリマーは、CO2を排出する必要がないため、温室効果の軽減に貢献します。7,8 したがって、フライアッシュの利用は、LILWの処理においても大きな意味を持ちます。9
現在、沈殿法、水熱法、マイクロ波法、ゾルゲル法など、ゼオライトを生成する技術が数多く存在します。10,11 従来のゼオライトのアルカリ溶融水熱合成法をベースに、フライアッシュの焼成活性化前処理、水溶性脱ケイ素化、アルカリ可溶性アルミノケイ酸塩、濾過、その他の工程を経て、様々なタイプの高純度ゼオライト製品を合成する手法が開発されています。10,11 多くの研究者12–14 は、フライアッシュベースのジオポリマーの合成方法が合成物に与える影響について調査し、アルカリ度、液固比、結晶化時間などの調製条件が合成物に与える影響について議論してきました。Heらは、5 無定形ナトリウムベースのジオポリマー（NaGP）の水熱処理パラメータが水熱生成物の相組成とミクロ構造に与える影響を体系的に研究し、NaGPを調製するための最良の水熱法は、160℃で6時間、1M NaOH溶液で処理することであると結論付けています。フライアッシュベースのジオポリマーの生成物は、原料や硬化条件によって様々です。Wangら15 とWdowinら16 は、ジオポリマーの生成物には、無定形ジオポリマーゲルとゼオライトN（C）-A-S-H、NaA-Xゼオライト、NaPゼオライト、NaP1ゼオライト、セシウムガーネット、Aゼオライトなどが含まれることを発見しました。Leiら17 は、メタカオリン/スラグベースのジオポリマー中のゼオライトマイクロカプセルに対するCs+とSr2+の吸着特性を調査し、Cs+とSr2+のゼオライトマイクロカプセルへの吸着速度論的過程は、擬二次速度式とよく一致することを示しました。Leeら18 は、水熱法を用いてフライアッシュ/スラグベースのメソポーラスジオポリマーを調製し、Cs+の初期濃度が100mg/Lの場合、メソポーラスジオポリマーの最大吸着能力は15.24mg/gであることを示しました。Huiら19 は、フライアッシュから4Aゼオライトを調製し、擬一次速度式と擬二次速度式を用いて、フライアッシュベースの4Aゼオライトに対する異なる金属イオンの吸着速度論を調査しました。その結果、擬一次モデルはNi2+に、擬二次モデルはCo2+とCr3+にそれぞれよく適合することがわかりました。
大量のジオポリマー固化マトリックスは、高濃度のアルカリ（NaOH）と塩（NaNO3）を含むLILWの処理に使用されています。一方、マトリックスの高中心温度は、多くの結晶生成物を生成させてきました。しかし、異なる硬化温度とナトリウム塩濃度下で形成されるフライアッシュベースのジオポリマー生成物の変換法則は、十分に研究されておらず、模擬核種Cs+の吸着/脱着メカニズムは明らかになっていません。本研究は、核種とフライアッシュベースのジオポリマーの単一相の関係を明らかにすることを目的としています。本研究では、このシステムにおけるフライアッシュベースのジオポリマー生成物の変換に対する硬化温度、NaOH濃度、NaNO3濃度の影響を調べました。さらに、主要なゼオライトによるCs+の等温吸着特性と脱着速度論を研究しました。LangmuirとFreundlichの等温吸着式をフィッティング解析に使用し、擬一次速度式と擬二次速度モデルを脱着試験データのフィッティングに使用しました。34,35
解決できたこと
本研究では、フライアッシュを原料として、水熱合成法を用いてゼオライトリッチジオポリマーを合成し、Cs+に対する吸着性能を評価しました。その結果、NaNO3濃度、NaOH濃度、硬化温度が、フライアッシュベースのジオポリマー生成物の生成と吸着性能に影響を与えることが明らかになりました。具体的には、以下のことが明らかになりました。
- 低NaNO3系（100g/L）では、NaOH濃度を0.66Mから2Mに増加させると、Y型ゼオライトとチャバザイトの生成が促進され、NaOH濃度を2Mから8Mに増加させると、ゼオライトがカンクリナイトに変換されました。高NaNO3（300〜500g/L）系では、NaOH濃度を2M以上増加させても、生成物の変換に明らかな影響はみられず、生成物は主にカンクリナイトとチャバザイトでした。
- 低NaNO3系（100g/L）でNaOH濃度が2Mの場合、90℃でY型ゼオライトが生成されました。硬化温度を90〜150℃に上昇させると、Y型ゼオライトは、最初にガロナイトとチャバザイトに変換され、最終的にカンクリナイトに変換されました。これは、NaNO3濃度、NaOH濃度、硬化温度が全てカンクリナイトとチャバザイトの結晶化を促進することを示唆しています。
- NaNO3濃度が100g/Lで120℃の場合、Cs+の吸着能力はCs+の初期濃度が上昇するにつれて低下し、Cs+の吸着率はCs+の初期濃度が上昇するにつれて上昇しました。低初期濃度範囲でのCs+の吸着は、Freundlich式によりよく適合し、高初期濃度範囲でのCs+の吸着は、Langmuir式によりよく適合しました。Cs+のチャバザイト/ガロナイトリッチジオポリマーへの吸着は、物理吸着と化学吸着の両方に支配されていました。
- 5〜45分の範囲で、Cs+のチャバザイト/ガロナイトリッチジオポリマーへの脱着速度論的過程は、擬二次速度式とよく一致しました。実際、Cs+のチャバザイト/ガロナイトリッチジオポリマーからの脱着は、化学脱着でした。
研究の貢献
Zhengらは、低レベルおよび中レベル放射性廃棄物液からのCs+の効率的な除去のための、フライアッシュから合成されたゼオライトリッチジオポリマーの潜在的な可能性を実証しました。この研究は、Cs+の吸着/脱着特性と、フライアッシュベースのジオポリマーの結晶化に影響を与える重要なパラメータである、NaNO3濃度、NaOH濃度、硬化温度の関係を明らかにしました。これらの知見は、放射性廃棄物の処理と管理のための革新的で持続可能な技術の開発に重要な情報を提供します。36,37
実世界への応用と影響
この研究で開発されたゼオライトリッチジオポリマーは、原子力発電所からの低レベルおよび中レベル放射性廃棄物液の処理に大きな可能性を秘めています。放射性セシウムは、環境に有害な物質であるため、その除去は環境保護に不可欠です。ゼオライトリッチジオポリマーは、放射性セシウムを効率的に吸着し、安全に隔離することで、環境へのリスクを軽減し、持続可能な原子力エネルギーの利用に貢献することができます。さらに、フライアッシュは、産業廃棄物として大量に発生するため、その有効利用は廃棄物削減と資源循環の観点からも重要です。フライアッシュを原料とするゼオライトリッチジオポリマーの開発は、環境問題と資源問題の両方に貢献する革新的な技術として期待されています。
今後の展望と未解決の課題
この研究は、放射性廃棄物処理におけるゼオライトリッチジオポリマーの潜在的な可能性を示していますが、さらなる研究が必要です。例えば、ゼオライトリッチジオポリマーの長期的な安定性や耐久性を評価する必要があります。また、実用化に向けて、ゼオライトリッチジオポリマーの製造コストを削減し、スケーラブルな製造プロセスを開発する必要があります。さらに、ゼオライトリッチジオポリマーによる様々な放射性核種の吸着性能を評価し、その適用範囲を拡大する必要があります。
学術的位置づけと読者へのインパクト
本研究は、フライアッシュを原料とするゼオライトリッチジオポリマーの合成とそのCs+に対する吸着性能を、詳細な実験と分析を通して明らかにしました。これは、放射性廃棄物の処理と管理における、新たなジオポリマーベース吸着材の開発のための重要な知見を提供します。読者は、本研究で得られた知見を、独自の研究や技術開発に活かすことができます。また、本研究は、環境問題や資源問題に対する持続可能な解決策を探るための重要な一歩となります。
本記事は学術論文の要約であり、原著作者および出版社の権利を尊重しています。詳細な情報や正確な引用については、原論文を参照してください。