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福島汚染土壌の除染と再利用のためのセシウムフリー鉱化法の開発

Development of cesium-free mineralization for decontamination and reuse of radioactive contaminated soil in Fukushima

下山 巖; 本田 充紀; 小暮 敏博*; 馬場 祐治; 平尾 法恵*; 岡本 芳浩; 矢板 毅; 鈴木 伸一

Shimoyama, Iwao; Honda, Mitsunori; Kogure, Toshihiro*; Baba, Yuji; Hirao, Norie*; Okamoto, Yoshihiro; Yaita, Tsuyoshi; Suzuki, Shinichi

福島放射性汚染土壌のCs除染と再生利用に対して提案しているセシウムフリー鉱化法(CFM)について紹介すると共に、PFのJAEA放射光ビームラインで実施している研究について報告する。本研究では風化黒雲母(WB)からのCs脱離機構を調べるため、非放射性Csを収着させたWBにNaCl-CaCl$$_{2}$$混合塩を添加し、低圧加熱処理前後での組成と構造変化を調べた。蛍光X線分析により塩無添加の場合でも700$$^{circ}$$Cで約3割のCsが除去され、塩添加時はほぼ全てのCsとKが除去された。一方、Caは温度と共に増加し、700$$^{circ}$$CではSiよりも多い主成分となった。さらにX線回折法、透過型電子顕微鏡による分析によりWBが普通輝石などの異なるケイ酸塩鉱物に相変化することを明らかにした。これらの結果は相変化に伴ってイオン半径の大きい1価陽イオンが排出されるメカニズムを示唆しており、我々はこれに基づいてCFMの着想に至った。また、X線吸収分光法を用いたClの化学状態分析により、塩由来のClが反応の初期段階で粘土鉱物の酸素とCl-O結合を形成しながら生成物の鉱物中に取り込まれることを明らかにした。

We introduce Cs-free mineralization (CFM) for Cs removal and reuse of radioactive-contaminated soil in Fukushima and report recent work conducted in the BL27A beamline in Photon Factory. In this work, we investigated compositional and structural changes of Cs-sorbed weathered biotite (WB) before and after heating treatment with addition of NaCl-CaCl$$_{2}$$ salts under low-pressure condition, to study Cs desorption mechanism from clay minerals. X-ray fluorescence spectroscopy clarified that almost all Cs and K were removed with the salts at 700 $$^{circ}$$C. On the other hand, Ca increased with heating temperature. X-ray diffraction and transmission electron microscopy analysis clarified that phase transitions from WB to some Ca-rich silicate minerals, e.g., augite, were caused by the heating treatment with the salt. Based on these results, CFM is proposed for Cs removal utilizing the mechanism in which large monovalent cations are discharged with accompanying the phase transition. We also discuss the role of Cl in this reaction showing chemical bonding change of Cl observed using X-ray absorption spectroscopy in the early stage of the chemical reaction.

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