Cold sintering of whitlockite-based phosphate ceramics for ALPS carbonate slurry waste immobilization

ALPS炭酸塩スラリー廃棄物固定化に向けたウィットロカイト系リン酸塩セラミックスの低温焼結

Gubarevich, A.*; 久保 遼太郎*; 有阪 真 ; 大杉 武史  ; 吉田 克己*; 竹下 健二*

Gubarevich, A.*; Kubo, Ryotaro*; Arisaka, Makoto; Osugi, Takeshi; Yoshida, Katsumi*; Takeshita, Kenji*

多核種除去設備(ALPS)で発生する炭酸塩スラリー廃棄物を固定化・固化するため、これらの廃棄物をリン酸カルシウムおよびリン酸マグネシウム相に変換する化学変換プロセスと続いてそれらを緻密化する新しい低温焼結プレス(CSP)技術の導入について検討した。炭酸カルシウム-マグネシウムスラリーの模擬物をリン酸処理してリン酸カルシウムおよびリン酸マグネシウムを合成し、CSPを用いて300-500Cで焼結した。カルシウムとマグネシウムの比率、ストロンチウムの取り込み、および塩化ナトリウムの添加が相組成およびCSPの緻密化に及ぼす影響を調査した。バルクサンプルを作製し、X線回折、走査型電子顕微鏡、エネルギー分散型X線分光法、およびアルキメデス法を用いて特性評価を行った。これらの結果から、(1)化学変換プロセスによってウィットロカイトとニューベライトが形成され、カルシウムとマグネシウムの比率によってこれらの相の相対的な割合が決定されること、(2)ストロンチウムはウィットロカイトの結晶構造に効果的に組み込まれ、ニューベライトは脱水促進プロセスによって緻密化を促進すること、(3)塩化ナトリウムは化学変換に影響を与えず、最終的な固体生成物には含まれないことがわかった。これらの結果は、炭酸カルシウム-マグネシウムスラリーをウィットロカイト系リン酸塩セラミックスに直接変換し、その後CSPを行うことで安定した固化が可能になることを示しており、この方法がALPS炭酸塩スラリー廃棄物の管理に有望であることを示している。

To immobilize and solidify carbonate-based Advanced Liquid Processing System (ALPS) sediment wastes, this study introduces a chemical transformation process that converts these wastes into calcium and magnesium phosphate phases, followed by densification using a novel cold sintering press (CSP) technique. Simulated calcium-magnesium carbonate slurries were treated with phosphoric acid to synthesize calcium and magnesium phosphates, which were then sintered at 300-500C using CSP. The effects of the calcium-to-magnesium ratio, strontium incorporation, and sodium chloride addition on phase composition and CSP densification were investigated. Dense bulk samples were successfully fabricated and characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, and the Archimedes method. The results showed that the chemical transformation process led to the formation of whitlockite and newberyite, with the calcium-to-magnesium ratio determining the relative proportions of these phases. Strontium was effectively incorporated into the whitlockite crystal structure, while newberyite enhanced densification through a dehydration-driven process. Sodium chloride had no effect on chemical transformation and was not found in the final solid product. These results show that direct conversion of calcium-magnesium carbonate slurries to whitlockite-based phosphate ceramics, followed by CSP, enables stable solidification, making this method promising for ALPS sediment waste management.