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要陽イオンによるセシウム溶出挙動

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(1)

要陽イオンによるセシウム溶出挙動

著者 山科 友紀, 福士 圭介

著者別表示 Yamashina Yuki, Fukushi Keisuke

雑誌名 粘土科学

巻 51

号 3

ページ 88‑94

発行年 2013‑03‑23

URL http://doi.org/10.24517/00063649

doi: 10.11362/jcssjnendokagaku.51.3_88

Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止

(2)

粘土科学 第

51

巻  第

3

号 

88 − 94

(

2013

)

論  文

微量 の セ シ ウ ム を 取 り 込 ん だ ス メ ク タ イ ト

か ら の 主 要 陽 イ オ ン に よ る セ シ ウ ム 溶 出挙動

      山 科 友 紀

1

, 福 士 圭 介

2

1金 沢 大 学 理工学域

自

然システム

学

類 地 球 学コ

ー

ス

        〒

920−1192

石 川 県 金 沢 市 角 間 町

  

2金 沢 大 学 環日本 海域環 境 研 究セ ンタ

ー

        〒

920−1192

石 川 県 金 沢 市 角 間 町

Desorption

 

behavior

 

of

 

cesium

 

from

 

cesium

 

bearin8

 

smectite

        by

 

major

 

cations

Yuki

 

YAMASHINAi ,

 

Keisuke

 

FUKUSHI2

LEarth

 

Science

 

Course ,

 

School

 of 

Natural

 

System ,

 

College

 of 

Science

 

and

 

Engineering ,

 

Kanazawa

 

University

       

Kakuma −

machi

,

 

Kanazawa− shi ,

 

Ishikawa

 

920 − 1192

       21nstitute  of 

Nature

 and 

Environmental

 

Technology ,

 

Kanazawa

 

University

       

Kakuma−

machi

,

 

Kanazawa −

shi

,

 

Ishikawa

 

920 − ll92

Abstract

   The

 

desorption

 

behaviors

 

of

 

Cs

 

from

 

Cs

 

bearing

 smectite  

by

 major  

catlons

(

Na 弓 ,

 

K † ,

 

Mg2 + ,

 

Ca2 +

and  

NH4

+)were

systematically  examined

.

 

The

 suspension  of 

the

 

Cs

 

bearing

 smectite  was  

prepared

 

by

 reaction  of 

lg

/

L

 smectite  with  

75

 nM

Cs +

solution  

in

 

O, 02

 

M

 

NaCl

 solutions

.

 

The

 

desorption

 

behaviors

 of 

Cs

 were  examined  

by

 adding  

the

 major  cations  of which concentrations  ranged  

from

 

lO −

3

 

to

 

10 −

IN

 

to

 

the

 smectite  

suspensions .

 

Ail

 cations  except  

for

 

K †

lead

 

to

 

the

 

desorption

 of 

Cs from

 smectite  when  

the

 concentrations  of 

the

 added  cations  

increased .

 

On

 the other  

hand ,

 

K +

plays

 a role 

for

 

inhibition

 of 

Cs desorption

 

from

 smectite

,

 

The

 order  of 

the

 abmty  

for

 

the

 

desorption

 of 

Cs

 

from

 smectite  

by

 

the

 major  cations  was summarjzed  

as

 

follow

:

Ca2 +

≒

Mgz †

>

NH4 +

>

Na +

>

K + .

 

The

 selectivity  coefficients  

based

 on 

Gaines − Thomas

 convention were  estimated  

frQm

 

the

 observed  

Clesorption

 

behaviors .

Keywords

:cesium

,

 smectite

,

 Inajor  cat 〔ons

,

 

desorption

1 .

は じめ に

 

東北地 方 太 平 洋 沖 地 震に起 因 する 福

島

第

一

原発 事 故に

より

,

原 発 周辺 の広 範 囲にわ たる地 域で放 射 能 汚

染

が 深 刻な問 題となっ て いる

。

土壌 汚染 を 引 き起こ してい る最 も重要な放 射 性 物 質は放 射 性セ シウムで あ るこ とが報 告 さ れて いる1〕。 水 溶

液

中でセ シ ウム (

Cs

)は

一一

価の陽 イ

オン

( Cs +

)の形 態 をとり

,

天然 環 境で は 土壌に普 遍 的

に含 まれ る

粘

ヒもしくは粘 土 鉱 物に強 く固 定さ れ る

性 質

を持つ 2

−

10)

。 福 島 第

一

原 発 周 辺の 汚 染土壌で は放 射 性

Cs

は 土壌の

表

層 部 の み にと ど まっ てい るこ と が観

察

さ れて

おり

,

これは溶 解し た

Cs

+は ほ ぼ移 動 する こ と なく土 壌

表 層 部の粘土もしくは

粘

土鉱 物に濃 集してい る た め と 考 えら れて いる1〕

。 Cs

を取 り込 ん でい る鉱 物 種やその取 り 込み形 態はい まだ明 らか となっ てい ないが

,

福 島の 土壌

は阿 武 隈 花 崗 岩を 母 岩 と す ることが多いため

,

雲 母お よ び 膨潤性粘土鉱 物であるバ

ー

ミキュ ラ イ トや ス メ ク タイ

トが 重 要 な 取 り込 み媒 体である可能 性が指 摘さ れてい る

12 〕 o

 

膨潤性 粘 土 鉱物は雲母 と同じ層 状の結 晶

構

造 を持っ て

お り

,

その層 間は層状 構 造の原 子の置 換に起 因して

負

の 電 荷 を 帯 び てい る

,

その た め

,

電 荷の偏 りを なくすよう

に

,

層 問に は水分 子 に 囲 ま れ た交 換 性 陽 イオ ンが

一 定

量

入 るこ とがで きる。 交 換 性陽 イ オンは外 溶 液 中の 陽 イ オ

2012

年

(

平 成

24

年

) 7

月

20

日受 付

,2012

年

12

月

25

凵受理

(3)

89

山科友紀

・

福

. L

圭介 粘 土 科 学

ン種 組 成に依

存

し て 入 れ替わ る3〕

。

イ オン の結 晶 学 的 半 径の大 きい

Cs +

は膨 潤 性 粘土鉱 物に 強 岡 に保 持さ れ る こ と が期

待

さ れ る3)

。一

方

,

膨潤 性 粘土鉱 物 と接 する溶 液 中の主要 陽 イ オンが 高濃 度である場 合

,

強固 に保 持さ れ た

Cs +

であっ て も

,

他の陽イ オンとの競 合に より溶 脱 す る可 能 性があるlo〕。 卞要 陽 イオンに よ る膨 潤 性 粘土鉱 物 か ら の

Cs +

溶

出挙 動は放

射

性

Cs

の天然 環 境に おける拡

散

挙 動や健 康 影 響の理 解に不 可 欠であると考 えら れ る

。

これまで に

,

膨 潤 性 粘土 鉱 物 に よ る

Cs

吸着 挙 動を調 査 し た研 究は数 多 くあるがs〕

, Cs

脱 離 挙 動 を検 討し た研 究 は比 較 的 少 ない

。

本研究で普遍 的 に 天 然環 境に存 在 する 膨潤 性 粘土鉱 物であ るス メクタイ トを 対

象

に

,

主 要 陽イ

オン (

Na +

,

 

K +

,

 

Mgz ’

,

 

Ca2

+ お よ び

NH

,+)に よ る微 量

濃

度で保 持さ れ た

Cs+

の溶 出挙 動 を室 内 実 験 とモデ リン

グか ら検 討 した

。

2 . 試 料 お よび 実験 方法 2 − 1.

試 料

 

実 験に は 月

布

産

Na

型モ ン モ リロ ナ イ ト(クニ ピ ア

F

:

クニ ミネ工 業 株 式 会 社 ) を用い た

。

クニ ピア

F

の 陽 イ オ ン交 換

容

量 は

115meq

/

100g

で あ り

,

交 換 性 陽 イオン の

90

% 程 度 が

Na

であるこ とが報 告さ れ てい る4

’

ll,

。 本

実 験で は 固液比 が

lg

/

L

と な る ように

,

クニ ピ ア

F

を

0. 02M

の

NaCl

と

0 . 0001M

の

HCI

混 合 溶 液に 添 加 し

,

ス

メ ク タイ ト懸 濁 液 を

作

成し た

。

実 験の固 液 比はモ ン モ リ

ロナ イ トを 用いて セ シ ウム 吸 着 実 験 を行っ た先 行研究4

5)

に準じて い る。 ス メ ク タイ ト懸 濁 液の

NaCl

濃 度は

, 3000rpm

に よ る 回転速度を用い た

30

分 間の遠 心 分 離に

よ り 固 液 分離が可 能な イオ ン強度の下 限 と して設 定さ れ た。

HCI

を添 加し ない場

合 ,

ス メ ク タイ ト懸 濁 液 は

pH9

以 上のアル カ リ性 を示し た。 本 実 験で は主要 陽 イ オン と して

NH4 +

を 利 用 する

。

 

NH .

,

+

は

pH

が

9, 3

以上 の条 件に お い て 電荷を 持 た ない

NH3

の化 学 形へ と変 化す る

。

本 研 究で は

NHi

の形 態 変 化 を 防ぐ た め に

,

懸 濁 液に

HCl

を添 加し

pH

を

6 〜 7

の 中 性 条件に調 整し た

。

なおス メ ク タ イ トに よる

Cs

吸着の

pH

依 存 性は 小 さい こ と がこ

れ まで に報 告さ れてい る4

「

6

「

9〕

。 2 − 2. 実

験 方 法

 

実 験に 用い た薬品 は特級 試薬以 上の品 質の もの を用い

た

。

容 器 類は希 硝 酸に

一

昼夜浸 し たの ち

,

脱 イ オン水を 用いて よ く洗 浄し風 乾 さ せ た もの を 用い た

。

  1g

/

L

の ス メ ク タイ ト懸 濁 液に

75nM

(

10

μ

gfL

) に な

る よ うに

Cs

標 準 液 (

lppmCsCl

溶 液 )を加える こ とで

Cs

吸 着ス メ ク タイ ト懸 濁 液を作 成し た

。

な お

Cs

標準液 の添 加 体 積は極 微小 量 で あ り

,

実 験の固 液比に は影 響 を 及ぼすほ どで は ない

。

本実 験の

Cs

濃 度は誘 導 結 合プ ラ ズマ

質

量分 析 計 (

ICP ・ MS

:

Thermo

 

elementaL

 

X7

)に おい て

,

反 応 実 験 後のろ液 を十 分 な精 度で測 定で きる濃 度の 下 限 と して設 定 し た。

Cs

脱 離 実 験に 先 立 ち

,

ス メ

ク タイト懸 濁 液に よ る

Cs

取 り込み速 度 実 験を

行

っ た

。

実験はス メク タ イ ト懸 濁 液 をポ リカ

ー

ボ ネ

ー

ト製の 遠 心

管にと り

,

初 期 濃 度が

75nM

に な る よ

う

に

Cs

標 準 液を 添 加し た

。

添 加 後 遠 心 管の蓋 を 閉 じ

,

ミッ ク スロ

ー

タ

ー

を 用いて室 温で撹 拌 を 行っ た

。2.6,12,24

時 間 後に遠 心

管

を

3000rpm

の 回 転 速 度で

30

分 間 遠 心 分 離 し

,

上 澄 みを得た

。

上 澄み液 を

0. 2

μm

径

フ ィ ル タ を用い て ろ過し

,

微量の硝 酸を添 加し

.

適 切に希 釈 したの ち

ICP−MS

に よ る

Cs

濃 度の測 定 を 行っ た。 そ れ ぞ れの反 応時 間につ き

,

最

低 3

回の

Cs

取 り込み実 験 を行っ た。 複 数 回の測 定か ら得 られた 標 準 偏 差 を 実 験 誤 差と し た

。

 主要 陽イ オンに よ る

Cs

溶 出 実 験では

,

微 量の

Cs

を 含 むス メク タ イ ト懸濁液に 対 し

, 様

々な 陽 イ オンを様々 な濃 度で添 加 するこ とに よ り

,Cs

の溶 出 量 を 調べ た

。

遠 心 管に

lg

/

L

の ス メク タ イ ト懸 濁

液

を とり

,75nM

に

な る ように

Cs

標 準 液 を 添 加 し た 後

,

室 温で

2

時間 ミッ ク ス ロ

ー

タ

ー

に よ る撹 拌 を行

っ た

。 得

ら れ た懸 濁 液に対 し

, Na

+

,

 

K

+

,

 

NH4 ’

,

 

Ca2 +

,

 

Mg2 +

が

10 −

3

(

Na

+ 以 外 )

, 10 −

2

「

5

, 10 −

LJ

, 10

 L 5

, 10 .

iN

加 わる よ

う

に そ れ ぞ れの イ オ ンを

含

む塩 化

物

溶 液を微 小 量 添 加 した。 添 加 後 遠 心 管の 蓋 を 閉 じ

,

再 度ミックスロ

ー

タ

ー

を用いて 室温で

2

時 間 撹 拌 を 行っ た

。

反 応後

,

前 述の ように固 液 分 離 を行い

,

ろ液

の

Cs

濃 度 を

ICP−MS

に よ り 測

定

し た

。

ス メク タ イ トに よ り保

持

さ れ た

Cs

量 は

,

系に はじめ に添 加 し た

Cs

濃 度とろ液の

Cs

濃 度の差か ら見

積

もっ た

。

そ れ ぞ れの主 要陽 イ オン

濃

度につ き

,

最 低

3

回の反 応 実 験 を行っ た

。

複 数 回の測 定 か ら得 られた 標 準 偏 差 を実 験誤差 と し た。

3 . 結 果

と

考 察

3 − 1.

ス メク タイ トに よ る

Cs

取 り込 み 挙 動

 Fig . 1

に各 時 間で得ら れ た溶 液 中の

Cs

濃 度 を示 す。

最 少

2 時

間か ら最 長

24

時 間 まで

,

ろ液 中の

Cs 濃 度

に

変

化は認め ら れなかっ た

。

こ の結 果 は

,

ス メ クタ イ トに よ

る

Cs

取 り 込 み 反 応 は少な くとも

2

時 間 以 内に完了する 早い反 応で あるこ とを示 唆し てい る

。

先

行

研 究で もス メ

ク タ イ ト に よ る

Cs

吸着 平 衡は

2

時 間で達 し

,500

時間 後 も吸着量 に は変 化がない こ とが 報 告さ れ ている6}

。

な

( 80

賓 言 60

ε E840

. fi6820Q

Q の

璽 

● 璽 璽

Fig

ユ

06   5   10   15   20   25        Reaction

 

time ( hours )

Cs

 sorption  on smectite  as 

function

 of a 

time .

(4)

第

51

巻  第

3

号 (

2013

) ス メク タ イ ト か らの主要 陽 イ オンに よ るセ シ ウム溶 出 挙 動

90

お本

実

験と同じクニ ピア

F

を用い て

Cs

吸 着 実 験を行っ た

Iijima

 

et

 

a14

}は

,

実 験期間

1

か ら

ll5

日 で は 期 間 に よ らず

. Cs

吸着の分 配 係 数はほ ぼ

一

定で ある こと を示し

てい る

。

本 実 験 条 件 に おい て

,

添 加 し た

75nM

の

Cs

の

う ち

, 27

±

2nM

は溶 液 中に残 存 する こ とか ら

,

ス メ ク

タ イ ト中 に

Cs

は

48

±

2nmol

/

g

分 配 し た と考え ら れ る

。

実 験 に用い た ス メ ク タ イ トの 陽イ オ ン交 換 容量 は

1. 15meq

/

g

(

一

価の 陽 イ オンで換 算す る と

1. 15mmol

/

g

)

であるの で

,

ス メ クタ イ ト中の 全 交 換 容量に 占め る

Cs

の割 合は

0. 004

% に相 当 する

。

3 − 2,

主要 陽イオ ン に よ る

Cs

溶 出 挙 動

  Fig , 2

に各 陽 イオン で得ら れ た

各

添 加 濃 度における溶 液中の

Cs

濃 度を 示 す

。

上 述の ようにス メ クタイ ト懸濁 液は

0 . 02M

の

NaCl

を含ん でい る。 図 中における

Na 〒

に 関 し ての 添 加 濃 度は

,Cs

取 り込み実 験 後に添 加し た

Na

濃 度を示して い る

。

図 中にお ける灰色の線は

各

競 合イ オ

ンを添 加し ていない 条 件 (

O. 02M

 

NaC1

)に お け る溶 液

で の

Cs

濃 度を示 す

。

し た がっ て

,

灰色の

線

よりも高い

Cs

濃 度を示す場合

,

後か ら 添 加 し た

各

競 合 陽 イ オン に

よ り

Cs

がス メ ク タイトか ら溶 出し たことを示 して いる。

 

K +

を 除 く と

,

添 加 濃 度の増 加 に 伴い

Cs

溶 出 量 が 増 加 する こ とが確 認で きる。

2

価の 陽イ オン で ある

CaZ

+ と

Mg2 +

がいず れの 添 加 濃 度 に おい て も 最 も効果 的 に

Cs

を 溶 出させ る ことが 確 認で きる。

NH4 +

は

10 .

ZN

以 上の条 件に おい ては

2

価の陽 イ オ ンと変 わ ら ない溶 出 挙 動 を 示 す

。 Na +

は デ

ー

タ に や や ば らつ きが大 きい もの の

, lO −

2N

以 上の条件 に おい て

Cs

溶 出 量 は

Ca2,

 

Mg2

+ お よ び

NH .

t・ よ りも低い。

一

方

K ’

は高 濃 度に添 加 し た場 合 で さ え

Cs

の溶 出 量 は 極 め て低 く

,10 .

iN

の 条 件で は

K +

が存 在 する ことに より溶出 量 がや や減少 してい る よ

う

に

も見 える

。 80

C

貯

灘

轡 至

率

…

       

〜

  墮

轡

罐

孟        

 

   

60       40

(

】

≧

口

)

口O 罫

【

コ

O

の

哨

口

.

り 口OO

Q20

の

▲   K

+

▼ 

NH4 +

● 

Na 斗

(+

0 、 02M

)

■ 

Mg2 ’            趨

鏖

醤

贏

重   壷  

暴

▼

一

輙   ● ム

▲

10− 3

     

10』 2

     

10’

l

Added

 

cations

 

conc . ( N )

Fig . 2

 

Relationship

 

between

 

dissolved

 

Cs

 concentration  

in

    solution  and  added  cation  concentration 〔

N

)

in

 

the

   

presence

 of 

O . 02N

 

NaCL

 

The

 

gray

 

line

 shows  

the

   

dissotved

 concentration  of 

Cs

 

in

 

O . 02N

 

NaCl

 sotution

.

  本 実 験 条 件に おいて 各 陽イオ ン の ス メ ク タイ トに保 持 さ れ た 微 量 の

Cs

を 脱 離 さ せ る 能 力 の序 列は

Ca2+

≒

Mg2 +

>

NH4 +

>

Na +

>

K +

である こと が 認め られ た

。 一

般 的 にス メ ク タ イ トへ の陽 イ オン交

換の選択 性を支配 する最 も重 要 な 因子は陽イ オン の価 数で あ り

, 2

価の陽 イ オン は

1

価の陽 イ オン よ り も高い交換選択 性を有 する こ と が知ら れる

’

1〕

。

モ ン モ リロ ナ イ トへ の

Cs

吸 着に お よ ぼ す 陽 イ オン の影 響 を 検 討 し た 先 行 研 究では619 )

, Ca2+

存

在 下では

Na ’

“

存

在 下より も

Cs

の 吸 着量 は低い こ と が 報 告さ れて い る

。

本研究で も

Cs

を脱離 させ る 能力は

2

価の 陽イ オンが

1

価の陽イ オンより も高 くこれ と調 和 的 で あ る

。

た だ し

, Cs

濃度 が 微 量 (

〜 10−

9M )の場 合

,

 

O. 02N

以 上 の陽イ オン濃 度 条 件で は

Na ’

存 在

F

の ほ うが

Ca2 +

存 在下 よ りも

Cs

吸着が 阻害さ れ る との 報 告 もあ り5〕

,

吸 着と脱 離の可 逆 性に関 する今 後の詳 細な検 討が 必要と さ れ る

。

 陽 イ オンが同じ価数である場合t イ オンの結 晶 学 的 半 径が大 きい ものほ ど

,

交 換選択 性が高い ことが知ら れ て

い る

. Bohn

 et a13)に よ る と

, 1 価

陽 イ オンの結 晶 学的 半 径 は

NH ,

1+

,

 

Kt.

 

Na

+の順番で 大 きい

。

 

Cs

を脱離 さ せ る能 力は

NH

,+ と

Na +

に関してはこれ と調 和 的であるが

, K +

に 関 して は 説 明 で き てい ない

。K ’

は系に存 在す る

Cs

’ より

100

万 倍 高い 濃 度を添 加し た場 合で も

Cs

+ の溶 出を 示 さ な かっ た

。Stauton

 

and

 

Roubaud5

)は

,

様々 な 陽イ オ ン濃 度

条

件下にお け る

微

量

濃 度 ( − 10 −

9M

)

で の

Cs

吸着 実 験 を 行い

, 0, 01M

以上 の陽イ オ ン濃 度 条 件で は

, K

+存 在 下の ほうが

Na

+や

Ca

+

存 在

下 よりも

Cs

吸 着が 阻害さ れ るこ とを示 して い る

。

また

. Atum

 

and Lilislioglus

)も

K +

の 増 加に伴い

,

ス メ ク タイ トへ の

Cs

吸 着は大 き く抑 制 され る こと を示してい る。 以 上の結 果 に基づ く と

. K

+はス メ クタ イ トへ の 溶 液か らの セ シ ウ ム の吸 着を強 く阻 害 する もの の

, 一

度ス メク タ イ ト に 吸 着 した

Cs

に対 して は脱 離 を抑 制 する効 果を示 すと考え ら れる

。

  Morodome

 

and

 

Kawamuralzi3

〕 で は

Li

+

,

 

Na

+

,

 

K

+

, Rb

+

,

 

Cs

+

,

 

Mg2

+

,

 

Ca2 ’

,

 

Sr2

+

,

 

Ba2

+お よ び

La3

+に飽 和さ

せたクニ ピア

F

の相 対 湿 度の関 数と し た 膨潤 挙 動を そ

の 場

X

線回折か ら検 討 して い る。 その 結 果

, K ,

 

Rb , Cs

型の ス メ ク タ イ ト は

100

% の 相対 湿 度下 に おい て層問 では

1

層の水 和 層 を構 成 する

一

方

,

その他の陽イ オンは

2

層の

水

和 層を

構

成す る こ とを示 し た。 こ の結 果は水 溶 液 中におい て も

,

層 間 陽イ オンが

K

+で満た さ れ た場 合

,

ス メ ク タ イ トの層間 が膨 潤し難い こと を示 唆 してい る。

K +

の作 用に より微 量の

Cs ’

を保 持 し たス メ ク タ イ トの 膨潤 を阻害さ れ ると

,

保 持さ れて い た

Cs +

の拡 散 が 空 間 的 制 約を

受

ける こ と で 遅 延 さ れ

,

脱 離が抑 制さ れ る 可能 性 が ある。

一

方

,

水 溶 液 中に多量の

K +

と微量の

Cs ’

が 共

存

し てい る吸 着 実 験で は

. Cs

+ が層 問に入 り込 む 前に 多 量に存 在 する

K

+ に より層 間の

収

縮 が起こり

,Cs

+の

吸

着

が 阻

害

さ れ る 可能 性がある。 以上の仮 説に基づ くな らば

, K +

によ る

Cs

吸 着お よ び脱 離の抑 制 効 果が説 明で

(5)

91 111

科 友 紀

・

福 士 圭 介 粘土科 学

きる。

  NH ,

,

+ は価 数お よ び 結 晶学的 イ オ ン半 径が

K +

と 類 似 して い るた め

,

ス メ ク タ イ ト中におい て

NH4

+は

K

+ と 類 似 した挙 動 をとる こと が知ら れ て いる3

「

5

’

S]

。

一

方

,

本

実 験か ら は

NH4

+ に は

Cs

脱 離 抑 制 効 果は認め ら れ な かっ

た (

Fig . 2

)。 筆 者の 知る限 りに おい て

,

 

NH4 +

に飽 和し たモ ンモ リロナ イ トの膨

潤挙 動

を調 査した研 究は ない

。

上 記の仮説の 検証 には

, NH4 +

に飽 和 した クニ ピア

F

の 膨

潤 挙動

の

詳

細な

検 討

が 必要であ ろう

。

3 − 3.

主要陽 イ オン による

Cs 溶 出挙動

の パ ラ メ

ー

タ化

  溶 出 挙 動を適 切 な 理 論に基づい てパ ラ メ

ー

タ化で きる

と

,

様々な条 件に お け る溶 出

挙

動の 予 測 が 可能 とな る

。

こ こ で は単 純 なイ オン交 換 平 衡モ デ ル に基づ き

,

主要 陽 イ オ ンに よ る

Cs

溶 出

挙

動の パ ラメ

ー

タ化 を試み た

。   Fig, 3

は系に添 加した

Na

濃 度 と溶 液 中の

Cs

濃 度の 関 係を 示 す

。

ス メ ク タ イ ト は

Na

型で あ る と

仮 定

する と

,

層間 に お け る

Na ’

と

Cs +

の イ オン交 換反応は次 式で記 述で きる :

Na

+ +

CsX =NaX

+

Cs

+ (

1

)

こ こ で

CsX

および

NaX

はイオ ン交 換サ イト に保 持され た

Na

+お よび

Cs

+ (以 下層間種 と記 述

)

を示 す

。 各層

間

種

の濃 度には 以下の均 衡 式に基づ く制 約が成 り立つ :

CEC = [ NaX ]

+

[ CsX

] (

2

)

こ こ で

CEC

は単 位 体 積における層 問サイ トの 当 量 数 を 示 す。 陽 イオン交 換 容 量が

1, 15meq

/

g

であ り

,

固液比 が

1g

/

L

で あ るの で

,

 

CEC

は

L15

 meq /

L

に 相 当 す る。

Gains−Thomas

式に基づ く と

,

層 間に お け る

Na

+と

Cs

+

の イ オン交

換

の選 択 係 数を次 式で 記 述 するこ とがで き

る1

’

o

:

    [ NaX ]

aCs

・ KNa

/cs

=

   

aNa

. [ CsX 】

(

3

)

こ こ で aiは

溶液

中で の種

、

の活 量 を 示 す

。

本 研 究で は

,

測 定さ れ た系に添 加し た

Na +

濃 度と溶 液 中の

Cs

濃 度の 関係 をベ ス トフ ィ ッ トする選 択 係 数 (

KN、

tC:

,

) を地 球 化

学コ

ー

ド

The

 

Geochemist ’

s 

Workbenchl5

〕(

GWB

)を用

い て見 積 もっ た (

Table

 

1

)

。

 

Fig. 3

での 実 線 はベ ス ト

フ ィ ッ ト曲 線 を 示 し

,

本

検

討 で は 選 択 係 数 は

KN。

〆c

。 =o. 026

と見 積 も られた

。

 

Fig, 4

の黒 丸の プロ ッ トは

Iijima

 et a14〕に よ り測 定され たク ニ ピア

F

に よる

8 . 4

×

10 −

4M

 

NaCl

溶 液 中での

Cs

吸

着 等

温 線 を 示 す

。

 

Iijima

 

et

al4

・

,は

吸 着 実 験で得ら れ た懸 濁 液を

9

倍の体 積をもつ

8 . 4

xlO

−

4M

 

NaCl

溶 液に添 加 するこ とでス メ ク タ イ トか ら の

Cs

脱 離 挙 動の検 討 も行っ てい る。 

Fig , 4

中の

白

抜 き

の プロ ッ トは脱 離 実 験で得ら れ た結 果 を示し て お り

,

脱 離 実 験で得ら れ た分 配 係 数は吸 着 実 験で得ら れ た分 配 係 数より もや や大 きい 4〕

。

図 中の線は本 研 究か ら見 積 も ら れ た

KN、

 Cs を 用い て作 成 した

lijima

 

et

 

al

の 実 験 条 件

( NaCl 濃度10 一

3M

,

 

pH8 )

下にお け る 理

論等

温

線

を示

す 。

本研究か ら得ら れ たパ ラメ

ー

タ は幅 広い

Cs

濃 度 条 件で 等温線 をよく再 現 してい ること が

確

認で きる

。 Staunton

and

 

Roubaud5

)は

,

 

NaCl

溶 液 中に お ける ワ イ オミ ン グ 産モ ン モ リロ ナ イ トへ の

Cs

吸

着

実 験か ら

KN 。 .

、C

。 ニO. 038

を 見 積 もっ て い る

。 Fig . 3

中に お ける破 線は本 実 験と 同

一 条件

に お け る

Staunton

 and  

Roubaud5

〕に より見 積 も られ た分配係 数 を用いた 理論 曲線 を示し て お り

,

理論 曲 線は 本 研 究 と 比 較 的 よ く

一

致 して い る

。

こ の

一

致 か ら

,

対 象とする粘土 鉱物がモ ン モ リロナ イ トである場 合

,

産 地 を問わず 本 研 究で見積 もっ たパ ラメ

ー

タ が適用で きる

可能

性

が あ る

。

  Fig . 5

は

Na

+ を

0. 02N

含 む 系に おける

,

添 加し た

K

+

, NH .

,

+

.

 

Ca2

+お よ び

Mg2 +

濃 度と溶 液 中の

Cs

濃 度の関 係 を 示 す

。 1

価の陽 イオン の場 合

,

系で考 慮 すべ き化 学反 応 は式

( 1

)に加えて

,

次 式が 必要となる :

Na +

+

MvX =NaX

+

Mv

+

( 80

Σ ε

目

60

ε

三

240

.

臼

d

唱

208ci3

   

0

       

10 ’

2       

10 −

L5     

10 .

I       

l

 

’

05

                  Na

 

conc . ( N )

Fig . 3

 

Dissolved

 

Cs

 concentration  as 

function

 of 

Na

    concentration

.

 

The

 solid 

line

 shows  

the

 calculated     curve  

by

 using  

the

 estimated  selectivity  coeffic 孟ent

、

   

The

 

dotted

 

line

 shows  

the

 calculated  curve  

by

 using

   

the

 selectivity  coefficient  compiled  

by

 

Stauton

 and    

Roubaud ° ’ .

(

4

) こ こ で

Mv

+は

1 価

の陽イ オ ンを示 す。 イ オ ン交 換の選 択 係 数 を 次 式で記 述 することが できる :

     [ NaX ]

aMv

. KNa,

Mv

;

     aNa ・ [ MvX ]

各

層 間種に は以 下の均 衡 式 が 成 り立つ 二

CEC =

[

NaX

]+[

CsX ]

+

[ MvX ]

(

5

)

( 6 ) 2

価の 陽 イオン (

Ca2 +

,

 

Mg2

+)の場 合

,

系で考 慮 すべ き

化学

反応は

式 ( 1 )

に

加

えて次

式

が 必要となる :

2Na

++

DvX2

=

2NaX

+

Dv2 +

(

7

) ここ で

Dv2 +

は

2

価の 陽 イ オンを示 す。 イ オン交 換の選 択 係 数 を次 式で 記 述する こ と が で き る :

K

… Dv

一

難 謁 ( 8 )

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