Study on the Removal of Cesium from Simulated Seawater using Ammonium Phosphomolybdate (AMP) and Natural Zeolite Alginate Microcapsules

原子力施設が稼働しているとき、あるいは廃止されるとき、放射性元素によって汚染された水が発生します。その中でも、セシウムは特に懸念される存在です。セシウムは水に溶けやすく、環境中を素早く移動し、数十年にわたって放射能を保持します。これを除去することは安全のために不可欠ですが、その対象が海水である場合、それは非常に難しいパズルとなります。海水には、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムといった一般的な塩類が大量に含まれています。これらの無害なイオンが放射性セシウムを追い出してしまうため、標準的な洗浄材料では危険な元素を捕まえることが困難になります。科学者たちは、特定の鉱物がセシウムに対して磁石のように作用し、塩分を無視して水からセシウムを引き抜くことができることを古くから知っています。しかし、これらの微細な鉱物粉末を、流れる川や処理プラントで使える実用的なものに変えることは困難です。粉末は細かすぎて容易にろ過できず、また水中の塩分によってその保持力が弱まってしまうからです。

台湾の研究者たちは、海水環境下で機能するように設計された2種類の鉱物ベースの材料をテストすることで、この特定の問題を解決しようと試みました。彼らは、アンモニウムホスホモリブデン酸塩という非常に選択性の高い鉱物と、天然のゼオライトと呼ばれる鉱物を取り上げ、それぞれを海藻抽出物からなる柔らかいゼリー状の殻で包み込みました。アルギン酸マイクロカプセルと呼ばれるこの殻は、保護ネットのような役割を果たします。これは、微細な鉱物粉末を所定の位置に保持し、水が中にある鉱物に触れるために通り抜けることはできる一方で、水と一緒に洗い流されてしまうことがないように設計されています。研究チームは、これら2種類の包まれた鉱物のうち、どちらが模擬海水からセシウムを捕集するのに優れているか、そしてそれが実際の処理システムにおいて有用なほど迅速に行えるかどうかを確認したいと考えました。

研究は、これらの小さなカプセルを作成することから始まりました。研究者たちは、液状の海藻溶液に鉱物粉末を混ぜ、その混合物をカルシウム浴に落としました。カルシウムは接着剤として機能し、滴を瞬時に硬く丸いビーズへと変え、その中に鉱物を閉じ込めました。彼らは、アンモニウムホスホモリブデン酸塩を満たしたものと、天然のゼオライトを満たしたものの2つのバッチを作成しました。テストを行うために、少量のセシウムを混ぜた人工海水をビーズの上に注ぎました。彼らは、ビーズがどれだけのセシウムを保持できるか、そしてどれだけ効果的に水からセシウムを排除できるかを測定しました。結果は、2つの材料の間に明確な差があることを示しました。アンモニウムホスホモリブデン酸塩を含むビーズは、より優れた捕集剤であることが証明されました。それらはゼオライトビーズよりもはるかに強く、かつ大量のセシウムを保持しました。具体的には、アンモニウムホスホモリブデン酸塩のビーズは約0.102ミリモル/gのセシウムを捕集したのに対し、ゼオライトのビーズは約0.078ミリモル/gでした。その差は、物質がいかに効果的に水から対象物を引き抜くかの指標である分配係数においても顕著であり、アンモニウムホスホモリブデン酸塩のビーズは、ゼオライトビーズよりも約7倍高い値を示しました。

連続的な流れ（水処理プラントが稼働している状態と同様）の中でこれらの材料が機能するかどうかを確認するため、研究者たちはビーズをカラムに詰め、汚染された海水を高速でポンプを使用して流しました。彼らは、毎分50ミリリットルという速い流量でもテストを行いました。この急速なペースにおいても、アンモニウムホスホモリブデン酸塩のビーズはセシウムを99パーセント除去しました。流量がわずかに増加すると効率は低下しましたが、90パーセント以上を維持しており、この材料が実世界の処理システムの圧力に耐えつつ、その有効性を失わないことを証明しました。ゼオライトのビーズも同様の条件下で90パーセント以上のセシウム除去を実現し良好な性能を示しましたが、容量と捕集強度の両面において、一貫してアンモニウムホスホモリブデン酸塩に及びませんでした。

チームはまた、ビーズが役割を終えた後に何が起こったのかについても詳しく調査しました。強力な顕微鏡と化学スキャナーを用いて、セシウムへの曝露前後のビーズの表面を調べました。その結果、ビーズは物理的に安定しており、内部構造が崩壊することもなく、汚染物質を捕らえる上で極めて重要な表面積もほぼ正確に維持されていることが分かりました。スキャンにより、セシウムが実際にビーズの表面に付着していることが確認されました。しかし、スキャンはまた、海水中の他の塩分の存在が、純水を用いたテストと比較して、表面でのセシウムの検出を困難にしていることも明らかにしました。塩分濃度の高い環境により、表面で検出されるセシウムの量は、ゼオライトビーズでは約半分に、アンモニウムホスホモリブデン酸塩では約45パーセント減少しました。これは、海水が作業を困難にしているものの、アンモニウムホスホモリブデン酸塩のビーズが塩類イオンとの競合を克服するのに十分な堅牢性を備えていることを裏付けています。

最終的に、この研究は、これらの特定の鉱物を海藻ベースの殻で包むことが、塩分を含む水から放射性セシウムを洗浄するための耐久性のある効果的なツールを生み出すことを示しています。アンモニアホスホモリブデン酸塩のビーズは、高い容量と、高濃度の塩分が存在する場合でも放射性元素を保持する優れた能力を備えた、より強力な候補として浮上しました。この研究は、これらの複合材料が核廃棄物処理のための実用的な手法としてさらなる開発の準備が整っており、材料が分解したり洗い流されたりすることなく、海洋から危険な放射能を分離する方法を提供することを示唆しています。