筑波大学 数理物質系の守友浩 教授はプルシャンブルー類似体を用いて、水溶液中に溶けているセシウム(Cs)イオンを高効率で結晶内に捕獲・沈殿することに成功したと発表した。これにより、効率よく放射性セシウム除染法の開発が期待できるようになるという。同成果は、応用物理学会が発行する「Applied Physics Express」オンライン版に掲載された。

東日本大震災で発生した福島第一原子力発電所(福島第一原発)の事故で生じた放射性セシウムの除去が重要な問題となっている。水溶液中に溶解しているセシウムイオンを除去する方法としては、沈殿法、イオン交換法、吸着法、蒸発法などがあり、中でもイオン交換法や吸着法は簡便かつ高効率のため、多く活用されている。

これらの方法では多孔質なゼオライトやプルシャンブルー類似体が活物質として利用されているが、セシウムイオンが活物質の表面付近に付着するだけであるため、再溶解・再汚染の問題が生じるという課題があった。

研究グループは、これまでジャングルジム構造を有するプルシャンブルー化合物に着目した研究を行ってきた。同化合物は、ジャングルジム内のナノ空間にアルカリ金属イオンや水分子を収容することが可能であり今回、セシウムイオンを結晶内部に捕獲する沈殿法として、遷移金属イオンの大きさを利用してジャングルジムの大きさをセシウムイオンの大きさ(1.74Å)に合わせることで、セシウムイオンを高効率で捕獲できないか検討を行ったという。

プルシャンブルー化合物のジャングルジム構造。赤丸と青丸は遷移金属、棒はシアノ基をそれぞれ表す

具体的な実験方法は以下の通り。

  1. 水溶液中に一定濃度(初期濃度)のセシウムイオンを溶解
  2. プルシャンブルー類似体の原料となる正イオンと負イオンを、それぞれ5mmol/l加える
  3. 生じた沈殿物を除去
  4. 水溶液中に残留しているセシウムイオン濃度(最終濃度)を調査

実験方法の概念図。水溶液中に一定濃度(初期濃度)のCsイオンを溶解。プルシャンブルー類似体の原料の正イオンと負イオンを、それぞれ5mmol/l加えた後、沈殿物を除去。水溶液中に残留しているCs濃度(最終濃度)を調べる

セシウムイオンの初期濃度1ppmの水溶液に、負イオンとしてフェリシアンイオン([FeIII(CN)6]3-)、正イオンとして二価の遷移金属(FeIII、NiII、CuII、ZnII、CoII、MnII)を加え、二価の遷移金属のイオン半径を横軸にしてセシウムイオンの最終濃度をプロットしたところ、イオン半径の大きなZnII、CoII、MnIIにおいて、セシウムイオン濃度が0.004ppmまで低下していることが判明した。

セシウムイオンの最終濃度と正イオン(遷移金属イオン)のイオン半径などの関係。正イオンの半径により、セシウム濃度の低下率が異なる。初期濃度は1ppm

さらに、初期濃度を10ppm、100ppmとして、セシウムイオン捕獲効率の高いZnII、CoII、MnIIに関して実験を実施。結果、ZnIIとMnIIが、水溶液中のセシウムイオン濃度を大きく減らすことが判明した。特にMnIIを用いることで、100ppmのセシウムイオン濃度が0.001ppm(10万分の1)まで低下することが確認された。

Cs濃度の減少幅と正イオンとの関係。矢印の根元は初期濃度、先端は最終濃度をそれぞれ表している

この結果をもとに、MnIIのセシウム吸着率(1gの活物資が吸着できるセシウムの重量)の評価を実施したところ、セシウムイオンの初期濃度が4mmol/lを超える水溶液では1gの活物質でおよそ0.4gのセシウムを除去できることが確認された。

Cs吸着率と水溶液中のCs濃度との関係。それぞれセシウムイオンの初期濃度(図中の数値)が異なる水溶液にMnIIを加えた場合の吸着率(縦軸)と最終濃度(横軸)の関係を示している。初期濃度が4mmol/l以上では400mg/g(活物質1gに対して0.4gのセシウム)を吸着することがわかる(1mmol/lは134ppmに対応)

なお、研究グループでは今後、結晶成長を超音波や光などの外部刺激で制御する方法の研究を行し、低濃度でも放射性セシウムを効率よく除染できるシステムの開発を目指すとしている。