ジオメルティング

ジオメルトは、危険な汚染物質（放射性廃棄物[1]や重金属[2]など）を清浄な土壌、工業用鉱物の混合物、および／またはガラスフリットと混合し、溶融して非常に硬く浸出に強いガラス製品を作るプロセスです。[3] ガラス化により、最初の混合物に存在するほぼすべての無機汚染物質（放射性核種および重金属）がガラスマトリックスに組み込まれ、固定化されます。[4]溶融物中の有機廃棄物は熱分解によって破壊され、溶融プロセス中に放出されるガス状汚染物質は別途処理されます。[5]

ジオメルトプロセスは、 1980年に米国エネルギー省のパシフィック・ノースウェスト国立研究所[6] （PNNL）によって開発され、2つの方法のいずれかで導入されています。1つは埋設された放射性廃棄物および有害廃棄物の原位置（インプレース）処理、もう1つは放射性廃棄物および有害廃棄物を耐火物で裏打ちされた鋼鉄容器内でガラス化する容器内ガラス化（ICV）です。[3]

プロセス

ガラス化

ジオメルティングは、ガラスが形成されるプロセスであるガラス化の原理に基づいています。あらゆる物質の混合物を効果的にガラス化するには、ガラス形成に寄与する物質（ガラス形成物質と呼ばれる）が存在する必要があります。 [1]これらのガラス形成物質は通常、ケイ素と酸素を含み、ほとんどの土壌に存在します

このプロセスの効率性は、ガラス形成材料に廃棄物をどれだけ混合できるかに大きく依存します。工業規模の溶融実験では、廃棄物の種類にもよりますが、元の溶融混合物の重量比で最大33～40%の廃棄物が含まれた場合でも、安定したガラス化合物が形成されることが示されています[1] [3] [5]。

溶融

まず、廃棄物とガラス形成物質を含む土壌を、混合物を加熱するのに適した電極（導電体）が設置された大型容器内で混合します。使用される容器は、地下[7]（地下平面ガラス化、SPV）または地上（コンテナ内ガラス化、ICV）のいずれかです。[7]どちらの場合も、廃棄物と土壌の混合物を容器に投入し、電極に通電すると加熱プロセスが開始されます。空間的な制約により、混合物全体を同時に溶融することはできません。電極に最も近い物質が最初に溶融し、溶融混合物内の対流（流体中の物質の動き）によって、溶融物質に固体物質がさらに追加されます。約36～58時間[8]後、混合物全体が溶融し、対流によって得られた混合物内の均質性（成分の均一な分布）が実現します。[9]

地下平面ガラス化（SPV）

地下平面ガラス固化法では、すべての溶融作業は汚染現場で行われます。汚染土壌に非常に高い（深さ約6メートル）[9]狭い洞窟を掘削し、これを溶融容器として利用します。洞窟内には、溶融時間を最適化するために非常に大きな電極が設置されます[5] 。その後、有害廃棄物は洞窟内で土壌と混合され、溶融が開始されます。ガラス製品が形成された後は、地中に放置されるか[10]、処分施設に移送されます。

利点

SPV溶融は、掘削する空洞と溶融後のガラス固化体の回収のみであるため、多額の資本投資を必要としません。[11] SPV溶融は、処理済み廃棄物1トンあたり約355～461ドル[12]のコストがかかります。1キログラムあたり555ドル[13] （または1トンあたり50万ドル）の核廃棄物処分コストと比較すると、SPVは非常に費用対効果が高いです。また、溶融プロセスは地下で行われ、現場の作業員から離れた場所で行われるため、作業中の作業員の負傷のリスクも非常に低いです。[10]最後に、溶融空洞にはサイズ制限がないため[5]、SPVは一度に非常に大量の廃棄物を処理できます

デメリット

SPVには欠点がないわけではありません。SPV溶解を行うには、すべての資材と人員を溶解現場まで移動させる必要があるため[9]、輸送コストを考慮する必要があります。現場ですべての汚染物質が除去または破壊された後、プロジェクトは操業を再開するために移転する必要があります。処理チームが到着してもすぐに溶解を開始することはできません。空洞を掘削し、内部に電極を設置するには数時間かかるためです[5] 。

容器内ガラス化（ICV）

容器内ガラス化溶融は、砂の保護層でコーティングされた耐熱金属製の容器内で地上で行われます。[14]砂は容器の壁と溶融混合物を分離し、冷却後にガラス製品を成形します。[15]溶融は連続して行われ、1つの溶融物が冷却されると、別の廃棄物容器に電極が装填され、プロセスが再開されます。その後、ガラス化されたガラスは廃棄施設に送られます。[1]

利点

これらの溶解は処理施設で行われるため、すべての溶解は効率的かつ集中的に行われます。[16]廃棄物と土壌の混合物は、施設内で体系的に積み込まれ、処理されます。混合物は地上で溶解されるため、SPV溶解のように機械でガラス製品を掘り起こす必要はありません。溶解容器はガラスを輸送するための容器でもあるため、[3]ガラスの廃棄に伴う移動が少なくなります

デメリット

ICV溶解にも欠点があります。ICV溶解の最も差し迫った懸念はコストです。ICVには処理施設が必要であり、新しい施設を建設するか、既存の施設を改修して新しいプロセスに対応する必要があります。どちらの方法もかなりの資本投資が必要です。施設がプロセスの準備が整った後でも、ICV溶解は処理済み廃棄物1トンあたり約1,585ドル[12]のコストがかかります（SPV溶解の3～4倍のコスト）。この追加コストは、施設に必要な安全対策によるものです。例えば、溶解プロセスは非常に高温（1200～2000℃）で行われ[17]、この熱の一部は施設全体に拡散するため、作業員がいるエリアには適切な冷却と換気が必要です[18]

オフガス処理

汚染された混合物が溶融する間、ガス（オフガスと呼ばれる）が放出されます[19] 。これらのガスは鋼製ヒュームフード[20]で捕捉され、処理システム[1]に送られ、そこで約99.9999%の汚染物質が除去されます[1] [21]。標準的な処理手順は、ろ過[1]から湿式洗浄[20] [22] （液体を用いてガス状汚染物質を除去する）まで多岐にわたりますが、具体的な手順は処理対象となるガスによって異なります。

用途

有害物質は、除去や処理が非常に困難な場合が多いです。[23]汚染物質は土壌に浸透している可能性があり、[24]スラッジに含まれている場合、[25]使用済み原子炉の炉心内に存在している可能性があります。[26]危険物がどこに存在するかに関係なく、それぞれ標準的な廃棄物管理プロセスを用いた異なる処理方法と処分方法が必要です。しかし、ジオメルティングでは、混合物中の汚染物質に関係なく、処理（溶融）プロセスはバッチごとに基本的に同じであり、 [27]生成されるガラスも同じです。この汎用性により、ジオメルティングは多くの危険管理作業で採用されています。[3]

有機物

ジオメルトは、油、農薬[28]、除草剤、溶剤[29] 、ポリ塩化ビフェニル（PCB）、ダイオキシン、フランなどの残留性有機汚染物質など、さまざまな有機廃棄物の処理に使用されます（ジオメルトは、米国環境保護庁（EPA）によって、米国全土でPCBの承認された熱処理方法として認可されています[30]）。 これらの廃棄物は発がん性物質[31]（発がん性物質）であり、時間の経過とともに重要な身体機能（呼吸など）を損なうことがよくあります。溶融プロセスは有機化合物を破壊します。なぜなら、いかなる有機物も溶融プロセスの高温に耐えることができないからです[1]

無機物

重金属（水銀、カドミウム、鉛などの有毒金属[32] ）などの無機汚染物質は、産業廃棄物や自動車廃棄物[33]を通じて環境に放出されます。放置されると、これらの無機汚染物質は生態系を悪化させ[34]、人間の精神的・身体的疾患[32]を引き起こす可能性があります。金属の混合の有無にかかわらず、ジオメルティングはこれらの重金属をガラスマトリックス内に隔離し、環境への放出を防ぎ[6] 、周囲への脅威を排除します。

放射性物質

原子力発電所の出現以来、放射能汚染（放射性物質の拡散）が環境問題となっています。放射性物質に含まれる放射線量は生物にとって安全ではない可能性があるため[35]、すべての放射能汚染を除去することが重要です。核廃棄物は自然状態で数百年間は危険な状態を保ちますが[36]、ジオメルティング処理によって放射性物質は固定化されます[37]

参考文献

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