JP3545161B2

JP3545161B2 - エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置

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Publication number: JP3545161B2
Application number: JP05615497A
Authority: JP
Inventors: 茂田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH10253509A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サンプラーに関し、特に大気や室内の気中の含まれるエアロゾル中の化学成分の濃度測定に用いられる捕集抽出装置、および該捕集抽出装置を用いたエアロゾル中化学成分濃度の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気や室内の気体中の含まれるエアロゾル中の化学成分の濃度測定は、労働衛生や健康住宅環境や排気ガス、あるいは環境汚染等を監視するモニタリング分野において利用されている。
【０００３】
従来、可溶性のエアロゾル中の化学成分の濃度測定では、通気流量が１５００ｌ／ｍｉｎ程度のハイボリュームサンプラーや、通気流量が５０ｌ／ｍｉｎ程度のローボリュームサンプラーによって、フィルターを通して試料ガスを吸引し、フィルター上にエアロゾルをろ過し捕集を行い、このフィルター試料を超純水で抽出し、抽出水をイオンクロマトグラフ等の分析装置によって分析を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のエアロゾル中化学成分の捕集および抽出によって測定を行う場合には、エアロゾルの捕集にフィルターを使用しているため、エアロゾルを捕集する捕集工程と、捕集したエアロゾル中化学成分を抽出する抽出工程の二つの工程が必要となり、エアロゾル中化学成分の分析を自動かつ連続して行うことができないという問題がある。大気中に含まれるエアロゾル中化学成分の測定による環境測定等では、サンプリング箇所が様々な環境にあり、また測定時間も長時間化する傾向にあるため、自動連続測定が可能な測定装置が必要とされている。
【０００５】
また、従来のフィルターを用いたエアロゾル中化学成分の捕集では、大気中のガス成分がフィルターを通過する際に、吸着し粒子化する場合がある。通常、分析対象がエアロゾル中化学成分である場合には、大気中にガスの状態で存在する成分は測定対象外であり、フィルターに吸着して粒子化したガス成分は、本来エアロゾルで存在する成分濃度に対して誤差成分となるという問題点がある。
【０００６】
また、逆に、フィルター上に捕集した粒子が昇華性である場合には、該昇華性の粒子がガス化して揮散してしまい、粒子として抽出されるべき化学成分量が減少して、測定誤差が生じるという問題点もある。
【０００７】
そこで、本発明は前記した従来のフィルターによるエアロゾル中化学成分捕集の問題点を解決し、エアロゾルの捕集とエアロゾル中化学成分の抽出を一工程で同時に行うことができるエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置を提供することを第１の目的とし、このエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置を用いて自動連続測定が可能なエアロゾル中化学成分濃度の測定装置を提供することを第２の目的とする。
【０００８】
また、エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置およびエアロゾル中化学成分濃度測定装置において、気体中のエアロゾル化学成分を正確に捕集し抽出することを第３の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、抽出水を試料ガスによって噴霧化し、この噴霧状態の抽出水と試料ガスを混合させることによって、試料ガス中のエアロゾルを抽出水中に捕集すると同時に、エアロゾル中の化学成分を抽出水内に抽出させる装置であり、これによって、捕集と抽出を一工程で行うことができるエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置である。
【００１０】
本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置は、エアロゾルの捕集とエアロゾル中化学成分の抽出を一工程で同時に行うために、エアロゾルを含む試料気体を導入し通気させ、この通気気体によって導入した抽出水を噴霧化する噴霧手段と、この噴霧手段を内部に含み、噴霧化した抽出水と試料気体を混合させ、エアロゾルを抽出水中に捕集させ、エアロゾル中化学成分を抽出水中に抽出させる混合室と、エアロゾルを捕集した抽出水を回収する回収手段とを備えた構成とするものである。
【００１１】
本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によれば、噴霧手段に試料気体と抽出水を導入し、試料気体を通気させることによる気体の流れを利用して、抽出水を噴霧化する。混合室内において、噴霧化した抽出水と試料気体は混合した状態となり、この間に試料気体中のエアロゾルは抽出水中に捕集される。また、捕集されたエアロゾル中の化学成分は、捕集の母体が抽出水であるため、捕集と同時に抽出水中に抽出される。
【００１２】
この噴霧手段および混合室は、従来ミストチャンバーとして知られている装置と同様の装置を用いることができる。従来のミストチャンバーは、試料気体中のガス成分を液体中に捕集することを目的とした装置であり、通常、エアロゾルを捕集せずにガス成分のみを捕集するために、ミストチャンバーの前段にエアロゾルを除去するためのフィルターを備えている。これに対して、本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置が備える噴霧手段および混合室は、従来のミストチャンバーとは目的を逆にするものであり、試料気体中のエアロゾルを捕集し抽出することを目的とし、積極的に抽出水中へのエアロゾルの捕集を行って、従来のミストチャンバーとは異なる機能、作用を奏するものである。そのため、従来のミストチャンバーが要したエアロゾル除去のためのフィルターを構成要素とせず、むしろフィルターは測定誤差の要因となるものである。
【００１３】
上記構成のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によれば、抽出水中に抽出された化学成分中には、エアロゾル中化学成分の他に試料気体中でガス状態に存在した化学成分も含まれる。したがって、この捕集抽出装置で抽出した化学成分の濃度を測定することによって、試料気体中でエアロゾルの状態およびガスの状態で存在するそれぞれの化学成分のトータル量を測定することができる。
【００１４】
本発明の他の構成のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置は、エアロゾル中化学成分とガス状態の化学成分とを切り分けて捕集し抽出するものであり、前記した構成のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置に加えて、噴霧手段に試料気体を導入する前段部分に、試料気体中の酸性，塩基性ガスを抽出するガス捕集手段を備えるものである。
【００１５】
このガス捕集手段は、湿式平行板デニューダによって構成することができ、超純水を流下させる平行板の間に試料気体を通すことによって、該超純水中に試料気体中に含まれる酸性，塩基性ガスを捕集させるものである。これによって、このガス捕集手段は、試料気体中の酸性，塩基性ガスを選択的に捕集し、試料気体中でガス状態で存在する化学成分の捕集、分析および濃度測定を行うことができる。
【００１６】
また、このガス捕集手段を通過した試料気体は、酸性，塩基性ガスが除去されているため、このガス状態の化学成分を除去した試料気体を本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置に導入することによって、試料気体中でエアロゾル中の化学成分の捕集、抽出、分析および濃度測定を行うことができる。
【００１７】
したがって、本発明の他の構成のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によれば、エアロゾル中化学成分とガス状態の化学成分とを切り分けて捕集し抽出し、化学成分の濃度をエアロゾル状態とガス状態とで区分して測定することができる。
【００１８】
また、両測定による化学成分の濃度を加算することによっても、トータル量を求めることもできる。
【００１９】
また、このエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置が持つ、捕集と抽出の工程を一工程で同時に行うことができるという特性を用い、また、試料気体および抽出水の導入，導出をプログラム制御することによって、捕集，抽出の工程を自動で連続して行うことができ、これによって、自動連続測定が可能なエアロゾル中化学成分濃度の測定装置を構成することができる。
【００２０】
また、本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置は、混合室に超音波振動器を備え、これによって、混合室内に付着したエアロゾルを混合室内に導入した超純水に抽出させ、噴霧手段および混合室の洗浄を行うことができ、これによって、自動連続測定における洗浄効果を高めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置、およびエアロゾル中化学成分濃度の測定装置の概略図であり、図２は本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置の概略図である。
【００２２】
図２において、エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置１は混合室３と、混合室３内に抽出水の噴霧を形成する噴霧手段２とを備える。混合室３内には試料気体と抽出水が導入されるよう構成される。
【００２３】
試料気体は、導入管２ａを通して混合室３内の気体ノズル２ｂに導入され、フィルター１１を介して吸引され混合室３外に導出される。なお、このフィルターは従来用いられるエアロゾル捕集用のフィルターではなく、吸引ポンプ側への噴霧された抽出水の到達を防止するものである。
【００２４】
また、導入管４ａおよび導出管４ｂは混合室３の内外とを連絡し、抽出水はこの導入管４ａおよび導出管４ｂを通して混合室３内に対して導入および導出を行う。導入管４ａの開放端は混合室３の底部付近に配置され、導入された抽出水はこの開放端付近の底部に溜まり、また、該底部に溜まった抽出水は導出管４ｂを通して外部に取り出される。
【００２５】
また、混合室３内において、導入管４ａおよび導出管４ｂの開放端付近の底部には、液体ノズル２ｃの一方の開放端が配置され、該液体ノズル２ｃの他方の開放端は気体ノズル２ｂの他方の開放端の近傍に配置される。
【００２６】
上記構成のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置１において、混合室２の底部の抽出水を導入した状態で混合室２内を吸引ポンプで吸引すると、試料気体は導入管２ａを通して混合室２内に導入され、気体ノズル２ｂの先端から放出される。この試料気体の気体ノズル２ｂからの放出に伴う減圧によって抽出水は吸引され、気体ノズル２ｂの近傍に設けられた液体ノズル２ｃの先端から霧流状となって放出される。これによって、抽出水の噴霧化が行われる。
【００２７】
このとき、試料気体中に含まれるエアロゾルは、形成された噴霧状の抽出水と混合室３内で混合され、抽出水中に捕集される。霧状の抽出水はフィルター１１でブロックされ次第に液体となって混合室３の底部に溜まり、再び液体ノズル２ｃから霧状となって放出され、エアロゾルの捕集を行う。この動作は、試料気体が導入されている間続けられ、エアロゾルの捕集が続行される。
【００２８】
この、エアロゾルの抽出水中への捕集が行われている間、エアロゾル中の化学成分は抽出水中に抽出される。したがって、エアロゾルの抽出水への捕集工程と、エアロゾル中化学成分の抽出水中への抽出工程は、同じ工程の中で同時に行われることになる。
【００２９】
エアロゾル化学成分の抽出が行われた抽出水は、導出管４ｂを通して混合室３の外部に取り出される。
【００３０】
次に、図１を用いて本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置１、およびエアロゾル中化学成分濃度の測定装置１００について説明する。
混合室２内への試料気体の導入は、直接あるいは、後述する湿式平行板デニューダ５を通して、吸引ポンプ２０で混合室３内を吸引することによって行うことができる。なお、混合室３と吸引ポンプ２０との間にはフィルター１１および流量調整器１２が設けられる。フィルター１１は、混合室３内で噴霧された抽出水が吸引ポンプ２０側へ到着するのを防止する。また、流量調整器１２は混合室３内に導入する試料気体の流量を調整する。
【００３１】
混合室２内への抽出水の導入は、超純水の抽出水を溜めた超純水容器９ａからポンプ６ｂを介し、導入管４ａを通して行う。また、エアロゾルの捕集および抽出が完了した抽出水の導出は、ポンプ６ａによって導出管４ｂを通して、イオンクロマトグラフ１０等の分析装置に導いて行われる。
【００３２】
また、洗浄、あるいはオーバーフロー解除等の目的で混合室３内の抽出水を外部に取り出す場合には、光センサ等の液量検出器８ａの検出信号に基づいてポンプ６ｃを駆動し、図示していない他の導出管を通して行うことができる。
【００３３】
本発明のエアロゾル中化学成分濃度の測定装置１００は、エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置１と、抽出水の分析測定行うイオンクロマトグラフ１０とによって構成することも、また、湿式平行板デニューダ５を設けて構成することもできる。
【００３４】
湿式平行板デニューダ５は、平行に配置した板に超純水を流下させることによって、通過する気体中に含まれる酸性，塩基性ガスを抽出、あるいは除去するものである。超純水の注水は、抽出水を溜めた超純水容器９ｂからポンプ６ｄで行い、抽出水の回収はポンプ６ｅによって抽出水容器９ｃに行うことができる。また、抽出水容器９ｃに設けた光センサ等の液量検出器８ｂの検出信号に基づいて、抽出水を抽出水容器９ｃからイオンクロマトグラフ１０に送液し、ガス状態で存在する化学成分の分析を行うことができる。
【００３５】
湿式平行板デニューダ５により、試料気体中にガス状態で存在する化学成分を前もって除去することによって、本装置は試料気体中のエアロゾルの状態で存在する化学成分の捕集、抽出、分析および濃度測定を行うことができる。また、湿式平行板デニューダにより試料気体中の酸性，塩基性ガスを選択的に捕集し、試料気体中でガス状態で存在する化学成分の捕集、分析および濃度測定を行うことができる。
【００３６】
したがって、エアロゾル中化学成分とガス状態の化学成分とを切り分けて捕集し抽出し、化学成分の濃度をエアロゾル状態とガス状態で区分して測定することができる。また、両測定による化学成分の濃度を加算することによって、化学成分のトータル量を求めることもできる。
【００３７】
次に、エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置の動作手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
超純水容器９ａから超純水を取り出して混合室３内に導入することによって、抽出水の注入を行う（ステップＳ１）。抽出水の注入後、吸引ポンプを駆動して、混合室３内の底部に抽出水を溜めた状態で、試料気体を混合室３内に導入し通気させる。抽出水は、試料気体の通気によって噴霧化される（ステップＳ２）。
【００３９】
混合室３内では、噴霧化された抽出水と試料気体が混合され、これによって、試料気体中のエアロゾルは抽出水中に捕集され、さらに、抽出水中に捕集されたエアロゾル中の化学成分は抽出水中に抽出される（ステップＳ３）。
【００４０】
エアロゾルの捕集とエアロゾル中化学成分の抽出が完了した後、吸引ポンプを停止し、混合室３の底部に溜まった抽出水を回収する（ステップＳ４）。回収した抽出水をイオンクロマトグラフ等の分析装置に導き、エアロゾル中化学成分の分析を行う（ステップＳ５）。
【００４１】
次のエアロゾルの捕集、およびエアロゾル中化学成分の抽出を行うために、超純水容器９ａから超純水を取り出して混合室３に導入することによって、洗浄水の注水を行い（ステップＳ６）、混合室３に設けた超音波振動器１３によって振動させることにより、混合室３の内壁に付着したエアロゾルを洗浄する（ステップＳ７）。洗浄した洗浄水を、ポンプ６ｃを駆動して排出する（ステップＳ８）。上記工程を繰り返すことによって、連続測定を行うことができる。
【００４２】
また、図４はエアロゾル中化学成分濃度の測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。湿式平行板デニューダを備えたエアロゾル中化学成分濃度の測定装置は、エアロゾルのみの測定、エアロゾルとガス成分の両方の測定、およびガス成分のみの測定を、選択し切り分けて行うことができる（ステップＳ１０）。
【００４３】
エアロゾルのみの測定の場合には、湿式平行板デニューダを動作させた状態で（ステップＳ１１）、前記図３のフローチャートに示す動作を行い、エアロゾルとガス成分の両方の測定の場合には、湿式平行板デニューダを停止した状態で（ステップＳ２１）、前記図３のフローチャートに示す動作を行う。また、ガス成分のみの測定の場合には、湿式平行板デニューダを動作させた状態で（ステップＳ３１）、湿式平行板デニューダの抽出水を回収し（ステップＳ３２）、回収した抽出水を分析する（ステップＳ３３）。
【００４４】
また、各部に設けられた弁，バルブ，ポンプのオン、オフ制御は図示しない制御装置によって行い、これによって、自動連続測定を行うことができる。
【００４５】
【表１】

表１は、本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によるエアロゾルの捕集効率の測定結果であり、毎分８．０ｌの流量で五分間測定したとき測定例である。これによれば、本発明の捕集抽出装置は９９％以上の捕集効率を示している。
【００４６】
【表２】

また、表２および図５は本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置と従来のフィルターを用いた捕集抽出装置のクロスチェックの結果である。なお、表２中の傾きａと切片ｂはＹ軸方向にフィルター法による大気濃度をプロットし、Ｘ軸方向に本発明による大気濃度をプロットした一次回帰式の値である。また、平均濃度は本発明の装置によって得られた大気濃度（μｇ／ｍ^３）である。また、図５は、ＳＯ_４ ^２− を例として、フィルター法による大気濃度と本発明による大気濃度を比較したものである。
【００４７】
表２および図５の測定結果から本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によって、エアロゾル中化学成分の捕集，測定を充分に行うことが確認される。
【００４８】
【表３】

また、表３は本発明の装置とフィルターを用いた装置のブランク値（大気濃度換算値）の比較、および実際の大気濃度の例である。なお、フィルターを用いた装置の値は、４０ｌ／ｍｉｎの通気流量で一時間の捕集した場合のブランク値（抽出量を２０ｍｌ）であり、また、本発明の装置の値は、８ｌ／ｍｉｎの通気流量で一時間の捕集した場合のブランク値である。
【００４９】
【表４】

また、表４は湿式平行板デニューダにより酸性・塩基性ガスの捕集効率の測定結果である。高い捕集効率が確認され、１０ｌ／ｍｉｎではほぼ１００％に近い捕集効率となる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置によれば、エアロゾルの捕集とエアロゾル中化学成分の抽出を一工程で同時に行うことができ、エアロゾル中化学成分濃度の測定装置に適用することにより、自動連続測定が可能となり、また、気体中のエアロゾル化学成分を正確に捕集し抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置、およびエアロゾル中化学成分濃度の測定装置の概略図である。
【図２】本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置の概略図である。
【図３】本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】本発明のエアロゾル中化学成分濃度の測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置と従来のフィルターを用いた捕集抽出装置による大気濃度のクロスチェックの結果の１例（ＳＯ_４ ^２−）である。
【符号の説明】
１…エアロゾル中化学成分の捕集抽出装置、２…噴霧手段、２ａ…導入管、２ｂ，２ｃ…ノズル、３…混合室、４…回収手段、４ａ，４ｂ…導入出管、５…湿式平行板デニューダ、６…ポンプ、７…バルブ、８…液量検出器、９…容器、１０…イオンクロマトグラフ、１１…フィルター、１２…流量調整器、１３…超音波振動器、１００…エアロゾル中化学成分濃度の測定装置。

Claims

エアロゾルを含む試料気体を導入し通気させ、該通気気体によって導入した抽出水を噴霧化する噴霧手段と、
前記噴霧手段を内部に含み、噴霧化した抽出水と試料気体を混合させ、エアロゾルを抽出水中に捕集させ、エアロゾル中化学成分を抽出水中に抽出させる混合室と、
エアロゾルを捕集した抽出水を回収する回収手段とを備え、
抽出水中へのエアロゾルの捕集とエアロゾル中化学成分の抽出を同時に行うことを特徴とするエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置。
前記噴霧手段に試料気体を導入する前段部分に、試料気体中のガス化学成分を捕集する湿式平行板デニューダを備え、
エアロゾル中化学成分とガス化学成分とを分離して捕集することを特徴とする、請求項１記載のエアロゾル中化学成分の捕集抽出装置。