JP2018036084A

JP2018036084A - 水質分析計

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Publication number: JP2018036084A
Application number: JP2016167570A
Authority: JP
Inventors: 佳夫北田; Yoshio Kitada
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP6965502B2

Abstract

【課題】所定量の試料液が試料容器内に送液されたか否かを検知して採水異常を判定することのできる水質分析計を提供する。
【解決手段】下部に試料液導入口５３ｅが形成され、当該試料液導入口５３ｅから所定量の試料液が導入される試料容器５３と、試料容器５３に光を照射する光源部５１と、試料容器５３を透過した光を検出する検出部５２とを備え、試料容器５３内に試料液が収容されていくときに検出部５２で検出された光強度変化に基づいて、試料容器５３内に所定量の試料液が収容されたか否かを判定する判定部を備える構成とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、水質分析計に関し、特に試料液中の全窒素濃度を測定する全窒素測定装置に関する。

工場排水等の試料液中の全窒素化合物総量を窒素の濃度で表す全窒素の測定方法は、日本工業規格の「工場から排出される排水の試験方法」に規定されている「紫外吸光光度法」（JIS K 0102 45.2）が一般に利用されている。この紫外吸光光度法は、酸化剤であるペルオキソ二硫酸カリウムを添加した試料液をオートクレーブ法、すなわち高温・高圧下で処理する方法である。
また、「紫外吸光光度法」に「紫外線酸化分解」を組み合わせた方法（以下、「紫外線酸化分解法」という）を採用した全窒素測定装置も市販されている。

紫外線酸化分解法において、採取された所定量ａの試料液Ｓは、まず初めに計量されて所定量ｂの希釈水で希釈される。そして、試料液Ｓ中の窒素化合物が分解されやすいように、試料液Ｓをアルカリ性とするための前処理として所定量ｃの水酸化ナトリウム溶液（ＮａＯＨ）が添加される。次に、酸化剤となる所定量ｄのペルオキソ二硫酸カリウム溶液が添加された後、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の調整試料液Ｓ１は紫外線酸化分解工程へ移される。

そして、調整試料液Ｓ１は７０℃以上の加熱条件下で紫外線が照射され、調整試料液Ｓ１中の窒素化合物は紫外線に反応して硝酸イオンにまで酸化分解されて反応試料液Ｓ２となる。その後、吸光度測定時にｐＨを調整するための所定量ｅの塩酸等が添加され、２２０ｎｍ付近の吸光度測定によって所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３中の全窒素濃度の測定が行われる（例えば特許文献１参照）。

図４は、従来のオンライン全窒素測定装置の全体構成の一例を概略的に示す図である。また、リアクタと測定部の構成の一例を図２、３に断面図で示す。なお、地面に水平な一方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
オンライン全窒素測定装置１０１は、試料槽２と、シリンジポンプ（計量部）１２と、第一マルチポートバルブ２０と、第二マルチポートバルブ３０と、リアクタ４０と、測定部５０と、コンピュータ１６０とを備える。

試料槽２は、例えば工場排水や環境水等の試料液Ｓが連続して供給されるようになっており、第一マルチポートバルブ２０の１つの分配ポートに接続されている。

シリンジポンプ１２は、筒状体のシリンジ１２ａと、シリンジ１２ａ内に挿入される円柱形状のピストン１２ｂと、コンピュータ１６０に制御されるパルスモータ１２ｃとを備える。そして、シリンジポンプ１２のピストン１２ｂは、パルスモータ１２ｃにより上下動するようになっており、ピストン１２ｂが下方に引かれると所定量の溶液をシリンジ１２ａ内に注入し、ピストン１２ｂが上方に押されるとシリンジ１２ａ内の所定量の溶液を排出している。

第一マルチポートバルブ２０は、８個の分配ポートと１個の共通ポートとからなる。分配ポートには、試料槽２と、スパン液入り容器３と、標準試料液入り容器４と、希釈水入り容器５と、リアクタ４０と、測定部５０とが接続されている。そして、第一マルチポートバルブ２０は、モータ（図示せず）により駆動され、共通ポートと１個の分配ポートとを選択的に接続するようになっている。

第二マルチポートバルブ３０は、８個の分配ポートと１個の共通ポートとからなる。分配ポートには、ペルオキソ二硫酸カリウム溶液入り容器６と、水酸化ナトリウム溶液入り容器７と、塩酸入り容器８と、モリブデン酸入り容器９と、アスコルビン酸入り容器１０と、硫酸入り容器１１と、第一マルチポートバルブ２０の共通ポートとが接続されている。さらに、第二マルチポートバルブ３０の共通ポートには、シリンジポンプ１２が接続されている。そして、第二マルチポートバルブ３０は、モータ（図示せず）により駆動され、共通ポートと１個の分配ポートとを選択的に接続するようになっている。

リアクタ４０は、図２に示すように、調整試料液Ｓ１を収容するための反応容器４１と、調整試料液Ｓ１に紫外線を照射する紫外線ランプ４２と、調整試料液Ｓ１の酸化反応温度を制御するヒータ４３とを備える。

反応容器４１は、円筒状（例えば外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１３０ｍｍ）の側壁４１ａと円形状の下面４１ｂとからなり、側壁４１ａの下部には第一マルチポートバルブ２０と接続された試料液導入口４１ｃが形成され、下面４１ｂには廃液を処理するためのドレインと接続された試料液排出口４１ｄが形成されている。なお、反応容器４１は、石英ガラス等で形成されている。
ヒータ４３は、金属製で円筒状のブロック体と、ブロック体に埋め込まれた熱電対（図示せず）とを備え、反応容器４１の外周面に接触するように配置されている。

紫外線ランプ４２は、例えば低圧水銀灯やエキシマレーザや重水素ランプやキセノンランプやＨｇ−Ｚｎ−Ｐｂランプ等である。
そして、紫外線ランプ４２は、反応容器４１内の中央部に上方から挿入されて配置されている。これにより、反応容器４１内に所定量の調整試料液Ｓ１が収容されると、紫外線ランプ４２は調整試料液Ｓ１に浸漬されるようになっている。

測定部５０は、図３に示すように、レーザ光を右方（Ｘ方向）に出射する半導体レーザ素子（光源部）５１と、Ｘ方向に進行するレーザ光の光強度Ｉを検出するフォトダイオード（検出部）５２と、半導体レーザ素子５１とフォトダイオード５２との間に配置され所定量の調整試料液Ｓ３を収容するための測定セル（試料容器）５３とを備える。なお、光源部は半導体レーザ素子に限らずキセノンフラッシュランプ等としてもよい。

測定セル５３は、円筒状（例えば外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、高さ１３０ｍｍ）の側壁５３ａと円形状の上面５３ｂ及び下面５３ｃとからなり、上面５３ｂには廃液を処理するためのドレインと接続された試料液排出口５３ｄが形成され、下面５３ｃには第一マルチポートバルブ２０と接続された試料液導入口５３ｅが形成されている。なお、測定セル５３は、石英ガラス等で形成されている。
これにより、半導体レーザ素子５１から出射されたレーザ光は、側壁５３ａを透過して測定対象領域（光路）を通過し、対面側の側壁５３ａを透過後にフォトダイオード５２で受光されるようになっている。このとき、調整試料液Ｓ３が測定対象領域に存在すれば、レーザ光の一部は調整試料液Ｓ３により吸収される。

ここで、上述したオンライン全窒素測定装置１０１を用いて試料液Ｓの全窒素濃度を自動的に分析する方法について説明する。コンピュータ１６０は、所定のタイミングでパルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、試料槽２から所定量ａの試料液Ｓをシリンジポンプ１２で計量して採取し、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、容器５から所定量ｂの希釈水をシリンジポンプ１２で計量して採取し、シリンジ１２ａ内で試料液Ｓを希釈する。次に、コンピュータ１６０は、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、シリンジ１２ａ内に容器７の所定量ｃの水酸化ナトリウム溶液と容器６の所定量ｄのペルオキソ二硫酸カリウム溶液とを添加して調整試料液Ｓ１とした後、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の調整試料液Ｓ１をシリンジポンプ１２からリアクタ４０へ導入する。

リアクタ４０では、紫外線ランプ４２により約２０分間紫外線を調整試料液Ｓ１に照射し、窒素化合物を硝酸イオンに酸化分解するとともに、液中のペルオキソ二硫酸カリウムを硫酸カリウムに分解する。そして、全てのペルオキソ二硫酸カリウムを分解後、さらに紫外線を５〜２０分間照射することにより、硝酸イオンを亜硝酸イオンへ還元する。これらの反応が終了した後に、コンピュータ１６０は、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の反応試料液Ｓ２をシリンジポンプ１２で計量して採取し、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、シリンジ１２ａ内で容器８の所定量ｅの塩酸を添加して所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３を生成させる。

次に、コンピュータ１６０は、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３をシリンジポンプ１２から測定セル５３へ導入後、半導体レーザ素子５１からレーザ光を出射させて、フォトダイオード５２で光強度Ｉを検出させる。そして、コンピュータ１６０は、検出された光強度Ｉに基づいて２２０ｎｍにおける吸光度を測定することにより、調整試料液Ｓ３の全窒素濃度を算出する。

特開２００３−３４４３８１号公報

上述したようなオンライン全窒素測定装置１０１では、試料槽２や容器３〜１１内の液量が不足していたり、配管等に異常があったりすることで、必要な量の溶液がシリンジポンプ１２に採取できないことや、シリンジポンプ１２で採取して測定セル５３へ送液するまでの過程で調整試料液Ｓ３が漏れてしまうことにより、予め決められた所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が測定セル５３内に送液されないことがあった。
しかし、オンライン全窒素測定装置１０１では、試料液Ｓの全窒素濃度を自動的に算出しているため、分析者等が液切れや液漏れ等の異常状態を発見できなかったり、発見が遅れたりすることにより、試料液Ｓの全窒素濃度が正確に測定できていないことがあった。

本出願人は、オンライン全窒素測定装置１０１の異常状態を発見する検知方法について検討し、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が測定セル５３内に送液されたか否かを検知することに着目した。このような採水異常の検知方法としては、調整試料液Ｓ３を測定セル５３内に送液後、フォトダイオード５２で検出された光の透過率の大小を確認することで調整試料液Ｓ３の有無を検知することが考えられる。
しかし、従来のオンライン全窒素測定装置１０１では、試料槽２及び容器３〜１１のいずれか１種類の液量が不足しているような場合には、測定セル５３内が空（無）になることはない。例えば、所定量ｄのペルオキソ二硫酸カリウム溶液が添加されず、（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３’が測定セル５３内に送液されていても「問題なし」と判定される。したがって、測定セル５３内が空（無）か否かを判定するような検知方法では不充分である。

ところで、上述したような測定セル５３内に調整試料液Ｓ３が送液されると、（１）光路（測定対象領域）に調整試料液Ｓ３層の界面が未到達の状態と、（２）光路中に調整試料液Ｓ３層の界面が到達した状態と、（３）光路が調整試料液Ｓ３層中の状態とに順次変化していく。このとき、半導体レーザ素子５１を点灯させながら測定セル５３内に調整試料液Ｓ３を送液すると、測定セル５３内が空の状態から所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容された状態になるまでの間に得られる光強度変化Ｉ（Ｌ）は、調整試料液Ｓ３の送液量Ｌに対して特徴的な波形となる。この波形は、図５に示すように、送液量Ｌに対して、「（１）光強度Ｉの増減が比較的小さい状態」から始まり、「（２）光強度Ｉの増減が比較的大きい状態」を経て、最後に再度「（３）光強度Ｉの増減が比較的小さい状態」となる。

通常、測定セル５３内へ調整試料液Ｓ３を送液するときの送液量は、測定の種類によって一意的に決まっているため、測定の種類（例えば、送液量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ））が決まっていれば、得られた光強度変化Ｉ（Ｌ）において「（２）光強度Ｉの増減が比較的大きい状態」となる送液量ポイントＬ’も決まる。よって、得られた光強度変化Ｉ（Ｌ）において「（２）光強度Ｉの増減が比較的大きい状態」が送液量ポイントＬ’より大きい場合、或いは、「（１）光強度Ｉの増減が比較的小さい状態」のまま「（２）光強度Ｉの増減が比較的大きい状態」とならない場合には、測定セル５３内への送液量が不足していることになる。つまり、シリンジポンプ１２による計量後から測定セル５３へ送液するまでの過程において採水異常があることになる。

そこで、半導体レーザ素子５１を点灯させながら測定セル５３内に調整試料液Ｓ３を送液していき、そのときの光強度Ｉを監視し、比較的大きな光強度Ｉの変動が起きたポイントでの送液量Ｌが基準送液量Ｌ’よりも大きいとき、或いは、光強度Ｉが変動しないときには、採水異常と判定することを見出した。

すなわち、本発明の水質分析計は、下部に試料液導入口が形成され、当該試料液導入口から所定量の試料液が導入される試料容器と、前記試料容器に光を照射する光源部と、前記試料容器を透過した光を検出する検出部とを備える水質分析計であって、前記試料容器内に試料液が収容されていくときに前記検出部で検出された光強度変化に基づいて、前記試料容器内に所定量の試料液が収容されたか否かを判定する判定部を備えるようにしている。

ここで、「所定量」とは、分析者等によって予め決められた試料液の吸光度等を測定するための任意の量である。

以上のように、本発明の水質分析計によれば、液切れや液漏れによる異常状態を早急に発見することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明の水質分析計において、前記試料容器は、前記試料液を分析するための測定セルであるか、或いは、前記試料液を反応させるための反応容器であるようにしてもよい。
さらに、本発明の水質分析計は、前記試料液を計量する計量部と、前記試料液導入口と前記計量部とが接続されたバルブと、前記計量部及び前記バルブを制御する制御部とを備えるようにしてもよい。

本発明の一例である全窒素測定装置を示す全体構成概略図。リアクタの構成の一例を示す断面図。測定部の構成の一例を示す断面図。従来の全窒素測定装置の一例を示す全体構成概略図。光強度変化の一例を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

本発明に係る水質分析計の一例として、オンライン全窒素測定装置の概略的な全体構成例を図１に示す。なお、上述したオンライン全窒素測定装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付すことにより説明を省略する。
オンライン全窒素測定装置１は、試料槽２と、シリンジポンプ（計量部）１２と、第一マルチポートバルブ２０と、第二マルチポートバルブ３０と、リアクタ４０と、測定部５０と、コンピュータ６０とを備える。

コンピュータ６０は、ＣＰＵ（制御部）６１とモニタ等の表示装置６２とメモリ６３とを備える。また、ＣＰＵ６１が処理する機能をブロック化して説明すると、フォトダイオード（検出部）５２から光強度Ｉを取得する取得部６１ａと、検出された光強度Ｉに基づいて吸光度を算出する吸光度算出部６１ｂと、光強度変化Ｉ（Ｌ）に基づいて所定量の調整試料液Ｓ３が収容されたか否かを判定する判定部６１ｃと、シリンジポンプ１２を制御する計量部制御部６１ｄとを有する。

さらに、メモリ６３には、採水異常を判定するために、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３送液時に「（２）光強度Ｉの増減が比較的大きい状態」となる基準送液量Ｌ’（例えば９００μｌ）が予め記憶されている。

判定部６１ｃは、測定セル５３内に調整試料液Ｓ３が収容されていくときにフォトダイオード５２で検出された光強度変化Ｉ（Ｌ）に基づいて、測定セル５３内に所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容されたか否かを判定する制御を行う。
具体的には、測定セル５３内に反応試料液Ｓ２が収容されていくときにフォトダイオード５２で検出された光強度変化Ｉ（Ｌ）の曲線の傾斜量を順次調べて、傾斜量が所定値以下になったときをピークの開始点であると判定し、傾斜量が負から正に転じたときをピークの頂点（送液量ポイントＬ）であると判定し、さらに傾斜量が所定値以下になったときをピークの終了点であると判定する。そして、送液量ポイントＬが基準送液量Ｌ’より大きい場合には、測定セル５３内への送液量が不足していると判定して表示装置６２に警告表示を行う。また、ピークが検出されなかった場合にも、測定セル５３内への送液量が不足していると判定して表示装置６２に警告表示を行う。

ここで、上述したオンライン全窒素測定装置１を用いて試料液Ｓの全窒素濃度を自動的に分析する方法について説明する。コンピュータ６０の計量部制御部６１ｄは、所定のタイミングでパルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、試料槽２から所定量ａの試料液Ｓをシリンジポンプ１２で計量して採取し、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、容器５から所定量ｂの希釈水をシリンジポンプ１２で計量して採取し、シリンジ１２ａ内で試料液Ｓを希釈する。次に、計量部制御部６１ｄは、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、シリンジ１２ａ内に容器７の所定量ｃの水酸化ナトリウム溶液と容器６の所定量ｄのペルオキソ二硫酸カリウム溶液とを添加して調整試料液Ｓ１とした後、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の調整試料液Ｓ１をシリンジポンプ１２からリアクタ４０へ導入する。

リアクタ４０では、紫外線ランプ４２により約２０分間紫外線を調整試料液Ｓ１に照射し、窒素化合物を硝酸イオンまで酸化分解するとともに、液中のペルオキソ二硫酸カリウムを硫酸カリウムに分解する。そして、全てのペルオキソ二硫酸カリウムを分解後、さらに紫外線を５〜２０分間照射することにより、硝酸イオンを亜硝酸イオンへ還元する。これらの反応が終了した後に、計量部制御部６１ｄは、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の反応試料液Ｓ２をシリンジポンプ１２で計量して採取し、再度パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、シリンジ１２ａ内で容器８の所定量ｅの塩酸を添加して所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３を生成させる。

次に、計量部制御部６１ｄは、パルスモータ１２ｃに駆動信号を出力することにより、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３をシリンジポンプ１２から測定セル５３へ導入する。このとき、取得部６１ａは、半導体レーザ素子５１からレーザ光を出射させて光強度変化Ｉ（Ｌ）をフォトダイオード５２で検出させる。次に、判定部６１ｃは、検出された光強度変化Ｉ（Ｌ）に基づいて、測定セル５３内に所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容されたか否かを判定する。

そして、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容されたと判定したときには、吸光度算出部６１ｂは、検出された光強度Ｉに基づいて２２０ｎｍにおける吸光度を測定することにより、試料液Ｓの全窒素濃度を算出してメモリ６３に記憶させる。一方、所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容されていないと判定したときには、判定部６１ｃは、表示装置６２に警告表示を行う。

以上のように、本発明に係る構成を有したオンライン全窒素測定装置１によれば、液切れや液漏れ等の異常状態を早期に発見することができる。

＜他の実施形態＞
＜１＞上述したオンライン全窒素測定装置１では、測定セル５３内に所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）の調整試料液Ｓ３が収容されたか否かを判定する構成を示したが、これに代えて、リアクタ４０に光源部と検出部とを設け、リアクタ４０内に所定量（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）の調整試料液Ｓ１が収容されたか否かを判定するような構成としてもよい。

＜２＞上述した実施形態では、本発明をオンライン全窒素測定装置１に適用した場合の構成について説明したが、これに代えて、その他の水質分析計に適用してもよい。

本発明は、試料液中の全窒素濃度を測定する全窒素測定装置等の水質分析計に利用することができる。

１：オンライン全窒素測定装置（水質分析計）
５１：半導体レーザ素子（光源部）
５２：フォトダイオード（検出部）
５３：測定セル（試料容器）
５３ｅ：試料液導入口
６１ｃ：判定部

Claims

下部に試料液導入口が形成され、当該試料液導入口から所定量の試料液が導入される試料容器と、
前記試料容器に光を照射する光源部と、
前記試料容器を透過した光を検出する検出部とを備える水質分析計であって、
前記試料容器内に試料液が収容されていくときに前記検出部で検出された光強度変化に基づいて、前記試料容器内に所定量の試料液が収容されたか否かを判定する判定部を備えることを特徴とする水質分析計。
前記試料容器は、前記試料液を分析するための測定セルであるか、或いは、前記試料液を反応させるための反応容器であることを特徴とする請求項１に記載の水質分析計。
前記試料液を計量する計量部と、
前記試料液導入口と前記計量部とが接続されたバルブと、
前記計量部及び前記バルブを制御する制御部とを備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水質分析計。