JP2004177347A - 大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中の浮遊粒子状物質を、大幅な省力化ないしは無人化のもとに連続的に捕集することのできる捕集装置およびそれを用いた測定装置を提供する。
【解決手段】捕集容器１内に大気を吸引するとともに、その捕集容器１内には、浮遊粒子状物質Ｐを帯電させる放電電極４と、帯電した浮遊粒子状物質Ｐを電位差を用いて捕集する集塵電極６を配置し、その集塵電極６を、柔軟なフィルム状として捕集容器１を貫通して外部から移動可能に配置することにより、集塵電極６を巻き取り等により移動させることによって、浮遊粒子状物質Ｐの捕集後の集塵電極６を実質的に新たなものに交換できるようにする。また、浮遊粒子状物質Ｐを捕集して容器外に引き出された集塵電極６をそのまま試料保持部材として測定部を構成することにより、連続的に浮遊粒子状物質Ｐの物性等を測定する装置を構築することができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中に存在する浮遊粒子状物質を捕集する装置と、その捕集装置を用いて浮遊粒子状物質を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中に浮遊している粉じんのうち、粒径が１０μｍ以下のものは浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と称される。この浮遊粒子状物質は、巻き上げられた土なども含まれるが、ディーゼル車が排出する黒鉛や未燃焼燃料、硫黄化合物などが多くを占め（関東地方では３５％がディーゼル車からのもの）、これらは有害性もより高いと言われている。このディーゼル車からの排気ガスが原因の粒子状物質は、特にＤＥＰと称される。また、より粒径の小さい２．５μｍ以下のものは微小粒子状物質（ＰＭ２．５）と呼ばれ、欧米では調査・研究が盛んになってきている。このＰＭ２．５の場合、その排出原因はディーゼル車の排ガスである割合がより高くなると言われている。
【０００３】
以上のような大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の形状等を調査したり、その粒度分布を計測し、あるいはそこに含まれている化学物質を同定するするには、大気中からこれらの粒子状物質を捕集する必要がある。
【０００４】
このような大気中の浮遊粒子状物質を捕集する方法は、最も一般的には浮遊粒子状物質をフィルタに捕集する方法である（例えば特許文献１参照）。しかしながら、フィルタに付着した粒子状物質は、単独で抽出することが極めて困難であり、従って顕微鏡により観察するに当たってはフィルタに付着した状態の粒子状物質を観察することになるが、その場合、背景のフィルタ像で粒子の像が不鮮明となり、観察しにくいという問題がある。また、捕集した浮遊粒子状物質を各種化学分析に供する場合においても、フィルタから浮遊粒子状物質を単独で抽出することが困難であることから、機器によってはフィルタに付着した状態で分析を行う必要があり、その場合、例えば蛍光Ｘ線分光装置などにおいては粒子のみにＸ線を照射することが困難となり、実質的に分析不能となってしまうという問題もある。
【０００５】
そこで、本発明者は、他と共同して、放電電極と集塵電極を内部に収容した捕集容器内に大気を吸引し、容器内に吸引された浮遊粒子状物質を放電電極からの単極イオンで帯電させ、その帯電した浮遊粒子状物質を、放電電極に対して電位差が与えられた集塵電極に引き寄せて捕集する方法を既に提案している（例えば特願２００１−２１６１９８号および特願２００２−１２３２２号）。
【０００６】
このような集塵電極上に電気的に捕集された浮遊粒子状物質は、容易に単体で抽出することが可能であり、顕微鏡観察が容易で、また、各種化学分析機器へのサンプリングが容易となる。更に、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置による粒度分布測定にも容易に供することができるという利点がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５０８７０号公報（第５−第８頁、図１−図３）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上の本発明者らの提案によると、一つの集塵電極に適当量の浮遊粒子状物質を捕集すると、その集塵電極を取り出して各種測定に供するのであるが、例えば連続的ないしは経時的に浮遊粒子状物質を観察する場合には、先の集塵電極を取り出した後に新たに使用前の集塵電極を容器内に配置するといった作業が必要であり、特に長期にわたる浮遊粒子状物質の連続観察においては面倒な作業となる。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、大気中の浮遊粒子状物質を、大幅な省力化ないしは無人化のもとに連続的に捕集することのできる大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置と、その捕集装置を用いて連続的に浮遊粒子状物質の物性等を測定することのできる大気中の浮遊粒子状物質の測定装置の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置は、大気中に含まれる浮遊粒子状物質を捕集する装置であって、捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を引き寄せて捕集する集塵電極を備え、その集塵電極は柔軟なフィルム状であって上記捕集容器を貫通して外部から移動自在に配置されていることによって特徴づけられる（請求項１）。
【００１１】
ここで、本発明の大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置においては、上記フィル状の集塵電極を巻き取ることによって、浮遊粒子状物質を捕集した部位を容器外に引き出し、未捕集の部位を容器内に引き込む巻き取り機構を備えた構成（請求項２）を好適に採用することができる。
【００１２】
そして、本発明の大気中の浮遊粒子状物質の測定装置は、以上の請求項１または２に記載の捕集装置に隣接して、浮遊粒子状物質を捕集して容器外に引き出されたフィルム状の集塵電極を試料保持部材として、浮遊粒子状物質の物性等を測定する測定部が配置されていることによって特徴づけられる（請求項３）。
【００１３】
本発明は、基本的には先の提案と同様に、捕集容器内に配置した放電電極により浮遊粒子状物質を帯電させ、これを集塵電極に電気的に引きつける構成を採用するとともに、その集塵電極を柔軟なフィルム状のものとして、そのフィルム状の集塵電極を、捕集容器を貫通させて外部から移動可能に配置することによって、所期の目的を達成しようとするものである。
【００１４】
すわなち、本発明の捕集装置において、大気をポンプにより捕集容器内に吸引し、その捕集容器内に配置された放電電極によって単極イオンを発生させると、その単極イオンは放電電極に対して電位差が与えられている集塵電極に向けて移動し、その過程で、捕集容器内に吸引された大気中に含まれる浮遊粒子状物質に接触し、これを帯電させる。帯電した浮遊粒子状物質は、同じく放電電極に対して電位差が与えられている集塵電極へと移動し、集塵電極上に高い効率のもとに捕集される。この集塵電極を、柔軟なフィルム状のものとして、捕集容器を貫通して外部から移動可能とすると、適当量の浮遊粒子状物質を捕集した後、そのフィルム状の集塵電極を移動させることによって、簡単に浮遊粒子状物質を捕集した部位を外部に引き出し、かつ、未捕集の部位を捕集容器内に引き込むことが可能となり、実質的に集塵電極を容易に交換することができる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明のように、フィルム状の集塵電極を巻き取り機構によって巻き取ることによって、実質的な集塵電極の交換を行うように構成すれば、無人運転のもとに長期にわたって連続的に浮遊粒子状物質を捕集することが可能となる。
【００１６】
そして、本発明の測定装置においては、以上の本発明の捕集装置を用い、浮遊粒子状物質をその表面に捕集して捕集容器外に引き出されたフィルム状の集塵電極をそのまま試料保持部材として、浮遊粒子状物質の物性を測定する測定部を設けることにより、長期にわたって無人ないしは極めて簡単な作業のもとに浮遊粒子状物質の所要の物性等を連続的に測定することができる。
【００１７】
ここで、本発明における測定装置の具体的な構成ないしは具体的な測定対象物性として、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて浮遊粒子状物質の粒度分布の測定、赤外線分光計またはＸ線分光計を用いた浮遊粒子状物質の成分の測定などを挙げることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的並びに光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【００１９】
捕集容器１は、本体部１１と底部１２とからなり、本体部１１に大気の流入口１ａが形成されている。また、底部１２は開閉機構２によって上下動するように構成されており、この底部１２の上昇時には図１に示すように、本体部１１と底部１２とが後述する柔軟なフィルム状の集塵電極６を介在させた状態で密着して気密に接合された状態、つまり捕集容器１が閉じた状態となる。一方、底部１２が下降した状態では、本体部１１と底部１２との間に隙間が形成された状態となり、この状態ではフィルム状の集塵電極６が移動可能となる。
【００２０】
底部１２には、フレキシブルチューブ１２ａを介してポンプ３の吸引口に連通する連通口１ｂが形成されている。従って、底部１２を上昇させて捕集容器１を閉じた状態としてポンプ３を駆動することにより、大気が流入口１ａを介して捕集容器１内に吸引される。
【００２１】
捕集容器１の本体部１１の上部には放電電極４が設けられている。この放電電極４には高圧電源５からの高電圧が印加される。また、捕集容器１の本体部１１と底部１２の間には、柔軟なフィルム状の集塵電極６が配置されている。このフィルム状の集塵電極６は、透明で適当な柔軟性を有する任意の樹脂、例えばポリウレタン等、の表面に透明材料からなる導電性コーティングを施したものであり、底部１２に設けられた導電性材料からなる支持部材６ａを介して接地電位７に接続される。また、このフィルム状の集塵電極６は、その幅が捕集容器１の同方向寸法よりも若干長く、長さはその寸法よりも十分に長く、これにより、捕集容器１を閉じた状態では本体部１１と底部１２に挟み込まれることによって、前記したようにこれら両者間の気密を保つとともに、その両端部は巻き取り機構８の巻回軸８ａ，８ｂに巻回されている。そして、この巻き取り機構８の駆動により、フィルム状の集塵電極６は図中左方に向けて一定量ずつ所定のインターバルで間欠的に巻き取られていくようになっている。なお、図において８ｃ，８ｄ，８ｅはガイドロールである。
【００２２】
以上の構成において、捕集容器１を閉じた状態でポンプ３を駆動して大気を当該捕集容器１内に吸引するとともに、放電電極４に高圧電源５からの高電圧を印加すると、放電電極４の周囲の空気が電離して単極イオンが発生し、その単極イオンは、集塵電極６との電位差によって集塵電極６側に向けて移動し、その過程で捕集容器１内に吸引された大気中の浮遊粒子状物質Ｐと接触してこれを帯電させる。帯電した浮遊粒子状物質Ｐは、同じく放電電極４との電位差によって集塵電極６の上面に捕集されていく。このとき、集塵電極６が接地されているので、比較的多量の浮遊粒子状物質Ｐを捕集しても集塵電極６の電位が変化することがなく、高い効率のもとに浮遊粒子状物質Ｐを捕集することができる。
【００２３】
そして、以上の捕集動作をあらかじめ設定されている一定時間だけ継続した時点で、ポンプ３を停止し、開閉機構２および巻き取り機構８の駆動により、捕集容器１の底部１２を下降させて当該捕集容器１を開き、次いで集塵電極６を巻き取ってそれまで捕集容器１内に位置して浮遊粒子状物質Ｐが付着している部位が捕集容器１外に引き出されると同時に、未使用の部位が新たに捕集容器１内に引き込まれ、その状態で底部１２を上昇させて再び捕集容器１を閉じる。
【００２４】
以上の動作を繰り返すことにより、フィルム状の集塵電極６には、その長手方向に一定の間隔で浮遊粒子状物質Ｐの付着領域が形成されていき、大気中の浮遊粒子状物質Ｐを連続的に捕集することができる。
【００２５】
さて、捕集容器１と巻き取り機構８の巻き取り側の巻回軸８ａの間に、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０が配置されている。レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０は、捕集容器１から引き出されたフィルム状の集塵電極６の浮遊粒子状物質Ｐの付着部位にレーザ光を照射する照射光学系２１と、その照射光学系２１からのレーザ光の浮遊粒子状物質Ｐによる回折・散乱光の空間強度分布を測定する測定光学系２２と、その測定光学系２２の出力をサンプリングするデータサンプリング回路２３、およびそのデータサンプリング回路２３によりサンプリングされた回折・散乱光の空間強度分布データを用いて、集塵電極６に付着している浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を算出するコンピュータ２４を主体として構成されている。
【００２６】
照射光学系２１は、レーザ光源２１ａ，集光レンズ２１ｂ、空間フィルタ２１ｃおよびコリメートレンズ２１ｄによって構成され、レーザ光源２１ａから出力されたレーザ光を平行光束として集塵電極６に照射する。このレーザ光は、集塵電極６に付着している浮遊粒子状物質Ｐにより回折・散乱を受け、その回折・散乱光の空間強度分布が測定光学系２２によって測定される。
【００２７】
測定光学系２２は、照射光学系２１の光軸上に集塵電極６を挟んで配置された集光レンズ２２ａおよび回折・前方散乱光センサ２２ｂと、集光レンズ２２ａの横に設けられた前方広角度散乱光センサ群２２ｃ、および集塵電極６よりも照射光学系２１側に設けられた側方・後方散乱光センサ群２２ｄによって構成されている。回折・前方散乱光センサ２２ｂは、リングディテクタと称されるものであって、互いに異なる半径のリング状または１／２リング状もしくは１／４リング状の受光面を有する光センサを同心上に配置した光センサアレイであって、集光レンズ２２ａにより集光された前方所定角度以内の回折・散乱光の微小角度ごとの強度分布を検出することができる。従って、これらのセンサ群からなる測定光学系２２により、集塵電極６に付着している浮遊粒子状物質Ｐによる回折・散乱光の空間強度分布が、前方微小角度から後方に至る広い範囲で測定される。
【００２８】
以上の測定光学系２２による各回折・散乱角度ごとの光強度検出信号は、それぞれのアンプ並びにＡ−Ｄ変換器を有してなるデータサンプリング回路２３によって増幅されたうえでデジタル化され、回折・散乱光の空間強度分布データとしてコンピュータ２４に取り込まれる。
【００２９】
コンピュータ２４では、その回折・散乱光の空間強度分布データを用いて、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定において公知の、ミーの散乱理論およびフラウンホーファの回折理論に基づく演算により、レーザ光が回折・散乱した原因粒子である浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を算出する。
【００３０】
以上の構成において、ポンプ３のＯＮ／ＯＦＦと放電電極４に対する高電圧の印加／停止、捕集容器１の開閉およびフィルム状の集塵電極６の巻き取り動作と、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０の起動／停止を同期させることによって、大気中の浮遊粒子状物質を実質的に無人運転のもとに連続的に捕集してその粒度分布を自動的に測定することができる。
【００３１】
ここで、以上の実施の形態においては、捕集容器１に隣接してレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０を配置して、連続的に捕集した浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を測定する例を示したが、このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０に代えて、赤外線分光計や蛍光Ｘ線分光計を配置し、捕集容器１から引き出された集塵電極６に付着している浮遊粒子状物質Ｐに対して直接的に所要の光やＸ線を照射することによって、浮遊粒子状物質Ｐの成分の経時的変化を連続的に調査ないしは観察することができる。
【００３２】
また、上記に代えて他の測定装置を配置してもよいことは勿論であり、例えば透過型光学顕微鏡を配置することによって粒子形状や個数を計測することができる。
【００３３】
なお、フィルム状の集塵電極６の材質は、測定装置との関連において適宜に決定すればよく、測定装置によっては透明でなくてもよいことは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の捕集装置によれば、捕集容器内に大気を吸引し、その大気中に含まれる浮遊粒子状物質を、捕集容器内に設けた放電電極によって帯電させて集塵電極上に捕集し、その集塵電極として、容器を貫通して外部から移動させることのできるフィルム状のものを用い、その集塵電極を所定のタイミングで起動させることにより、捕集容器内の集塵電極を実質的に交換することが可能となり、大気中の浮遊粒子状物質を連続観察するような用途において大幅な省力化ないしは無人化を達成することができる。
【００３５】
また、本発明の測定装置によれば、以上の本発明の捕集装置を用いて、その捕集装置に隣接して、浮遊粒子状物質を捕集して捕集容器外に引き出されたフィルム状の集塵電極を、そのまま試料保持部材とした測定部を設けているので、簡単でコンパクトな構成のもとに、大気中の浮遊粒子状物質の所要の物性等を連続的に測定・監視するシステムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の全体構成図で、機械的並びに光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【符号の説明】
１ 捕集容器
１ａ 流入口
１ｂ 連通口
１１ 本体部
１２ 底部
２ 開閉機構
３ ポンプ
４ 放電電極
５ 高圧電源
６ フィルム状の集塵電極
７ 接地電位
８ 巻き取り機構
２０ レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置
２１ 照射光学系
２２ 測定光学系
２３ データサンプリング回路
２４ コンピュータ
Ｐ 浮遊粒子状物質

Claims (3)

1. 大気中に含まれる浮遊粒子状物質を捕集する装置であって、捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を引き寄せて捕集する集塵電極を備え、その集塵電極は柔軟なフィルム状であって上記捕集容器を貫通して外部から移動自在に配置されていることを特徴とする大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置。
2. 上記フィル状の集塵電極を巻き取ることによって、浮遊粒子状物質を捕集した部位を容器外に引き出し、未捕集の部位を容器内に引き込む巻き取り機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載の大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置。
3. 請求項１または２に記載の捕集装置に隣接して、浮遊粒子状物質を捕集して容器外に引き出されたフィルム状の集塵電極を試料保持部材として、浮遊粒子状物質の物性等を測定する測定部が配置されていることを特徴とする大気中の浮遊粒子状物質の測定装置。

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