JP2005098992A - 酸化分解セル - Google Patents

Abstract

【課題】 試料液を加熱するとともに試料液に紫外線を照射する酸化分解セルであって、紫外線ランプを増設して光量を増やすことができ、また構造が簡単で組立、分解洗浄などに熟練を要しない上、ヒータによる試料液の加温効率が良く、しかも安全面で優れた酸化分解セルを提供する。
【解決手段】 内管部４と外管部６とが一体化され、内管部と外管部との間に試料液流路５が形成されているとともに、内管部の内側に凹部１６が形成された試料液流通管２と、試料液流通管の凹部に配置されたヒータ２０と、試料液流通管の外側に配置された紫外線ランプ２４とを有する酸化分解セルとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料液を加熱するとともに試料液に紫外線を照射して試料液中の成分を酸化分解する酸化分解セルに関する。本発明の酸化分解セルは、例えば、試料液中に含まれる窒素化合物およびりん化合物の測定を行う全窒素・全りん測定装置に使用することができる。

試料液中に含まれる窒素化合物およびりん化合物の測定を行う全窒素・全りん測定装置の酸化分解セルとして、従来、中心から同心円状に紫外線ランプ、合成石英管、ガラス管、ヒータを順次配置するとともに、これらを上下の蓋で固定して構造体を構成し、さらにこの構造体を断熱材で包んで全体を金属製の外筒に収納したものが使用されている（例えば、特許文献１にその一部が開示されている）。

前記酸化分解セルの一例を図３に示す。図３の酸化分解セルは、紫外線ランプ（低圧水銀ランプ）５２の周囲に合成石英管５４を配置し、この合成石英管５２の周囲にガラス管５６を配置して、合成石英管５４とガラス管５６との間を試料液流路５８として構成してある。この場合、紫外線ランプ５２、合成石英管５４およびガラス管５６は上蓋６０、下蓋６２によって固定してある。また、ガラス管５６の周囲にヒータ６４を設置し、その周囲を断熱材６６で覆い、全体をステンレス鋼製の外筒６８に収納してある。

図３の酸化分解セルを用いて試料液中の成分を分解する場合、試料液を試料液流路に上向流あるいは下向流で流し（図面では下向流を示す。また、試料液入口および試料液出口は図示せず。）、一度流れを止めて試料液流路に試料液を満たし、試料液を加熱した状態で、紫外線ランプから照射される紫外線により試料液中の成分を酸化分解するものである。

特開２００３−１４７２４号公報

しかし、図３に示した酸化分解セルは、下記の欠点を有するものであった。
（１）紫外線ランプをスペースの大きさが決まった合成石英管内に挿入しているので、紫外線ランプを増設して光量を増やすことができず、そのため試料液によっては紫外線酸化に時間がかかることがあった。
（２）構造が複雑であるため、組立、分解洗浄などに熟練を要する。すなわち、２つのガラス部品（合成石英管およびガラス管）を上下の蓋で固定する際に、均等な圧力で蓋を締めつけないとこれらガラス部品が破損する危険があり、そのため組立、分解洗浄に熟練を要していた。
（３）ガラス管の外側にヒータを配置したので、ヒータの熱が外部に逃げやすく、ヒータによる試料液の加温効率が悪いため、断熱材を用いて保温を行っても、試料液によっては紫外線酸化に時間がかかることがあった。
（４）セルの外側部分にヒータがあるため、火傷防止などの安全面の対策として断熱材を使用しなくてはならず、製造コストが高くなるとともに、構造が複雑になっていた。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、紫外線ランプを増設して光量を増やすことができ、また構造が簡単で組立、分解洗浄などに熟練を要しない上、ヒータによる試料液の加温効率が良く、しかも安全面で優れた酸化分解セルを提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、内管部と外管部とが一体化され、内管部と外管部との間に試料液流路が形成されているとともに、内管部の内側に凹部が形成された試料液流通管と、前記凹部に配置されたヒータと、前記試料液流通管の外側に配置された紫外線ランプとを具備することを特徴とする酸化分解セルを提供する。

本発明の酸化分解セルは、紫外線ランプをスペースが大きい試料液流通管の外側に配置したので、紫外線ランプを増設することができ、そのため試料液に十分な光量の紫外線を照射して酸化分解時間を短縮することができる。また、内管部と外管部とを一体化して、ガラス部品を一体化したので、ガラス部品が破損しにくくなり、そのため組立、分解洗浄などが容易になって、これらの作業に熟練を要さなくなる。さらに、内管部の内側の凹部にヒータを配置したので、ヒータの熱が外部に逃げにくく、ヒータによる試料液の加温効率が良いため、酸化分解時間を短縮することができる。また、内管部の内側の凹部内にヒータを配置したので、ヒータの外側には試料液流通管の試料液流路が存在し、その試料液流路の空気や試料液が断熱効果を持つため、外管部に大きな温度上昇をもたらさず、火傷防止などの安全面で優れている。

本発明の酸化分解セルにおいて、試料液流通管の構造は適宜設定することができるが、好適な例としては、後述するように、試料液を下端から流入させて、下端より流出させる二重管構造のもので、内部に紫外線による酸化が十分行われる程度の隙間を有するものが挙げられる。このような構造の試料液流通管として、例えば、内管部および外管部の一端側において、内管部の一端側が内管閉塞部により閉塞されているとともに、前記内管閉塞部の外方において外管部の一端側部分が試料液入出管として構成され、かつ、内管部および外管部の他端側において、内管部の他端と外管部の他端との間がリング状の内管・外管閉塞部によって閉塞され、これにより内管部と外管部との間に試料液流路が形成されているとともに、内管部の他端開口と前記内管閉塞部との間に凹部が形成されているものが挙げられる。

本発明の酸化分解セルは、紫外線ランプを増設して光量を増やすことができ、また構造が簡単で組立、分解洗浄などに熟練を要しない上、ヒータによる試料液の加温効率が良く、しかも安全面で優れているものである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態の一例を示す。図１は本発明に係る酸化分解セルの一例を示す概略断面図である。

本例の酸化分解セルにおいて、２は合成石英により一体に形成された試料液流通管を示す。この試料液流通管２は、内管部４および外管部６を有し、両管部４、６の下端側において、内管部４の下端側が内管閉塞部８により閉塞されているとともに、内管閉塞部８の下方において外管部６が細くなっており、この細くなった外管部６の下端部分が試料液入出管１０として構成されている。また、両管部４、６の上端側において、内管部４の上端と外管部６の上端との間がリング状の内管・外管閉塞部１２によって閉塞され、これにより内管部４と外管部６との間に試料液流路５が形成されているとともに、内管部４の上端開口１４と前記内管閉塞部８との間に深井戸形状の凹部１６が形成されている。さらに、外管部６の上端部には、試料液流路５と連通し、外側方に延びる大気開放管１８が連結されている。

前記凹部１６内には、円柱形のヒータ２０が挿入されているとともに、凹部１６の壁面とヒータ２０との間には熱伝導物質２２が充填されている。また、熱伝導物質２２内には温度センサ２３が埋設されている。ここで、熱伝導物質２２としては、例えば酸化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末、シリコングリース等を用いることができる。

外管部６の外側には、外管部６に近接して３本の直管型の紫外線ランプ２４が等間隔で配置されている（図示は１本のみ）。また、試料液流通管２、ヒータ２０、紫外線ランプ２４は、内面２５が鏡面研磨され、この内面２５が紫外線を反射するステンレス鋼製の円筒形ケース２６内に収容され、これら試料液流通管２、ヒータ２０、紫外線ランプ２４、ケース２６は上蓋２８、下蓋３０によって固定されている。なお、紫外線ランプはＵ字状、螺旋状等の他の形状のものでもよい。

本例の酸化分解セルを用いて試料液中の成分を分解する場合、所定量の試料液を試料液入出管１０から試料液流通管２内に導入し、試料液流路５に所定量の試料液を入れた状態で、ヒータ２０および紫外線ランプ２４をオンにする。これにより、一定時間試料液がヒータ２０により加熱されるとともに、紫外線ランプ２４から照射される紫外線により試料液中の成分が酸化分解される。酸化分解処理後の試料液は、試料液入出管１０から流出させる。

図１に示した酸化分解セルによれば、下記ａ〜ｆの利点が得られる。
ａ．紫外線ランプを試料液流通管の外側に配置したので、必要に応じて紫外線ランプを容易に増設することができる。そのため、試料液に十分な光量の紫外線を照射して酸化分解時間を短縮することができる。
ｂ．内管部と外管部とを一体化し、ガラス部品を一体化したので、試料液流通管を構成するガラス部品の組立工程が不要になり、ガラス部品が破損しにくい。そのため、組立、分解洗浄が容易になり、これらの作業に熟練を要さなくなる。
ｃ．内管部の内側の凹部内にヒータを配置したので、ヒータの熱が外部に逃げにくい。そのため、試料液の加温効率が良く、酸化分解時間を短縮することができる。
ｄ．内管部の内側の凹部内にヒータを配置したので、ヒータの外方には試料液流通管の試料液流路が存在することになる。この試料液流路には空気または試料液が満たされ、その空気または試料液が断熱効果を持つため、外管部に作業が危険になるほどの温度上昇をもたらさず、安全面で優れている。
ｅ．凹部の壁面とヒータとの間に熱伝導物質を充填したので、ヒータの熱が試料液流路の試料液に直接的に伝わり、そのため試料液の加温効率が良く、酸化分解時間を短縮することができる。
ｆ．紫外線ランプの外側のケースの内面が紫外線を反射するので、試料液への紫外線の照射効率が良くなり、酸化分解時間を短縮することができる。

図２は本発明に係る酸化分解セルに用いる試料液流通管の他の例を示す断面図である。本例の試料液流通管３２は、合成石英により一体に形成されたもので、内管部３４および外管部３６を有し、両管部３４、３６の下端側において、内管部３４の下端側が内管閉塞部３８により閉塞されているとともに、内管閉塞部３８の下方において外管部３６が細くなっており、この細くなった外管部３６の下端部分が試料液入出管４０として構成されている。また、上記試料液入出管４０の内径の一部４１は、他の部分４３より細くなっている。なお、図１の試料液流通管２では、試料液入出管１０は外管部６の下端中央部に形成されているが、本例の試料液流通管３２では、試料液入出管４０は外管部３６の下端周縁部に形成されている。

また、本例の試料液流通管３２は、両管部３４、３６の上端側において、内管部３４の上端と外管部３６の上端との間がリング状の内管・外管閉塞部４２によって閉塞され、これにより内管部３４と外管部３６との間に試料液流路３５が形成されているとともに、内管部３４の上端開口４４と前記内管閉塞部３８との間に深井戸形状の凹部４６が形成されている。さらに、外管部３６の上端部には、試料液流路３５と連通し、斜め上方に延びる大気開放管４８が連結されている。この大気開放管４８の内径は、試料液の蒸気が液化して生じた水分により内部が閉塞されない太さに形成されている。

図２に示した試料液流通管３２は、例えば図１に示した試料液流通管２と同様に、凹部４６内にヒータを挿入し、凹部４６の壁面とヒータとの間に熱伝導物質を充填し、外管部３６の外側に紫外線ランプを配置するとともに、これら試料液流通管３２、ヒータ、紫外線ランプをケース内に収容し、試料液流通管３２、ヒータ、紫外線ランプ、ケースを上蓋、下蓋で固定することにより、本発明に係る酸化分解セルを作製することができる。

図２に示した試料液流通管を用いた酸化分解セルによれば、前述したａ〜ｆの利点に加え、下記ｇ、ｈの利点が得られる。
ｇ．本発明酸化分解セルでは、試料液を試料液流通管内に導入する際に、全ての試料液が試料液流路内に流入するように、最後に試料液を空気によって試料液流路内に送り込むことがある。このような場合、試料液入出管の内径が大きいと、試料液の加熱中に試料液が徐々に試料液入出管にまで戻ってくるため、試料液入出管に戻ってきた試料液に対し加熱および紫外線照射を行うことができなくなり、試料液中の成分の酸化分解効率が悪くなる。これに対し、図２の試料液流通管では、試料液入出管の内径の一部を他の部分より細くしたので、上記細くなった部分が空気によって塞がれ、その結果、試料液の加熱中に試料液が試料液入出管に戻ることが防止される。上記試料液入出管の内径が細い部分の内径および長さは、その部分に空気が滞留して試料液が戻ることを防止できる内径および長さであればよく、試料液流路の容量等に応じて適宜設定することができるが、通常は内径を０．５〜１．５ｍｍ、特に約１ｍｍ、長さを１０〜３０ｍｍ、特に約２０ｍｍとすることが適当である。なお、試料液入出管の内径の全てを細くすると、酸化分解処理後の試料液を試料液入出管から流出させる際に試料液が落ちにくくなるため、試料液入出管の下部の内径は太い方がよい。

ｈ．外管部の上端部に、試料液流路と連通し、斜め上方に延びる大気開放管を連結するとともに、この大気開放管の内径を、試料液の蒸気が液化して生じた水分により内部が閉塞されない太さに形成したので、試料液流通管内に導入した試料液が加熱により多少突沸した場合でも、試料液流通管内に試料液が戻り、試料液の減少を防ぐことができるとともに、試料液の加熱中に水分が蒸発した場合でも、大気開放管内で蒸気が冷却され、試料液流通管内に試料液が戻る。そのため、試料液中の成分濃度が変化することを防止することができる。上記大気開放管の水平線に対する角度は、３０〜４５°とすることが適当である。また、大気開放管の内径は、試料液の蒸気が液化して生じた水分により内部が閉塞されない太さであればよく、試料液流路の容量等に応じて適宜設定することができるが、通常は４〜８ｍｍ、特に約６ｍｍとすることが適当である。

なお、本発明の酸化分解セルは、上述した例のように断熱材なしでも使用できるが、断熱材を適宜箇所に使用することにより、さらに効果的に高い温度を保つことができる。

図２に示した試料液流通管の凹部内に円柱形のヒータを挿入し、凹部の壁面とヒータとの間に熱伝導物質を充填し、外管部の外側に２本の直管型の紫外線ランプを配置するとともに、これら試料液流通管、ヒータ、紫外線ランプを紫外線が反射するようにアルミホイルを用いて包み込み、さらにその周囲を断熱材で覆うことにより、本発明に係る酸化分解セルを作製した。

次に、上記酸化分解セルを用いて下記手順により実験を行った。
１．標準試料液７．５ｍＬを計量した。標準試料液としては、下記表１に示す成分、りん濃度を有する校正液、りん化合物標準試料液、縮合りん酸標準試料液、りん化合物＋縮合りん酸標準試料液を用いた。
２．分解液（硫酸溶液）２．４ｍＬを１の標準試料液に加えて攪拌した。
３．酸化分解セルの試料液流通管に２の試料液を導入し、９８℃で３５分間加熱するとともに紫外線照射を行って試料液中の成分を酸化分解した。
４．酸化分解処理後の試料液７．５ｍＬを計量し、これに発色剤（モリブデン酸アンモニウム／タルトラトアンチモン酸カリウム／硫酸混合溶液）０．５ｍＬおよび還元液（Ｌ−アスコルビン酸溶液）０．５ｍＬを加えた。
５．吸光度測定により試料液中のりん濃度を求めた。

上記実験を行い、標準試料液のりん濃度（ｍｇＰ／Ｌ）を１００とした場合の５で求めたりん濃度（ｍｇＰ／Ｌ）の割合を回収率（％）として算出した。これを各試料４回ずつ行った。結果を下記表１に示す。

表１より、本発明の酸化分解セルは前述した回収率が高く、したがって試料液中の成分の酸化分解効率が高いことが確認された。

本発明に係る酸化分解セルの一例を示す概略断面図である。 本発明に係る酸化分解セルに用いる試料液流通管の他の例を示す断面図である。 従来の酸化分解セルの一例を示す概略断面図である。

符号の説明

２ 試料液流通管
４ 内管部
５ 試料液流路
６ 外管部
８ 内管閉塞部
１０ 試料液入出管
１２ 内管・外管閉塞部
１４ 内管部の上端開口
１６ 凹部
１８ 大気開放管
２０ ヒータ
２２ 熱伝導物質
２４ 紫外線ランプ
２６ ケース
３２ 試料液流通管
３４ 内管部
３５ 試料液流路
３６ 外管部
３８ 内管閉塞部
４０ 試料液入出管
４２ 内管・外管閉塞部
４４ 内管部の上端開口
４６ 凹部
４８ 大気開放管

Claims (6)

1. 内管部と外管部とが一体化され、内管部と外管部との間に試料液流路が形成されているとともに、内管部の内側に凹部が形成された試料液流通管と、前記凹部に配置されたヒータと、前記試料液流通管の外側に配置された紫外線ランプとを具備することを特徴とする酸化分解セル。
2. 前記試料液流通管は、内管部および外管部の一端側において、内管部の一端側が内管閉塞部により閉塞されているとともに、前記内管閉塞部の外方において外管部の一端側部分が試料液入出管として構成され、かつ、内管部および外管部の他端側において、内管部の他端と外管部の他端との間がリング状の内管・外管閉塞部によって閉塞され、これにより内管部と外管部との間に試料液流路が形成されているとともに、内管部の他端開口と前記内管閉塞部との間に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸化分解セル。
3. 前記試料液入出管の内径の一部を他の部分より細くしたことを特徴とする請求項１または２に記載の酸化分解セル。
4. 前記試料液流路と連通し斜め上方に延びる大気開放管を前記試料液流通管の上部に連結するとともに、この大気開放管の内径を、試料液の蒸気が液化して生じた水分により内部が閉塞されない太さとしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の酸化分解セル。
5. 前記凹部の壁面と前記ヒータとの間に熱伝導物質を充填したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の酸化分解セル。
6. 前記試料液流通管、ヒータおよび紫外線ランプはケース内に収容され、該ケースの内面は紫外線を反射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の酸化分解セル。