JP2007033036A

JP2007033036A - 溶液中の物質の定量方法及び骨材のアルカリシリカ反応性試験方法

Info

Publication number: JP2007033036A
Application number: JP2005212134A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Nakamura; 秀三中村; Osamu Tomita; 治富田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】特殊な装置、設置環境を必要とせず、身近で手に入る器具を使用し、比較的簡単で迅速に実施ができる溶液中の物質量の定量方法を提供する。
【解決手段】本発明の溶液中の物質の定量方法及び骨材のアルカリシリカ反応性試験方法は、薬品を添加することにより発色させることが可能な溶液であって、前記薬品を添加し、溶液を発色させ、カメラで前記溶液を撮影し、該撮影画像を解析し、該撮影画像に写っている溶液の色に関する数値（彩度、色相、明度、三刺激値など）を求め、その数値から実際の溶液中の物質の量を求めることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、溶液中に溶解した物質量を簡易な方法で定量する方法に関する。

あらゆる分野において、さまざまな液の中にさまざまな物質が溶け込んだ状態が存在し、溶液中に溶けている物質の量を求めなければならない場合が多々ある。例として、工場廃水中に含まれる有害物質の量を把握する場合、河川や湖沼、地下水中の物質の量を求める場合等があげられる。コンクリートの分野においては、「コンクリートの癌」とも呼ばれる骨材のアルカリシリカ反応において、その試験方法の一つのＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」の溶解シリカ量（Sc）の定量で、アルカリ溶液に溶け出したシリカ量を求める必要がある。

溶液中の物質量を定量する手段として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析、原子吸光分析法、吸光光度法、イオンクロマトグラフ法、湿式分析などが用いられている。

誘導結合プラズマ発光分析とは、大気圧のアルゴンガスに高周波エネルギーを与えることによって発生した放電プラズマ（誘導結合プラズマ）をイオン化源とする質量分析装置で極めて感度が高く、微量元素分析装置の最高位の装置である。

原子吸光分析法とは、炎や黒鉛炉に高電流を流すことで生じる高温化で、資料中の目的元素が原子化され、その原子蒸気が特有の波長の光を吸収する現象を利用する方法で原子吸光光度計が使用されている。

可視、紫外領域の光が物質を通過するとき、光のエネルギーによって物質の電子状態に変化（基底状態の電子が励起状態に遷移する変化）を起こし、光はエネルギーを消費する。この現象を吸収と呼び、消費するエネルギーは物質により異なる。つまり、試料に入る前と試料から出た後の光の強度は異なる。この光の強度比と、光が通る溶液の厚さ（距離）を溶液の濃度から吸光度と計算する。吸光度を測定する装置を分光光度計という。分光光度計は溶液が光を吸収する量を測定する。

ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」は、骨材を８０℃の水酸化ナトリウム溶液で煮て、骨材から溶出した溶解シリカ量（以下Ｓｃと略記する場合がある）と、骨材とアルカリアルカリシリカゲルを生成することによって減少したアルカリ濃度減少量（以下Ｒｃと略記する場合がある）を求め、ＲｃとＳｃの関係がＲｃ／Ｓｃ≧１である場合には、その骨材は無害（アルカリシリカ反応性が低い）であると判定する手法であり、ＪＩＳＡ１１４５により規格化されている。骨材から溶出するシリカ量は質量法（湿式分析）、原子吸光光度法又は吸光光度法のいずれかの方法によって定量され、アルカリ消費量はフェノールフタレイン指示薬を用いて塩酸で滴定することにより測定される（非特許文献１）。

日本工業規格骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）ＪＩＳＡ１１４５：２００１日本規格協会発行

上記の溶液中の物質量の定量を行う手段は、何れも比較的大型で高価な装置や器具を用いることと、試験を行うには試験方法に関して熟練が必要となる。また、特殊な装置であるため設置環境も適切なものでなくてはならず、特別な電源や空調、排水、排気設備を要し、場合によっては特殊ガスを使用する装置もある。このように、上記の定量方法は、大学、研究機関、公的な検査機関等でないと実施することは難しいのが現状である。

よって、ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」も、一部の限られた検査場でのみ実施され、実際に試験結果を必要としている、骨材の製造業者や生コンクリート工場では、試料をそれらの機関に送り、試験の実施を有料で依頼しているのが現状である。

そこで、本発明は、特殊な装置、設置環境を必要とせず、身近で手に入る器具を使用し、比較的簡単で迅速に実施が出来る溶液中の物質量の定量方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、鋭意研究の結果、溶液に試薬等を添加し、溶液を発色させ、その発色した溶液の色から溶液に溶けた物質の量を定量化することが可能であるとの知見を得、本発明を完成した。すなわち、本発明の溶液中の物質の定量方法は、薬品を添加することにより発色させることが可能な溶液であって、前記薬品を添加し、溶液を発色させ、カメラで前記溶液を撮影し、該撮影画像を解析し、該撮影画像に写っている溶液の色に関する数値（彩度、色相、明度、三刺激値など）を求め、その数値から実際の溶液中の物質の量を求めることを特徴とする、溶液中の物質の定量方法（以下「本発明の定量方法」という。）を提供する（請求項１）。

本発明の定量方法によれば、溶液に薬品を添加し、カメラで撮影するだけの簡単な方法で溶液中の物質の量を定量する事ができるので、高価な分析装置を必要とせず、作業も簡便である。

また、ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」の溶解シリカ量（Sc）の定量において、本発明の定量方法を適用することを特徴とする骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（以下「本発明のアルカリシリカ反応性試験方法」という。）を提供する（請求項７）。

本発明のアルカリシリカ反応性試験方法によれば、骨材の製造現場や、骨材の貯蔵場、生コンクリートの骨材受け入れ過程における品質管理が現場で容易に行えるようになる。

本発明の溶液中の物質の定量方法は、薬品を添加することにより発色させることが可能な溶液について、その発色した色の情報に基づいて、溶液中に溶けている特定の物質の量を定量化する方法である。定量化の方法は、その溶液をカメラ等で撮影することにより、溶液の色の情報を得ることにより行なわれる。取得した溶液の色の情報は、特定の色についてその強度等を判定することにより、溶液中に溶けている特定の物質の量を定量化する。

上記のカメラとしては、デジタルカメラやビデオカメラなどが考えられ、またパーソナルコンピュータ用のスキャナーやその他のパーソナルコンピュータやパーソナルコンピュータのネットワークに接続可能なＣＣＤカメラでも代用が可能で、スキャナーを用いることで、さらに銀塩カメラ等で撮影した写真や紙に印刷した写真でも、デジタルデータ画像として扱えるようになる。

本願発明の定量方法が適用できる溶液とは吸光光度法が適用できる溶液である。すなわち、吸光光度法によって定量可能な元素が溶解した溶液である。

溶液を発色させる薬品としては、吸光光度法において溶液を発色させる際に使用される試薬を用いることが出来る。例えばリチウムに対してはトリン、ホウ素に対してはクルクミン、フッ素に対してはランタンーアリザリンコンプレキソン、アルミニウムに対しては８−キノリノール、珪素に対してはケイモリブデン酸等の薬品が使用可能であるが、使用すべき薬品は、定量対象の元素に対して、それぞれ最適な薬品がある。したがって、定量すべき元素により異なる。

本方法は、前記吸光光度法と同様に、元素が溶解した溶液に、その溶液を発色させる薬品（試薬）を添加し、前記溶液を発色させる。その後、この溶液をカメラ等で撮影し、その画像から前記溶液中に溶解している元素の量を定量化する方法である。

撮影した画像から溶液中に溶解している元素を定量化する方法は、画像を数値化することによって判定する。カメラで撮影した画像中の溶液の色を数値化する手段としては、パーソナルコンピュータと市販の画像処理ソフトを用いて行うことが可能で、ＲＧＢ指標の赤（Ｒ）値、緑（Ｇ）値、Ｂ（青）値の何れかの値又はそれらの組み合わせ、輝度値、Lab指標のＬ値、ａ値、ｂ値の何れかの値又はそれらの組み合わせ等で表すことが出来る。

なお、本方法は、事前に、溶液中の物質濃度が分かっている溶液の画像を撮影し、その画像から溶液の色と溶液の濃度の関係を求め、その関係から、溶液濃度が未知な溶液の濃度（溶液中の物質量）を求める手法である。すなわち、溶液の色と溶液の濃度との関係式（検量線）を求め、該関係式に基づいて、溶液濃度が不明な溶液について、溶液濃度を求める方法である。

このように、本発明によれば、定量に必要な器具や材料は、何れも身近で容易に入手でき、費用もこれまでの機器分析（ＩＣＰや原子吸光光度法）に比べると大幅に安い物ばかりで、デジタルカメラやパーソナルコンピュータなどは、既に所有している場合場多いため、あらためて購入する必要はないと考える。

さらに、作業自体も、液を採取し、一定割合で発色させるための試薬を添加し、それをカメラで撮影し、その撮影された画像をパーソナルコンピュータに取り込み、市販の画像処理ソフトで処理を行い（１０分程度の作業）、ＲＧＢ指標の何れかの値等の数値を得て、その値を検量線に代入し、溶液中の物質量を得ると言うような簡単で、迅速に行える作業であり、熟練も必要で無い。

ただし、カメラでの溶液の撮影にさいしては、照明などの光のあたり具合などの条件は、検量線を作成した時の条件と出来うる限り同じくすることが望ましい。また、物質や発色させるための薬品の種類によっては、発色させる薬品を溶液に添加してからカメラで撮影するまでの時間も、検量線を作成した時の条件と、合わせることが望ましい。

この手法を用いて、溶液中のけい素又はシリカの量を定量する方法を以下に示す。溶液中のけい素又はシリカの量を定量する場合は、溶液中にモリブデン酸塩を添加し、黄色又は青色に発色させて、それをカメラで撮影し、その画像を処理して数値を求め、事前に求めた検量線に、その値を代入することで、けい素又はシリカ量を求めることが出来る。

モリブデン酸塩としては、モリブデン酸アンモニウム等を用いることが出来る。

溶液中のけい素又はシリカの量を定量する場合は、用いる数値の種類としては、ＲＧＢ指標又はＬａｂ指標の何れでも可能であるが、液の色が黄色又は青であることから、ＲＧＢ指標では、Ｂ（青）値が最も良い指標となると考える。Ｌａｂ指標ではｂ値が良い指標であると考える。

このけい素又はシリカの定量方法を用いることにより、ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」のScの定量において、原子吸光分析装置や分光光度計などの高価な装置を必要とせず、質量法（湿式分析）のような熟練した技術を要することなく、簡単に溶解したシリカの定量を行えるようになる。

よって、ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」による試験を場所を問わず行えるようになるため、骨材の製造現場や骨材の貯蔵場、生コンクリートの骨材の受け入れ過程などにおける品質管理が現場で容易に且つ適時行えるようになる。

以下に本発明の試験方法をデジタルカメラを用いて実施する場合の試験例に基づき、より具体的に詳細に説明する。
［試験例１］

けい素の濃度の異なる溶液5種類を作成し、検証用試料とした。別々の100mlメスフラスコにそれぞれ1000ppmのけい素溶液を0ml、2ml、4ml、6ml、8mlずつ入れ、水を加えて50ml程度にした試料１〜５を作成した。それぞれの溶液に10％濃度の７モリブデン酸６アンモニウム４水和物溶液を2ml添加し、次いで塩酸（１＋１）を1ml添加し、攪拌した。

15分経過した後、しゅう酸1.5mlをそれぞれのフラスコに添加した後、水を加えて全量100mlになるようにし、攪拌した後、さらに5分経過した時点でシャーレに液を移した（液の厚さが1cm程度になるようにした）。

溶液の入ったシャーレを以下の要領でデジタルカメラで撮影した。
カメラ：Canon IXY（登録商標） DIGITAL50（フラッシュ無し）
撮影場所：室内（蛍光灯12本、外光遮断）
試料とカメラの距離：15cm

画像をパーソナルコンピュータに取り込み、市販ソフトのAdobe「Photoshop」4.0Jにて画像を分析し、画像内の溶液部分の色をＲＧＢ指標のＢ（青）値で求めた。Ｂ値は、画像内の溶液部分の青色の光の強さの平均値である。

溶液中のけい素濃度とＢ値の測定結果を表１に、溶液中のけい素の濃度とＢ値との相関図を図１に示す。

図１から、けい素濃度とＢ値との間に非常に高い相関性を確認した。また、図１からけい素の濃度とＢ値との関係式を求めると、関係式は図１に示すようにｙ＝−０．２１３５ｘ＋３２．７２７となる。この関係式から、濃度が未知な溶液のＢ値が得られると、けい素濃度が求められるようになる。例えば、濃度が未知な液を同じ工程で発色させて求めたＢ値が125であった場合、そのけい素濃度は、6.04mg/lとなる。（関係式溶液中のけい素の濃度＝−0.2135×Ｂ値＋32.727より）

次に本発明の定量方法を用いる骨材のアルカリシリカ反応性試験における溶解シリカ量Ｓｃの求め方を説明する。火砕岩系の岩石から製造した粗骨材（砕石2015）を105℃の乾燥機内にて乾燥した後、粉砕を行い、０．３ｍｍと０．１５ｍｍの篩いを用いて０．３〜０．１５ｍｍの範囲の試料を採取し、骨材のアルカリシリカ反応性試験（化学法）の試験用試料とした。

ＪＩＳＡ１１４５に準じて、1mmol/lのNaOH溶液25ml内に25gの試料を入れ80℃の温度条件で24時間反応させた。その後、NaOH溶液をろ過して、ろ過液を採取した。

ろ過液を20倍に希釈し（ろ過液5mlに水を95ml加えた）、その希釈液5mlを100mlフラスコに入れ、さらに水を加えて50ml程度にし、それに10％濃度の７モリブデン酸６アンモニウム４水和物溶液を2ml添加し、次いで塩酸（１＋１）を1ml添加し、攪拌。

15分経過した後、しゅう酸1.5mlをそれぞれのフラスコに添加した後、水を加えて全量100mlになるようにし（20倍液）、攪拌した後、さらに5分経過した時点でシャーレに液を移した（液の厚さが1cm程度になるようにした）。

溶液の入ったシャーレを以下の要領で、デジタルカメラで撮影した。
カメラ：Canon IXY（登録商標） DIGITAL50（フラッシュ無し）
撮影場所：室内（蛍光灯12本、外光遮断）
試料とカメラの距離：15cm

画像をパーソナルコンピュータに取り込み、市販ソフトのAdobe「Photoshop」4.0Jにて画像を分析し、画像内の溶液部分の色の濃さをＲＧＢ指標のＢ（青色）値で求めた。

このＢ値と、予め別途求めておいた溶液中のけい素濃度とＢ値との検量線（１）から試料液のけい素濃度を求めた。
溶液中のけい素濃度＝0.0019×Ｂ値²−0.7337×Ｂ値＋65.58・・・（１）
なお、式（１）は、事前にけい素濃度の分かっている溶液のＢ値を上記の手順及び条件で測定し（表２）、溶液のけい素濃度と測定したＢ値とから近似曲線を求めた式である。

表３は画像中の溶液のＢ値、そのＢ値から求めた希釈液の濃度、その希釈液の濃度を次式に代入し、化学法で得られるＳｃを求めた結果（本発明の方法によって求めたＳｃ）、旧来のＪＩＳＡ１１４５による化学法で得られたＳｃの値である。本発明の方法から求めたＳｃの値は、化学法のＳｃと同程度の値を得ることが出来た。
Ｓｃ＝Ｂ値から求めた希釈液の濃度×希釈倍率÷28.09・・・（２）
希釈倍率＝20倍×20倍＝400倍
希釈倍率：Ｂ値を求めた希釈液の元液（ろ過液）に対する希釈倍率

表１の結果を基に溶液中のけい素濃度と画像から求めたＢ値の相関関係を示す図である。

Claims

薬品を添加することにより発色させることが可能な溶液であって、前記薬品を添加し、溶液を発色させ、カメラで前記溶液を撮影し、該撮影画像を解析し、該撮影画像に写っている溶液の色に関する数値（彩度、色相、明度、三刺激値など）を求め、その数値から実際の溶液中の物質の量を求めることを特徴とする、溶液中の物質の定量方法。
前記撮影画像に写っている溶液の色に関する数値から実際の溶液中の物質の量を求める方法として、事前に、濃度が既知である溶液をカメラで撮影し、その画像から得られる色に関する数値と既知の濃度との関係式（検量線）を求め、その関係式を用いて溶液の物質量を算出することを特徴とする請求項１記載の溶液中の物質の定量方法。
前記薬品を添加することにより発色させることが可能な溶液とは、吸光光度法において分析可能な各種元素が溶解した溶液であることを特徴とする請求項１又は２記載の溶液中の物質の定量方法。
前記薬品とは吸光光度法において使用される各種薬品であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の溶液中の物質の定量方法。
カメラがデジタルカメラ又はビデオカメラであることを特徴とする、請求項１〜４いずれか記載の溶液中の物質の定量方法。
溶液中のけい素またはシリカの量を求めることを特徴とする請求項１〜５の何れか記載の溶液中の物質の定量方法。
ＪＩＳＡ１１４５「骨材のアルカリシリカ反応性試験方法（化学法）」の溶解シリカ量（Sc）の定量において、請求項１〜６記載の定量方法を適用することを特徴とする骨材のアルカリシリカ反応性試験方法。