JP2009036716A - 炭素含有粉塵の粉塵種判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】その目的は、炭素含有粉塵から植物由来粒子、石炭由来粒子、コークス由来粒子を迅速に定性的に判別可能とし、さらには定量可能な炭素含有粉塵の粉塵種判別方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の炭素含有粉塵の粉塵種判別方法は、炭素含有粉塵に含まれる粉塵種を判別する炭素含有粉塵の粉塵種判別方法であって、炭素含有粉塵を比重選別する比重選別工程と、前記比重選別工程で選別された浮遊物に対し、顕微鏡を用いて反射率を測定する反射率測定工程と、前記反射率測定工程で測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類する分類工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素含有粉塵に含まれる粉塵種を判別する方法に関する。

粉塵の飛散源を特定するためには、飛散および降下粉塵がどのような物質の粒子からなるかを知ること、さらには各物質がどれ位の割合で含まれているかを知ることが重要である。具体例をあげると、一貫製鉄所においては飛散粉塵源となりやすい石炭、コークス、鉄鉱石などを近接した地域で取り扱っているので、工場内や近隣区域に降下する粉塵がどのような発塵源からどの程度飛散してきたかを正確に測定することができれば、必要な環境対策を講じることができる。

この飛散粉塵は極めて細かいので、粒子の判別、測定を目視により行うことは不可能に近い。一般に粉塵粒子の判別定量のためには、粒子の物理的あるいは化学的な性状差を利用した次のような方法が採用される。このうち通常採用される方法は、顕微鏡観察による方法である。

例えば、（ａ）飛散粉塵粒子を集めて平板上に薄くばらまき、顕微鏡観察下で色調、形状など粒子の外観上の特徴から粉塵粒子の種類を判別し、定量する方法がある。（ｂ）採集した粉塵粒子の粒子種に密度差がある場合には、比重分離を行ってから、各比重区分の粒子を定量する方法がある。（ｃ）採集した粉塵粒子の粒子種に特定の溶媒に対する溶解性に差がある場合には、その溶媒を用いて溶解操作を行ったときの溶解残渣量あるいは溶解量から、それぞれの粒子を定量する方法がある。

（ｄ）採集した粉塵粒子の粒子種に加熱消失あるいは燃焼消失の点で差がある場合には、そのときの加熱時減量、燃焼時減量から粒子を定量する方法がある。（ｅ）採集した粉塵粒子の粒子種を構成する元素あるいは結晶構造に差がある場合には、それぞれの元素、結晶を同定および定量する分析装置で粒子を定量する方法がある。

さらに、（ｆ）捕集した粉塵粒子をヨウ素ドーピングした後、洗浄を行なって付着力の弱いヨウ素を洗い流してから、ヨウ素を検出元素として２次元平面上のヨウ素の濃度分布を測定するマッピングを行なう。そして、そのヨウ素マッピング像に基づいて、ヨウ素付着粒子である石炭粒子の有無や量に関する情報を得る方法が知られている（特許文献１参照）。

また、採取した粉塵に対して、重液分離と磁性の有無による分離とを行った後、前記重液分離により群分けされた各試料と磁性を有する試料とを、試料に対して偏光が垂直落射される顕微鏡のステージにそれぞれ設置し、この試料中の各所に存在する各粒子からの反射光を観察して、前記各粒子の形、色、および反射多色性を調べ、この観察結果を、予め前記粉塵に含まれると予想される各物質に対して、その粒子を前記と同じ観察を行って得られた各データと照合することにより、前記試料中の所定数の各粒子が前記各物質のいずれに該当するかを特定して、各物質毎に該当する粒子の数を数え、その数の前記所定数に対する割合で各物質の含有量を示すことを特徴とする粉塵の分析方法が知られている（特許文献２参照）。

特開平１１−２４８６５５号公報 特開平５−３０６９８７号公報

しかしながら、上記方法（ａ）は、一般に粉塵粒子の色調、外観には大きな差がないことが多いので、判定が困難であることが多い。特に、粉塵中の石炭粒子とコークス粒子との判別が難しい。また、判別に一定の熟練度を要し、判定に要する時間も長くなる。また、方法（ｂ）は、粉塵粒子には概して密度差はあるものの、気孔等を内包していると見掛け上の密度が変化するので、確定的な判定が難しい。また、方法（ｃ）は、粉塵種のそれぞれを溶解性の差により選択的に分離することは難しく、また、微量の粒子測定には適用し難い。

また、方法（ｄ）は、想定外の加熱減量値が異なるものが含まれると、判別に誤差がでる。また、方法（ｅ）は、粉塵中の石炭粒子、コークス粒子、植物粒子などを定量したいような場合、これらの粒子が共通して炭素質からなり、しかも構造は様々であるため、特定が困難であることが多い。

また、特許文献１の方法（ｆ）は、ヨウ素は石炭や植物に付着することから、それらを判別することが困難である。

また、特許文献２の方法は、粉塵を鉄鉱石群、石炭群、コークス群、土砂群について分離した後に、各群の各粒子の形、色、反射多色性を調べるものであって、植物やタイヤ磨耗粉などの炭素含有粉塵は考慮されていない。

そこで、本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、炭素含有粉塵から植物由来粒子、石炭由来粒子、コークス由来粒子を迅速に定性的に判別可能とし、さらには定量可能な炭素含有粉塵の粉塵種判別方法を提供することにある。

上記課題は、各請求項記載の発明により達成される。すなわち、本発明の炭素含有粉塵の粉塵種判別方法は、
炭素含有粉塵に含まれる粉塵種を判別する炭素含有粉塵の粉塵種判別方法であって、
前記炭素含有粉塵に対し、顕微鏡を用いて反射率を測定する反射率測定工程と、
前記反射率測定工程で測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類する分類工程とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、炭素含有粉塵に対し、顕微鏡を用いて反射率を測定し、この測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類することができる。例えば、炭素含有粉塵に含まれる、特に石炭、コークス、それ以外の種（植物由来、タイヤ由来）を定性的に分類することができる。

また、本発明において、前記分類工程で分類された粉塵種の面積比を求める面積比算出工程と、
前記面積比算出工程で求められた粉塵種の面積比を重量比に換算する重量比換算工程と、をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、分類工程で分類された粉塵種の面積比を求め、この粉塵種の面積比を重量比に換算することで、粉塵種を定量することができる。例えば、炭素含有粉塵に含まれる、特に石炭、コークス、それ以外の種（植物由来、タイヤ由来）をそれぞれ定量することができる。

また、本発明において、反射率測定工程の前処理として、炭素含有粉塵を比重選別する比重選別工程をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、反射率測定工程の前に炭素含有粉塵を比重選別し、比重選別された浮遊物に対して、反射率測定を行なうことができる。土砂や鉄鉱石については、予め除去し、反射率測定で判別したい粉塵種のみについて実行できるので好ましい。

本発明において、「炭素含有粉塵」は、例えば、製鉄所から発生する粉塵を含む。その粉塵種としては、例えば、植物由来粒子、タイヤ由来粒子、石炭由来粒子、コークス由来粒子、土砂由来粒子、鉄鉱石由来粒子等がある。

また、粉塵には、降下ばいじんが含まれる。降下ばいじんは、大気中に排出されたばいじん（燃料その他の物の燃焼または熱源として電気の使用に伴い発生するすすや固体粒子）や風により地表から舞い上がった粉塵（物の破壊、選別等の機械的処理又は鉱石や土砂の推積に伴い発生し、又は飛散する物質）などのうち、比較的粒径が大きく重いために大気中で浮かんでいられずに落下（降下）するもの、あるいは雨や雪などに取り込まれて降下するものをいう。

本実施形態における炭素含有粉塵の粉塵種判別方法は、以下の工程、
（１）炭素含有粉塵を比重選別する比重選別工程（前処理工程）と、
（２）比重選別工程で選別された浮遊物に対し、顕微鏡を用いて反射率を測定する反射率測定工程と、
（３）反射率測定工程で測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類する分類工程とを備えている。

さらに、以下の工程、
（４）分類工程で分類された粉塵種の面積比を求める面積比算出工程と、
（５）面積比算出工程で求められた粉塵種の面積比を重量比に換算する重量比換算工程と、を備えている。以下において各工程について説明する。

（比重選別工程）
図１に示す比重選別工程では、ＪＩＳ Ｍ ８８０１に準拠して、混合した比重液を用いて、炭素含有粉塵を浮遊物と沈降物に分類する。浮遊物には、比重液より軽く浮く、例えば草木破片、石炭、コークス等が含まれる。沈降物には、比重液よりも重く沈む、例えば土砂、鉄鉱石等が含まれる。比重液の比重は、２．０ｇ／ｃｍ^３が好ましい。沈降物は、灰化してから酸溶解、アルカリ沈降をして、鉄分を定量することができる。なお、この比重選別工程を行なわず、以下の工程から開始することもできる。比重選別工程を前処理として行なわない場合、組織判別により鉄や土砂を取り除く必要がある。鉄や土砂の反射率は、０．２〜７．０と広範囲に分布しているため、正確な分類ができないからである。

（反射率測定工程）
反射率測定用試料を作製する。浮遊物量が２ｇ以上の場合、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に準拠して、ブリケットを作製し、表面を研磨して、反射率測定用試料を得る。浮遊物が２ｇ未満の場合、エポキシ樹脂で硬化させたブリケットに、小さい穴をボーリングした孔に浮遊物を充填し、エポキシ樹脂を加えて硬化させた後、表面を研磨して反射率測定用試料を得る。例えば、浮遊物が１０ｍｇの場合、直径３ｍｍ、深さ５ｍｍにボーリングして、その孔に浮遊物を充填する。

反射率測定方法は、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に準拠する。顕微鏡の条件としては、偏光顕微鏡の油浸測定が好ましい。倍率としては、例えば、落射照明装置によって平面偏光で２００倍以上、例えば、５００倍が例示できる。顕微鏡は、光電子増倍管を備え、２００倍以上の像を投影できるものが好ましい。偏光器としては、偏光プリズムまたは偏光板を用いる。落写照明装置は、ベレックプリズム式が好ましい。光電子増倍管は、光学系、光源及びフィルタの組合せで、試料面からのわずかの反射光でも検知できるものが好ましい。増幅器付指示計は、光電子増倍管からの信号を増幅して定量的に指示でき、反射率測定範囲で直線性があり、反射率０．０１％の変化を検出でき、応答時間がフルスケールで１秒以内のものが好ましい。光源は、タングステン電球が好ましく、その電源は定電圧電源が好ましい。フィルタは、最大透過波長５４６±５ｎｍで、半価幅が３０ｎｍ以下のものが好ましい。油浸用液は、非乾燥性、非腐食性及び非毒性の油で、波長５４６ｎｍにおける２３℃の屈折率が１．５１５〜１．５２０のものが好ましい。

反射率測定スポット径は、直径１５μｍ以下が好ましく、直径１０μｍがより好ましい。スポット径を小さくしすぎると以下の問題がある。コークスなどの面は異方性が発達し、反射率が高い面と低い面に分かれ、スポット径が狭いと局部測定になり、反射率が低い面に当たると石炭の反射率範囲と重なってしまい測定誤差が大きくなり好ましくない。また、スポット径を大きくした場合は、スポット径よりも小さい粒子を測定した場合に、スポット径内に樹脂部分が入って、粒子自体の反射率を正しく示さない。測定点数は、測定点数が多いほど精度よく定量できるが、測定時間と定量性の観点から５０〜４００（樹脂部分を除いて）点の範囲が好ましい。

（反射率測定方法）
反射率測定用試料を顕微鏡のステージにセットする。そして、上記条件で、５０〜４００の測定点数で、ランダム反射率を測定（ランダム測定）する。ランダム反射率の測定は、組織をそのまま測定することを意味している。通常、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に示されたステージを回転させた反射率測定法でもよいが、ステージを回転することで反射スポットが粒子から外れる場合が多く、ステージを固定して反射率を測定する方法が好ましい。ステージの移動は、任意の方向に、例えばＸ方向に３００μｍ毎に移動し、センターに映った組織を測定する。

図１に示すように、測定された反射率の値は、パソコンに送信され、パソコン側で自動的に以下の分類、面積比計算、重量比換算を実行できる。かかる場合、パソコンのメモリに、以下のプログラムが記憶され、ＣＰＵ、メインメモリ等を用いて実行される。プログラムは、コンピュータに反射率測定で測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類する分類ステップと、分類ステップで分類された粉塵種の面積比を求める面積比算出ステップと、面積比算出ステップで求められた粉塵種の面積比を重量比に換算する重量比換算ステップとを実行させるためのプログラムである。

（分類工程）
全ての測定点数の反射率を、所定の分類基準になる反射率測定値の大小で分類する。所定の分類基準は、予め測定されたそれぞれの粉塵種の反射率に基づいて設定された分類基準である。図２に粉塵種単体での反射率測定結果を示す。図２の結果によれば、植物およびタイヤは、反射率０．６以下である。石炭は、反射率０．６を超えて１．８未満である。コークスは、反射率１．８以上である。この分類基準に従って、反射率測定工程で測定された全ての箇所での反射率を分類する。例えば、分類によって、反射率測定工程で測定された全ての箇所での反射率中に０．６以下のものがない場合には、浮遊物には、石炭、コークスのみが存在していると定性的に判別できる。なお、植物およびタイヤの反射率は、一部において重複しているため、植物とタイヤを判別することは難しい。

（面積比算出工程）
面積比算出工程では、分類基準で分類された粉塵種の数から面積比を算出する。反射率測定スポット径が一定であり、測定箇所に重なりがないことを条件とすれば、分類された粉塵種の数が面積比に相当する。例えば、反射率０．６以下に５０個分類され、反射率０．６を超えて１．８未満に１５０個分類され、反射率１．８以上に２００個分類されていれば、その面積比は、５０：１５０：２００である。また、分類基準で分類された粉塵種の数と反射率測定スポット面積（Ｓ）の積から面積を算出することもできる。例えば、反射率０．６以下に５０個分類されていれば、その面積は、５０×Ｓであり、反射率０．６を超えて１．８未満に１５０個分類されていれば、その面積は、１５０×Ｓであり、反射率１．８以上に２００個分類されていれば、その面積は、２００×Ｓである。これら面積から面積比を算出することもできる。

（重量比換算工程）
粉塵として例えば、降下ばいじんを用いた場合、降下ばいじんは、環境問題から重量表示することが求められている。そのような場合に、粉塵種の重量比を得ることが要求される。

面積比算出工程で得られた面積比を用い、重量比に換算する方法としては、以下の方法が例示できる。石炭に対し重量１対１で混合した試料（例えばコークス単体、植物およびタイヤの混合物）をエポキシ樹脂で硬化成形し、組織判別法により石炭の面積比と試料の面積比を求め、試料の密度比（＝石炭面積比／試料面積比）を算出する。例えば、石炭とコークスとの密度比は、石炭：コークス＝１：１．５、石炭と植物およびタイヤの混合物の密度比は、石炭：植物＋タイヤ＝１：１（略）である。なお、植物とタイヤの混合物の場合、それらの混合割合によって、密度比は微妙に異なると考えられるが、本発明においては、密度比は、石炭：植物＋タイヤ＝１：１（略）であると仮定する。

得られた密度比と上記面積比算出工程で得られた面積比との積から重量比を算出する。例えば、上記の例でいえば、（反射率０．６以下：反射率０．６を超えて１．８未満：反射率１．８以上）の面積比は、（５０：１５０：２００）であり、重量比換算すると、（５０：１５０：３００）となる。

以上の実施形態によれば、目視判定のように測定者に高度の熟練度を必要とせず、客観的に測定、判別することができる。また、目視判定では難しい１０μｍ以下の粉塵も反射率測定により判別できる。また、植物やタイヤ磨耗粉が混在する粉塵でも石炭、コークスを特定でき、定量できる。

（実施例）
表１に示す、試料Ａ〜Ｃを作製した。

上記試料Ａ〜Ｃについて、以下の条件で反射率測定を行い、重量換算した結果を表２、図３に示す。
（１）各試料Ａ〜Ｃから、ＪＩＳ Ｍ ８８１６に準拠して、ブリケットを作製し、表面を研磨して、反射率測定用試料を得る。
（２）顕微鏡（Ｎｉｃｏｎ製）：偏光顕微鏡油浸測定。倍率：５００倍、最大透過波長：５４６±２ｎｍ、油浸用液の２３℃の屈折率：１．５１５。
（３）反射率測定スポット径：直径１０μｍ。
（４）測定点数：２００箇所測定。
（５）判別基準：石炭は、反射率０．６を超えて１．８未満、コークスは、反射率１．８以上。植物およびタイヤは、反射率０．６以下である。
（６）面積比算出、重量比換算。なお、各単体試料の密度比は予め算出されている。石炭とコークスの密度比は、石炭：コークス＝１：１．５、石炭と植物およびタイヤの混合物の密度比は、石炭：植物＋タイヤ＝１：１である。

表２、図３から分かるように、試料重量比と反射率測定し重量換算した重量比において、石炭、コークス、それ以外（植物、タイヤ）を定性的に判別することができた。また、石炭においては、精度良く定量できた。

図４に、試料Ａ〜Ｃについて組織判別法による面積比の結果と、反射率測定して面積比算出した場合の結果との比較を示す。図４からわかるように、組織判別法と本発明の反射率測定での方法の面積比の結果が略一致している。この結果から、本発明の反射率測定による面積比は、組織判別法と同等の測定精度を有していると認められる。組織判別法は、熟練した技術が要求されるが、本発明の反射率測定法は、高度の熟練性を必要とせず、簡単に実施できる。

判別方法の測定系を説明するための図 各単体試料での反射率測定結果を示す図 実施例の重量比の比較結果を示す図 実施例の面積比の比較結果を示す図

Claims (3)

1. 炭素含有粉塵に含まれる粉塵種を判別する炭素含有粉塵の粉塵種判別方法であって、
   前記炭素含有粉塵に対し、顕微鏡を用いて反射率を測定する反射率測定工程と、
   前記反射率測定工程で測定された反射率を所定の分類基準で分類することで、粉塵種を分類する分類工程と、を備える炭素含有粉塵の粉塵種判別方法。
2. 前記分類工程で分類された粉塵種の面積比を求める面積比算出工程と、
   前記面積比算出工程で求められた粉塵種の面積比を重量比に換算する重量比換算工程と、をさらに備える請求項１に記載の炭素含有粉塵の粉塵種判別方法。
3. 前記反射率測定工程の前処理として、炭素含有粉塵を比重選別する比重選別工程と、をさらに備える請求項１または２に記載の炭素含有粉塵の粉塵種判別方法。

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