JP2010117133A - 金属濃度監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 洗浄液の消費量を低減できるインライン測定用の金属濃度監視装置を提供する。
【解決手段】 試料液供給流路１４を介して試料液をリザーバ１３ａに採取する採取工程、リザーバに採取された試料液の一部を試料注入機構１２によりファーネス１１ｂに注入して吸光測定を行うことにより試料液に含まれる金属の濃度測定を行う測定工程、試料液をファーネスに注入した後にリザーバと可動ノズル１２ｂとを洗浄する洗浄工程とからなる一連の動作を、所定の時間間隔で自動的に繰り返す制御部２０を備えた金属濃度監視装置であって、洗浄工程の際にリザーバに対し、試料液供給流路から試料液を供給するか、洗浄液供給流路１５から洗浄液を供給するかを選択する流路選択部２１を備え、インライン測定時には試料液を供給するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、工場排水等の液体に含まれる金属物質を繰り返し測定し、液中の金属濃度を監視する金属濃度監視装置に関し、さらに詳細には、液中の金属物質等の測定機器にファーネス原子吸光分光光度計を用いた金属濃度監視装置に関する。
なお、ここでいう「金属物質」という用語には本来の金属物質の他に、カドミウム、砒素等の工場排水等に含まれる可能性のある元素で原子吸光法により測定可能な元素も含まれるものとする。

工場排水等の水質管理では、一定時間経過するごとに定期的に排水を試料液としてリザーバに採取し、液中に含まれる鉛、カドミウム、クロム、砒素等の種々の金属濃度を測定し、予め設定した管理値を越えた場合にその旨の出力信号を発して警告するようにした金属濃度監視装置（金属インラインモニタ）が利用されている。
一般に、液中の金属濃度を測定することができる測定機器としては、測定対象物質や測定条件に応じて、誘導結合高周波プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）、誘導結合高周波プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＯＥＳ）、原子吸光分光光度計（ＡＡＳ）が用いられている（特許文献１、２参照）。

これらの測定機器のひとつである原子吸光光度計は、多種類の金属を短時間で検出できるため、種々の金属が含まれる排水の水質管理を行うときの測定機器として好適である。一方、水質管理を目的とする測定では、昼夜を問わず長期間連続して、測定を繰り返すことから、無人でのモニタリングが基本となる。そのため、安全面の配慮からフレーム（火炎）を使用する測定機器の使用は避けたい。
したがって原子吸光光度計を使用する場合は、フレーム原子吸光光度計ではなく、フレームを使用しないファーネス原子吸光光度計が用いられる。

ファーネス原子吸光光度計による金属物質の測定は、微量（数１０μL程度）の試料で、ｐｐｂレベルの測定が可能な分析方法である。一方、排水中の金属の管理濃度は、通常はｐｐｍレベルである。よって金属濃度監視装置（インラインモニタ）用としてファーネス原子吸光光度計で測定を行う場合、管理濃度に比べて装置の測定感度が高すぎるため、故意に測定感度を下げて測定を行う。具体的には金属物質に対する測定波長を最も適した波長から外して感度を下げて測定を行うようにしている。
特開２００６−２８４３７４号公報 特開平０６−３３７２６４号公報

ところで、工場排水等の異常の有無を継続して調べるインライン測定では、予め設定した時間間隔でリザーバに新しい試料液を採取し、リザーバに採取した試料液の一部を試料注入機構でファーネスに注入するようにして測定を行う。
このような測定を繰り返す場合、前回採取した古い試料液が、次回の測定に影響を与えないようにする必要があり、リザーバや、試料注入機構のノズル部分を、測定ごとに洗浄するようにしている。

一般に、原子吸光光度計の洗浄には、超純水、あるいは洗浄力を高めるための酸を添加した純水を洗浄液として用いる。洗浄は、吸光測定を行った後に毎回行うことから、測定頻度に応じて洗浄液の消費量が増大する。それゆえ、長期間、インライン測定を続ける場合は大量の洗浄液が必要になり、ランニングコストや煩雑な補充作業が課題となる。

そこで、本発明はインライン測定で用いる洗浄液の消費を抑制し、ランニングコストを抑えるとともに、煩雑な洗浄液の補充作業を低減することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明ではインライン測定中の洗浄には超純水等の洗浄液を用いず、試料液である測定対象の液体自身を用いた共洗いが行えるようにし、検量線作成時のように、共存物を完全に排除した測定が必要な場合にだけ洗浄液を用いた洗浄を行うようにする。
すなわち、本発明の金属濃度監視装置は、ファーネス原子吸光光度計と、リザーバと、流水の一部を試料液としてリザーバに供給する試料液供給流路と、洗浄液をリザーバに供給する洗浄液供給流路と、リザーバに採取した試料液を可動ノズルにより吸引してファーネスに注入する試料注入機構とを備え、さらに、試料液供給流路を介して試料液をリザーバに採取する採取工程、リザーバに採取された試料液の一部を試料注入機構によりファーネスに注入して吸光測定を行うことにより試料液に含まれる金属の濃度測定を行う測定工程、試料液をファーネスに注入した後にリザーバと可動ノズルとを洗浄する洗浄工程とからなる一連の動作を、所定の時間間隔で自動的に繰り返す制御部を備えた金属濃度監視装置であって、洗浄工程の際にリザーバに対し、試料液供給流路から試料液を供給するか、洗浄液供給流路から洗浄液を供給するかを選択する流路選択部を備えるようにする。

ここで、「流水」とは、具体的には地下水、工場排水、河川などが該当するが、これら以外でも、測定対象となる液体に含有する金属物質が経時的に変化する可能性のある液体も広く含まれるものとする。例えば工場排水を一時的に貯めておく排水タンクの水などについても、含有する物質が経時的に変化する可能性があるので、ここでいう「流水」に含まれる。

「所定の時間間隔」とは、ファーネス原子吸光光度計で、繰り返し測定する際の時間間隔であって、予め設定した時間間隔をいう。この時間間隔を短くすると測定頻度が増すことになる。具体的には数分間隔〜数時間間隔で設定される。

本発明によれば、洗浄工程で使用する液体に、試料液（測定対象の流水自身からなる）を用いるか、洗浄液を用いるかを流路選択部で選択できるようにする。そして、採取工程、測定工程、洗浄工程からなる一連の動作を自動運転で繰り返す制御を長期間連続して行う際には、その洗浄工程において試料液をリザーバに供給するように設定し、試料液自身で共洗いによる洗浄を行う。

本発明の金属濃度監視装置によれば、自動制御による繰り返し測定の最中は、洗浄工程のとき試料液自身を供給してリザーバや試料注入機構を共洗い洗浄することにより、超純水等の洗浄液の使用量を減らすようにする。これにより、ランニングコストを抑えることができ、洗浄液の補充回数も低減できる。このようにインライン測定の実行中は、吸光測定の直前に新しく採取した試料液自体で共洗いすることで、古い試料液の影響を抑えることができ、測定結果にも支障はない。なお、検量線を作成するときのように、超純水等の洗浄液での洗浄を行う方が好ましい場合には、試料液自身ではなく、超純水等で洗浄できるので、分析結果に影響を与えることもない。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
上記発明において、リザーバの周囲に、リザーバから溢れた液体を回収するドレインが設けられるようにしてもよい。
これにより、リザーバの周囲にドレインを設けることにより、大量の試料液を連続的に供給してリザーバから溢れるようにする流水洗浄を行うことができる。

また、上記発明において、試料供給流路と洗浄液供給流路とは三方バルブを介してリザーバと接続され、流路選択部は三方バルブの切り替えを制御するようにしてもよい。
これにより、三方バルブによる流路の切り替えで洗浄液と試料液とを切り替えることが容易に行える。

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、以下の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。

図１は、本発明の一実施形態である金属濃度監視装置の構成を示す図である。この金属濃度監視装置１０は、主に、ファーネス原子吸光光度計１１と、試料注入機構１２と、リザーバ１３ａが形成された二重槽１３と、試料液供給流路１４と、洗浄液供給流路１５（リザーバ側の一部が試料液供給流路１４と共通する）と、ポンプ１６と、三方バルブ１７と、制御部２０とからなる。

ファーネス原子吸光光度計１１は、ホローカソードランプからなる光源１１ａと、通電により高温加熱されるファーネス１１ｂと、分光器および光検出器が配設され、原子吸光が生じる波長の光を検出する測光部１１ｃとからなる。そしてファーネス１１ｂの一部に形成された小孔１１ｄから試料液を注入して加熱することにより、試料が原子化され吸光測定が行われる。

試料注入機構１２は、シリンジ１２ａの作動により液体の吸引・吐出動作が行われるノズル１２ｂが設けられ、ノズル１２ｂはアーム１２ｃにより支持されている。アーム１２ｃは、図示しない駆動機構によりノズル１２ｂを昇降・回転移動させる。このようにしてノズル１２ｂは、ファーネス１１ｂの上方の位置とリザーバ１３ａの上方の位置との間を移動できるようにしてある。

リザーバ１３ａは二重槽１３の内側槽からなり、ファーネス１１ｂの近傍で試料注入機構１２の可動範囲内に設置してある。リザーバ１３ａには試料液供給流路１４および洗浄液供給流路１５が流路接続され、水路Ｓから供給されてくる試料液を一時的に貯めることができるようにしてある。二重槽１３の外側槽１３ｂには排出路１３ｃが接続され、内側槽１３ａから溢れた液体を排出するドレインとして働くようにしてある。
また、リザーバ１３ａにも排出路１３ｄが接続され、途中に開閉バルブ１３ｅが設けられており、リザーバ１３ａから液体を排出する必要があるときに使用されるようにしてある。

試料液供給流路１４は測定対象の液体が流れる水路Ｓとリザーバ１３ａとをつなぐ配管により構成され、途中に設けたポンプ１６を作動させることにより、水路Ｓからリザーバ１３ａに試料液が供給され、ポンプ１６を停止することでリザーバ１３ａに試料液が貯留されるようにしてある。また、試料液供給流路１４の途中には三方バルブ１７が設けてあり、ここで洗浄液供給流路１５が分岐するようにしてある。

洗浄液供給流路１５は、洗浄液として用いる超純水（あるいは酸を添加した純水）を入れたタンク１８とリザーバ１３ａとの間をつなぐ配管により構成され、三方バルブ１７をタンク１８側に切り替えるとともにポンプ１６を作動させることにより、タンク１８からリザーブ１３ａに洗浄液が供給されるようにしてある。

制御部２０は、ＣＰＵ２１、メモリ２２、設定変更や処理開始の指令等を入力する入力装置２３（キーボード、マウス等）、装置の運転状態、測定結果等を表示する表示装置２４（液晶画面）からなるコンピュータシステムで構成される。

制御部２０は、メモリ２２に蓄積されたプログラムをＣＰＵ２１が実行することにより、金属濃度監視装置１０全体を制御し、種々の動作・処理を実現する。本発明に関する機能を実現するための構成を、ブロック化して説明すると、流路選択部３１と、自動運転制御部３２とからなる。

流路選択部３１は、表示装置２４での画面表示によって、洗浄時に使用する液体を洗浄液にするか、試料液自体にするかを選択する入力操作を測定者に促し、入力装置２３による設定入力を受け付けることで、洗浄時に使用する液体として、洗浄液または試料液自体のいずれかを設定し、記憶する制御を行う。なお、初期設定として試料液を優先して使用するように設定しておき、必要なときに、洗浄液を使用することを選択できる画面表示にしてもよい。

自動運転制御部３２は、試料液供給流路１４を介して試料液をリザーバ１３ａに採取する採取工程、リザーバ１３ａに採取された試料液の一部を試料注入機構１２によりファーネス１１ｂに注入して吸光測定を行い、金属の濃度測定を行う測定工程、試料液をファーネス１１ｂに注入した後に、リザーバ１３ａと可動ノズル１２ｂとを洗浄する洗浄工程とからなる一連の動作を、所定の時間間隔で、測定終了日時（あるいは測定終了回数）まで自動的に繰り返す制御を行う。

次に、金属濃度監視装置１０による測定動作について説明する。図２は金属濃度監視装置１０によるインライン測定の自動運転時の動作手順を示すフローチャートである。

なお、測定対象の検量線は予め作成しておく。検量線の作成は従来からの方法で行えばよい。
金属濃度監視装置１０を起動すると、ファーネス原子吸光光度計１１が起動し、ファーネス１１ｂが予備加熱され、スタンバイ状態になる（Ｓ１０１）。

表示装置２４に設定画面が表示されるので、自動運転中の洗浄工程で使用する液体を設定する画面が表示されるので、測定の時間間隔（例えば１０分）および測定終了日時（あるいは連続測定回数）を設定し、洗浄工程で試料液を用いる旨の設定を行う。そして自動運転可能な状態になると自動運転を開始する（Ｓ１０２）。

自動運転が開始すると、三方バルブ１７が水路Ｓ側に切り替わり、ポンプ１６が起動する。これにより、水路Ｓからリザーバ１３ａに試料液が供給されるようになり、やがてリザーバ１３ａから溢れた液体が外側槽１３ｂ（ドレイン）から排出路１３ｃに流れる。この状態でしばらく放置することにより、リザーバ１３ａを試料液自体で流水洗浄する。このとき同時に、試料注入機構１２のノズル１２ｂをリザーバ１３ａに貯められた試料液内に入れて吸引、吐出動作を繰り返すことで、ノズル１２ｂの内側と外側とを洗浄する。（Ｓ１０３）。

洗浄工程を終えてしばらくすると、ポンプ１６が停止し、試料液がリザーバ１３ａに貯められる。続いて、試料注入機構１２が作動して、ノズル１２ｂでリザーバ１３ａ内の試料液を吸引し、アームを回転、昇降してファーネス１１ｂの上方にノズル１２ｂが移動する。
ファーネス１１ｂが高温に加熱され、小孔１１ａから試料液が滴下注入されて、試料が原子化される。そして吸光測定が行われる（Ｓ１０４）。測定結果はメモリ２２に蓄積される。なお、測定は１回でもよいし複数回行われてもよい。

最後の試料液の注入が終わると、ノズル１２ｂはリザーバ１３ａ側に移動してノズル１２ｂ内に残留する液体を吐出する。ポンプ１６が起動して試料液がリザーバ１３ａに供給されるようになり、リザーバ１３ａの流水洗浄がしばらく行われた後、ポンプ１６が停止し、開閉バルブ１３ｅが開かれてリザーバ１３ａから液体が排出され、スタンバイ状態になる（Ｓ１０５）。
以上の一連の動作により１回の測定を終え、次回の測定が残っているかを判断する（Ｓ１０６）。次の測定が続行される場合はＳ１０３に戻り、次回測定開始時間を待つ。所定の時間（例えば１０分）が経過すると、再びＳ１０３以降の動作を行う。
一方、測定終了日時に達したとき（あるいは設定した回数の測定を終えたとき）は、自動運転を停止する。

以上の動作を繰り返すことにより、洗浄工程で試料液を使用したインライン測定が続けられる。

本発明は、工場排水等に含まれる金属濃度を常時監視する金属濃度監視装置（金属インライモニタ）として利用することができる。

本発明の一実施形態である金属濃度監視装置の構成を示す図。 図１の金属濃度監視装置による測定動作を示すフローチャート。

符号の説明

１０： 金属濃度監視装置
１１： ファーネス原子吸光光度計
１２： 試料注入機構
１３ａ： リザーバ
１４： 試料液供給流路
１５： 洗浄液供給流路
１６： ポンプ
１７： 三方バルブ
２０： 制御部
２１： 流路選択部
２２： 自動運転制御部

Claims (3)

1. ファーネス原子吸光光度計と、リザーバと、流水の一部を試料液としてリザーバに供給する試料液供給流路と、洗浄液をリザーバに供給する洗浄液供給流路と、リザーバに採取した試料液を可動ノズルにより吸引してファーネスに注入する試料注入機構とを備え、さらに、試料液供給流路を介して試料液をリザーバに採取する採取工程、リザーバに採取された試料液の一部を試料注入機構によりファーネスに注入して吸光測定を行うことにより試料液に含まれる金属の濃度測定を行う測定工程、試料液をファーネスに注入した後にリザーバと可動ノズルとを洗浄する洗浄工程とからなる一連の動作を、所定の時間間隔で自動的に繰り返す制御部を備えた金属濃度監視装置であって、
   洗浄工程の際にリザーバに対し、試料液供給流路から試料液を供給するか、洗浄液供給流路から洗浄液を供給するかを選択する流路選択部を備えたことを特徴とする金属濃度監視装置。
2. リザーバの周囲に、リザーバから溢れた液体を回収するドレインが設けられた請求項１に記載の金属濃度監視装置。
3. 試料供給流路と洗浄液供給流路とは三方バルブを介してリザーバと接続され、流路選択部は三方バルブの切り替えを制御する請求項１に記載の金属濃度監視装置。

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