JP2010286284A - 海水中ｃｏ２濃度測定装置及び藻類育成システム - Google Patents

Abstract

【課題】海水中に溶解しているＣＯ_２を精度良く測定する。
【解決手段】海水を電気分解して、その海水をｐＨ５以下の酸性にする酸性化部と、酸性化部の下流に設けられ、酸性化部によってｐＨ５以下とされた海水中に含まれるＣＯ_２を赤外分光法によって検出するＣＯ_２検出部と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、海水中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を測定するＣＯ_２濃度測定装置、及びこのＣＯ_２濃度測定装置を用いた藻類育成システムに関するものである。

従来、二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を測定するＣＯ_２濃度測定装置としては、特許文献１に示すように、赤外分光法を用いたものがある。この赤外分光法によって分子状態の二酸化炭素を検出する場合には、波長２．７μｍ、４．３μｍ、１５μｍにおいて吸収ピークを示すことを用いている。

しかしながら、水溶液中に含まれる二酸化炭素は、重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）のイオン状態で存在している。これらイオン状態の二酸化炭素は、赤外分光法において吸収ピークを示さない。つまり、水溶液中のＣＯ_２濃度は、通常のＣＯ_２濃度測定装置では測定することができないという問題がある。

特に海水のｐＨは、約８．５〜８．６であり、重炭酸イオン及び炭酸イオンが混在し、分子状ＣＯ_２はほとんど存在していない。したがって、ＣＯ_２の濃度を正確に測定できる高感度のＣＯ_２濃度測定装置を用いて測定した場合であっても、海水中に溶解しているＣＯ_２の濃度を測定することが難しい。

特願２００７−１７４２１０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、海水中に溶解しているＣＯ_２を精度良く測定することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る海水中ＣＯ_２濃度測定装置は、海水中に溶存しているＣＯ_２の濃度を測定するものであって、海水を電気分解して、その海水をｐＨ５以下の酸性にする酸性化部と、前記酸性化部の下流に設けられ、当該酸性化部によってｐＨ５以下とされた海水中に含まれるＣＯ_２を赤外分光法により検出するＣＯ_２検出部と、を具備することを特徴とする。ここで「海水」とは、海から採取した天然海水及び人工的に生成した人工海水を含む概念である。

このようなものであれば、海水を電気分解することによって陽極から生じる水素イオン（Ｈ^＋）と陰極から生じる水酸イオン（ＯＨ⁻）との拡散速度の違いによって、陽極近傍が酸性側にシフトする。その結果、陽極近傍の海水をｐＨ５以下とすることができる。したがって、海水中の重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）を分子状ＣＯ_２に変えることができるので、ＣＯ_２検出部によって、海水中のＣＯ_２を正確に測定することができる。

酸性化部の具体的な実施の態様としては、前記酸性化部が、海水が通過する領域に配置された陽極及び陰極と、前記領域において陽極及び陰極を仕切る多孔性の仕切り部材と、を有し、前記ＣＯ_２検出部が、前記仕切り部材の陽極側の領域に連通して設けられた流路上に設けられていることが考えられる。これならば、仕切り部材により仕切られた陽極側の領域に連通して設けられた流路上にＣＯ_２検出部を設けることによって、一層陽極側近傍の海水を酸性にシフトし易くし、さらにその海水をＣＯ_２検出部に導くことができる。

また、前記酸性化部が、海水が通過する領域において互いに対向して配置された平板状の陽極と、この陽極の外側においてその陽極に対向して配置された陰極とを有し、前記ＣＯ_２検出部が、前記陽極に挟まれた領域に連通する流路上に設けられていることが考えられる。これならば、仕切り部材を設けることなく、平板状の陽極間の空間において、陽極から生じた水素イオン（Ｈ^＋）を圧倒的に優勢にして海水を酸性にシフトさせることができ、陽極に挟まれた領域に連通する流路上にＣＯ_２検出部を設けることによって、その海水をＣＯ_２検出部に導くことができる。

海水中のｐＨを５以下に精度良く制御するためには、前記酸性化部及び前記ＣＯ_２検出部の間に設けられ、前記海水のｐＨを測定するｐＨ検出部と、前記ｐＨ検出部の測定結果に基づいて前記酸性化部による酸性化度合を制御する制御部と、を備えることが望ましい。

また、本発明に係る藻類育成システムは、藻類育成装置と、前記藻類育成装置内に貯留される海水中のＣＯ_２を測定するＣＯ_２濃度測定装置と、を備え、前記ＣＯ_２濃度測定装置が、前記海水を電気分解して、その海水をｐＨ５以下の酸性にする酸性化部と、前記酸性化部の下流に設けられ、当該酸性化部によって酸性化された海水中に含まれるＣＯ_２を測定するＣＯ_２検出部と、を備えることを特徴とする。ここで、「藻類」とは、主として海水に生息する海藻であり、例えば、コンブ、ワカメ、ヒジキやモズク等の褐藻類、アサクサノリやテングサ等の紅藻類、アオサやアオノリ等の緑藻類がある。これならば、藻類育成装置内に海水中に含まれるＣＯ_２濃度を正確に測定することができるので、藻類育成装置内のＣＯ_２濃度を精度よく制御することができるようになる。

このように構成した本発明によれば、海水中に溶解しているＣＯ_２を精度良く測定することができる。

本実施形態に係る藻類育成処理システムの全体模式図である。 同実施形態におけるＣＯ_２濃度測定装置の模式図である。 変形実施形態におけるＣＯ_２濃度測定装置の模式図である。 本発明の海水中ＣＯ_２濃度測定装置を用いたイオン状態のＣＯ_２濃度測定システムを示す模式図である。

以下に、本発明の海水中ＣＯ_２濃度測定装置を用いた藻類育成処理システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係る藻類育成処理システム１００は、図１に示すように、藻類栽培装置２と、藻類を処理する藻類処理装置３と、当該藻類栽培装置２内の海水中のＣＯ_２濃度を測定する海水中ＣＯ_２濃度測定装置４と、を備える。

藻類栽培装置２は、海水を貯えて藻類を栽培するための栽培槽２１と、この栽培槽２１内の海水に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給機構２２（以下、ＣＯ_２供給機構２２）と、を備えている。

栽培槽２１は、例えばワカメ等の海藻Ｓを栽培するものであり、海水を貯めるとともに海藻Ｓを収容している。そして栽培槽２１は、例えば海中あるいは海上に設置される。なお、海藻Ｓは、栽培槽２１から外部に取り出し可能な栽培床ＳＨに保持されている。

栽培槽２１に収容された海藻Ｓの上部あるいは下部には、赤色、緑色、青色のＬＥＤ群を有する照明装置５が設けられている。これによって、太陽光とＬＥＤ等の人工光との併用あるいは閉鎖系では太陽光を用いることなく人工光のみによって海藻Ｓを栽培することができる。また、栽培槽２１の外部に設けたＬＥＤ等の人工光源からの人工光又は太陽光を、光ファイバを用いて栽培槽２１内に導光して照射するようにしても良い。

ＣＯ_２供給機構２２は、液体二酸化炭素（液体ＣＯ_２）を貯蔵する液体ＣＯ_２貯蔵タンク２２１と、そのタンク２２１から液体ＣＯ_２を栽培槽２１に流通させるＣＯ_２供給管２２２と、そのＣＯ_２供給管２２２上に設けられ、ＣＯ_２をナノバブルにして供給するバブル発生器２２３とを備えている。ＣＯ_２供給管２２２上には、液体ＣＯ_２をタンク２２１から栽培槽２１に流通制御するためのポンプやバルブなどからなる流通制御機構（不図示）が設けられている。

バブル発生器２２３としては、加圧溶解による方法（加圧して気体をより多く溶解した状態からキャビテーションなどを用いて発生させる方法）、超音波による方法（超音波を与えることにより気泡を加振させて分裂させる方法）、剪断による方法（激しい流れの中に気体を吹き込んで気体を引きちぎって気泡を細かくする方法）、衝撃波による方法（ベンチェリ管による衝撃波を用いて発生させる方法）を用いたものが考えられる。本実施形態では、微細孔のある中空構造体にＣＯ_２を通気させることによって、ＣＯ_２をナノバブルにしている。

また、液体ＣＯ_２貯蔵タンク２２１には、接続管２２４を介して藻類処理装置３が接続されている。なお、接続管２２４上には、液体ＣＯ_２の流通を制御するためのポンプやバルブなどからなる流通制御機構（不図示）が設けられている。

本実施形態の藻類処理装置３は、ＣＯ_２供給機構２２から液体ＣＯ_２の供給を受けて超臨界ＣＯ_２とし、この超臨界ＣＯ_２と育成された藻類とを攪拌することによって、その藻類中から脂肪親和性成分を抽出する成分抽出装置である。また、この成分抽出装置３において成分抽出に使用されない余分なＣＯ_２は、成分抽出装置３に接続されたＣＯ_２排出管３１を介して藻類栽培装置２に供給される。このＣＯ_２排出管３１上には、ＣＯ_２をナノバブルにして供給するバブル発生器３２が設けられている。これによって抽出装置３において生じた余分なＣＯ_２は、栽培槽２１内にナノバブルとして供給される。

海水中ＣＯ_２濃度測定装置４は、図１に示すように、栽培槽２１中の海水の一部を取得して、その海水中のＣＯ_２濃度を測定するものであり、図２に示すように、一端から栽培槽２１内の海水を採取する採取管４１と、当該採取管４１の他端に接続されたハウジング４２内に収容された酸性化部４３と、当該ハウジング４２に接続される流通管４４と、当該流通管４４上に配置されたＣＯ_２検出部４５とを備えている。

酸性化部４３は、ハウジング４２内の海水が通過する領域（以下、海水通過領域Ｘという。）において互いに対向して配置された陽極４３１及び陰極４３２と、当該陽極４３１及び陰極４３２を仕切り、前記海水通過領域Ｘを実質的に２分するナイロン製の多孔性の仕切り部材４３３と、を有している。

陽極４３１及び陰極４３２は、いずれも平板状をなす電極であり、本実施形態では白金電極を用いて構成している。また、ハウジング４２内の陽極側領域Ｘ１において広範囲に水素イオンを発生させると共に、その領域Ｘ１において水素イオンを優勢にさせるために、陽極面積を陰極面積よりも例えば１０倍程度大きくしている。

また、陽極４３１及び陰極４３２には、電源によって定電圧（例えば２．５−５Ｖ）、直流定電流（例えば１００ｍＡ）が印加される。これによって海水の電気分解が起こり各電極４３１、４３２において以下の反応が生じる。

陽極４３１の電極反応：２Ｈ_２Ｏ＝Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
陰極４３２の電極反応：２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻＝Ｈ_２＋２ＯＨ⁻

このとき、陽極４３１により生じる水素イオン（Ｈ^＋）の拡散速度が、陰極４３２より生じる水酸イオン（ＯＨ⁻）よりも大きいため、陽極４３１近傍（つまり、ハウジング４２内の陽極側領域Ｘ１）では、水素イオン（Ｈ^＋）の密度が大きくなる。ハウジング４２内では、常にハウジング４２の上流側から下流側に海水が流れており、水素イオン（Ｈ^＋）の密度が大きくなった海水が流通管４４に流れ込むことになる。その結果、ｐＨが５以下の海水がＣＯ_２検出部４５に導かれる。このようにイオン交換膜無しの構成であっても陽極４３１側のｐＨを５以下の酸性にすることができる。なお、図２中４７は、陰極側領域Ｘ２の海水を外部に排出するための排出管である。

なお、電源４６として本実施形態では、太陽電池を用いている。このように、太陽電池等の自然エネルギを利用した電源を用いているので、装置外部からの電力を必要とすることなく海水を電気分解することができる。

また、流通管４４は、仕切り部材４３３によって仕切られた陽極側領域Ｘ１に連通するようにハウジング４２に接続されている。この流通管４４上には、海水中のｐＨを測定するｐＨセンサ６が設けられている。このｐＨセンサ６からの検出信号は制御部７に送信される。そして、制御部７は、ｐＨセンサ６により得られた海水のｐＨが所定値（例えばｐＨ５）であるか否かを判断し、その結果に基づいて電極４３１、４３２に流す電流を制御する。

ＣＯ_２検出部４５は、赤外分光法によりＣＯ_２を検出するものであり、流通管４４上に設けられた光透過性を有する測定セル４５１と、当該測定セル４５１に向かって赤外領域のレーザ光を照射する光源部４５２と、前記測定セル４５１を通過した透過光を分光して検出する光検出部４５３と、を備えている。光検出部４５３により検出された光強度信号は、図示しないＣＯ_２濃度算出部に送信され、そのＣＯ_２濃度算出部によって海水中のＣＯ_２濃度が算出される。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る藻類育成システム１００によれば、海水を電気分解することによって生じる水素イオンと水酸イオンとの拡散速度の違いによって、陽極４３１近傍が酸性側にシフトし、その結果、陽極４３１近傍の海水をｐＨ５以下とすることができる。したがって、海水中の重炭酸イオン（ＨＣＯ_３ ⁻）及び炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２−）を分子状ＣＯ_２に変換することができるので、ＣＯ_２検出部４５によって、海水中のＣＯ_２を正確に測定することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態の酸性化部は、陽極４３１及び陰極４３２を仕切り部材４３３によって仕切る構成としているが、図３に示すように、海水が通過する領域Ｘにおいて互いに対向して配置された平板状の陽極４３１ａ、４３１ｂと、この陽極４３１ａ、４３１ｂの外側においてその陽極４３１ａ、４３１ｂに対向して配置された陰極４３２とを有する構成としても良い。この場合、ＣＯ_２検出部４５が設けられる流路は、陽極４３１に挟まれた領域Ｘ３に連通して設けられている。つまり、流通管４４は、ハウジング４２において陽極４３１間に挟まれている部分に接続されている。

また、図４に示すように、酸性化部４３を有する第１のラインＬ１と酸性化部４３を有さない第２のラインＬ２とを設け、第１のラインＬ１に設けたＣＯ_２検出部４５Ａにより得られたＣＯ_２濃度と、第２のラインＬ２に設けたＣＯ_２検出部４５Ｂにより得られたＣＯ_２濃度とを演算部８によってそれらの差分を取ることによって、イオン状態のＣＯ_２濃度を算出することもできる。

また、前記実施形態では栽培槽は、海中に設置して海藻を栽培するものであったが、その他にも陸上に設置して栽培するようにしても良い。

さらに、前記実施形態では、電源は太陽電池であったが、その他にも、風力発電機、水力発電機又は潮の干満で海水が移動するエネルギを電力に変える潮力発電機等を用いたものであっても良い。あるいは商用電源を用いても良い。この場合には、交流電流を直流電流に変換する整流器が必要となる。

その上、前記実施形態では二酸化炭素は液体二酸化炭素であったが、その他にも排気二酸化炭素を用いるようにしても良い。これならば、大気中の二酸化炭素を減少させることができ、環境問題を解決することの一手となりうる。

加えて、前記実施形態のバブル発生器は、ナノバブルを生成するものであったがマイクロバブルを生成するものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・藻類育成システム
２ ・・・藻類育成装置
４ ・・・海水中ＣＯ_２濃度測定装置
４３ ・・・酸性化部
４３１・・・陽極
４３２・・・陰極
４３３・・・仕切り部材
４５・・・ＣＯ_２検出部
６ ・・・ｐＨセンサ
７・・・制御部

Claims (5)

1. 海水中に溶存しているＣＯ_２の濃度を測定するものであって、
   海水を電気分解して、その海水をｐＨ５以下の酸性にする酸性化部と、
   前記酸性化部の下流に設けられ、当該酸性化部によってｐＨ５以下とされた海水中に含まれるＣＯ_２を赤外分光法により検出するＣＯ_２検出部と、を具備する海水中ＣＯ_２濃度測定装置。
2. 前記酸性化部が、海水が通過する領域に配置された陽極及び陰極と、前記領域において陽極及び陰極を仕切る多孔性の仕切り部材と、を有し、
   前記ＣＯ_２検出部が、前記仕切り部材の陽極側の領域に連通して設けられた流路上に設けられている請求項１記載の海水中ＣＯ_２濃度測定装置。
3. 前記酸性化部が、
   海水が通過する領域において互いに対向して配置された平板状の陽極と、この陽極の外側においてその陽極に対向して配置された陰極とを有し、
   前記ＣＯ_２検出部が、前記陽極に挟まれた領域に連通する流路上に設けられている請求項１記載の海水中ＣＯ_２濃度測定装置。
4. 前記酸性化部及び前記ＣＯ_２検出部の間に設けられ、前記海水のｐＨを測定するｐＨ検出部と、
   前記ｐＨ検出部の測定結果に基づいて前記酸性化部による酸性化度合を制御する制御部と、を備える請求項１、２又は３記載の海水中ＣＯ_２濃度測定装置。
5. 藻類育成装置と、
   前記藻類育成装置内に貯留される海水中のＣＯ_２を測定するＣＯ_２濃度測定装置と、を備え、
   前記ＣＯ_２濃度測定装置が、
   前記海水を電気分解して、その海水をｐＨ５以下の酸性にする酸性化部と、
   前記酸性化部の下流に設けられ、当該酸性化部によって酸性化された海水中に含まれるＣＯ_２を測定するＣＯ_２検出部と、を備える藻類育成システム。