JP2011153862A - エアロゾル成分元素の検知装置及び検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中に浮遊するエアロゾル中の含有元素を迅速にかつ精度良くに検知することができるエアロゾル成分元素の検知方法及び検知装置を提供する。
【解決手段】回転可能な集塵電極６と、前記集塵電極６の一方の面に配置された放電電極７と、前記集塵電極６及び放電電極７を収容するエアロゾル成分元素分析箱４と、前記エアロゾル成分元素分析箱４の側壁に設けられエアロゾルを含む雰囲気ガスを前記集塵電極６の他方の面に排出し前記エアロゾル１を前記集塵電極６に集積させるガス導入配管３と、を備えたエアロゾル成分元素の検知装置において、前記集塵電極６を回転させることにより前記集塵電極６に集積したエアロゾルを前記放電電極７に対向させ、放電によって生じるプラズマ光を分析することによりエアロゾル成分元素を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気中に浮遊するエアロゾル中に含まれる成分元素の検知装置及び検知方法に関する。

大気中に浮遊するエアロゾルには人体に悪影響を及ぼす重金属が含まれる場合がある。また、労働環境においては環境基準で上限値が設定されているＬｉなどの軽元素がエアロゾル中に含まれる場合がある。現状ではこれらの元素の分析のために、雰囲気を吸引サンプリングしてフィルタに集塵したのち、化学分析する手法がとられている。

また、最近では、エアロゾルを直接、真空容器に導入し、これをイオン化して質量分析する手法、パルスレーザ又は電気放電によりエアロゾルをプラズマ化し、プラズマからの発光を測定することにより成分元素を分析する手法も提案されている（特許文献１）。

特開平９−１８４８０８号公報

従来の化学分析による検知方法では、分析感度は高感度であるが、分析結果を迅速に得ることは困難である。また、質量分析による検知方法では迅速サンプリングは可能であるが、装置は大きくなるとともに取り扱いが難しく、されに高価であることが大きな欠点である。

また、特許文献１に示されたプラズマ発光分析方法は、エアロゾルをサンプリングセル中に流入させながらパルスレーザ又は電気放電によりエアロゾルをプラズマ化するものであるが、エアロゾルを浮遊状態のまま測定するために発光強度が十分でなく、そのため、パルスレーザ装置又は放電装置を大型化したり、分析に長時間を要するという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の含有元素を迅速にかつ精度良くに検知することができるエアロゾル成分元素の検知装置及び検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るエアロゾル成分元素の検知装置は、回転可能な集塵電極と、前記集塵電極の一方の面に配置された放電電極と、前記集塵電極及び放電電極を収容するエアロゾル成分元素分析箱と、前記エアロゾル成分元素分析箱の側壁に設けられエアロゾルを含む雰囲気ガスを前記集塵電極の他方の面に排出し前記エアロゾルを前記集塵電極に集積させるガス導入配管と、を備えたエアロゾル成分元素の検知装置において、前記集塵電極を回転させることにより前記集塵電極に集積したエアロゾルを前記放電電極に対向させ、放電によって生じるプラズマ光を分析することによりエアロゾル成分元素を検出することを特徴とする。

また、本発明に係るエアロゾル成分元素の検知装置は、回転可能な集塵電極と、前記集塵電極を収容するエアロゾル成分元素分析箱と、前記エアロゾル成分元素分析箱の外部に設けられ集塵電極の一方の面にレーザー光を照射させるレーザー源と、前記エアロゾル成分元素分析箱の側壁に設けられエアロゾルを含む雰囲気ガスを前記集塵電極の他方の面に排出し前記エアロゾルを前記集塵電極に集積させるガス導入配管と、を備えたエアロゾル成分元素の検知装置において、前記集塵電極を回転させることにより前記集塵電極に集積したエアロゾルに前記レーザー光を照射し、レーザー光照射によって生じるプラズマ光を分析することによりエアロゾル成分元素を検出することを特徴とする。

また、本発明に係るエアロゾル成分元素の検知方法は、雰囲気ガス中のエアロゾルを集塵電極に集積する工程と、前記集塵電極を回転させる工程と、前記集塵電極に集積したエアロゾルを放電電極又はレーザー光によってプラズマ化する工程と、プラズマ光を分析工程と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、大気中に浮遊するエアロゾル中の含有元素を迅速にかつ精度良く検知することができる。また、測定後の付着エアロゾルの除去をエアロゾルの集塵中においても実施できるので、測定時間の大幅な短縮化も図ることができる。

本発明の第１実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図で、（ａ）は集塵時、（ｂ）は検出時の構成図。 本発明の第１実施形態の変形例に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図 本発明の第２実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図。 本発明の第３実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図で、（ａ）は集塵時、（ｂ）は付着エアロゾル除去時の構成図。 本発明の第４実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図。 本発明の第５実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図。 本発明の第６実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の構成図。 本発明の第６実施形態に係る検知装置の付着エアロゾル除去時の構成図。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置の全体構成図であり、（ａ）は集塵時、（ｂ）は検出時の構成図である。
エアロゾル成分元素の検知装置は、ガス導入配管３、エアロゾル成分元素分析箱４、ガス排気配管５、回転可能な集塵電極６、放電電極７、エアロゾル成分元素分析箱４の側壁に設けられた集光レンズ１０、分光器１１、集塵電極６の回転機構（図示せず）から構成される。

このように構成された検知装置において、分析対象のエアロゾル１は雰囲気ガス２とともにガス導入配管３を介してエアロゾル成分元素分析箱４に吸引導入される。その後、この雰囲気ガス２中のエアロゾル１はプラズマ分光分析された後、ガス排気配管５から排出される。

エアロゾル成分元素分析箱４において、ガス導入配管３の下流にはサンプリングされたエアロゾル１が付着集積される集塵電極５が配置され、エアロゾル１は図１（ａ）に示すように集塵電極６に衝突し付着し集積する。この集塵電極６は回転機構（図示せず）を有しており、一定時間エアロゾルを付着させたのち図１（ａ）の１２に示すように、エアロゾル付着面を放電電極７に対向するように回転させる。

この後、図１（ｂ）に示すように、放電電極７にパルス状の高電圧を印加することにより、集塵電極６との間にスパーク放電を発生させ、これによりエアロゾル１はプラズマ化される。このプラズマ８からの光９にはエアロゾル１に含有される成分元素固有の波長の光が含まれる。

この光９を、集光レンズ１０を介してエアロゾル成分元素分析箱４の外部に配置された分光器１１に導き、光９の波長を分光器１１により分光分析することにより元素が同定され、その波長の強度からその元素の含有量を評価することができる。

また、上記実施形態の変形例として、図２に示すように、エアロゾル１を導入するガス導入配管３の下流側先端の面積を狭くし、エアロゾル１が集塵電極６に衝突して付着集積する面積を小さくすることにより、単位面積あたりの集積量を増加させてもよい。

これにより、放電電極７に印加される高電圧によって集塵電極６との間で生じる放電領域に集積するエアロゾル密度が増大することで、検出感度の向上を図ることができる。
なお、この放電電極７に印加する高電圧はパルス的電圧とするが、これによって生じるプラズマからの発光もその放電タイミングと同期して分光器１１により分光計測する。

以上、説明したように、本第１実施形態によれば、回転可能な集塵電極にエアロゾルを高密度で集積させることにより、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の成分元素を迅速にかつ精度良く検知することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置を、図３を用いて説明する。
本発明の第２実施形態では、エアロゾル１を集積する集塵電極６を上下移動機構（図示せず）により、図３の１３に示すように上下に移動可能とし、エアロゾルの集積履歴のない面でエアロゾルを集積させて、エアロゾル集積履歴の影響を排除したものである。

本実施形態において、集塵電極６を２回目以降のエアロゾルの集塵に用いるときは、上下移動機構により前回の位置とは上下の高さを変えて配置し、エアロゾルの集積履歴のない面でエアロゾルを集積する。

本第２実施形態によれば、回転可能で上下に移動可能な集塵電極を用いることにより、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の含有元素をさらに迅速にかつ精度良く検知することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置を、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
本発明の第３実施形態では、エアロゾル１の集塵電極６の側面にクリーナ電極１４を配置し、測定後の集塵電極６に付着しているエアロゾルを除去する構造としたものである。このクリーナ電極１４にコロナ放電を発生させる高周波電圧を印加し、このコロナ放電で生じるスパッタ現象により、測定が終了した面における集塵電極６に付着したエアロゾルを除去することができる。

このクリーナ電極１４は、集塵電極６の周囲でガス導入配管３又は放電電極７と干渉しない位置に配置され、図４（ｂ）に示すように測定後にエアロゾルが付着した集塵電極をクリーナ電極１４に対向するように回転し、付着エアロゾルの除去をおこなう。その際、付着エアロゾルの量又は集積面積に応じて、放電電極を、適宜、停止又は微小回転させてもよい。

本第３実施形態によれば、クリーナ電極を用いて付着エアロゾルの影響を低減させることにより、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の含有元素をさらに迅速にかつ精度良く検知することができる。また、本実施形態では、測定後の付着エアロゾルの除去をエアロゾルの集塵中においても実施できるので、測定時間の大幅な短縮化も図ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置を、図５を用いて説明する。
本発明の第４実施形態では、スパーク放電領域にバッファガスを吹き付けるバッファガス導入管１５を配置したことを特徴とする。バッファガスとしてはＡｒ、Ｈｅ等のガスがスパーク放電の生成に効果的である。また、このバッファガス固有の発光ラインの強度および集塵電極６の母材固有の元素の発光強度と、分析対象とする元素の発光強度との比率から、付着したエアロゾル中に含まれる元素の定量化も行うことができる。

本第４実施形態によれば、バッファガスを用いたことにより、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の成分元素を迅速にかつ精度良く検知することができるとともに、エアロゾル中に含まれる元素の定量化も行うことができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置を、図６を用いて説明する。
本発明の第５実施形態では、サンプリングしたエアロゾル中に含まれる特定元素のみを測定する場合に、分光器１１の代わりに、その元素固有の波長のみを透過する干渉フィルタ１７と光検出器１８で構成される光検出装置を用いることを特徴とする。

本第５実施形態によれば、簡易な構成で、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の特定元素を迅速にかつ精度良く検知することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係るエアロゾル成分元素の検知装置を、図７、図８を用いて説明する。
本発明の第６実施形態では、集塵電極６に集積したエアロゾルのプラズマ化をパルスレーザー光で行うものである。パルスレーザー光２１は集光レンズ２０を介して、分析箱４に設置した窓１９を透過して集塵電極６面に集光され、集積されたエアロゾルをプラズマ化する。

また、測定後の集塵電極６に集積したエアロゾルをクリーニングする際は、図８に示すように、レーザー光２１を、集光レンズ２０を介さずに集塵電極に照射し、測定後の集塵電極６に付着したエアロゾルを除去する。これにより、エアロゾルの集積履歴の影響のない検出を行うことができる。

本第６実施形態によれば、プラズマ化及びクリーニングをパルスレーザーによりおこなうことで、雰囲気ガスに含まれるエアロゾル中の特定元素を迅速にかつ精度良く検知することができる。
また、本発明では、測定後の付着エアロゾルの除去をエアロゾルの集塵中においても実施できるので、測定時間の大幅な短縮化も図ることができる。

１…エアロゾル、２…雰囲気ガス、３…ガス導入管、４…エアロゾル含有元素分析箱、５…ガス排気配管、６…エアロゾル集塵電極、７…放電電極、８…プラズマ、９…プラズマ光、１０…集光レンズ、１１…分光器、１２…回転機構、１３…上下移動機構、１４…クリーナ電極、１５…バッファガス導入管、１６…バッファガス、１７…干渉フィルタ、１８…光検出器、１９…レーザー光導入窓、２０…集光レンズ、２１…レーザー光。

Claims (10)

1. 回転可能な集塵電極と、前記集塵電極の一方の面に配置された放電電極と、前記集塵電極及び放電電極を収容するエアロゾル成分元素分析箱と、前記エアロゾル成分元素分析箱の側壁に設けられエアロゾルを含む雰囲気ガスを前記集塵電極の他方の面に排出し前記エアロゾルを前記集塵電極に集積させるガス導入配管と、を備えたエアロゾル成分元素の検知装置において、
   前記集塵電極を回転させることにより前記集塵電極に集積したエアロゾルを前記放電電極に対向させ、放電によって生じるプラズマ光を分析することによりエアロゾル成分元素を検出することを特徴とするエアロゾル成分元素の検知装置。
2. 回転可能な集塵電極と、前記集塵電極を収容するエアロゾル成分元素分析箱と、前記エアロゾル成分元素分析箱の外部に設けられ集塵電極の一方の面にレーザー光を照射させるレーザー源と、前記エアロゾル成分元素分析箱の側壁に設けられエアロゾルを含む雰囲気ガスを前記集塵電極の他方の面に排出し前記エアロゾルを前記集塵電極に集積させるガス導入配管と、を備えたエアロゾル成分元素の検知装置において、
   前記集塵電極を回転させることにより前記集塵電極に集積したエアロゾルに前記レーザー光を照射し、レーザー光照射によって生じるプラズマ光を分析することによりエアロゾル成分元素を検出することを特徴とするエアロゾル成分元素の検知装置。
3. 前記ガス導入配管の前記集塵電極側の先端を狭めたことを特徴とする請求項１又は２記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
4. 前記集塵電極を上下に移動可能としたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
5. 前記集塵電極の周囲にクリーナ電極を配置したことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
6. 前記プラズマ光の発生部にバッファガスを吹き付けることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
7. 前記プラズマ光を特定元素の波長のみを透過させる干渉フィルタを介して光検出器に導くことを特徴とする請求項１乃至６記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
8. 前記レーザー源からのレーザー光により前記集塵電極のクリーニングをおこなうことを特徴とする請求項２記載のエアロゾル成分元素の検知装置。
9. 雰囲気ガス中のエアロゾルを集塵電極に集積する工程と、前記集塵電極を回転させる工程と、前記集塵電極に集積したエアロゾルを放電電極又はレーザー光によってプラズマ化する工程と、プラズマ光を分析する工程と、からなることを特徴とするエアロゾル成分元素の検知方法。
10. 前記集塵電極のクリーニング工程をさらに有することを特徴とする請求項９記載のエアロゾル成分元素の検知方法。

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