JP2012117954A - フッ化水素検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】夏季に光化学オキシダントの濃度が高まる条件下のように光化学オキシダントの影響が無視できない環境下であっても、光化学オキシダントによる影響を受けることなく低濃度フッ化水素の測定を迅速に行うことが可能であって、高湿環境、乾燥環境、低温環境の様々な設置条件において長期間にわたり保守作業が不要で安定した測定が可能なフッ化水素検出装置を提供する。
【解決手段】外壁面に気体透過性の隔膜４を有する検出槽２内に、作用極１１、対極１３、参照電極１５を備え、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウム、水、およびエチレングリコールを含む電解液５を収容した検出槽２に設けた作用極１１の参照電極１５に対する電位を規制した状態で作用極１１に流れる電流を検出するフッ化水素検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、フッ化水素検出装置に関し、電気化学的な手法によるフッ化水素の検出装置に関する。

本発明者らは、フッ化水素、塩化水素等の酸性気体の濃度を測定する酸性気体検出装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。
これらの酸性気体検出装置は、フッ化水素等が電解液に溶解した際に生成した水素イオンと電解液中のヨウ素酸塩類との反応で発生するヨウ素を電気化学的に還元する際に流れる電流が、酸性気体が電解液に溶解して生成した水素イオン量に対応することを利用して酸性気体を検出している。
近年、フッ化水素濃度のＴＬＶ−ＴＷＡが３ｐｐｍから、０．５ｐｐｍに強化された結果、フッ化水素を高精度で安定した測定が可能な測定手段が求められている。

図５は、フッ化水素検出装置の一例を説明する図である。
フッ化水素検出装置１は、検出槽２を有し、検出槽２に設けた気体導入口３には気体透過性膜４を装着し、検出槽２内には水性電解液５を満たしている。
また、検出槽２内には、気体透過性膜４の近傍に、作用電極１１を配置するともに、対極１３、参照電極１５を配置し、作用電極の参照電極に対する電位を所定の電位に設定して測定電極と対極との間に通電によって流れる電解電流を測定することによりフッ化水素の検出と定量を行っている。

フッ化水素等の酸性気体は、半導体製造工程あるいは各種の化学工場において、排出あるいは漏洩する可能性があり、フッ化水素検出装置による検出が行われている。これらの工場ではフッ化水素検出装置を製造工程、あるいは工場等の外部に設置したり、スクラバー等の除害設備の排出経路に設置している。
フッ化水素検出装置を屋外に設置した場合には、電解液と大気中に含まれているオゾン等の光化学オキシダントとの反応によって電解液中にヨウ素が生成する結果、酸性気体の検出が不正確なものになるという問題があった。

そこで、光化学オキシダントによる検出値への影響を防止するために、ハロゲン酸化合物とハロゲン化物として、「沃素酸カリウム、沃素酸ナトリウム、沃素酸リチウムの少なくとも一種、及び臭化カリウム、臭化ナトリウム、臭化リチウムの少なくとも一種を含む溶液を電解液として収容」した定電位電解式酸性ガス検出器が提案されており(例えば、特許文献２参照）、具体的には、ヨウ素酸カリウムと臭化カリウムとを電解液に配合した定電位式酸性ガス検出器が記載されている。
しかしながら、電解液中に臭化カリウム等の臭化物を配合すると、０．５ｐｐｍ程度の低濃度のフッ化水素に対する応答速度が非常に遅くなることがあった。特に、電解液から水分が減少することを防止するためにエチレングリコールを加えた場合には、応答速度の低下はさらに顕著なものであった。

また、非特許文献１には、酸性気体の検出装置に用いる電解液として、特許文献２に挙げられた沃素酸カリウムと臭化カリウムを組み合わせた電解液、ＮａＣｌＯ₄／ＫＣｌＯ₃、ＫＣｌ／ＫＣｌＯ₃、ＮａＣｌＯ₄／ＫＩＯ₃、ＮａＣｌＯ₄／ＫＢｒＯ₃ 等を組み合わせた電解液も開示されている。

電解液からの水分の減少を補うために添加するエチレングリコールは、水とは任意の割合で混合することができるが、エチレングリコールが高濃度となると、電解液中に溶解したアルカリ金属ハロゲン化物等の塩類が析出して酸性気体の測定結果に悪影響を及ぼすという問題点があった。
電解液中に添加した塩類の析出を防止するために、特許文献２には、「精製水に沃素酸カリウム（ＫＩＯ₃）と臭化カリウム（ＫＢｒ）とを溶解させた後に添加するのが望ましい。すなわち、予めエチレングリコールが溶解していると、沃素酸カリウムや臭化カリウムが沈殿する恐れがある。」（段落番号００１８）との記載があるものの、フッ化水素検出装置の使用中に電解液中の水分量の減少、フッ化水素検出装置の設置環境の温度低下による溶解度の低下によってハロゲン化物の析出を避けることができなかった。

フッ化水素検出装置は、検出槽内に被検気体を導入する気体透過性膜を備えているが、気体透過性膜はフッ化水素に対する選択性を有しない多孔性の中性膜が用いられているので、気体透過性膜を通じて水分も透過する。
このために、フッ化水素検出装置は、設置環境の雰囲気の湿度の影響を受け、乾燥雰囲気では検出槽中の電解液が気体透過性膜を透過して除々に蒸発し、電解液中の水分が減少するので長期間にわたり安定した測定を行うためには電解液の補充等の保守作業が必要となる。

検出槽内の電解液中の水分の減少を補うためには、フッ化水素の検出電位範囲においてフッ化水素検出装置の特性に影響を及ぼすことがないエチレングリコール等の水溶性の吸湿性物質を電解液中に配合し、エチレングリコールの吸湿作用を利用して水分の減少を補うことが行われている。
梅雨時期のように高湿度の環境に設置した場合、あるいはスクラバーの排出経路のように水分を大量に含んだ気体の通路にフッ化水素検出装置を設置した場合には、雰囲気中の大量の水分が気体透過性膜を透過して検出槽内に取り込まれる結果、検出槽内の水分量が増加する。

電解液中に外部から取り込まれた水分量が多くなると、電解液の濃度が大きく変動したり、検出槽に設けた気体透過性膜が電解液の圧力増加によって変形するという問題がある。そこで、気象条件、設置環境等を考慮して電解液中のエチレングリコール濃度を決定することが行われている。
エチレングリコールの濃度が低濃度の場合には、電解液の吸湿性が十分ではないので水分の蒸発による減少を吸湿作用を利用して補うことが困難となる。
そこで、周囲雰囲気から吸湿作用を利用した水分の補充作用と、水分量の増加の両者を考慮してエチレングリコール濃度を６０体積％程度の濃度とすることが行われている。

一方、乾燥雰囲気に長期間設置すると、気体透過性膜を通じて蒸発する水分量が多くなりエチレングリコールの濃度が増大する。その結果、エチレングリコールの濃度が６０体積％程度の電解液は、８０体積％の濃度以上に達することもあった。
特に、屋外に設置された酸性気体検出装置は、冬季には雰囲気の乾燥によって電解液中から水分が蒸発する結果、電解液中の水分の減少に伴って電解液中に配合したアルカリ金属ハロゲン化物等の塩類の溶解量が減少する。これに加えて、冬季の温度低下に伴い、塩類の溶解度が低下し、電解液中から塩類が析出するという問題点があった。

電解液に添加するエチレングリコールは、水とは任意の割合で混合することができるが、エチレングリコールが高濃度となると、電解液中に溶解したアルカリ金属ハロゲン化物等の塩類が析出して酸性気体の測定結果に悪影響を及ぼすという問題点があった。
電解液中に添加した塩類の析出を防止するために、特許文献２には、「精製水に沃素酸カリウム（ＫＩＯ₃）と臭化カリウム（ＫＢｒ）とを溶解させた後に添加するのが望ましい。すなわち、予めエチレングリコールが溶解していると、沃素酸カリウムや臭化カリウムが沈殿する恐れがある。」（段落番号００１８）との記載があるものの、フッ化水素検出装置の使用中に電解液中の水分量が減少したり、フッ化水素検出装置の設置環境の温度低下によってハロゲン化物の溶解度の低下による析出を避けることができなかった。

特許第３７４８３８８号公報 特許第４１６６１０４号公報

K.TAKAHASHI et al., DENKI KAGAKU,63,920-926(1995)

本発明は、夏季に光化学オキシダントの濃度が高まる条件下のように光化学オキシダントの影響が無視できない環境下であっても、光化学オキシダントによる影響を受けることなく低濃度フッ化水素の測定を迅速に行うことが可能であって、高湿環境、乾燥環境、低温環境の様々な設置条件において長期間にわたり保守作業が不要で安定した測定が可能なフッ化水素検出装置を提供することを課題とするものである。

本発明の課題は、外壁面に気体透過性の隔膜を有する検出槽内に、作用極、対極、参照電極を備え、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウム、水、およびエチレングリコールを含む電解液を収容した検出槽に設けた作用極の参照電極に対する電位を規制した状態で作用極に流れる電流を検出するフッ化水素検出装置である。
また、前記検出槽に設けた作用極の電位を銀・塩化銀参照電極に対して０ｍＶから２００ｍＶの範囲に維持した状態で作用極と対極の間に流れる電流を検出する前記の酸性気体検出装置である。
電解液中のエチレングリコールが４０体積％から８０体積％である前記の酸性気体検出装置である。

本発明によって、光化学オキシダントによって影響を受けることなくフッ化水素の検出が可能であって、高濃度のエチレングリコールを含有する電解液を使用しても電解液に溶解したハロゲン化合物が析出することがなく、長期間にわたる保守作業が不要であるフッ化水素検出装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明のフッ化水素検出装置の一例を説明する図である。 図２は、本発明のフッ化水素検出装置によるフッ化水素の検出動作を説明する図である。 図３は、本発明のフッ化水素検出装置の他の実施態様を説明する図である。 図４は、本発明のフッ化水素検出装置によるフッ化水素の濃度と電位の関係を説明する図である。 図５は、フッ化水素検出装置の一例を説明する図である。

本発明は、外壁面に気体透過性膜を装着し、作用極、対極、参照電極を設けた検出槽内に、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウム、およびエチレングリコールを含有する水性電解液を収容した酸性気体検出装置であるので、光化学オキシダントが含まれている環境下において光化学オキシダントに影響を受けることなく酸性気体の検出が可能な酸性気体検出装置を提供するものである。
また、酸性気体検出装置の設置雰囲気が、乾燥、高湿、高温、低温の様々な条件下にあっても、電解質が析出することがなく、長期間にわたり保守作業の必要がなく、酸性気体を安定して検出することが可能な酸性気体検出装置を提供するものである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明のフッ化水素検出装置の一例を説明する図であり、断面図である。
フッ化水素検出装置１は、検出槽２の開口部３に液体の透過を阻止し、フッ化水素を含む被検気体が透過する気体透過性膜４が取付部材７で取り付けられている。また、検出槽２内には電解液５が充填されている。

また、気体透過性膜４に近接して作用極１１が配置され、気体透過性膜４と作用極１１の間に電解液の液膜１２が形成される。
気体透過性膜４は、フッ化水素に対して長期にわたり安定な特性を示すフッ素樹脂製の多孔性膜を用いることができる。具体的には、平均孔径０．１μｍ〜５．０μｍの細孔径を有し、膜厚が０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍのポリテトラフルオロエチレン製の多孔性膜を挙げることができる。
気体透過性膜４に近接して配置される作用極１１には、金電極、白金電極等の電解液中において分極した場合にも電気化学的特性が安定した電極を用いることができる。また、作用極と電解液との接触面積を大きくするために、作用極は表面に凹凸を形成したものであっても良い。

電解液には、塩化カリウムおよびヨウ素酸カリウムを溶解した電解液が使用される。また、電解液５中には、対極１３が配置される。対極１３としては、電気化学的に安定な電極であれば任意のものを用いることができる。対極として銀の線材等を用いた場合には、酸性気体の検出器のエージング中には、表面に塩化銀が析出し、銀・塩化銀電極として作用するが、予め銀を塩化物イオンが存在する電解液中において陽極として通電して表面に塩化銀を析出させたものであっても良い。
また、対極として用いる電極は、検出時に流れる電流によって電位の変化の影響を受けないようにするために表面積が大きなものを用いることが好ましく、線状の電極である場合には、螺旋状等としたものが好ましい。

電解液５中には、電位の基準となる参照電極１５が配置される。参照電極が銀・塩化銀参照電極である場合には、塩化物イオンが存在する電解液中において、銀を陽極として通電することによって作製することができる。

また、電解液中には、蒸発防止剤としてエチレングリコールが添加される。エチレングリコールは、吸湿性を有しているので、周囲の環境から水分を取り込む作用を果たす。この結果、気体透過性膜を通じて電解液から蒸発した水分を補うことができるので、長期にわたり電解液の補充等の保守作業が不要となる。
エチレングリコールの吸湿性を利用して水分の取り込みを図るためには、電解液中に４０体積％〜８０体積％の濃度のエチレングリコールを配合することが好ましく、５０体積％〜７０体積％とすることがより好ましい。

また、検出槽２の気相部８には、圧力調整部９が装着されている。圧力調整部９には、検出気体を導入する気体透過性膜４よりも気体の透過性が大きな気体透過性膜を用いることが好ましい。圧力調整部９を気相部８に設けたことによって、気体検出器を高湿度雰囲気で使用する場合、あるいはエチレングリコールの割合が多く吸湿性が大きな電解液を用いる場合の圧力平衡に有効である。その結果、気体透過性膜４と作用極１１との距離が一定に保持されるので測定感度の変動が生じにくくなる。

図２は、本発明のフッ化水素検出装置の測定動作の一例を説明する図である。
フッ化水素検出装置１の参照電極１５は、インピーダンスが大きな増幅器１７の一方の入力端子に接続され、その出力側に対極１３が接続されている。これによって作用極１１の電位を参照電極１５に対して所定の電位に保持することができる。
また、増幅器１７の他方の入力端子に安定な可変電圧電源１９を接続することによって、作用極１１の電位を参照電極１５の電位に対して所定の値に設定することが可能となる。

また、作用極１１は、電流増幅器２１の入力側に接続されており、作用極１１に流れる電流は、電流増幅器出力２３から取り出される。作用極１１に流れる電流は気体透過性膜４を通じて検出槽内に導入されたフッ化水素の量に比例しているので、電流増幅器２３の出力からフッ化水素の濃度を求めることができる。更に、電流増幅器２１には、温度係数を有する温度補償抵抗器２２を設けることによって温度変化による測定値の変動を防止することができる。

図３は、本発明のフッ化水素検出装置の他の実施態様を説明する図である。
本発明のフッ化水素検出装置は、フッ化水素が電解液中に取り込まれて生成したヨウ素の還元電流によって検出しているので、フッ化水素の検出前に電解液中にあらかじめヨウ素が存在している場合には測定値が不正確となる。
そこで、フッ化水素検出装置１の作用極１１と対極１３の間に電界効果トランジスタ等のスイッチング手段１４を接続し、待機時に大気中から取り込まれた気体によって作用極の表面に生成したヨウ素を分解することができる。
すなわち、スイッチング手段１４が動作すると作用極１１と対極１３との間が導通状態にされる結果、作用極１１と対極１３との間には、ヨウ素をヨウ化物イオンに変換する閉回路が形成される。その結果、検出器の待機中において観測される検出電流をゼロとすることができるので、フッ化水素のより正確な検出が可能となる。

以下に実施例を示し、本発明を説明する。
実施例１
直径１２ｍｍの開口部に気孔径０．１μｍ、厚さ６０μｍのポリテトラフルオロエチレン製の多孔膜（住友電工製：ＦＰ−０１０）を装着し、作用極として金電極を備え、対極および参照電極として銀・塩化銀電極を備えた検出槽に、ヨウ素酸カリウム０．０２５ｍｏｌ／ｌ、塩化カリウム０．１２５ｍｏｌ／ｌの混合水溶液に、エチレングリコールを加えて、エチレングリコールの濃度が６０体積％の電解液を調製した。

作製したフッ化水素検出装置の作用極の電位を、銀・塩化銀電極に対して−２００ｍＶから７００ｍＶまで変化させた場合の出力電流の変化について、０．５ｐｐｍのフッ化水素濃度含有空気と、０．３ｐｐｍのオゾン含有空気を供給した場合の両者について２５℃において測定した。その結果を図４に示す。
図４において、横軸に銀・塩化銀電極に対する電位を、縦軸に電流値を示した。
銀・塩化銀電極に対する電位が０ｍＶから２００ｍＶまでの測定電位範囲において、オゾンによる影響を受けずにフッ化水素を検出することができた。

実施例２
実施例１の混合水溶液に配合するエチレングリコールの濃度を、０〜９５体積％まで５％間隔で変化させた電解液を調製し、恒温槽において、０℃から２５℃まで、５℃間隔で、それぞれ４時間放置し、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウムの析出の有無を目視によって観察したが、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウムの析出は観察されなかった。

比較例１
実施例２で使用した塩化カリウムに代えて、臭化カリウムを使用し、特許文献２の実施例に記載の電解液を調整し、恒温槽において、０℃から２５℃まで、５℃間隔で、それぞれ４時間放置し、臭化カリウム、ヨウ素酸カリウムの析出の有無を目視によって観察した。エチレングリコールの濃度が７０体積％以上では、全ての温度において臭化カリウムの析出が観察された。

本発明のフッ化水素検出装置は、電解液として塩化カリウム、ヨウ素酸カリウムを溶解した水溶液を使用したので、高濃度のエチレングリコールを混合した場合にも低温度下において塩化カリウムが析出することがないので、長期間にわたり、電解液の保守作業が不要なフッ化水素検出装置を提供することができる。

１…フッ化水素検出装置、２…検出槽、３…開口部、４…気体透過性膜、５…電解液、７…取り付け部材、８…気相部、９…圧力調整部、１１…作用極、１２…液膜、１３…対極、１５…参照電極、１７…増幅器、１９…可変電圧電源、２１…電流増幅器、２２…温度補償抵抗器、２３…電流増幅器出力

Claims (3)

1. 外壁面に気体透過性の隔膜を有する検出槽内に、作用極、対極、参照電極を備え、塩化カリウム、ヨウ素酸カリウム、水、およびエチレングリコールを含む電解液を収容した検出槽に設けた作用極の参照電極に対する電位を規制した状態で作用極に流れる電流を検出することを特徴とするフッ化水素検出装置。
2. 前記検出槽に設けた作用極の電位を銀・塩化銀参照電極に対して０ｍＶから２００ｍＶの範囲に維持した状態で作用極と対極の間に流れる電流を検出することを特徴とする請求項１記載のフッ化水素検出装置。
3. 電解液中のエチレングリコールが４０体積％から８０体積％であることを特徴とする請求項１または２記載のフッ化水素検出装置。

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