JP2019045187A - Cod測定装置、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
CODは、例えば、試料液を硫酸酸性とし、酸化剤として過マンガン酸カリウム溶液を加え、沸騰水浴中で30分間加熱し酸化反応させ、過剰のシュウ酸ナトリウム溶液を加えて酸化を停止した後、試料液を50〜60℃に保ち過マンガン酸カリウム溶液により滴定を行い、消費された酸化剤の量を求めることにより測定することができる。
シュウ酸ナトリウムが試料液中に存在する場合に過マンガン酸カリウム溶液により滴定を行うと、シュウ酸ナトリウム溶液と過マンガン酸カリウムが当量に近づくにつれて、電荷の担い手であるシュウ酸イオンが酸化還元反応により試料液中に存在する量が減少する。従って、当量点に近づくにつれて電荷の担い手が試料液中から少なくなるので、電流が流れにくくなる。そして、各白金電極間は定電流が流れるように構成されているので、電極間の電位差は大きくなっていく。このことを利用して、最終的に電位差が極値を取る滴定点を終点として検出することができる。
このようなピーク形状の変化には、試料液の成分や塩素イオンをマスクするために添加する硝酸銀が影響しているものと考えられる。
[1]試料液が導入される反応槽と、
前記反応槽内を加熱する加熱装置と、
前記反応槽に、試料液を導入する試料液導入手段と、
前記反応槽に、少なくとも酸化剤及び還元剤を各々導入する試薬導入手段と、
前記反応槽内に挿入された一対の電極と、
前記一対の電極間に定電流を流す定電流回路と、
前記一対の電極間の電位差を測定する測定回路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
(1)前記試料液導入手段と前記試薬導入手段により、試料液と酸化剤を前記反応槽に導入し、前記加熱装置により加熱して反応させる加熱反応ステップ、
(2)前記試薬導入手段により還元剤を前記反応槽に導入し、未反応の酸化剤と反応させる還元ステップ、
(3)前記定電流回路で所定の定電流を前記一対の電極間に流した際の前記一対の電極間の電位差を前記測定回路で測定し、測定した電位差に基づき、定電流の大きさを調整する定電流調整ステップ、
(4)前記試薬導入手段により、未反応の還元剤を酸化剤で滴定し、滴定の終点を、前記調整した定電流を前記一対の電極間に流しつつ前記測定回路で測定する前記一対の電極間の電位差の変化に基づいて検出する、滴定ステップ、
(5)前記終点に基づき試料液のCODを求める、COD演算ステップ、
を順に実行することを特徴とするCOD測定装置。
[2]前記定電流調整ステップにおいて、前記定電流回路の印加電圧値を変化させることにより前記定電流の大きさを調整する[1]に記載のCOD測定装置。
[3]前記定電流調整ステップにおいて、さらに、前記定電流回路の抵抗値を変化させることにより、前記定電流の大きさを調整する[2]に記載のCOD測定装置。
[4]前記定電流調整ステップにおいて、測定した電位差が、所定の電位差V1を超えた場合は前記定電流の大きさを小さくし、所定の電位差V2(ただしV2≦V1)より小さい場合は前記定電流の大きさを大きくする、[1]〜[3]のいずれかに記載のCOD測定装置。
[5]前記酸化剤は過マンガン酸カリウム溶液であり、前記還元剤はシュウ酸ナトリウム溶液である[1]〜[4]のいずれかに記載のCOD測定装置。
前記反応槽内を加熱する加熱装置と、
前記反応槽に、試料液を導入する試料液導入手段と、
前記反応槽に、少なくとも酸化剤及び還元剤を各々導入する試薬導入手段と、
前記反応槽内に挿入された一対の電極と、
前記一対の電極間に定電流を流す定電流回路と、
前記一対の電極間の電位差を測定する測定回路と、
制御部と、
を備えるCOD測定装置における前記制御部に、
(1)前記試料液導入手段と前記試薬導入手段により、試料液と酸化剤を前記反応槽に導入し、前記加熱装置により加熱して反応させる加熱反応ステップ、
(2)前記試薬導入手段により還元剤を前記反応槽に導入し、未反応の酸化剤と反応させる還元ステップ、
(3)前記定電流回路で所定の定電流を前記一対の電極間に流した際の前記一対の電極間の電位差を前記測定回路で測定し、測定した電位差に基づき、定電流の大きさを調整する定電流調整ステップ、
(4)前記試薬導入手段により、未反応の還元剤を酸化剤で滴定し、滴定の終点を、前記調整した定電流を前記一対の電極間に流しつつ前記測定回路で測定する前記一対の電極間の電位差の変化に基づいて検出する、滴定ステップ、
(5)前記終点に基づき試料液のCODを求める、COD演算ステップ、
を順に実行させることを特徴とするプログラム。
[7]前記定電流調整ステップにおいて、前記定電流回路の印加電圧値を変化させることにより前記定電流の大きさを調整する[6]に記載のプログラム。
[8]前記定電流調整ステップにおいて、さらに、前記定電流回路の抵抗値を変化させることにより、前記定電流の大きさを調整する[7]に記載のプログラム。
[9]前記定電流調整ステップにおいて、測定した電位差が、所定の電位差V1を超えた場合は前記定電流の大きさを小さくし、所定の電位差V2(ただしV2≦V1)より小さい場合は前記定電流の大きさを大きくする、[6]〜[8]のいずれか一項に記載のプログラム。
加熱装置2としては、反応槽1が浸漬する沸騰水浴(ウオーターバス)や油浴(オイルバス)、反応槽1を覆う電熱体とその電熱体に接触させたヒーター等が挙げられる。
また、試料液導入管3の途中には、水導入管9が合流しており、希釈水や洗浄水等として用いられる水が、図示を省略する水容器から、水導入管9及び試料液導入管3を経て反応槽1に導入されるようになっている。水導入管9には、図示を省略する計量器、開閉弁、ポンプ等が適宜設けられる。
試料液導入管3の先端は、COD測定の全工程を通じて、反応槽1内の反応液に接触しないように、反応液の最高液面より高い位置まで挿入されている。
なお、水導入管9は、試料液導入管3に合流するのではなく、直接反応槽1に挿入されるようにしてもよい。
酸化剤導入管4の途中には、切替弁14を介して滴定ポンプ15が設けられている。また、酸導入管5、還元剤導入管6、及び硝酸銀導入管7には、図示を省略する計量器、開閉弁、ポンプ等が適宜設けられる。
これら各導入管とこれらに設けられた弁やポンプ等は、本発明における試薬導入手段を構成している。
本実施形態では、酸化剤は過マンガン酸カリウム溶液であり、還元剤はシュウ酸ナトリウム溶液である。
なお、図1において、酸導入管5、還元剤導入管6、及び硝酸銀導入管7は、各々独立した3本の管として記載したが、これらの管は、途中で合流させ、1本の管として、反応槽1に挿入してもよい。また、これらの管の内の2本を途中で合流させ、2本の管として、反応槽1に挿入してもよい。
なお、廃液管8に設けられるポンプは、廃液管8に直接設けるのではなく、例えば、反応槽1内を正圧又は負圧にするエアポンプとすることができる。廃液管8に設けられるポンプは、廃液管8の途中に設けられた送液ポンプでもよい。
電極体11、12の各ボディ11b、12bの内部には、各々白金電極11a、12aと外部とを電気的に接続するために例えば銀製の導線が配置されている。電極体11、12は、各々の白金電極11a、12aが滴定時に反応液の液面下に位置するように反応槽1内に挿入されている。
本実施形態のCOD測定装置は、電極体11、12とは別個に、あるいは、電極体11、12に組み込まれて、温度センサを備えていてもよい。
滴定ポンプ15は、滴定の時のみならず、後述の加熱反応ステップにおいて、酸化剤を一定量計量して反応槽1に導入する際にも使用されるようになっている。
印加電圧回路23は、D/Aコンバーター22を経由して制御部21から指示された所定の印加電圧Eを定電流回路24に付与するようになっている。また、定電流回路24は内部抵抗Rを有し、印加電圧回路23から付与された印加電圧Eと内部抵抗Rとで決まる定電流I(I=E/R)を白金電極11aと白金電極12aとの間に流すようになっている。
測定回路25で測定された電位差VはA/Dコンバーター26を経由して制御部21に入力され、入力された電位差Vの変化に基づき滴定の終点等が求められ、求められた終点から、COD値が演算されるようになっている。
制御部21には、後述の各ステップを実行させるためのプログラムが組み込まれている。制御部21による具体的な制御内容は、操作表示部27によって設定を変更することにより変更可能とされている。
操作表示部27としては、例えばタッチパネルを採用することができる。その他、キーボード等の各種入力装置と液晶表示装置等の各種表示装置とを組み合わせて操作表示部27としてもよい。
制御部21によって演算されたCOD値や設定内容等は、外部の記録計、データロガー、メモリ、プリンター、コンピュータ等に伝達されてもよい。その場合の伝達のための信号はデジタル信号でもアナログ信号でもよく、また、有線で伝達されてもよいし、無線で伝達されてもよい。
図3に示す回路では、増幅器31の非反転入力端子(+)は、D/Aコンバーター22に接続されている。増幅器31の反転入力端子(−)はコンデンサ32の一端と抵抗33の一端に接続されている。増幅器31の出力端子は、コンデンサ32の他端と、抵抗34の一端に接続されている。抵抗33の他端と抵抗34の他端は、抵抗35の一端に接続されている。抵抗35の他端は、白金電極11aと増幅基36の反転入力端子(−)に接続されている。白金電極12aは増幅基36の出力端子に接続されている。増幅基36の非反転入力端子(+)は、回路コモンに接続されている。増幅基36の出力端子はA/Dコンバーター26に接続されている。なお、増幅基36の出力端子とA/Dコンバーター26との間には、フィルター回路が設けられていてもよい。
(1)前記試料液導入手段と前記試薬導入手段により、試料液と酸化剤を前記反応槽に導入し、前記加熱装置により加熱して反応させる加熱反応ステップ、
(2)前記試薬導入手段により還元剤を前記反応槽に導入し、未反応の酸化剤と反応させる還元ステップ、
(3)前記定電流回路で所定の定電流を前記一対の電極間に流した際の前記一対の電極間の電位差を前記測定回路で測定し、測定した電位差に基づき、定電流の大きさを調整する定電流調整ステップ、
(4)前記試薬導入手段により、未反応の還元剤を酸化剤で滴定し、滴定の終点を、前記調整した定電流を前記一対の電極間に流しつつ前記測定回路で測定する前記一対の電極間の電位差の変化に基づいて検出する、滴定ステップ、
(5)前記終点に基づき試料液のCODを求める、COD演算ステップ。
以下、各ステップについて詳述する。
加熱反応ステップで、制御部21は、以下の動作を実行させる。まず、試料液導入管3から、一定量の試料液を反応槽1に導入させる。また、必要に応じて水導入管9から試料液導入管3を経て、希釈水を反応槽1に導入させる。また、酸導入管5から硫酸を、硝酸銀導入管7から硝酸銀溶液を、反応槽1に導入させる。さらに、酸化剤(過マンガン酸カリウム溶液)の一定量を滴定ポンプ15により計量させ、酸化剤導入管4から反応槽1に導入させる。なお、試料液中に塩素イオンが含まれない場合、含まれていても無視できる程度の場合、硝酸銀溶液の導入は不要である。
そして、これら反応槽1に導入された液を攪拌装置13に攪拌させつつ、加熱装置2により、30分間100℃で加熱させる。これにより、試料液中の被酸化性物質と酸化剤を反応させる。
還元ステップで、制御部21は、反応槽1内の反応液を攪拌装置13に攪拌させつつ、還元剤(シュウ酸ナトリウム溶液)の一定量を、還元剤導入管6から反応槽1に導入させる。これにより、加熱反応ステップで消費されずに残存した酸化剤を、還元剤と反応させる。
定電流調整ステップで、制御部21は、図4に示すように、還元ステップが終了した時点における白金電極11aと白金電極12aの間の電位差Vに基づき、定電流Iの大きさを調整する。
なお、定電流I0を流しても電位差V0が0mVのまま変化しない場合や、電位差V0の変動が長時間収束しない場合は、定電流回路24、測定回路25等の回路不良や白金電極11a、白金電極12aの不良等が考えられる。その場合、制御部21は異常情報を発信してもよい。
(i)前回測定時の滴定データにおけるピーク電位と初期電位(滴定開始時の電位)との差が小さかった場合(例えば200mV以下の場合)、前回の滴定時に使用された定電流よりも大きい定電流とする。
(iii)前回測定時の滴定データにおけるピーク電位が目標ピーク電位(例えば、明確な終点が得られる最も理想的な滴定データにおける通常のピーク電位)を大きく(例えば100mV以上)上回った場合、前回の滴定時に使用された定電流よりも小さい定電流とする。
(v)前回測定時の滴定データにおけるピーク電位と目標ピーク電位(例えば、明確な終点が得られる最も理想的な滴定データにおける通常のピーク電位)との比(前回ピーク電位/目標ピーク電位)が大きかった場合、その比に応じて、前回の滴定時に使用された定電流よりも小さい定電流とする。
所定の電位差V1は、適切な滴定データの滴定開始時点の電位差と、ピークの形状が鈍化してしまう場合の滴定開始時点の電位差に基づき予め設定され、制御部21に記憶された値である。
I1をI0よりどの程度小さい値とするかは、電位差V0と所定の電位差V1との差に応じて決めることが好ましい。例えば、I0とI1の差を、電位差V0と所定の電位差V1との差に比例する値とすることができる。
また、電位差V0と所定の電位差V1との差の大きさ以外のファクターを考慮してもよい。例えば、前回の滴定データを考慮してもよい。
所定の電位差V2は、適切な滴定データの滴定開始時点の電位差と、ピークが小さくなってしまう場合の滴定開始時点の電位差に基づき予め設定され、制御部21に記憶された値である。
V2=V1の場合、所定の電位差V2及びV1は、明確な終点が得られる最も理想的な滴定データの滴定開始時点の電位差とすることが好ましい。
I2をI0よりどの程度大きい値とするかは、電位差V0と所定の電位差V2との差に応じて決めることが好ましい。例えば、I0とI2の差を、電位差V0と所定の電位差V2との差に比例する値とすることができる。
また、電位差V0と所定の電位差V2との差の大きさ以外のファクターを考慮してもよい。例えば、前回の滴定データを考慮してもよい。
図5に示す方法の場合、制御部21は、Aのステップで測定した電位差V0を制御部21が記憶している所定の電位差V1と比較する(A2)。その結果、電位差V0が所定の電位差V1よりも大きければ、所定の定電流I0をI1(I1<I0)に変更する(A7)。すなわち、定電流I0の値を更新する。そして、A1のステップに戻り、更新した定電流I0(=I1)を白金電極11aと白金電極12aの間に流し、その際の両電極間の電位差V0を測定回路25で測定する。
ただし、この場合の電位差V2は電位差V1と同じではなく、V2<V1であることが好ましい。また、V2とV1との間には充分な差があることが好ましい。V2とV1との間に充分な差がないと、定電流調整ステップが、いつまでも終了しない虞があるからである。
例えば、電位差V1を300mV、電位差V2を100mVとすることができる。
なお、A7又はA8のステップにおいて、定電流I0を変化させた直後は電位差V0が不安定となりやすいため、電位差V0の取得は、電位差V0の変動が収束したことを検知した後、又は一定時間後に行うことが好ましい。例えば、定電流I0を変化させてから15秒後に測定した電位差V0を制御部21に取り込むことが好ましい。
1度目のA1のステップの後はA7のステップに至り、2度目のA1のステップの後はA8のステップに至った場合、2度目のI2(2度目の更新後のI0)は、1度目のA1のステップにおけるI0(1度目の更新前のI0)より小さく、かつ1度目のI1(1度目の更新後のI0)より大きい値とする。
印加電圧値Eを大きくすれば定電流Iも大きくなり、印加電圧値E小さくすれば定電流Iも小さくなる。
抵抗値の大きい抵抗に切り替えれば定電流Iは小さくなり、抵抗値の小さい抵抗に切り替えれば定電流Iは大きくなる。
滴定ステップでは、滴定ポンプ15を用いて、還元ステップで残存した未反応の還元剤を酸化剤で滴定する。この間、定電流回路24により、定電流調整ステップで調整した定電流Iを白金電極11aと白金電極12aの間に流し、その際の両電極間の電位差Vの変化を測定回路25で測定する。
還元剤と酸化剤が当量に近づくにつれ、電荷の担い手である還元剤が反応液中に存在する量が少なくなる。そのため、当量に近づくにつれ、白金電極11aと白金電極12aの間の液抵抗が高くなり、両電極間の電位差が大きくなるため、電位差の変化から終点(当量点)の検知ができる。
滴定の終点は、電位差が最も大きくなった点としてもよいし、電位差が最も大きくなった後、滴定量の変化量に対する電位差の変化量(低下量)が最も大きくなった点としてもよい。
COD演算ステップでは、滴定ステップで得られた終点に基づき、試料液のCOD(化学的酸素要求量)を求める。
CODは、過熱反応ステップと滴定ステップにおける滴定の終点までに要した酸化剤の量とその濃度、還元ステップにおける還元剤の量とその濃度、及び試料液の液量に基づき、定法に従い演算して求めることができる。
また、試料液の成分等により、滴定開始前の電位差が低い場合、図5のデータD3のようにピークを把握しにくくなる懸念があるので、定電流回路24による定電流を上昇させることによって、そのような懸念を回避することができる。
アルカリ性法のCOD測定装置が酸性法のCOD測定装置と異なる点は、下記の通りである。
また、アルカリ性法において、塩素イオンは妨害成分とならないので、硝酸銀の使用は不要である。
還元ステップでは、反応液を酸性とするため、還元剤と共に硫酸を導入する。他は、酸性法のCOD測定装置と同様である。
その場合、プログラムは、予めコンピュータに記録されていてもよいし、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータに読み込ませてもよい。
また、予めコンピュータに記録されているプログラムと、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録し、コンピュータに読み込ませるプログラムとを組み合わせてもよい。
また、指示変換装置20内の回路の一部は、電極体11、12を複合電極体としたボディーのヘッドに組み込み、いわゆるヘッドアンプとしてもよい。
6…還元剤導入管、7…硝酸銀導入管、8…廃液管、9…水導入管、
11、12…電極体、11a、12a…白金電極、13…攪拌装置、14…切替弁、
15…滴定ポンプ、20…指示変換装置、21…制御部、22…D/Aコンバーター、
23…印加電圧回路、24…定電流回路、25…測定回路、26…A/Dコンバーター
Claims (9)
- 試料液が導入される反応槽と、
前記反応槽内を加熱する加熱装置と、
前記反応槽に、試料液を導入する試料液導入手段と、
前記反応槽に、少なくとも酸化剤及び還元剤を各々導入する試薬導入手段と、
前記反応槽内に挿入された一対の電極と、
前記一対の電極間に定電流を流す定電流回路と、
前記一対の電極間の電位差を測定する測定回路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
(1)前記試料液導入手段と前記試薬導入手段により、試料液と酸化剤を前記反応槽に導入し、前記加熱装置により加熱して反応させる加熱反応ステップ、
(2)前記試薬導入手段により還元剤を前記反応槽に導入し、未反応の酸化剤と反応させる還元ステップ、
(3)前記定電流回路で所定の定電流を前記一対の電極間に流した際の前記一対の電極間の電位差を前記測定回路で測定し、測定した電位差に基づき、定電流の大きさを調整する定電流調整ステップ、
(4)前記試薬導入手段により、未反応の還元剤を酸化剤で滴定し、滴定の終点を、前記調整した定電流を前記一対の電極間に流しつつ前記測定回路で測定する前記一対の電極間の電位差の変化に基づいて検出する、滴定ステップ、
(5)前記終点に基づき試料液のCODを求める、COD演算ステップ、
を順に実行することを特徴とするCOD測定装置。 - 前記定電流調整ステップにおいて、前記定電流回路の印加電圧値を変化させることにより前記定電流の大きさを調整する請求項1に記載のCOD測定装置。
- 前記定電流調整ステップにおいて、さらに、前記定電流回路の抵抗値を変化させることにより、前記定電流の大きさを調整する請求項2に記載のCOD測定装置。
- 前記定電流調整ステップにおいて、測定した電位差が、所定の電位差V1を超えた場合は前記定電流の大きさを小さくし、所定の電位差V2(ただしV2≦V1)より小さい場合は前記定電流の大きさを大きくする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のCOD測定装置。
- 前記酸化剤は過マンガン酸カリウム溶液であり、前記還元剤はシュウ酸ナトリウム溶液である請求項1〜4のいずれか一項に記載のCOD測定装置。
- 試料液が導入される反応槽と、
前記反応槽内を加熱する加熱装置と、
前記反応槽に、試料液を導入する試料液導入手段と、
前記反応槽に、少なくとも酸化剤及び還元剤を各々導入する試薬導入手段と、
前記反応槽内に挿入された一対の電極と、
前記一対の電極間に定電流を流す定電流回路と、
前記一対の電極間の電位差を測定する測定回路と、
制御部と、
を備えるCOD測定装置における前記制御部に、
(1)前記試料液導入手段と前記試薬導入手段により、試料液と酸化剤を前記反応槽に導入し、前記加熱装置により加熱して反応させる加熱反応ステップ、
(2)前記試薬導入手段により還元剤を前記反応槽に導入し、未反応の酸化剤と反応させる還元ステップ、
(3)前記定電流回路で所定の定電流を前記一対の電極間に流した際の前記一対の電極間の電位差を前記測定回路で測定し、測定した電位差に基づき、定電流の大きさを調整する定電流調整ステップ、
(4)前記試薬導入手段により、未反応の還元剤を酸化剤で滴定し、滴定の終点を、前記調整した定電流を前記一対の電極間に流しつつ前記測定回路で測定する前記一対の電極間の電位差の変化に基づいて検出する、滴定ステップ、
(5)前記終点に基づき試料液のCODを求める、COD演算ステップ、
を順に実行させることを特徴とするプログラム。 - 前記定電流調整ステップにおいて、前記定電流回路の印加電圧値を変化させることにより前記定電流の大きさを調整する請求項6に記載のプログラム。
- 前記定電流調整ステップにおいて、さらに、前記定電流回路の抵抗値を変化させることにより、前記定電流の大きさを調整する請求項7に記載のプログラム。
- 前記定電流調整ステップにおいて、測定した電位差が、所定の電位差V1を超えた場合は前記定電流の大きさを小さくし、所定の電位差V2(ただしV2≦V1)より小さい場合は前記定電流の大きさを大きくする、請求項6〜8のいずれか一項に記載のプログラム。
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