JP4700372B2 - 土壌中の油分を精度よく分析する方法 - Google Patents

Description

本発明は、土壌中の油分を精度よく分析する方法に関する。

自然土壌は、土壌粒子の周りに、水分が付着したものが集合して形成されている。自然環境中において石油製品などの漏洩などにより、油分が土壌に混入すると、土壌粒子の周りに水分のほかに油分が付着した状態になる。土壌中に油分が含まれているか否か、あるいはどの程度含まれているかを正確かつ迅速に測定し、認知することは地球環境保護の第一歩であるとともに、これに基づいて適切な対応策を講ずることは地球環境保護の点で大変重要である。

土壌の分析法として現在実用化されている分析方法は、第一工程（前処理）として実際の土壌に脱水剤を混合し、土壌中の水分を除去し、第二工程として、脱水された土壌に油分の抽出溶媒として有機溶媒を加えて混合し、これにより土壌中の油分を抽出し、第三工程として抽出された測定溶液中の油分を定量分析する方法である。他の分析方法としては、実際の土壌に、脱水剤と前記有機溶媒とを加えて混合し、ついで固液分離を行い、液体である有機溶媒系に移行した油分を定量分析する方法である。
前記定量分析する方法としては、溶媒を揮発させて残りの重量から油分の重量を定量する重量法、抽出溶液を赤外分光計で測定するＩＲ法、抽出溶液をガスクロマトグラフで定量するＧＣ法等が知られている。
しかし、これらの土壌中油分定量分析法に共通していることは、これら定量法の測定値が土壌中の水分の脱水率に影響を受けることである。土壌中の水分が完全に除去出来ていない場合は測定値が低目にでやすく、かつ再現性が低いというのが実状である。

前記従来の分析方法における脱水方法は、無水硫酸ナトリウム、シリカゲル、無水硫酸マグネシウム等の一般に良く知られている脱水効果のある無機無水化合物が使用されていた。具体的には、これらを顆粒状のまま、あるいは微細化したものを直接土壌に入れ、混合を行い水分を除去していた。これら脱水剤の使用方法としては油分の溶媒抽出の前に入れ脱水した後に溶媒抽出を行なう方法と、抽出溶媒と脱水剤を同時に入れ撹拌する方法等の工夫が凝らされていた。
また、別の脱水方法としては、土壌試料を時計皿等に採取し、厚み１ｃｍ以下に広げて室温下にて一昼夜放置し、水分を蒸発させ土壌試料を乾燥させる「風乾法」もあるが、この方法では低沸点の油分は室温条件では揮発してしまい、低沸点の油分を含む土壌試料の定量分析には使うことができなかった。

土壌中に水分が含まれていると有機溶媒による油分の抽出効率が低下し、このような分析方法における土壌中の油分の回収率は、多くの場合土壌が砂質土のときは５０〜９０％程度、細粒土分（０．０７５ｍｍ以下の細粒子）を含む土壌のときは４０〜９０％程度であると推測され、土壌中の油分の定量は再現性を欠くものであった。

本発明の目的は、実際の土壌に油分が含まれているか否か、また含まれているとしたら、どの程度含まれているかを正確に分析するための新規な分析方法を提供する点にある。

そこで、本発明者らは、前記脱水手段について種々検討を重ねた結果、固体の脱水剤を使用するのではなく、接触効率の高い液体を使用することを考え検討した。使用する液体の条件として、
（１）水を容易に且つ大量に溶解できる液体であること、
（２）後の操作で使用する油分抽出溶媒への溶解度が低く、この溶媒との分離が容易な液体であること、
これらの条件を満たす液体について検討を行なった結果、（１）の条件を満たすものとしてはアセトン、アルコール類があることがわかった。実用上もっとも重要な（２）の条件を満たすものとしては、メタノール、エタノールなどのアルコール類は油抽出溶媒（例えば二硫化炭素）に溶けるが、水が存在すると両溶媒は容易に分離し、且つアルコール中の油分は油抽出溶媒にほぼ完全に移行するということがわかった。

本発明の第１は、
（１）炭素数５以下の脂肪族アルコールを土壌試料に加えて混合し、土壌中の水分と油分をアルコールに溶解させ、
（２）ついで、水には溶解しないが油分は溶解する有機溶媒を加えてさらに混合した後、水を加え、水と前記アルコールを主成分とする層と、有機溶媒と油分とを主成分とする層との二層に分離させ、
（３）有機溶媒と油分を主成分とする層に含まれる油分を定量分析する
ことを特徴とする土壌中に含まれる油分を定量分析する方法に関する。
本発明の第２は、前記アルコールがメタノールおよびエタノールよりなる群から選ばれたアルコールである請求項１記載の土壌中に含まれる油分を定量分析する方法に関する。

前記定量分析の方法としては任意の方法を使用することができる。たとえば、赤外分光光度計（ＩＲ）による定量分析方法、ガスクロマトグラフィー法（例えば水素炎イオン化検出器付きガスクロマトグラフィー法：ＧＣ−ＦＩＤ法）、液体クロマトグラフ法、重量法（有機溶媒を蒸発させ、残った油分の重量を測定する方法）、紫外・可視分光法などを使用することができる。

具体的定量分析手段として、ガスクロマトグラフィーを使用する場合には、エタノールより分子量の大きいアルコールは油分中の低沸点炭化水素の定量に影響を与えることがあるので、このような定量分析法を使用することが予定されている場合には、メタノールやエタノールを使用することが好ましい。

前記脂肪族アルコールとして、炭素数５以下とした理由は、常温で液体であるうえ、水との親和性が極めて高いが、炭素数５以上になると水に対する溶解性が著しく低下するからである。このようなアルコールとしては、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、ブタノール、イソブチルアルコール、ｎ−アミルアルコール、イソアミルアルコールなどを挙げることができる。

本発明に用いるアルコールは、無水のアルコールは勿論のこと、含水アルコールであってもよい。ただし含水率がある程度以上高くなると水の回収率が低下するので、アルコールの含水率は５０ｖｏｌ％以下とすることが好ましい。なお、例えば無水メタノールの製法においてはベンゼンを用いることがあり、これが無水メタノール中に含まれていると、定量分析法としてＩＲ法などを用いた場合には、ベンゼンも油分として定量してしまう場合があるので、分析法によってはアルコール中のベンゼンについて考慮しておくことが好ましい。

本発明における油分とは、原油、ガソリン類、灯油、軽油、Ａ重油、Ｃ重油並びに潤滑油を含む石油系、石炭系の炭化水素、植物油、合成油の単独あるいはこれらの混合物、さらにはこれらが人為的あるいは自然界において酸化分解、重合、生物により分解された物質、中間代謝物で使用する有機溶媒に溶解する物質などを挙げることができる。

本発明の適用は、土壌の質に全く制限を受けることはなく、砂質、細粒土分含有砂質土壌、細粒土分土壌等幅広い土壌に適用可能である。

本発明の「水を溶解しないが油分を溶解する有機溶媒」としては、二硫化炭素（水に対する溶解性０．１１８５ｇ／１００ｍｌ）、ｎ−ペンタン（水に対する溶解性０．０４ｇ／１００ｍｌ）、塩化メチレン（水に対する溶解性１．３２ｇ／１００ｍｌ）（以上のものはガスクロマトグラフィー分析に好適）、テトラクロロエチレン（水に対する溶解性０．０１５ｇ／１００ｍｌ）、四塩化炭素（水に対する溶解性０．０８ｇ／１００ｍｌ）（以上のものは赤外線吸収スペクトルによる分析に好適）、ｎ−ヘキサン（水に対する溶解性０．００９４７ｇ／１００ｍｌ）（重量法による分析に好適）などを挙げることができる。なお、「水には溶解しない」という程度は、水１００ｍｌ当り１０ｇ程度まで溶解するものは一応使用可能である。アルコールの添加量は土壌試料質量に対して、５〜５００質量％、好ましくは３０〜２００質量％、有機溶媒の量は、土壌試料質量に対して、５〜６００質量％、好ましくは３０〜３００質量％、添加すべき水の量は土壌試料質量に対して、２質量％以上、好ましくは３０〜２００質量％である。

（１）従来法は脱水剤が固体であるため固体と固体の混合系であるのに対し、本発明は、脱水剤が液体であり、固液混合系であるため、固体と液体の接触効率がよく、水分抽出が定量的に進む。また吸着熱が小さく、油分中の軽質分の揮発によるロスも発生しない。
（２）従来法に較べて水分除去率が高いため、有機溶媒による油分の抽出効率が高い。
（３）本発明は水を加えることにより２層分離を促進でき、かつ定量的に油分を有機溶媒層に回収できる。
（４）従来法では、含水土壌中の油分の回収率はほぼ７０％台であるのに対し、本願発明の場合は回収率はほぼ１００％を達成できる。

以下に実施例と比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。

実施例１〜６、比較例１〜６
脱水方法の違いにより、脱水効果にどのような差異がでるかを、各油種毎に、各土壌毎に、以下の具体例により詳細に説明する。

下記Ａ土壌およびＢ土壌を用意した。
（ｉ）Ａ土壌・・・砂分（粒度０．０７５〜２ｍｍ）が９６％、細粒土分（粒度
０．０７５ｍｍ以下）が４％であり、海岸埋立地より採取し
たものである。
（ii）Ｂ土壌・・・砂分（粒度０．０７５〜２ｍｍ）５３％、細粒土分（粒度
０．０７５ｍｍ以下）４７％であり、市販品洗浄砂の残渣土
（砂８．９％、細粒土分９１．１％）を（ｉ）と混合したも
のである。
なお、本明細書における粒度はＪＩＳ Ａ １２０４の規定により測定したものである。
前記Ａ土壌またはＢ土壌に油を１０，０００ｍｇ／ｋｇ−土壌になるよう添加混合し、さらに、これに水を添加して含水率（例えば表１の場合は砂質の場合は１０質量％、砂質／細粒土分混合系の場合は２０質量％）を調製し、下記方法により油分の定量分析を行った。
５０ｍｌ容量の遠心沈殿管に、前記調製した含油土壌１０．００ｇを入れ、そこに表に示す量のメタノール〔たとえば和光純薬（株）製特級メタノール９９．８％〕を入れて混合することにより、土壌中の水分を脱水除去（水分を溶解）する。つぎに、二硫化炭素２０．０ｍｌをいれ、メタノール中および土壌中の油分を二硫化炭素に溶解抽出させる。その後、わずかに混合しているメタノールと二硫化炭素を完全に分離するために水１０ｇを加え、水相にメタノールを溶解させる。
最後に二硫化炭素の相を水素炎イオン化検出器付きガスクロマトグラフィーにて分析を行ない、ノルマルＣ_６（ヘキサン）とノルマルＣ_４４（テトラテトラコンタン）ピークの間に検出されたピークの総面積により油分含有量を算出した。この実験を１試料につき３回繰り返し行って得られた各油分含有量と油分添加量とを比較して各々の油分の回収率とその平均値を算出した。
また、含水率に対するメタノールの添加量を確認するとともに、油種を替えた実験により回収率が変わらないことを確認した。
これらの結果を下記表１〜３に示す。以下の表中ではすべて本発明方法は液状脱水剤法と表示した。なお、本明細書におけるブランクは、各土壌に水を加えずに油分を抽出し、測定した結果である。

また、本明細書における比較例の実験方法は以下のとおりである。
ＰＥＣ５法〔石油汚染土壌の浄化に関する技術開発報告書（ＰＥＣ−２００２Ｉ−０７）の分析マニュアルＮＯ，５に記載された方法：水素炎イオン化検出器付きガスクロマトグラフィーにて分析〕に従った。その概略は以下のとおりである。
（ａ）土壌試料を共栓付１００ｍｌの三角フラスコに１０ｇとり、０．０１ｇの単位まで秤量する。
（ｂ）無水硫酸ナトリウムを３０ｇ秤り取り、土壌試料を入れた共栓三角フラスコに加えてふたをし、土のかたまりを砕くために手で振り混ぜる。
（ｃ）メスシリンダーで３０ｍｌの二硫化炭素をとり、試料を入れた三角フラスコに移し、共栓を付けボルテックスミキサーで３分間あるいは振とう機または手振りのいずれかで３０分間振とう撹拌後２時間静置する。
（ｄ）静置後、パスツールピペット又はシリンジにて抽出溶媒相を１００ｍｌのメスフラスコに移す。
（ｅ）試料を入れた三角フラスコに、さらに３０ｍｌの二硫化炭素を加えボルテックスミキサーで３分間振とう抽出あるいは振とう機または手振りの何れかで３分間振とう抽出を行い、パスツールピペット又はシリンジで抽出溶媒層を上記（ｄ）の１００ｍｌのメスフラスコに移し３０分静置する。
（ｆ）上記（ｅ）三角フラスコに３０ｍｌの二硫化炭素を加え、三回目の抽出を行い、パルツールピペット又はシリンジで抽出溶媒相を上記の１００ｍｌメスフラスコに移す。
（ｇ）上記メスフラスコに二硫化炭素を加えて正確に１００ｍｌにする。
（ｈ）メンブレンフィルターをガラス製注射筒に固定し、受け器として１０ｍｌのバイアル瓶を置き、約２ｍｌの抽出溶液を濾過する。バイアル瓶は密閉する。
この濾液を、本発明の液状脱水剤法で取得した試料に対する定量分析と同じ定量分析にかけた。なお、表中における−の表示はメタノールによる前処理を行なっていないことを示す。
表中の回収率は下記式により求めたものである。

なお、本実験に使用したＣ重油の標準液を本実験のガスクロマトグラフィー分析の条件にて測定すると、ノルマルＣ_４４より沸点の高い油分は定量しないため、油含有量が約６０％となっている。

実施例７〜８、比較例７〜８
下記Ｃ土壌を用いて、実施例７〜８については実施例１と同様の油分定量分析を、比較例７〜８については比較例１と同様の油分定量分析をそれぞれ行った。その結果を表４に示す。
Ｃ土壌・・・含重質油実土壌であり、製油所敷地内、表層より深度１．０ｍより採取し
たものである。

実施例９、比較例９
Ａ土壌に軽油を１０，０００ｍｇ／ｋｇ−土壌になるように添加、撹拌し約１ヶ月間、２５℃の室内に放置した土壌に対して、実施例９は実施例１と同様の方法により、比較例９は比較例１と同様の方法により油分の定量分析を行った。その結果は下記表のとおりである。この実験に用いた土壌は約１ヵ月間放置された土壌である為、揮発や微生物による分解により、油分含有率が低くなっている。

実施例１０、比較例１０
Ｂ土壌に軽油を１０，０００ｍｇ／ｋｇ−土壌になるように添加、撹拌し約３ヶ月間、２５℃の室内に放置した土壌に対して、実施例１０は実施例１と同様の方法により、比較例１０は比較例１と同様の方法により油分の定量分析を行った。その結果は下記表のとおりである。この実験に用いた土壌は約３ヶ月間放置された土壌である為、揮発や微生物による分解により、油分含有率が低くなっている。

実施例１１〜１３、比較例１１〜１３
前記実施例はすべて有機溶媒として二硫化炭素を用いたものであるが、以下の実施例および比較例は二硫化炭素に代えてｎ−ペンタンを用いたものである。
ブランクおよび実施例１１は、Ｂ土壌に軽油を１０，０００ｍｇ／ｋｇ−土壌になるように添加、撹拌した含軽油土壌を対象にしたものであり、実施例１２は、Ｂ土壌に軽油を１０，０００ｍｇ／ｋｇ−土壌になるように添加、撹拌し、約３ヶ月間、２５℃の室内に放置した土壌を対象にしたものであり、実施例１３はＣ土壌を対象にしたものである。
実施例１１においては、前記土壌に水を加えて水分を２０質量％に調整した後、実施例１における二硫化炭素の代りにｎ−ペンタンを用いた以外は実施例１と同様の方法により定量分析を行った。
実施例１２においては、前記土壌に対し、実施例１１と同様にして定量分析を行った。
実施例１３は、前記Ｃ土壌に対し、実施例１１と同様にして定量分析を行った。
比較例１１は、実施例１１で用いた土壌と同じ土壌に対して、比較例１における二硫化炭素の代りにｎ−ペンタンを用いた以外は比較例１と同様の方法により定量分析を行なった。
比較例１２は、実施例１２で用いた土壌と同じ土壌に対して、比較例１１と同様にして定量分析を行なった。
比較例１３は、実施例１３で用いた土壌と同じ土壌に対して、比較例１１と同様にして定量分析を行なった。
これらの結果を表７〜９に示す。

実施例１２、比較例１２は、実施例１０、比較例１０と同じ土壌であり、溶媒がｎ−ペンタンである以外はすべて同一の方法を用いたものである。

実施例１３、比較例１３は、実施例８、比較例８と同じ土壌であり、溶媒がｎ−ペンタンである以外はすべて同一の方法を用いたものである。

Claims (2)

1. （１）炭素数５以下の脂肪族アルコールを土壌試料に加えて混合し、土壌中の水分と油分をアルコールに溶解させ、
   （２）ついで、水には溶解しないが油分は溶解する有機溶媒を加えてさらに混合した後、水を加え、水と前記アルコールを主成分とする層と、有機溶媒と油分とを主成分とする層との二層に分離させ、
   （３）有機溶媒と油分を主成分とする層に含まれる油分を定量分析する
   ことを特徴とする土壌中に含まれる油分を定量分析する方法。
2. 前記アルコールがメタノールおよびエタノールよりなる群から選ばれたアルコールである請求項１記載の土壌中に含まれる油分を定量分析する方法。