JP4705110B2 - 大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置に関するものであり、より詳細には、ペルチェトラップを冷却管の下部に装着して温度を正確に制御すると共に、水分除去と試料捕集を容易に行うことによって、水分除去効果を極大化させ、安定的に試料を速かに捕集できる大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置に関するものである。

周知のように、現在揮発性有機化合物（ＶＯＣ）または悪臭物質などを捕集して分析するために自動分析機が使用される。このような自動分析機は、粒子状物質の濃度を分析することにおいて、捕集前後のフィルターの重量差を測定したり捕集したフィルターに光を照射した後、透過した光の量を利用して濃度を計算する。また、重金属などの成分を分析するためには、捕集したフィルターを酸や加熱などの多様な前処理方法で吸着した重金属を溶解して使用する。

しかし、このような自動分析機の試料捕集段階において、特に、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）または悪臭物質などの試料採取及び分析過程の間に、このような揮発性有機化合物（ＶＯＣ）または悪臭物質などに含まれる水分により、試料分析に大きな誤差が生じるようになる。

特に、水分（Ｈ_２Ｏ）は極性が非常に大きい物質であるため、Ｈ_２Ｓまたは（ＣＨ_３）_２ＣＣｌ_２のように極性が大きい悪臭またはＶＯＣ物質の分析に大きな障害を与える。したがって、試料採取または分析前に水分の前処理を行うことが非常に重要である。

従来はこのような水分を除去するために、液体窒素のような冷媒に漬けたＵ字管やナフィオンドライヤー（Nafion（登録商標） Dryer）のような装置が使用されてきた。しかし、このような装置を使用する場合は、Ｕ字管がふさがったり、水分除去の効率及び分析成分物質の回収率が低下したりするなどの多くの問題点がある。

したがって、最近ではＵ字管の閉塞現象を防止するために管の形態を直線状にし、直線管の内径の大きさを一定に形成することによって、一定温度（例、−３０℃）及び空気の一定線速度で氷晶の成長速度を一定に維持するようにする。

しかし、このような直線管を利用する場合も、Ｕ字管を利用した時と同様に、液体窒素などの冷却過程で形成した水分を、水分凝結を通じて除去するため、温度を効率的に制御できない問題点がある。したがって、それによる水分除去効果も非常に低い水準であるため、試料の分析を正確に行うことができない。

前述した従来技術の問題点に鑑みてなされた本発明は、大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を提供することにその目的がある。

このような目的を達成するために、本発明に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置は、水分を除去するために試料捕集部の前端に設けられた前処理装置と、前記前処理装置の下部に設けられて冷却凝縮及び熱脱着を行うペルチェトラップと、前記前処理装置の後端に連結されて第１、２、３、４ポートを通じて流路を切り替える切替弁と、前記切替弁の後端に設けられて試料を捕集するための試料捕集部と、前記試料捕集部の下部に設けられて熱脱着を行うペルチェトラップと、前記切替弁の第２ポートに連結されて気体を吸入するための第１エアポンプと、前記試料捕集部の後端に連結されて気体を吸入及び排出するための第２エアポンプと、前記切替弁の第４ポートに連結されて試料を分析するための試料分析装置とを含むことを特徴とする。

好ましくは、前記前処理装置に、その内周縁に水分を冷却凝着させるためのガラスチューブが設けられる。

好ましくは、前記試料捕集部に、その内部に試料を捕集するために前記切替弁に連結されたガラスチューブが設けられる。

好ましくは、前記前処理装置の下部に設けられたペルチェトラップは、汚染気体の水分除去時に冷却駆動される。

好ましくは、前記前処理装置の下部に設けられたペルチェトラップは、前記試料捕集部の試料捕集が完了した後、水分除去のために加熱駆動される。

好ましくは、前記試料捕集部の下部に設けられたペルチェトラップは、試料捕集部の試料捕集完了時に該当試料を脱着させるために加熱駆動される。

好ましくは、前記前処理装置のガラスチューブは、第一次の水分除去のためにその内部に形成された綿糸層をさらに含む。

好ましくは、前記試料捕集部のガラスチューブは、試料を吸着するための吸着剤層をさらに含む。

本発明に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置によれば、汚染物質を分析するための試料捕集前段階で前処理装置を通じて水分を十分に除去することによって、持続的で速かに分析可能な試料を捕集できる効果がある。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の構成を示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を示す模式図である。

これらの図面を参照すると、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２は、ペルチェトラップを冷却管の下部に装着して温度を正確に制御すると共に、水分除去と試料捕集を容易に行うことによって、水分除去効果を極大化させ、安定的に試料を速かに捕集できるように構成した装置である。

このために、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２は、大きく３個の装備で構成されている。そのうち第１の装備は、土壌、水源、大気中に存在する汚染物質を流入してその汚染物質に含まれた水分を除去するための前処理部４であり、第２の装備は前処理部４の後端に設けられて流路を適切に切り替える切替弁６であり、第３の装備は切替弁６の後端に設けられて、切替弁６を通じて流入して水分が除去された汚染物質を捕集するための試料捕集部８である。

この時、前処理部４は、内部にペルチェ素子が装着されたペルチェトラップ１０と、このペルチェトラップ１０の上面に装着されて内部に汚染物質を流通させるためのガラスチューブ１４が設けられた前処理装置１２を備えている。また、ガラスチューブ１４の内部には、その前端注入口１６から一定距離を置いて離隔した位置に配設された綿糸層１８を備える。この綿糸層１８は第一次として水分を除去するための手段である。前処理装置１２の内部にはガラスチューブ１４が装着され、その下部に設けられたペルチェトラップ１０を通じて図３に示したような−３０℃の低温チャンバーがその内部に提供される。水分除去のための温度は−３０℃程度ならば十分である。これについての実験内容は後述する。

ペルチェトラップ１０は、ペルチェ効果（Peltier effect）を利用して特定局所部位を冷却するための装置であって、二つの相異なる金属線の両端を接合した後、回路に直流電流を印加すると、一方の接合部は吸熱、他方の接合部は発熱し、電流の方向を反対に変えると、吸熱と発熱が反対になる、いわゆる加熱圧送の現象を利用する電子冷却の方式である。したがって、このようなペルチェトラップ１０は特定局所部位の温度を望む温度で正確に維持することができる。

特に、本発明ではペルチェトラップ１０を利用して水分を凝結させ、その凝結した水分を瞬間的に高温加熱して除去する吸熱及び発熱動作を交互に繰り返すようになる。

また、ペルチェトラップ１０の後端に設けられて流路を切り替える切替弁６は、ダイアフラム弁（２−ウェイ６−ポート）、空圧アクチュエーター用ソレノイド弁であり、本発明においては、２−ウェイ、４−ポート２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを利用して流路を切り替える。

第１ポート２０ａは前処理部４のガラスチューブ１４に連結されており、第２ポート２０ｂは試料捕集部８のガラスチューブ２６に連結されており、第３ポート２０ｃはエアポンプ５０に連結されており、第４ポート２０ｄは試料分析装置４０に連結されている。

一方、切替弁６の後端に設けられた試料捕集部８は、前処理部４で水分が除去された試料を捕集するための手段であり、その下部にはペルチェトラップ２２が配設されており、そのペルチェトラップ２２の上面には試料を捕集するためのサンプルトラップ２４が配設されている。この時、ペルチェトラップ２２は熱脱着のための構成である。

また、サンプルトラップ２４の内部にはガラスチューブ２６が装着されており、その排出端２８にはエアポンプ６０が連結されている。また、ガラスチューブ２６の内部には活性炭などの試料捕集用吸着剤層３０が設けられている。

図３は、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の水分処理状態を示す断面図であり、図４は、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を利用した水分除去効率のデータを示す表である。

これらの図面を参照すれば、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２において、ペルチェトラップ１０を通じて発現可能な最低温度である−３０℃の低温チャンバーで前処理装置１２は構成される。すなわち、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２の前処理装置１２は、−３０℃の低温チャンバーになっている。

このような−３０℃低温チャンバーの内部に設けられたガラスチューブ１４は、水分除去のためのペルチェトラップ１０の駆動時に−３０℃で冷却することによって、汚染気体に含まれた水分がガラスチューブ１４に凝結して除去され、汚染空気がその後端に排出される。この時、ガラスチューブ１４の直径をＡとし、そのガラスチューブ１４より小さな直径Ｂ、Ｃでガラスチューブ１４ｂを構成する。次に、そのペルチェトラップ１０と一緒に別の液体窒素やドライアイスを利用して−６０℃まで温度を急降下させた−６０℃の低温チャンバー１２４を別途構成し、前処理装置１２による水分除去効率の実験を行った。

実験結果では、図４に示すように、前処理装置１２のペルチェトラップ１０を利用した水分捕集量が、流入した汚染気体に含まれる水分の９２％まで除去されることが分かった。中間連結部材１２６を通じて−３０℃の低温チャンバーを通過した汚染気体を−６０℃の低温チャンバーを通過させると、１００％水分が除去されることが分かった。

したがって、持続的な試料捕集のためには、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２を使用して正確な温度制御及び流路制御が可能なようにする装置がより一層効率的であることが分かった。特に、液体窒素やドライアイスの場合には長時間使用が不可能な物質であり、野外では実際に大気を捕集するために使用することが難しいので、より一層本発明の前処理装置１２の効果が立証された。

以下、添付した図面を参照して前述のような構成を有する本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の機能と作用について詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２の機能及び動作について、図１、２を参照して説明する。

まず、ガラスチューブ１４を通じて大気汚染気体が前処理装置１２に流入すると、そのガラスチューブ１４に内蔵された綿糸層１８を汚染気体が通過しながら、第一次の水分除去を行う。そして、前処理装置１２の下部に設けられたペルチェトラップ１０を駆動させてガラスチューブ１４の温度を−３０℃にまで急降下させると、汚染気体に含まれる水分がガラスチューブ１４の内周縁に凝結して汚染気体から分離される。

この時、ガラスチューブ１４の流路直径が小さいほど水分除去には有利であるが、エアポンプ５０、６０に加わる負荷を考慮して適切に流路の直径を形成することが好ましい。

また、試料の捕集時には、切替弁６の第１、２ポート２０ａ、２０ｂがそれぞれ連通するように操作することによって、黒色実線矢印方向に流路が形成される。したがって、前処理装置１２と切替弁６及び試料捕集部８が互いに連通する。これを通じて試料捕集部８に流入した汚染気体は水分が除去された状態で、試料捕集部８のガラスチューブ２６に流入する。

また、ガラスチューブ２６に流入した汚染気体は、そのガラスチューブ２６に内蔵された吸着剤層３０を通過しながら、その吸着剤層３０に吸着される。このために、ガラスチューブ２６の排出端に連結されたエアポンプ６０が駆動される。

この時、汚染気体のうち、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、メチルメルカプタン（ＭＭ）、硫化メチル（ＤＭＳ）、二硫化メチル（ＤＭＤＳ）は全て、水分との反応性が非常に強いので、容易に水分と反応して他の物質に変形する。この時、このような汚染気体を正確に分析するためには水分の除去が必須であり、このような物質のクロマトグラフ分析を通じて水分除去が正しく行われたかどうかを確認することができる。このような水分除去の確認については後述する。

一方、試料の捕集を行った場合は、試料捕集部８の後端に設けられたエアポンプ６０を駆動して逆回転させることによって、切替弁６のうち、第２ポート２０ｂと第４ポート２０ｄが連通するように操作し、第１ポート２０ａは第３ポート２０ｃと連通するように操作する。

そして、エアポンプ５０、６０をそれぞれ駆動させる。そうすると、前処理装置１２を通じて流入した汚染物質は点線で示した矢印方向に流れ、試料捕集部８の吸着剤層３０に吸着された試料はその下部に設けられたペルチェトラップ２２により高温発熱して熱脱着され、エアポンプ６０の駆動により透明な実線矢印方向の流路に沿って排出する。そうすると、切替弁６の第４ポート２０ｄを通じて試料分析装置４０に流入する。

次に、図６、７、８を通じて本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２の水分除去効率を確認する。

これを参照すれば、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２を通じて硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、メチルメルカプタン（ＭＭ）、硫化メチル（ＤＭＳ）、二硫化メチル（ＤＭＤＳ）の標準気体をクロマトグラフで分析した結果、相対湿度が５５％である時は図６に示すようなクロマトグラフが分析された。通常、汚染気体が 硫化水素（Ｈ_２Ｓ）、メチルメルカプタン（ＭＭ）、硫化メチル（ＤＭＳ）、二硫化メチル（ＤＭＤＳ）の物質であり、その内部に水分が含まれる場合は、図６のように各物質のピークが明瞭に表示されずにピークが終わる。

しかし、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２を通じて得られた試料をクロマトグラフで分析した結果、図６のようにピークが明瞭に表れた。

また、相対湿度が１００％である場合も、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２を通過させた試料を分析した結果、図７に示すようにほとんど相対湿度が５５％であった試料を、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２に通過させて分析した試料結果と同様に、優れた水分除去率を示した。

図８は標準気体でない、一般大気中に含まれた汚染物質を分析した結果を示す。この場合も、本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置２を通過させて収得した試料を分析したクロマトグラフは、そのピークが正確に表示された。

一方、本発明の実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置は、前述の実施形態に限定するものではなく、その技術的要旨を逸脱しない範囲内で多様な変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置の水分処理状態を示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を利用した水分除去効率データを示す図表である。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を利用した相対湿度５５％の水分除去時における汚染気体のクロマトグラフである。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を利用した相対湿度１００％の水分除去時における汚染気体のクロマトグラフである。 本発明の一実施形態に係る大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置を利用して実際に大気中の水分を除去する時の汚染気体を示すクロマトグラフである。

符号の説明

２ 試料捕集装置
４ 前処理部
６ 切替弁
８ 試料捕集部
１０ ペルチェトラップ
１２ 前処理装置
１４ ガラスチューブ
１８ 綿糸層
２２ ペルチェトラップ
２４ サンプルトラップ
２６ ガラスチューブ
３０ 吸着剤層

Claims (8)

1. 大気汚染分析のための試料捕集装置であって、
   水分を除去するために試料捕集部の前端に設けられた前処理装置と、
   前記前処理装置の下部に設けられて冷却凝縮及び熱脱着を行う第１のペルチェトラップと、
   前記前処理装置に連結されて第１、２、３、４ポートの少なくとも２つの間に少なくとも１つの流路を形成する切替弁であって、前記試料捕集部が試料を捕集するために前記切替弁に接続される切替弁と、
   前記試料捕集部の下部に設けられて熱脱着を行う第２のペルチェトラップと、
   前記切替弁の第２ポートに連結されて気体を吸入するための第１エアポンプと、
   前記試料捕集部の後端に連結されて気体を吸入及び排出するための第２エアポンプと、
   前記切替弁の第４ポートに連結されて試料を分析するための試料分析装置と、
   を含むことを特徴とする大気汚染分析のための水分前処理手段を備えた試料捕集装置。
2. 前記第１のペルチェトラップは、気体を冷却して水分を除去することを特徴とする請求項１に記載の試料捕集装置。
3. 前記第１のペルチェトラップは、前記試料捕集部の試料捕集が完了した後、水分除去のために加熱されることを特徴とする請求項１に記載の試料捕集装置。
4. 前記第２のペルチェトラップは、前記試料捕集部の試料捕集が完了した後、当該試料を脱着させるために加熱されることを特徴とする請求項１に記載の試料捕集装置。
5. 前記前処理装置には、水分を冷却凝縮させるためのガラスチューブが設けられることを特徴とする請求項１に記載の試料捕集装置。
6. 気体の水分除去のために前記前処理装置の前記ガラスチューブの内部に形成された綿糸層をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の試料捕集装置。
7. 前記試料捕集部は、試料を捕集するために前記切替弁に連結されたガラスチューブが設けられることを特徴とする請求項１に記載の試料捕集装置。
8. 試料を吸着するために前記試料捕集部の前記ガラスチューブの内部に設けられた吸着剤層をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の試料捕集装置。

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