JP5358838B2 - Gas sensor and gas detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス中のフタル酸ジアルキルを検出するためのガスセンサ及びガス中のフタル酸ジアルキルの検出方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor for detecting dialkyl phthalate in gas and a method for detecting dialkyl phthalate in gas.
ガスセンサの一つとして、SnO2をセンサ素子として使用したガスセンサが知られている。SnO2の電気抵抗は、酸素雰囲気中で250〜500℃に加熱すると、SnO2の粒子表面に酸素を活性化吸着して高抵抗化するが、還元性ガス(有機物質)中では、吸着酸素が除去されて抵抗値が減少する。このような性質を利用して、SnO2をセンサ素子として使用したガスセンサは、LPガスや都市ガス等のガス漏れ警報器用に利用されている。 As one of gas sensors, a gas sensor using SnO 2 as a sensor element is known. When the electrical resistance of SnO 2 is heated to 250 to 500 ° C. in an oxygen atmosphere, oxygen is activated and adsorbed on the particle surface of SnO 2 to increase the resistance. However, in a reducing gas (organic substance), adsorbed oxygen Is removed and the resistance value decreases. A gas sensor using SnO 2 as a sensor element utilizing such properties is used for gas leak alarms such as LP gas and city gas.
ところで、フタル酸ジオクチル(DOP)やフタル酸ジブチル(DBP)などのフタル酸ジアルキルは、化成品や電子部品等の製造工程における可塑剤として多用されている。主に加工精度が数十nmオーダーの電子素子製造工程では、クリーンルーム内にフタル酸ジアルキルが混在していると製品不良の原因となる恐れがあるので、クリーンルームを換気して、クリーンルーム内にフタル酸ジアルキルが混在しないようにしている。 By the way, dialkyl phthalates such as dioctyl phthalate (DOP) and dibutyl phthalate (DBP) are widely used as plasticizers in the production process of chemical products and electronic parts. Mainly in the electronic device manufacturing process where the processing accuracy is on the order of several tens of nanometers, the presence of dialkyl phthalate in the clean room may cause product failure. Therefore, ventilate the clean room and phthalate in the clean room. Dialkyl is not mixed.
しかしながら、クリーンルームに限らず、フタル酸ジアルキルは、トルエン等の他の揮発性有機化合物と共存していることが多い。SnO2は、あらゆる還元性ガスに対して応答するので、種々の成分が混在したガスから、特定のガス成分、例えばフタル酸ジアルキルのみを検出することは困難であった。 However, not only in clean rooms, dialkyl phthalates often coexist with other volatile organic compounds such as toluene. Since SnO 2 responds to all reducing gases, it has been difficult to detect only a specific gas component, for example, dialkyl phthalate, from a gas in which various components are mixed.
このため、種々の成分が混在したガスから、特定成分の有無を検出するにあたり、従来より、試料ガスを捕集剤に接触させて検出すべきガス成分を捕集して濃縮し、その後、窒素ガス等の不活性ガスを流通させながら捕集剤を加熱して、捕集したガス成分を捕集剤から脱離させ、ガスクロマトグラフなどの分析機器に供してその成分や濃度を分析していた。 For this reason, in detecting the presence or absence of a specific component from a gas in which various components are mixed, conventionally, the sample gas is brought into contact with a collection agent to collect and concentrate the gas component to be detected. The collection agent was heated while circulating an inert gas such as gas, and the collected gas components were desorbed from the collection agent, and the components and concentrations were analyzed using an analytical instrument such as a gas chromatograph. .
しかしながら、ガスクロマトグラフ等の分析機器を用いる方法では、分析に時間を要するので、リアルタイムでの検出が困難であった。 However, in the method using an analytical instrument such as a gas chromatograph, the analysis takes time, so that real-time detection is difficult.
例えば、下記特許文献1には、検出すべきガス成分を捕集剤に吸着させた後、捕集剤を加熱して捕集剤から検出すべきガス成分を発散させて、検出すべきガス成分が濃縮されたガスを、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子に試料ガスを供給し、センサ素子の電気抵抗値を測定して、ガス中のフタル酸ジアルキルを検出するガス検出方法が開示されている。
For example, in
フタル酸ジアルキル等の揮発性有機化合物の捕集剤として、従来より、「TENAX−TA」(商品名、株式会社ジーエルサイエンス製、2,6−diphenyl−p−phenylen oxide)等の高分子系粒子、活性炭、グラスウールなどが使用されている。上記特許文献1においても、かかる捕集剤を使用している。
Conventionally, polymer particles such as “TENAX-TA” (trade name, 2,6-diphenyl-p-phenylene oxide, manufactured by GL Sciences Inc.) as a scavenger for volatile organic compounds such as dialkyl phthalates. Activated carbon, glass wool, etc. are used. Also in the said
しかしながら、「TENAX−TA」等の高分子系粒子や活性炭は、耐熱性が低く、酸素の存在下で加熱すると捕集剤自体が熱分解したり、燃焼する問題があった。このため、捕集剤を加熱する際には、流路を切り換えて不活性ガスを通じる必要があり、不活性ガスの供給のための仕掛け(ボンベ、マスフロー弁など)や、流路の切替のための仕掛け(コックなど)が必要となり、装置構成が複雑化する問題があった。更には、窒素ガスボンベ等の不活性ガス源を用意する必要があった。 However, polymer particles such as “TENAX-TA” and activated carbon have low heat resistance, and when heated in the presence of oxygen, the trapping agent itself thermally decomposes or burns. For this reason, when heating the collection agent, it is necessary to switch the flow path and let the inert gas flow, and there is a mechanism for supplying the inert gas (cylinder, mass flow valve, etc.) and switching of the flow path. For this reason, there is a problem that the device configuration is complicated. Furthermore, it was necessary to prepare an inert gas source such as a nitrogen gas cylinder.
また、グラスウールは、耐熱性はあるものの、フタル酸ジアルキル等の吸着力が低く、フタル酸ジアルキルを十分に濃縮できないことがあった。 Although glass wool has heat resistance, it has a low adsorptive power for dialkyl phthalates and the like, and dialkyl phthalates may not be sufficiently concentrated.
したがって、本発明の目的は、簡単な装置構成で、低濃度のフタル酸ジアルキルを選択的に検出できるガスセンサ及びガス検出方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas sensor and a gas detection method capable of selectively detecting a low concentration dialkyl phthalate with a simple apparatus configuration.
本発明者らは、種々の検討の結果、メソポーラスシリカは、耐熱性があり、フタル酸ジアルキルの吸着性に優れ、更には、吸着したフタル酸ジアルキルを比較的低温で脱離できることを見出し、本発明に至った。 As a result of various studies, the present inventors have found that mesoporous silica is heat resistant, has excellent adsorptivity of dialkyl phthalate, and can further desorb the adsorbed dialkyl phthalate at a relatively low temperature. Invented.
すなわち、本発明のガスセンサは、ガス中のフタル酸ジアルキルを検出するためのガスセンサであって、比表面積が300m2/g以上、平均細孔径が1.5nm以上のメソポーラスシリカを充填した捕集カラムと、前記捕集カラムを加熱する加熱装置と、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子と、前記センサ素子の電気抵抗値を測定する検出器と、測定すべき空間から採取された空気を試料ガスとして、前記捕集カラムに流通させると共に、同空気を脱離用ガスとして、前記捕集カラム及び前記センサ素子に流通させる空気流通手段とを備えていることを特徴とする。 That is, the gas sensor of the present invention is a gas sensor for detecting dialkyl phthalate in a gas, and is a collection column packed with mesoporous silica having a specific surface area of 300 m 2 / g or more and an average pore diameter of 1.5 nm or more. A heating device for heating the collection column; a sensor element in which a silica mask having predetermined pores is formed on the surface of a metal oxide mainly composed of SnO 2; and an electric resistance of the sensor element A detector for measuring the value and the air collected from the space to be measured are circulated through the collection column as a sample gas, and the air is circulated as a desorption gas through the collection column and the sensor element. And an air circulation means.
上記メソポーラスシリカは、フタル酸ジアルキルの吸着性に優れ、更には、吸着したフタル酸ジアルキルを比較的低温で脱離できるので、フタル酸ジアルキルを酸化分解することなく、メソポーラスシリカが吸着したフタル酸ジアルキルのほぼ全量を脱離できる。このため、フタル酸ジアルキルを効率よく濃縮してセンサ素子に供給できる。
また、このメソポーラスシリカは、耐熱性に優れるので、メソポーラスシリカが吸着したガス成分をメソポーラスシリカから脱離するに際し、脱離用ガスとして窒素ガス等の不活性ガスを用いる必要がない。すなわち、測定すべき空間から採取された空気を脱離用ガスとして使用できる。このため、窒素ボンベなどを別途用意する必要がなく、更には、配管経路などをより簡略化できる。
そして、このガスセンサに用いるセンサ素子は、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されてなるものなので、該センサ素子にフタル酸ジアルキルを含む試料ガスを供給すると、フタル酸ジアルキルは、ベンゼン環から伸びた比較的長い側鎖部分を有しているため、該側鎖部分がセンサ素子表面の細孔を通ってSnO2の表面に到達する。一方、フタル酸ジアルキルの側鎖部分よりも嵩高となる分子(例えばアセトンなど)や、短い側鎖の分子(例えばトルエンなど)は、シリカマスクによってSnO2の表面との接触が遮られる。このため、センサ素子に試料ガスを供給し、該センサ素子の電気抵抗値を測定することにより、フタル酸ジアルキルを選択的に検出できる。
このように、本発明のガスセンサによれば、試料ガス中のフタル酸ジアルキルを濃縮してセンサ素子に供給するので、試料ガス中のフタル酸ジアルキルが極微量であっても、フタル酸ジアルキルの有無を、短時間で、かつ、精度良く検出できる。
The mesoporous silica is excellent in adsorbing dialkyl phthalate, and further, the adsorbed dialkyl phthalate can be eliminated at a relatively low temperature, so that the dialkyl phthalate adsorbed by the mesoporous silica without oxidative decomposition of the dialkyl phthalate. Almost all of this can be eliminated. For this reason, dialkyl phthalate can be efficiently concentrated and supplied to the sensor element.
Moreover, since this mesoporous silica is excellent in heat resistance, it is not necessary to use an inert gas such as nitrogen gas as a desorption gas when desorbing the gas component adsorbed by the mesoporous silica from the mesoporous silica. That is, air collected from the space to be measured can be used as the desorption gas. For this reason, it is not necessary to separately prepare a nitrogen cylinder or the like, and further, a piping route or the like can be further simplified.
And since the sensor element used for this gas sensor is formed by forming a silica mask having predetermined pores on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component, the sensor element contains dialkyl phthalate. When the sample gas is supplied, since the dialkyl phthalate has a relatively long side chain portion extending from the benzene ring, the side chain portion reaches the surface of SnO 2 through the pores of the sensor element surface. . On the other hand, molecules that are bulkier than the side chain portion of dialkyl phthalate (for example, acetone) and short side chain molecules (for example, toluene) are blocked from contact with the surface of SnO 2 by the silica mask. For this reason, dialkyl phthalate can be selectively detected by supplying sample gas to a sensor element and measuring the electrical resistance value of the sensor element.
As described above, according to the gas sensor of the present invention, since dialkyl phthalate in the sample gas is concentrated and supplied to the sensor element, even if the dialkyl phthalate in the sample gas is extremely small, the presence or absence of dialkyl phthalate Can be detected accurately in a short time.
本発明のガスセンサは、前記捕集カラムに前記空気を所定の流速で所定時間流通させた後、前記加熱手段を作動して前記捕集カラム内の雰囲気温度を250〜450℃に調整すると共に、前記空気の流速を前記流速よりも低下させて、前記捕集カラムを通して前記検出器に流通させるように構成されていることが好ましい。捕集カラム内の雰囲気温度を250〜450℃に調整することにより、メソポーラスシリカに吸着されたフタル酸ジアルキルをほぼ完全に脱離できる。そして、メソポーラスシリカからフタル酸ジアルキルを脱離する際の空気の流速を遅くすることにより、フタル酸ジアルキルの濃縮率をより高めることができるので、フタル酸ジアルキルの検出精度が向上する。 In the gas sensor of the present invention, after the air is circulated through the collection column at a predetermined flow rate for a predetermined time, the heating means is operated to adjust the atmospheric temperature in the collection column to 250 to 450 ° C., It is preferable that the flow rate of the air is made lower than the flow rate so as to flow through the collection column to the detector. By adjusting the atmospheric temperature in the collection column to 250 to 450 ° C., the dialkyl phthalate adsorbed on the mesoporous silica can be almost completely eliminated. And since the concentration rate of dialkyl phthalate can be further increased by slowing the flow rate of air when detaching dialkyl phthalate from mesoporous silica, the detection accuracy of dialkyl phthalate is improved.
本発明のガスセンサは、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、前記センサ素子とは異なる径の細孔を持ったシリカマスクが形成された別のセンサ素子、及び/又は、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面にシリカマスクを有さないセンサ素子を更に備え、前記検出器は、各センサ素子の電気抵抗値を測定するように構成されていることが好ましい。この態様によれば、それぞれのセンサ素子の感度を比較することで、検出対象ガス中の主成分の推定や、特定のアルキル側鎖を有するフタル酸ジアルキルの有無などを推定できる。 The gas sensor of the present invention is another sensor element in which a silica mask having pores having a diameter different from that of the sensor element is formed on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component, and / or SnO 2. It is preferable that a sensor element not having a silica mask is further provided on the surface of the metal oxide mainly composed of and the detector is configured to measure an electric resistance value of each sensor element. According to this aspect, by comparing the sensitivities of the respective sensor elements, it is possible to estimate the main component in the detection target gas, the presence or absence of dialkyl phthalate having a specific alkyl side chain, and the like.
本発明のガスセンサの前記金属酸化物は、SnO2に触媒を担持させたものであることが好ましい。SnO2に触媒を担持させることで、有機物の酸化活性が向上することからフタル酸ジアルキルに対する感度が向上し、より低濃度のフタル酸ジアルキルを高感度で検出できる。 The metal oxide gas sensor of the present invention is preferably one obtained by supporting a catalyst on SnO 2. By supporting the catalyst on SnO 2 , the oxidation activity of the organic matter is improved, so the sensitivity to dialkyl phthalate is improved, and a lower concentration of dialkyl phthalate can be detected with high sensitivity.
本発明のガスセンサのシリカマスクが形成されたセンサ素子は、前記金属酸化物の表面に、脂肪族アルデヒド類、脂肪族カルボン酸類、芳香族アルデヒド類及び芳香族カルボン酸類から選ばれる鋳型形成用化合物を、単分子層未満の吸着密度で吸着させた後に、シリカ前駆体分子を蒸着し、これをシリカに加水分解してシリカマスクを形成してなるものであることが好ましい。この態様によれば、金属酸化物の表面に所定の細孔を持ったシリカマスクを簡単に形成することができる。また、細孔のサイズは、鋳型形成用化合物の種類を変えることで容易に制御できるので、フタル酸ジアルキルの検出感度をより向上できる。 The sensor element in which the silica mask of the gas sensor of the present invention is formed has a template forming compound selected from aliphatic aldehydes, aliphatic carboxylic acids, aromatic aldehydes and aromatic carboxylic acids on the surface of the metal oxide. After adsorbing at an adsorption density less than a monomolecular layer, a silica precursor molecule is vapor-deposited, and this is hydrolyzed to silica to form a silica mask. According to this aspect, a silica mask having predetermined pores on the surface of the metal oxide can be easily formed. In addition, since the size of the pore can be easily controlled by changing the type of the template forming compound, the detection sensitivity of dialkyl phthalate can be further improved.
また、本発明のガスの検出方法は、空気中のフタル酸ジアルキルを検出するためのガス検出方法であって、比表面積が300m2/g以上、平均細孔径が1.5nm以上のメソポーラスシリカを充填した捕集カラムと、前記捕集カラムを加熱する加熱装置と、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子と、前記センサ素子の電気抵抗値を測定する検出器とを用い、測定すべき空間から採取された空気を試料ガスとして、前記捕集カラムに所定の流速で所定時間流通させた後、前記捕集カラム内の雰囲気温度を250〜450℃に調整すると共に、前記空気の流速を前記流速よりも低下させて、前記捕集カラムを通して前記センサ素子に流通させ、該センサ素子の電気抵抗値を測定して該試料ガス中のフタル酸ジアルキルを検出することを特徴とする。 Further, the gas detection method of the present invention is a gas detection method for detecting dialkyl phthalate in the air, wherein mesoporous silica having a specific surface area of 300 m 2 / g or more and an average pore diameter of 1.5 nm or more is used. A packed collection column, a heating device for heating the collection column, a sensor element in which a silica mask having predetermined pores is formed on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component, A detector for measuring the electrical resistance value of the sensor element, air collected from the space to be measured as a sample gas, and after flowing through the collection column at a predetermined flow rate for a predetermined time, And adjusting the ambient temperature to 250 to 450 ° C., lowering the flow rate of the air below the flow rate, allowing the sensor element to flow through the collection column, and the electric resistance value of the sensor element And detecting the dialkyl phthalate of the sample gas measured by.
本発明のガス検出方法は、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、前記センサ素子とは異なる径の細孔を持ったシリカマスクが形成された別のセンサ素子、及び/又は、SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面にシリカマスクを有さないセンサ素子を更に用い、各センサ素子に試料ガスを供給して、各センサ素子の電気抵抗値を測定することが好ましい。 In the gas detection method of the present invention, another sensor element in which a silica mask having pores having a diameter different from that of the sensor element is formed on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component, and / or It is preferable to further use a sensor element not having a silica mask on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component, supply a sample gas to each sensor element, and measure the electric resistance value of each sensor element.
本発明によれば、試料ガス中のフタル酸ジアルキルが極微量であっても、簡単な装置構成で、フタル酸ジアルキルの有無を、短時間で、かつ、精度良く検出できる。 According to the present invention, even if the amount of dialkyl phthalate in the sample gas is extremely small, the presence / absence of dialkyl phthalate can be accurately detected in a short time with a simple apparatus configuration.
本発明のガスセンサは、ガス中のフタル酸ジアルキルを検出するためのガスセンサである。本発明のガスセンサの第一の実施形態について、図1を用いて説明する。 The gas sensor of the present invention is a gas sensor for detecting dialkyl phthalate in gas. A first embodiment of the gas sensor of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すガスセンサは、捕集カラム1と、捕集カラム1を加熱する加熱装置2と、センサ本体3とで主に構成されている。すなわち、試料ガスの供給源から伸びた配管L1が、捕集カラム1のガス導入口に接続している。この捕集カラム1には、加熱装置2が配置されている。捕集カラム1の後段にはセンサ本体3が配置され、配管L2を介してそれぞれが連結している。センサ本体3のガス排気口には、吸気ポンプP1が介装された配管L3が接続している。
The gas sensor shown in FIG. 1 mainly includes a
捕集カラム1には、メソポーラスシリカが充填されている。メソポーラスシリカとは、SiO2を材質とし、ほぼ均一で規則的な細孔(メソ孔)を持つ多孔質シリカである。メソポーラスシリカは、SiO2を材質としてなるもので、耐熱性に優れ、酸素中で加熱されても、熱分解され難い。ただし、無機不純物や、有機不純物などを含んでいると、これらの不純物によって耐熱性が損なわれる傾向にある。このため、本発明において、メソポーラスシリカは、実質的に組成がSiO2のみからなり、水分以外の不純物含有量が1%以下であるものが好ましく用いられる。
The
メソポーラスシリカの比表面積は、300m2/g以上であり、好ましくは800m2/g以上であり、さらに好ましくは950〜1300m2/gである。また、平均細孔径は、1.5nm以上であり、好ましくは2nm以上であり、さらに好ましくは2.5〜10nmである。揮発性有機化合物を効率よく吸着するには、比表面積が大きく、かつ、平均細孔径が大きいことが好ましいが、メソポーラスシリカ以外の物質では一般に比表面積が大きくなるに伴い、平均細孔径が小さくなるので、メソポーラスシリカを用いることが好ましい。そして、メソポーラスシリカの比表面積が300m2/g以上で、平均細孔径が1.5nm以上であれば、フタル酸ジアルキル等の揮発性有機化合物を効率よく吸着できる。 The specific surface area of the mesoporous silica is at 300 meters 2 / g or more, preferably 800 m 2 / g or more, more preferably from 950~1300m 2 / g. Moreover, an average pore diameter is 1.5 nm or more, Preferably it is 2 nm or more, More preferably, it is 2.5-10 nm. In order to adsorb volatile organic compounds efficiently, it is preferable that the specific surface area is large and the average pore diameter is large, but in general, the average pore diameter of materials other than mesoporous silica decreases as the specific surface area increases. Therefore, it is preferable to use mesoporous silica. If the specific surface area of mesoporous silica is 300 m 2 / g or more and the average pore diameter is 1.5 nm or more, volatile organic compounds such as dialkyl phthalate can be efficiently adsorbed.
なお、本発明において、メソポーラスシリカの比表面積は、77Kにおける窒素吸着等温線からBET(Brunauer−Emmett−Teller)法で算出した値を意味する。また、メソポーラスシリカの平均細孔径は、77Kにおける窒素吸着等温線からBJH(Barrett−Joyner−Halenda)法で算出した値を意味する。 In the present invention, the specific surface area of mesoporous silica means a value calculated by a BET (Brunauer-Emmett-Teller) method from a nitrogen adsorption isotherm at 77K. The average pore diameter of mesoporous silica means a value calculated by the BJH (Barrett-Joyner-Halenda) method from a nitrogen adsorption isotherm at 77K.
このようなメソポーラスシリカの製法は公知であり、例えば、以下の文献等に示されたものなど好ましく用いることができる。例えば、「MCM−41」(C.T.Kresge,M.E.Leonowicz,W.J.Roth,J.C.Vartuli,J.S.Beck,Nature,Vol.359,710(1992))、「MCM−48」(米国特許第6096288号)、「FSM−16」(S.Inagaki,A.Koiwai,N.Suzuki,Y.Fukushima,K.Kuroda,Bull.Chem.Soc.Jpn.,vol.69,1449(1996))、「SBA−15」(D.Zhao,J.Feng,Q.Huo,N.Melosh,G.H.Fredrickson,B.F.Chmelka,G.D.Stucky,G.D.Science,vol.279,548(1998))等が挙げられる。 Such a method for producing mesoporous silica is publicly known, and for example, those shown in the following documents can be preferably used. For example, “MCM-41” (C. K. Kresge, M. E. Leonowicz, W. J. Roth, J. C. Vartuli, J. S. Beck, Nature, Vol. 359, 710 (1992)), “MCM-48” (US Pat. No. 6,096,288), “FSM-16” (S. Inagaki, A. Koiwai, N. Suzuki, Y. Fukushima, K. Kuroda, Bull. Chem. Soc. Jpn., Vol. 69, 1449 (1996)), “SBA-15” (D. Zhao, J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, GH Fredrickson, BF Chmelka, GD Stucky, G. H .; D. Science, vol. 279, 548 (1998)).
なお、Al2O3、TiO2、ZrO2などの、SiO2以外の金属酸化物の場合は、揮発性有機化合物を強固に吸着する傾向にあるので、これらの金属酸化物を450℃以上に加熱しても、上記金属酸化物に吸着された揮発性有機化合物は、完全に脱離せず、金属酸化物に残存し易かった。また、脱離温度を高くする必要があるため、脱離の際の加熱により、フタル酸ジアルキルが酸化分解することがあった。このため、SiO2以外の金属酸化物では、フタル酸ジアルキルを効率よく濃縮できなかった。これに対し、メソポーラスシリカの場合、フタル酸ジアルキルの吸着力が適度であるので、フタル酸ジアルキルの吸放出性に優れ、比較的低温で吸着したフタル酸ジアルキルをほぼ完全に脱離でき、フタル酸ジアルキルを効率よく濃縮できる。 Incidentally, such Al 2 O 3, TiO 2, ZrO 2, in the case of the metal oxide other than SiO 2, because it tends to strongly adsorb the volatile organic compound, these metal oxides than 450 ° C. Even when heated, the volatile organic compound adsorbed on the metal oxide was not completely desorbed and easily remained in the metal oxide. Further, since it is necessary to increase the desorption temperature, the dialkyl phthalate may be oxidatively decomposed by heating during desorption. For this reason, metal oxides other than SiO 2 could not concentrate dialkyl phthalate efficiently. On the other hand, in the case of mesoporous silica, since the adsorption power of dialkyl phthalate is moderate, it is excellent in absorption and release of dialkyl phthalate, and dialkyl phthalate adsorbed at a relatively low temperature can be almost completely eliminated. Dialkyl can be concentrated efficiently.
捕集カラム1に併設された加熱装置2は、捕集カラム1内のメソポーラスシリカに吸着されたフタル酸ジアルキルなどの検出すべきガス成分を、メソポーラスシリカから脱離する際に作動させるものである。加熱装置2は、捕集カラム1を加熱できるようなものであればよく、特に限定は無い。例えば、熱風ヒータ、電熱ヒータ等が挙げられる。
The
この実施形態におけるセンサ本体3は、センサ素子4と、該センサ素子4の電気抵抗値を測定する検出器5と、センサ素子4を加熱する加熱ヒータ6とで構成されている。
The sensor
上記センサ素子4は、SnO2を主成分としてなる金属酸化物11の微粒子を固めたものであって、それぞれの金属酸化物11の微粒子表面に、所定の細孔12aを持ったシリカマスク12が形成されている。
The sensor element 4 is obtained by solidifying fine particles of a
金属酸化物11は、SnO2単独で構成されているものでもよく、SnO2に触媒を担持させてなるものでもよい。触媒としては、Pd、Pt、Ni、Co、Cuなどが挙げられ、貴金属が好ましく、Pdが特に好ましい。SnO2に触媒を担持させることで、有機物の酸化活性が向上してフタル酸ジアルキルに対する感度が向上するので、より低濃度のフタル酸ジアルキルを検出することができる。なかでも、貴金属は、酸化活性の向上効果が高く、特にPdは酸化活性の向上効果が高いので、検出感度がより向上する。
The
シリカマスク12に形成された細孔12aは、フタル酸ジアルキルのベンゼン環から伸びた側鎖部分が通過できる程度の寸法を備えていることが好ましい。細孔12aが小さすぎると、フタル酸ジアルキルの検出感度が十分でないことがある。また、細孔12aが大きすぎると、フタル酸ジアルキル以外の有機物を検知することがあり、フタル酸ジアルキルを選択的に検出できないことがある。細孔12aのサイズは、0.25〜1.5nmが好ましく、0.4〜1.2nmがより好ましい。
It is preferable that the
上記センサ素子4は、例えば、特開2010−54205の段落番号0025〜0031に記載された方法等に基づいて製造することができる。すなわち、まず、金属酸化物の表面に、脂肪族アルデヒド類、脂肪族カルボン酸類、芳香族アルデヒド類及び芳香族カルボン酸類から選ばれる鋳型形成用化合物を単分子層未満の吸着密度で吸着させる。次いで、シリカ前駆体分子を蒸着し、蒸着したシリカ前駆体分子をシリカに加水分解する。その後、鋳型形成用化合物を除去する。このようにして、金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子を製造することができる。この方法によれば、鋳型形成用化合物が金属酸化物の表面から除去されることで、鋳型形成用化合物のサイズや形状に対応した細孔がシリカマスクに形成されるので、鋳型形成用化合物の種類を変えるだけで、細孔のサイズを容易に調整できる。 The sensor element 4 can be manufactured based on, for example, the method described in paragraph numbers 0025 to 0031 of JP2010-54205A. That is, first, a template-forming compound selected from aliphatic aldehydes, aliphatic carboxylic acids, aromatic aldehydes and aromatic carboxylic acids is adsorbed onto the surface of the metal oxide with an adsorption density less than a monomolecular layer. Next, silica precursor molecules are vapor-deposited, and the vapor-deposited silica precursor molecules are hydrolyzed to silica. Thereafter, the template forming compound is removed. In this way, it is possible to manufacture a sensor element in which a silica mask having predetermined pores is formed on the surface of a metal oxide. According to this method, since the template forming compound is removed from the surface of the metal oxide, pores corresponding to the size and shape of the template forming compound are formed in the silica mask. The pore size can be easily adjusted by simply changing the type.
鋳型形成用化合物としては、金属酸化物11の表面に吸着された状態での該表面と平行な方向における最大幅が0.5〜1.2nmとなるものが好ましく、ベンズアルデヒド、安息香酸、1‐ナフトアルデヒド、1‐ナフタレンカルボン酸などが挙げられる。なかでも、1‐ナフトアルデヒド又は1‐ナフタレンカルボン酸が特に好ましい。
As the template-forming compound, those having a maximum width in the direction parallel to the surface of the
ベンズアルデヒドを鋳型形成化合物として用いた場合、ベンズアルデヒドのベンゼン環部分の横幅は、ベンゼン環内におけるC−C結合距離を0.14nm、C−H結合距離を0.11nm、H原子のファンデルワールス半径を0.12nmとすると、およそ0.71nmと見積られる。また、ベンゼン環の厚みは0.37nmであることが知られている。したがって、ベンズアルデヒドを鋳型形成化合物として用いた場合、金属酸化物11の表面と平行な方向における最大幅がおよそ0.71nmの大きさの細孔がシリカマスクに形成されると予測される。また、例えばクリーンルーム内において、トルエンはフタル酸ジアルキルと共存した状態で空気中に存在することが多い。しかしながら、例えばベンズアルデヒドを鋳型形成用化合物として用いた場合に形成されるシリカマスクの細孔は、ベンゼン環の大きさに近いため、ベンゼン環は細孔を通り抜けできない。また、トルエンの側鎖(メチル基)は短いので、トルエンは金属酸化物11の表面に到達し難い。一方、フタル酸ジアルキルの側鎖部分は、比較的長く、嵩も低いため、トルエンよりも金属酸化物11の表面に到達し易い。また、トルエン以外には、例えばアセトンが存在することがあるが、アセトン分子は中央の炭素原子から3方向にメチル基2つと酸素が枝分かれしており、アルキル基に比べると嵩高い。このため、アセトン分子もシリカマスクの細孔を通り抜けできず、金属酸化物11の表面に到達し難い。
When benzaldehyde is used as a template forming compound, the lateral width of the benzene ring portion of benzaldehyde is as follows: the CC bond distance in the benzene ring is 0.14 nm, the CH bond distance is 0.11 nm, and the van der Waals radius of the H atom Is 0.12 nm, it is estimated to be approximately 0.71 nm. The thickness of the benzene ring is known to be 0.37 nm. Therefore, when benzaldehyde is used as a template forming compound, it is predicted that pores having a maximum width of approximately 0.71 nm in the direction parallel to the surface of the
また、フタル酸ジイソブチル(DIBP)などのような枝分かれしたアルキル側鎖を有するフタル酸ジアルキルの場合においては、鋳型形成用化合物としてベンズアルデヒドを用いると、細孔内での拡散が遅くなり、表面に到達しにくくなることがある。このため、低濃度では感度が低下する場合があるが、1‐ナフトアルデヒドや1‐ナフタレンカルボン酸を鋳型形成用化合物として用いることで、シリカマスクの細孔サイズが大きくなって、これらのフタル酸ジアルキルの細孔内の拡散速度が向上するので、低濃度であってもフタル酸ジアルキルの感度が向上し、検出し易くなる。例えば、1‐ナフトアルデヒドを用いた場合には、金属酸化物11の表面と平行な方向における最大幅がおよそ0.95nmの大きさの細孔がシリカマスクに形成されると予測される。
In the case of dialkyl phthalates having branched alkyl side chains such as diisobutyl phthalate (DIBP), the use of benzaldehyde as a template-forming compound slows the diffusion in the pores and reaches the surface. May be difficult. For this reason, the sensitivity may decrease at low concentrations, but the use of 1-naphthaldehyde or 1-naphthalenecarboxylic acid as a template-forming compound increases the pore size of the silica mask, and these phthalic acids. Since the diffusion rate in the pores of the dialkyl is improved, the sensitivity of the dialkyl phthalate is improved and the detection is easy even at a low concentration. For example, when 1-naphthaldehyde is used, pores having a maximum width of about 0.95 nm in the direction parallel to the surface of the
そして、前記最大幅が0.5〜1.2nmとなる鋳型形成用化合物を用いて形成されたシリカマスクであれば、トルエンやアセトン等の有機溶剤との共存下であっても、フタル酸ジアルキルが優先的に金属酸化物11の表面に到達するので、電気抵抗値の変化を観測することで、フタル酸ジアルキルを選択的に検出できる。
And if it is the silica mask formed using the compound for template formation whose said maximum width | variety will be 0.5-1.2 nm, even in the coexistence with organic solvents, such as toluene and acetone, dialkyl phthalate Reaches the surface of the
次に、上記ガスセンサを用いた、本発明のガス検出方法について説明する。 Next, the gas detection method of the present invention using the gas sensor will be described.
まず、試料ガスとして、測定すべき空間から採取した空気を捕集カラム1に導入し、捕集カラム1に充填されたメソポーラスシリカに、試料ガス中のフタル酸ジアルキル等の揮発性有機化合物を吸着させる(吸着工程)。
First, air sampled from the space to be measured is introduced into the
この吸着工程では、捕集カラム1内の雰囲気温度を、好ましくは200℃以下とし、より好ましくは20〜100℃として、捕集カラム1に試料ガスを導入する。捕集カラム1内の雰囲気温度が上記温度範囲であれば、試料ガスに含まれるフタル酸ジアルキル等の揮発性有機化合物のほぼ全量が、メソポーラスシリカに吸着される。吸着工程の際、捕集カラム1から排出されるガスは、センサ本体3を通って、配管L3から系外に排気される。ただし、配管L2に流路切り替えバルブ等を設けて、センサ本体3を通さずに系外に排気してもよい。
In this adsorption step, the sample gas is introduced into the
吸着工程時では、試料ガスはできるだけ多量に流すことが好ましい。試料ガス中のフタル酸ジアルキル濃度が低濃度であっても、試料ガスを多量に流すことにより、試料ガス中のフタル酸ジアルキルが捕集剤に吸着されるので、実質的な感度を高めることができる。具体的な一例をあげて説明すると、捕集剤1mgあたり20〜50cm3/min流速で試料ガスを流すことが好ましい。試料ガスの流速が捕集剤1mgあたり50cm3/minを超えると、試料ガス中のフタル酸ジアルキルが捕集剤に吸着されずにそのまま通過してしまうことがある。 In the adsorption process, it is preferable to flow the sample gas as much as possible. Even if the dialkyl phthalate concentration in the sample gas is low, by flowing a large amount of the sample gas, the dialkyl phthalate in the sample gas is adsorbed by the scavenger, so that the substantial sensitivity can be increased. it can. To explain with a specific example, it is preferable to flow the sample gas at a flow rate of 20 to 50 cm 3 / min per 1 mg of the collecting agent. When the flow rate of the sample gas exceeds 50 cm 3 / min per 1 mg of the collecting agent, the dialkyl phthalate in the sample gas may pass through without being adsorbed by the collecting agent.
このようにして、試料ガス中のフタル酸ジアルキル等の揮発性有機化合物を、メソポーラスシリカに吸着した後、加熱装置2を作動して、捕集カラム1を加熱すると共に(脱離工程)、試料ガスを捕集カラム1に導入し、センサ本体3を通過させて配管L3から系外に排気させる。すなわち、本発明では、試料ガス、すなわち空気を脱離ガスとして用いることができる。なお、この場合、空気をフィルター等に通して浮遊する粒子などを除去して脱離ガスとして用いてもよい。
Thus, after adsorbing volatile organic compounds such as dialkyl phthalate in the sample gas to mesoporous silica, the
脱離工程では、捕集カラム1の雰囲気温度が250〜450℃となるように加熱し、好ましくは300〜400℃とし、より好ましくは325〜375℃とする。脱離工程における捕集カラム1の雰囲気温度が250℃未満であると、メソポーラスシリカが吸着した揮発性有機化合物を完全に脱離できないことがある。450℃を超えると、フタル酸ジアルキルが酸化分解する恐れがある。
In the desorption step, the
脱離工程では試料ガスの流速は小さいことが好ましい。脱離工程時における試料ガスの流速を小さくすることにより、目的物質であるフタル酸ジアルキル濃度をより高めることができる。具体的な一例をあげて説明すると、捕集剤1mgあたり1〜20cm3/min流速で試料ガスを流すことが好ましい。試料ガスの流速が捕集剤1mgあたり1cm3/min未満であると、捕捉剤から脱離したフタル酸ジアルキルをセンサ本体3まで供給できないことがある。
In the desorption process, the flow rate of the sample gas is preferably small. By reducing the flow rate of the sample gas during the desorption step, the concentration of the dialkyl phthalate that is the target substance can be further increased. To explain with a specific example, it is preferable to flow the sample gas at a flow rate of 1 to 20 cm 3 / min per 1 mg of the collecting agent. When the flow rate of the sample gas is less than 1 cm 3 / min per 1 mg of the trapping agent, the dialkyl phthalate detached from the trapping agent may not be supplied to the
メソポーラスシリカから脱離したガス成分は、脱離ガス(試料ガス)とともにセンサ本体3に導入され、センサ素子4の電気抵抗値を検出器5で測定して、電気抵抗値の変化から、試料ガス中のフタル酸ジアルキルを検出する。
The gas component desorbed from the mesoporous silica is introduced into the
検出対象のフタル酸ジアルキルとしては、特に限定はなく、フタル酸ジメチル(DMP)、フタル酸ジエチル(DEP)、フタル酸ジブチル(DBP)、フタル酸ジイソブチル(DIBP)、フタル酸ジ‐2‐エチルヘキシル(DEHP)、フタル酸ジオクチル(DOP)等が一例として挙げられる。 The dialkyl phthalate to be detected is not particularly limited. Dimethyl phthalate (DMP), diethyl phthalate (DEP), dibutyl phthalate (DBP), diisobutyl phthalate (DIBP), di-2-ethylhexyl phthalate ( Examples thereof include DEHP) and dioctyl phthalate (DOP).
フタル酸ジアルキルの検出時は、センサ素子4の温度は250〜450℃とすることが好ましく、300〜400℃がより好ましい。センサ素子4の温度が上記範囲であれば、良好な感度が得られる。 When detecting dialkyl phthalate, the temperature of the sensor element 4 is preferably 250 to 450 ° C, more preferably 300 to 400 ° C. If the temperature of the sensor element 4 is within the above range, good sensitivity can be obtained.
SnO2は、還元性ガスが接触すると、電気抵抗値に変化が生じる。フタル酸ジアルキルは、ベンゼン環から伸びた比較的長い側鎖部分を有しているので、該側鎖部分はシリカマスクの細孔を通って金属酸化物の表面に到達する。一方、フタル酸ジアルキルの側鎖部分よりも嵩高の分子(例えばアセトンなど)や、短い側鎖の分子(例えばトルエンなど)は、シリカマスクの細孔を通過しにくく、シリカマスクによってSnO2の表面との接触が遮られ易い。このため、フタル酸ジアルキル以外のガス成分は、シリカマスク12によって金属酸化物11の表面への接触が妨げられるので、センサ素子4の電気抵抗値は、フタル酸アルキル以外のガス成分に対しての応答はほとんどなく、トルエンやアセトンなどが共存していても、ガス中のフタル酸ジアルキルを選択的に検出できる。
When SnO 2 comes into contact with the reducing gas, the electric resistance value changes. Since the dialkyl phthalate has a relatively long side chain portion extending from the benzene ring, the side chain portion reaches the surface of the metal oxide through the pores of the silica mask. On the other hand, molecules that are bulkier than the side chain portion of dialkyl phthalate (for example, acetone) and short side chain molecules (for example, toluene) are difficult to pass through the pores of the silica mask, and the surface of SnO 2 by the silica mask. The contact with is easy to be blocked. For this reason, since the gas components other than the dialkyl phthalate are prevented from contacting the surface of the
そして、本発明では、捕集カラム1で、検出すべきガス成分(フタル酸ジアルキル)を濃縮してセンサ本体3に供給するので、試料ガス中のフタル酸ジアルキル濃度が極めて低濃度であっても、感度良く検出することができ、ppbオーダーでのフタル酸ジアルキルの検出が可能となる。
In the present invention, since the gas component (dialkyl phthalate) to be detected is concentrated in the
また、捕集カラム1に充填したメソポーラスシリカは、耐熱性に優れるので、酸素の存在下で加熱しても燃焼し難い。このため、脱離工程において、従来のように不活性ガスを脱離ガスとして用いる必要はなく、試料ガスである空気を脱離ガスとして用いることができるので、不活性ガスボンベなどを別途用意する必要がなく、運転コストを軽減できる。また、吸着工程と脱離工程との切り替え時に、必ずしも流路を切り替える必要がなく、加熱装置2の運転を制御するだけでよいので、装置構成が簡略となる。
Moreover, since the mesoporous silica packed in the
本発明のガスセンサの第二の実施形態について、図2を用いて説明する。この実施形態では、センサ本体3’として、SnO2を主成分としてなる金属酸化物11の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスク12が形成された第一センサ素子4aと、SnO2を主成分としてなる金属酸化物21の表面にシリカマスクを有さない第二センサ素子4bとを備えている。各センサ素子4a,4bは、それぞれの基板上に支持されている。そして、第1センサ素子4a及び第二センサ素子4bは、それぞれの電気抵抗値を測定する検出器5a,5bが、導線により接続されている。
A second embodiment of the gas sensor of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, as the sensor body 3 ', the surface of the
センサの感度は、物質の種類及び測定温度によって異なるので、第一センサ素子4aの感度と、第二センサ素子4bの感度の比([第一センサ素子4aの感度]/[第二センサ素子4bの感度])を指針とし、様々な物質に対する感度の比を予め調べておくことで、検出対象ガス中の主成分を推測することができる。センサ素子の感度としては、例えば、試料ガスの注入前の抵抗をRa、注入後の抵抗をRとして、(Ra/R−1)で表した値等が用いられる。
Since the sensitivity of the sensor varies depending on the type of substance and the measurement temperature, the ratio of the sensitivity of the
なお、第二センサ素子4bは、第一センサ素子4aとは異なる径の細孔を持ったシリカマスクが形成された金属酸化物からなるものであってもよい。例えば、フタル酸ジイソブチル(DIBP)のアルキル側鎖は枝分かれしているので、フタル酸ジオクチル(DOP)に比べ細孔内での拡散速度が遅く、感度が低い傾向にある。このため、前記感度の比から、フタル酸ジイソブチル(DIBP)の有無など、特定のアルキル側鎖を有するフタル酸ジアルキルの有無などを推定できる。
The
以下、実施例を用いて本発明について更に具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[センサ素子の製造]
(製造例1−1)
特級28wt%アンモニア水(和光純薬工業製)171cm3をイオン交換水で660cm3に希釈したアンモニア水溶液を調製した。次に、特級濃塩酸(和光純薬工業製)1.85cm3をイオン交換水440cm3に混合し、100gの特級塩化スズ(II)二水和物(和光純薬工業製)を加えて溶かし、塩化スズ水溶液を調製した。この塩化スズ水溶液を攪拌しながら前記アンモニア水溶液を滴下ロートを用いてゆっくり滴下し、生成した懸濁溶液を1日静置し、上澄みを捨ててスズ水酸化物を得た。次に、このスズ水酸化物をイオン交換水1000cm3に混合し、攪拌し、1日静置して上澄みを捨てる操作を、上澄み液が硝酸銀水溶液と混合しても白沈が認められなくなるまで行って洗浄した。そして、洗浄処理後のスズ水酸化物を送風乾燥器中で383Kで24時間乾燥し、その後マッフル炉を用いて大気中で773Kで2時間焼成してSnO2粉末を得た。
得られたSnO2粉末は、窒素吸着実験を行ったところ、BET(Brunauer−Emmett−Teller)法で算出した比表面積は20m2g−1であった。また、BJH(Barrett−Joyner−Halenda)法で算出した平均メソ細孔直径は21nmであった。なお、窒素吸着実験は、試料約50mgを日本ベル製吸着実験装置(製品名「BELSorp Mini」)の試料管にセットし、673Kで1時間真空脱気後、77Kで圧力0〜105Paにおける窒素の平衡吸着量を測定した。
上記SnO2粉末の3mgを、0.1cm3の特級エタノール(和光純薬工業製)に懸濁させ、スラリー状にした。そして、図3に示す、アルミナ板からなる固定台31に、孔33を通して巻き付けられた直径0.1mmの2本の白金線32をまたぐように前記懸濁スラリーを塗布し、酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で773Kで2時間焼成して、センサ素子材料を得た。固定台31の各部分の寸法は、図示する通りである。
上記センサ素子材料を、内径18mmのガラス管内で酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で773Kで1時間焼成した。次に、液体窒素トラップを用いて脱水精製したヘリウム(大気圧、50cm3min−1)を流通させ、423Kに保ち、上流に設置した注入口(ヒーターで473Kに加熱)から特級ベンズアルデヒド(和光純薬工業製)の液体1mm3を注入した。ベンズアルデヒドは瞬時に気化して蒸気となってSnO2の表面に接触した。ベンズアルデヒドの注入を8回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシラン(東京化成工業製)の蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。473Kで酢酸(特級,和光純薬工業製)−イオン交換水のモル比1:1の混合溶液を注入口から5mm3ずつ8回注入し、気化させてSnO2と接触させた。473Kでベンズアルデヒドの注入を3回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシランの蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。その後、673Kで酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で1.5時間焼成して、製造例1−1のセンサ素子を得た。
得られたセンサ素子上のシリカ修飾SnO2粉末は、SnO2の表面に、ベンズアルデヒドを鋳型とする細孔が、表面積1nm2あたり、およそ0.5個生成されていた。また、ベンズアルデヒドのベンゼン環部分の横幅は、およそ0.71nmと見積もられる。また、ベンゼン環の厚みは0.37nmであることが知られている。したがって、ベンズアルデヒドは、SnO2の表面に吸着された状態での該表面と平行な方向における最大幅は、およそ0.71nmと見積もられる。よって、このシリカ修飾SnO2粉末は、水平方向に0.71nm,紙面の奥行き方向に0.37nmの大きさを持つ細孔が形成されていると予測される。またこの条件ではシリカ層の厚さはSiとO原子の1組分となることがわかっているので、シリカマスクの厚さは、Siの共有結合半径0.12nm、Oの共有結合半径0.07nmの和の2倍に当たる0.38nmと見積もられる。
[Manufacture of sensor elements]
(Production Example 1-1)
Grade 28 wt% ammonia water (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 171cm 3 was prepared an aqueous ammonia solution diluted to 660 cm 3 with deionized water. Then mixed grade concentrated hydrochloric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 1.85 cm 3 of ion-exchanged water 440 cm 3, and dissolve in a special grade of tin chloride 100 g (II) dihydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) An aqueous tin chloride solution was prepared. While stirring this tin chloride aqueous solution, the aqueous ammonia solution was slowly dropped using a dropping funnel, and the resulting suspension was allowed to stand for 1 day, and the supernatant was discarded to obtain a tin hydroxide. Next, this tin hydroxide is mixed with 1000 cm 3 of ion-exchanged water, stirred, left to stand for one day, and the supernatant is discarded until white sediment is not observed even when the supernatant is mixed with an aqueous silver nitrate solution. Went and washed. Then, a tin hydroxide after cleaning was dried for 24 hours at 383K in a blast dryer to obtain a SnO 2 powder was calcined for 2 hours at 773K in air with subsequent muffle furnace.
When the obtained SnO 2 powder was subjected to a nitrogen adsorption experiment, the specific surface area calculated by the BET (Brunauer-Emmett-Teller) method was 20 m 2 g −1 . The average mesopore diameter calculated by the BJH (Barrett-Joyner-Halenda) method was 21 nm. In the nitrogen adsorption experiment, about 50 mg of a sample was set in a sample tube of an adsorption experimental apparatus (product name “BELSorp Mini”) manufactured by Nippon Bell, vacuum degassed at 673 K for 1 hour, and then at 77 K at a pressure of 0 to 10 5 Pa. The equilibrium adsorption amount of nitrogen was measured.
3 mg of the SnO 2 powder was suspended in 0.1 cm 3 of special grade ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to form a slurry. Then, the suspension slurry is applied to a fixed
The sensor element material was fired at 773 K in an oxygen flow (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) for 1 hour in a glass tube having an inner diameter of 18 mm. Next, helium (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) dehydrated and purified using a liquid nitrogen trap is circulated, maintained at 423 K, and special grade benzaldehyde (heated to 473 K with a heater) from the upstream inlet (heated to 473 K with a heater). Liquid 1 mm 3 manufactured by Yakuhin Kogyo Co., Ltd. was injected. Benzaldehyde was instantly vaporized to form vapor and contacted the SnO 2 surface. After repeating the injection of benzaldehyde eight times, the vapor of helium was mixed with 360 Pa of vapor of tetramethoxysilane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. A mixed solution of acetic acid (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)-Ion exchange water at a molar ratio of 1: 1 was injected 8 times at 5 mm 3 times at 473 K, vaporized, and contacted with SnO 2 . After injection of benzaldehyde three times at 473 K, tetramethoxysilane vapor 360 Pa was mixed into the helium flow at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. Then, it baked in oxygen stream (atmospheric pressure, 50 cm < 3 > min <-1> ) for 1.5 hours at 673K, and the sensor element of manufacture example 1-1 was obtained.
Silica modified SnO 2 powder on the obtained sensor element, the surface of the SnO 2, pores benzaldehyde and mold, surface area per 1 nm 2, were approximately 0.5 number generation. The lateral width of the benzene ring portion of benzaldehyde is estimated to be approximately 0.71 nm. The thickness of the benzene ring is known to be 0.37 nm. Therefore, the maximum width in the direction parallel to the surface of benzaldehyde adsorbed on the surface of SnO 2 is estimated to be approximately 0.71 nm. Therefore, this silica-modified SnO 2 powder is predicted to have pores having a size of 0.71 nm in the horizontal direction and 0.37 nm in the depth direction of the paper surface. In addition, since it is known that the thickness of the silica layer is one set of Si and O atoms under these conditions, the thickness of the silica mask is 0.12 nm for the covalent bond radius of Si, and 0.2 mm for the covalent bond radius of O. It is estimated to be 0.38 nm, which is twice the sum of 07 nm.
(製造例1−2)
Pd(NH3)4Cl2・H2O(Aldrich製)0.121gをイオン交換水で希釈して50cm3とし、得られた溶液の2cm3を、製造例1−1で調製したSnO2粉末1gと混合し、ビーカー中で加熱して水を蒸発させ、乾固した固体を453Kで4時間乾燥させてPd/SnO2粉末を得た。このPd/SnO2粉末は、Pd原子が1nm2あたり、およそ0.3個配置されていた。
上記Pd/SnO2粉末の3mgを、0.1cm3の特級エタノール(和光純薬工業製)に懸濁させ、スラリー状にした。そして、図3に示す、アルミナ板からなる固定台31に、孔33を通して巻き付けられた直径0.1mmの2本の白金線32をまたぐように前記懸濁スラリーを塗布し、酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で773Kで2時間焼成して、センサ素子材料を得た。固定台31の各部分の寸法は、図示する通りである。
上記センサ素子材料を、内径18mmのガラス管内で酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で773Kで1時間焼成した。次に、液体窒素トラップを用いて脱水精製したヘリウム(大気圧、50cm3min−1)を流通させ、343Kに保ち、上流に設置した注入口(ヒーターで473Kに加熱)から一級1‐ナフトアルデヒド(和光純薬工業製)の液体1mm3を注入した。1‐ナフトアルデヒドは瞬時に気化して蒸気となってPd/SnO2の表面に接触した。1‐ナフトアルデヒドの注入を8回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシラン(東京化成工業製)の蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。473Kで酢酸(特級,和光純薬工業製)−イオン交換水のモル比1:1の混合溶液を注入口から5mm3ずつ8回注入し、気化させて接触させた。473Kで1‐ナフトアルデヒドの注入を3回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシランの蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。その後、673Kで酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で1.5時間焼成して、製造例1−2のセンサ素子を得た。
得られたセンサ素子上のシリカ修飾Pd/SnO2粉末は、SnO2からなる金属酸化物の表面に、1‐ナフトアルデヒドを鋳型とする細孔が、表面積1nm2あたり、およそ0.5個生成されていた。また、1‐ナフトアルデヒドは、SnO2の表面に吸着された状態での該表面と平行な方向における最大幅がおよそ0.95nmと見積もられる。また、ベンゼン環の厚みは0.37nmであることが知られている。したがって、上記シリカ修飾Pd/SnO2粉末は、水平方向に0.95nm,紙面の奥行き方向に0.37nmの大きさを持つ細孔が形成されたと予測される。またこの条件ではシリカ層の厚さはSiとO原子の1組分となることがわかっているので、シリカマスクの厚さは、Siの共有結合半径0.12nm、Oの共有結合半径0.07nmの和の2倍に当たる0.38nmと見積もられる。
(Production Example 1-2)
Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 .H 2 O (Aldrich) 0.121 g was diluted with ion-exchanged water to 50 cm 3, and 2 cm 3 of the obtained solution was SnO 2 prepared in Production Example 1-1. It was mixed with 1 g of powder, heated in a beaker to evaporate water, and the dried solid was dried at 453 K for 4 hours to obtain Pd / SnO 2 powder. In this Pd / SnO 2 powder, approximately 0.3 Pd atoms were arranged per 1 nm 2 .
3 mg of the Pd / SnO 2 powder was suspended in 0.1 cm 3 of special grade ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) to form a slurry. Then, the suspension slurry is applied to a fixed
The sensor element material was fired at 773 K in an oxygen flow (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) for 1 hour in a glass tube having an inner diameter of 18 mm. Next, dehydrated and purified helium (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) was circulated using a liquid nitrogen trap, maintained at 343 K, and primary 1-naphthaldehyde from an inlet (heated to 473 K with a heater) installed upstream. Liquid 1 mm 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was injected. 1-Naphtoaldehyde was instantly vaporized into vapor and contacted the surface of Pd / SnO 2 . After the injection of 1-naphthaldehyde was repeated 8 times, vapor of tetramethoxysilane (manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) was mixed into the helium flow at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. A mixed solution of acetic acid (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)-Ion exchange water at a molar ratio of 1: 1 at 473 K was injected 8 times at a rate of 5 mm 3 from the injection port, vaporized, and contacted. After injection of 1-naphthaldehyde at 473 K three times, tetramethoxysilane vapor 360 Pa was mixed into the helium flow at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. Then, it baked for 1.5 hours in oxygen flow (atmospheric pressure, 50 cm < 3 > min <-1> ) at 673K, and the sensor element of manufacture example 1-2 was obtained.
The resulting silica-modified Pd / SnO 2 powder on the sensor element produced approximately 0.5 pores with a surface area of 1-naphthaldehyde per 1 nm 2 on the surface of a metal oxide composed of SnO 2. It had been. In addition, 1-naphthaldehyde is estimated to have a maximum width of about 0.95 nm in a direction parallel to the surface of SnO 2 adsorbed on the surface. The thickness of the benzene ring is known to be 0.37 nm. Therefore, the silica-modified Pd / SnO 2 powder is predicted to have pores having a size of 0.95 nm in the horizontal direction and 0.37 nm in the depth direction of the paper surface. In addition, since it is known that the thickness of the silica layer is one set of Si and O atoms under these conditions, the thickness of the silica mask is 0.12 nm for the covalent bond radius of Si, and 0.2 mm for the covalent bond radius of O. It is estimated to be 0.38 nm, which is twice the sum of 07 nm.
(製造例1−3)
製造例1−2で調製したセンサ素子材料を、内径18mmのガラス管内で酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で773Kで1時間焼成した。次に、液体窒素トラップを用いて脱水精製したヘリウム(大気圧、50cm3min−1)を流通させ、423Kに保ち、上流に設置した注入口(ヒーターで473Kに加熱)から特級ベンズアルデヒド(和光純薬工業製)の液体1mm3を注入した。ベンズアルデヒドは瞬時に気化して蒸気となってSnO2の表面に接触した。ベンズアルデヒドの注入を8回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシラン(東京化成工業製)の蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。473Kで酢酸(特級,和光純薬工業製)−イオン交換水のモル比1:1の混合溶液を注入口から5mm3ずつ8回注入し、気化させてSnO2と接触させた。473Kでベンズアルデヒドの注入を3回繰り返した後、473Kでヘリウム流にテトラメトキシシランの蒸気360Paを混入させて1時間供給し、Si成分を蒸着させた。その後、673Kで酸素流(大気圧、50cm3min−1)中で1.5時間焼成して、製造例1−3のセンサ素子を得た。
得られたセンサ素子上のシリカ修飾SnO2粉末は、SnO2の表面に、ベンズアルデヒドを鋳型とする細孔が、表面積1nm2あたり、およそ0.5個生成されていた。
(Production Example 1-3)
The sensor element material prepared in Production Example 1-2 was fired at 773 K for 1 hour in an oxygen flow (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) in a glass tube having an inner diameter of 18 mm. Next, helium (atmospheric pressure, 50 cm 3 min −1 ) dehydrated and purified using a liquid nitrogen trap is circulated, maintained at 423 K, and special grade benzaldehyde (heated to 473 K with a heater) from the upstream inlet (heated to 473 K with a heater). Liquid 1 mm 3 manufactured by Yakuhin Kogyo Co., Ltd. was injected. Benzaldehyde was instantly vaporized to form vapor and contacted the SnO 2 surface. After repeating the injection of benzaldehyde eight times, the vapor of helium was mixed with 360 Pa of vapor of tetramethoxysilane (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. A mixed solution of acetic acid (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)-Ion exchange water at a molar ratio of 1: 1 was injected 8 times at 5 mm 3 times at 473 K, vaporized, and contacted with SnO 2 . After injection of benzaldehyde three times at 473 K, tetramethoxysilane vapor 360 Pa was mixed into the helium flow at 473 K and supplied for 1 hour to deposit the Si component. Then, it baked for 1.5 hours in oxygen flow (atmospheric pressure, 50 cm < 3 > min <-1> ) at 673K, and the sensor element of manufacture example 1-3 was obtained.
Silica modified SnO 2 powder on the obtained sensor element, the surface of the SnO 2, pores benzaldehyde and mold, surface area per 1 nm 2, were approximately 0.5 number generation.
[メソポーラスシリカの製造]
(製造例2)
「K.Okumura,K.Nishigaki,M.Niwa,Microporous and Mesoporous Materials vol.44−45(2001)509」に記載された方法に基づいてメソポーラスシリカを調製した。
すなわち、34.8gのコロイダルシリカHS−40(Sigma−Aldrich社製造販売)を169.6gの水に溶解させ,0.669gの28%アンモニア水、4.68gの水酸化ナトリウム、13.12gのテトラデシルトリメチルアンモニウムブロミドを順次添加し、攪拌した。この混合物を密閉容器中で100℃で1日間加熱した。放冷した後に攪拌しながら混合物のpHを測定しつつ、30wt%酢酸水溶液を滴下してpHが11となるまで30wt%酢酸水溶液を加えた。この、100℃で1日加熱し、酢酸水溶液を加えてpHを11に保つ、という操作を5回繰り返した。混合物中に生じた固体を濾過、イオン交換水で洗浄、酸素−窒素(モル比1:1,総流量60cm3/min)流中540℃で4h焼成し、メソポーラスシリカを得た。
このようにして得られたメソポーラスシリカの比表面積及び平均細孔径を、77Kにおける窒素吸着等温線からBET法により測定したところ、比表面積1100m2/g、平均細孔径3nmであった。
[Production of mesoporous silica]
(Production Example 2)
Mesoporous silica was prepared based on the method described in “K. Okumura, K. Nishigaki, M. Niwa, Microporous and Mesoporous Materials vol. 44-45 (2001) 509”.
That is, 34.8 g of colloidal silica HS-40 (manufactured and sold by Sigma-Aldrich) was dissolved in 169.6 g of water, 0.669 g of 28% aqueous ammonia, 4.68 g of sodium hydroxide, 13.12 g of Tetradecyltrimethylammonium bromide was sequentially added and stirred. The mixture was heated in a sealed container at 100 ° C. for 1 day. While cooling, the pH of the mixture was measured while stirring, and a 30 wt% aqueous acetic acid solution was added dropwise until a pH of 11 was reached. This operation of heating at 100 ° C. for 1 day and adding an aqueous acetic acid solution to keep the pH at 11 was repeated 5 times. The solid produced in the mixture was filtered, washed with ion exchange water, and calcined at 540 ° C. for 4 h in a flow of oxygen-nitrogen (molar ratio 1: 1, total flow rate 60 cm 3 / min) to obtain mesoporous silica.
The specific surface area and average pore diameter of the mesoporous silica thus obtained were measured by a BET method from a nitrogen adsorption isotherm at 77 K. The specific surface area was 1100 m 2 / g and the average pore diameter was 3 nm.
[フタル酸ジオクチルの検出試験]
(実施例1)
図1に示すガスセンサを用いて、フタル酸ジオクチルの検出を行った。なお、センサ素子4としては、製造例1−2のセンサ素子を用いた。また、捕集カラム1としては、内径4mm,長さ4cmのステンレス管に、製造例2のメソポーラスシリカ(比表面積1100m2/g、平均細孔径3nm)を5mg充填したものを用いた。また、試料ガスとして、フタル酸ジオクチルを0.09〜7.5ppb含む空気を用いた。
試料ガスを、配管L1から導入し、250cm3/minの流速で、40分間流通した。この間の捕集カラム1内の雰囲気温度は約75℃であった。
次に、試料ガスの流速を100cm3/minとし、加熱装置2を作動して、捕集カラム1を420℃まで加熱し、センサ素子4の応答を調べた。結果を表1に記す。下記表1に示すように、フタル酸ジオクチルを、ppbレベルでの検出が可能であった。
[Detection test for dioctyl phthalate]
Example 1
Dioctyl phthalate was detected using the gas sensor shown in FIG. In addition, as the sensor element 4, the sensor element of Production Example 1-2 was used. As the
The sample gas was introduced from the pipe L1 and circulated for 40 minutes at a flow rate of 250 cm 3 / min. During this period, the ambient temperature in the
Next, the flow rate of the sample gas was set to 100 cm 3 / min, the
(比較例1)
実施例1において、メソポーラスシリカの代わりに、Al2O3(平均粒径0.1μm、比表面積150m2/g、平均細孔径35nm)を用いた以外は、実施例1と同様にして、フタル酸ジオクチルの検出を行ったところ、センサ素子の応答が見られず、フタル酸ジオクチルを検出できなかった。フタル酸ジオクチルがAl2O3に強固に吸着されていたため、脱離工程時において、フタル酸ジオクチルがAl2O3から脱離できなかったためであると推測できる。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 1, except that Al 2 O 3 (average particle size 0.1 μm, specific surface area 150 m 2 / g, average pore size 35 nm) was used instead of mesoporous silica, When dioctyl acid was detected, no response of the sensor element was observed, and dioctyl phthalate could not be detected. Since dioctyl phthalate has been firmly adsorbed on Al 2 O 3, during the desorption process, it can be inferred that dioctyl phthalate is because it could not desorbed from the Al 2 O 3.
(比較例2)
実施例1において、メソポーラスシリカの代わりに、ZrO2(平均粒径0.2μm、比表面積30m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にして、フタル酸ジオクチルの検出を行ったところ、センサ素子の応答が見られず、フタル酸ジオクチルを検出できなかった。フタル酸ジオクチルがZrO2に強固に吸着されていたため、脱離工程時において、フタル酸ジオクチルがZrO2から脱離できなかったためであると推測できる。
(Comparative Example 2)
In Example 1, dioctyl phthalate was detected in the same manner as in Example 1 except that ZrO 2 (average particle size 0.2 μm, specific surface area 30 m 2 / g) was used instead of mesoporous silica. However, no response of the sensor element was observed, and dioctyl phthalate could not be detected. Since dioctyl phthalate has been firmly adsorbed on ZrO 2, at the time of desorption process, dioctyl phthalate can be inferred that this is because that could not be eliminated from the ZrO 2.
(比較例3)
実施例1において、メソポーラスシリカの代わりに、TiO2(平均粒径0.2μm、比表面積40m2/g)を用いた以外は、実施例1と同様にして、フタル酸ジオクチルの検出を行ったところ、センサ素子の応答が見られず、フタル酸ジオクチルを検出できなかった。フタル酸ジオクチルがTiO2に強固に吸着されていたため、脱離工程時において、フタル酸ジオクチルがTiO2から脱離できなかったためであると推測できる。
(Comparative Example 3)
In Example 1, dioctyl phthalate was detected in the same manner as in Example 1 except that TiO 2 (average particle size 0.2 μm, specific surface area 40 m 2 / g) was used instead of mesoporous silica. However, no response of the sensor element was observed, and dioctyl phthalate could not be detected. Since dioctyl phthalate has been firmly adsorbed on TiO 2, during the desorption step, dioctyl phthalate can be inferred that this is because that could not be desorbed from the TiO 2.
1:捕集カラム
2:加熱装置
3:センサ本体
4:センサ素子
4a:第一センサ素子
4b:第二センサ素子
5,5a,5b:検出器
6:加熱ヒータ
11、21:金属酸化物
12:シリカマスク
12a:細孔
L1〜L3:配管
P1:吸気ポンプ
1: Collection column 2: Heating device 3: Sensor body 4:
Claims (7)
比表面積が300m2/g以上、平均細孔径が1.5nm以上のメソポーラスシリカを充填した捕集カラムと、
前記捕集カラムを加熱する加熱装置と、
SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子の電気抵抗値を測定する検出器と、
測定すべき空間から採取された空気を試料ガスとして、前記捕集カラムに流通させると共に、同空気を脱離用ガスとして、前記捕集カラム及び前記センサ素子に流通させる空気流通手段とを備えていることを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor for detecting dialkyl phthalates in air,
A collection column packed with mesoporous silica having a specific surface area of 300 m 2 / g or more and an average pore diameter of 1.5 nm or more;
A heating device for heating the collection column;
A sensor element in which a silica mask having predetermined pores is formed on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component;
A detector for measuring an electrical resistance value of the sensor element;
Air sampled from the space to be measured as sample gas, and circulated through the collection column, and air flow means for circulating the air as desorption gas through the collection column and the sensor element. A gas sensor characterized by comprising:
前記検出器は、各センサ素子の電気抵抗値を測定するように構成されている、請求項1又は2に記載のガスセンサ。 Another sensor element in which a silica mask having pores having a diameter different from that of the sensor element is formed on the surface of a metal oxide mainly composed of SnO 2 and / or a metal mainly composed of SnO 2 A sensor element not having a silica mask on the surface of the oxide;
The gas sensor according to claim 1, wherein the detector is configured to measure an electric resistance value of each sensor element.
比表面積が300m2/g以上、平均細孔径が1.5nm以上のメソポーラスシリカを充填した捕集カラムと、
前記捕集カラムを加熱する加熱装置と、
SnO2を主成分としてなる金属酸化物の表面に、所定の細孔を持ったシリカマスクが形成されたセンサ素子と、
前記センサ素子の電気抵抗値を測定する検出器とを用い、
測定すべき空間から採取された空気を試料ガスとして、前記捕集カラムに所定の流速で所定時間流通させた後、前記捕集カラム内の雰囲気温度を250〜450℃に調整すると共に、前記空気の流速を前記流速よりも低下させて、前記捕集カラムを通して前記センサ素子に流通させ、該センサ素子の電気抵抗値を測定して該試料ガス中のフタル酸ジアルキルを検出することを特徴とするガス検出方法。 A gas detection method for detecting dialkyl phthalates in air,
A collection column packed with mesoporous silica having a specific surface area of 300 m 2 / g or more and an average pore diameter of 1.5 nm or more;
A heating device for heating the collection column;
A sensor element in which a silica mask having predetermined pores is formed on the surface of a metal oxide containing SnO 2 as a main component;
Using a detector that measures the electrical resistance value of the sensor element,
The air collected from the space to be measured is used as a sample gas, and after flowing through the collection column at a predetermined flow rate for a predetermined time, the atmospheric temperature in the collection column is adjusted to 250 to 450 ° C., and the air The flow rate of the sample gas is reduced to be lower than the flow rate, and is passed through the collection column through the sensor element, and the electric resistance value of the sensor element is measured to detect dialkyl phthalate in the sample gas. Gas detection method.
各センサ素子に試料ガスを供給して、各センサ素子の電気抵抗値を測定する、請求項6に記載のガス検出方法。 Another sensor element in which a silica mask having pores having a diameter different from that of the sensor element is formed on the surface of a metal oxide mainly composed of SnO 2 and / or a metal mainly composed of SnO 2 Further using a sensor element having no silica mask on the surface of the oxide,
The gas detection method according to claim 6, wherein a sample gas is supplied to each sensor element, and an electric resistance value of each sensor element is measured.
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