JP6601490B2 - 水質分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、工場排水や、河川や湖沼などの環境水中における全有機炭素や全窒素、全リンなどの濃度の分析に供される水質分析装置に関する。

試料水中における特定の成分の濃度分析を行う水質分析装置においては、一般に、試料水を反応器に注入して分析対象成分に応じた反応を生起させ、これによって発生した特定のガスをガス検出部に送出してそのガス濃度を計測するか、あるいは反応器内での反応により試料水中に特定のイオンを生じさせて、その反応後の試料水を吸光度計の測定セル内に注入してイオン濃度を計測することにより、試料水中の分析対象成分の濃度を求めている（例えば特許文献１参照）。

このような分析装置においては、通常、１回の分析を終了した後、反応器や測定セルなど、試料水が注入される容器内に所定の手順のもとに洗浄水（一般には希釈水として用いられる純水）を注入および排出することにより容器内部を自動的に洗浄し、次の分析時に先の試料水の影響が及ばないようにしている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１３−０１９７０１号公報 特開２０１２−２２５８４３号公報

ところで、以上のような洗浄機能を持つ水質分析装置において、不意の停電等、装置電源が意図せずに遮断された場合、装置はどの状態で電源が遮断されたのかを検知できないため、次回の電源起動時には次のいずれかを実施する必要がある。

＜１＞安全策を採って電源起動時に必ず洗浄動作の始めから、つまり各容器内の液の排出から始めて洗浄水の注入および排出という一連の手順で洗浄動作を実行する。
＜２＞オペレータの判断で洗浄動作を行うか否かを決定する。

電源起動時において、＜１＞のように容器内の排出から始まる一連の洗浄動作を必ず実行する場合には、装置電源を起動してから実際の分析を開始するまでに一連の洗浄動作を実行するための時間が必要になるとともに、相応の量の洗浄水（純水）が必要となる。また、分析とその後の洗浄が正常に完了した状態で装置電源を切った場合でも、起動時に再度洗浄動作を実行することになるため、時間と洗浄水が無駄になってしまうという問題がある。

一方、＜２＞のようにオペレータの判断で洗浄動作の可否を決定する場合、オペレータが停電したと認識し、内部の状態を確認したうえで決定する必要があることから、オペレータにとって不便であるとともに負担が増大するという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、装置電源起動時の動作をオペレータに委ねることなく、また、時間と洗浄水を無駄にすることなく前回の分析の影響を排して常に最短時間で分析動作を開始することのできる水質分析装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の水質分析装置は、試料水中に含まれる特定の成分の濃度を分析する装置であって、送液手段を通じて注入された試料水に対して分析対象成分に応じた反応を生起させるための少なくとも一つの反応器を備え、その反応器内での反応により生じた分析対象成分を含むガスをガス検出部に導いて計測するか、もしくは、上記反応器内での反応後の試料水を測定セル内に上記送液手段を通じて注入し、当該反応により生成された分析対象成分を含むイオンの濃度を計測することにより試料水中の分析対象成分の濃度を求めるとともに、分析後の試料水を上記反応器もしくは測定セルから排出するとともに、これらの反応器および測定セル内に上記送液手段を通じて洗浄水を注入／排出する動作を含む所定の手順のもとに当該反応器および測定セル内を個々に洗浄する洗浄動作を制御する制御手段とを備えた水質分析装置において、装置電源が遮断されても記憶内容を保持するメモリを備え、このメモリに、上記反応器および測定セルにおける試料水注入状態、試料水排出状態、洗浄水注入状態、洗浄水排出状態を個々に逐次記憶するとともに、上記制御手段は、装置電源の起動時に上記メモリの記憶内容を読み出し、その記憶内容に基づく状態を起点として、上記手順のもとに上記反応器および測定セルを個々に洗浄するよう構成されていることによって特徴づけられる。

ここで、本発明のより具体的な構成としては、試料水中の無機炭素を炭酸ガスに変換するＩＣ反応器と、試料水中の全炭素を炭酸ガスに変換するＴＣ反応器を備え、これらの各反応器が、上記メモリによる状態記憶と制御部による洗浄動作の対象とされている構成を挙げることができる。

また、本発明の他の具体的な構成としては、試料水中の窒素化合物および／またはリン化合物を硝酸イオンもしくはリン酸イオンに変換する反応器と、変換後の試料水中の硝酸イオンもしくはリン酸イオンの濃度を測定するための吸光度計を備え、その吸光度計の測定セルと上記反応器が、上記メモリによる状態記憶と制御部による洗浄動作の対象とされている構成を挙げることができる。
そして、上記の構成において、反応器の前段に、試料水中の懸濁質を除去する前処理部が設けられている場合には、この前処理部についても上記メモリによる状態記憶と上記制御部による洗浄動作の対象とされるようにする。

本発明は、電源が遮断されても記憶内容を保持できるメモリを設け、そのメモリに電源遮断時点における反応器ないしは測定セルの状態を記憶しておき、装置電源の起動時にその記憶内容に基づく状態を起点として洗浄動作を開始することで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、不揮発性メモリ等に反応器や測定セル等の試料水が注入される容器内の状態を逐次記憶していくことにより、装置電源が遮断された時点での各容器の状態がメモリに記憶されることになる。そして、次回の電源起動時には、メモリに記憶されている状態を起点として一連の手順のもとに洗浄動作を自動的に実行することにより、時間と洗浄水の無駄を省くことができる。

本発明において、状態の記憶と洗浄の対象となるのは、装置内において試料水の注入容器となる反応器（リアクタ）ないしは測定セルであり、例えば全炭素の分析に供されるＴＯＣ計等の分析装置では、ＩＣ（無機炭素）反応器とＴＣ（全炭素）反応器がその対象となる。
一方、試料水中の全窒素と全リンの分析に供されるＴＮ／ＴＰ計等の分析装置において状態の記憶と洗浄の対象となるのは、試料水中の窒素を硝酸イオンに変換し、同じくリンをリン酸イオンに変換する反応器と、これらのイオンの濃度を計測するための吸光度計の測定セルであって、反応器の前段に試料水中の懸濁質を除去するための前処理部が設けられている場合には、この前処理部もその対象に含まれる。

本発明によれば、停電等の意図しない装置電源の遮断があっても、その遮断時点における反応器や測定セルの状態が記憶され、次回の電源起動時に、その記憶状態を起点として洗浄動作の手順を実行するか、あるいは洗浄不要であるかを装置が自動的に判定するので、オペレータの判断が不要になるとともに電源起動時の処理が必要最小限となり、また、時間や洗浄水の無駄を省くことができる。

本発明の実施形態を示す構成図。 本発明の他の実施形態を示す構成図。

以下、本発明をＴＯＣ計に適用した場合の実施の形態について図１を参照しつつ説明する。なお、図１におけるＴＯＣ計の基本構成は従来のものと同等であり、この発明と関連の薄い部分の詳細説明は省略し、主要部分について説明する。

図１の装置は、試料水中の無機炭素を炭酸ガスに変換するための反応を生じさせるＩＣ反応器１と、試料水中の全炭素を炭酸ガスに変換するための反応を生じさせるＴＣ反応器２と、これらに対して試料水や希釈水（洗浄水）あるいは薬品を供給するためのシリンジ３と８ポートバルブ４を主体とする送液系と、各反応器１，２で発生した炭酸ガスを検出するガス検出部５と、各反応器１，２内のガスをキャリアガスによって検出部５へと送出する送気系を主体として構成されている。

試料水は８ポートバルブ４の一つのポートに供給され、別のポートには洗浄水を兼ねた希釈水（純水）や、反応に要する酸等の試薬が供給され、また、ドレンに接続されるポートもある。また、この８ポートバルブ４のさらに他のポートには、ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２のそれぞれの下端部に設けられた液出入口が接続されているとともに、共通ポートにはシリンジ３が接続されている。なお、オートサンプラにより試料水をサンプリングする場合には、オートサンプラの吐出口（ＡＳＩ）に接続されたポートに試料水が供給される。

ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２には、キャリアガス入口６から供給されるキャリアガスが電磁弁７を通じてそれぞれに対応する電磁弁８，９を介して導入され、そのキャリアガスにより各反応器１，２内のガスがガス検出部５へと送出される。ここで、ＩＣ反応器１で発生した炭酸ガスについては、上記のようにガス検出部５に送出するか、あるいはドレンを通じて外部に放出するかが電磁弁１０により選択される。なお、ＩＣ反応器１に導入されるキャリアガスは、スパージ（通気処理）用のガスとしても用いられる。

ガス検出部５は炭酸ガスを検出するものであって、ＩＣ反応器１またはＴＣ反応器２から送出されるガスを収容する試料セル５ａと、その試料セル５ａ内のガスに向けて赤外線を照射する光源５ｂおよびその透過光を検出する検出器５ｃを主体とし、炭酸ガスの検出出力である検出器５ｃの出力が演算部２２に取り込まれる。なお、試料セル５ａの上流側には除湿用電子クーラー１１やハロゲンスクラバ１２等が設けられ、検出結果に水分やハロゲンガスの影響が及ばないようになっている。

上記した送液系のアクチュエータであるシリンジ３、８ポートバルブ４、送気系の電磁弁７，８，９，１０等は、制御部２０から供給される駆動信号によって制御される。

制御部２０には電池バックアップメモリ２１が接続されており、この電池バックアップメモリ２１には、以下に示す制御部２０による制御動作に基づき、ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２の状態が逐次かつ個別に記憶されていく。

次に、以上の構成からなる本発明の実施の形態の動作について述べる。
分析動作においては、８ポートバルブ４とシリンジ３を駆動してＩＣ反応器１内に試料水とともに少量の酸を注入し、スパージガスを導入して通気処理を施すことにより、試料水中の無機炭素を炭酸ガスに変換しつつ、電磁弁１０を介して炭酸ガスをドレンから放出する。これによって試料水中の無機炭素を排除した後、８ポートバルブ４とシリンジ３を駆動してＩＣ反応器１内の試料水をＴＣ反応器２内に注入する。

ＴＣ反応器２はＴＣ燃焼管２ａ、加熱炉２ｂおよびＵＶランプ２ｃの駆動により、試料水中の全炭素を炭酸ガスに変換する反応を生起させるものであり、ここで発生した炭酸ガスは、ＴＣ反応器２内にキャリアガスを導入することにより、除湿用電子クーラー１１やハロゲンスクラバ１２を経てガス検出部５の試料セル５ａ内に送出されて検出に供される。この検出結果は、既に無機炭素が排除された試料水中に含まれる全炭素の量に対応するもの、つまり有機炭素の量に対応する情報となり、演算部２２によって試料水中の有機炭素量が求められる。

なお、以上の動作では、ＩＣ反応器１内で無機炭素を変換した炭酸ガスをドレンから外部に放出するようにしたが、電磁弁１０を切り替えて炭酸ガスをガス検出部５に導入し、その検出結果から無機炭素の濃度を求めるようにしてもよい。その場合、ＴＣ反応器２には試料水を別途注入し、その試料水中の全炭素を炭酸ガスに変換してガス検出部５に導入し、その検出結果から実際の全炭素濃度を算出して、その算出結果から上記の無機炭素濃度を減算することで有機炭素濃度を求めることになる。

洗浄動作においては、ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２について、内部に残っている試料水を排出したうえで、それぞれに洗浄水（希釈水）を注入した後、その洗浄水を排出する。各反応器１，２内部の排水は、８ポートバルブ４を駆動して該当する反応器とシリンジ３を繋いだ状態で、シリンジ３を駆動して反応器内の水を吸引し、再び８ポートバルブ４を駆動してシリンジ３とドレンポートを繋いだ状態で、シリンジ３を駆動して内部の水を放出することによって行われる。また、各反応器１，２内への洗浄水の注入は、試料水の注入と同様であり、シリンジ３で洗浄水を吸引した後、８ポートバルブ４の駆動によりシリンジ３と該当する反応器を繋いだ状態でシリンジ３内の洗浄水を吐出して反応器内に注入する。

さて、前記した電池バックアップメモリ２１には、制御部２０による分析および洗浄動作の進行に伴い、ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２内の状態を逐次更新して記憶する。具体的に例示すると、以下の通りである。

（１）反応器内に試料水を注入した状態の「試料水あり」
（２）反応器内の試料水を排出した状態の「試料汚染、空」
（３）反応器内を洗浄するために洗浄水を注入した状態の「洗浄水あり」
（４）反応器内の洗浄水を排出した状態の「清浄、空」

電池バックアップメモリ２１には、装置の運転状態において以上の各反応器１，２の状態が逐次書き換えられていくので、装置電源が遮断されると、その遮断時点における各反応器１，２の状態が記憶されることになる。

そして、次回の電源起動時に、制御部２０は電池バックアップメモリ２１の記憶内容を読み出し、ＩＣ反応器１とＴＣ反応器２のそれぞれについて、上記した（１）〜（４）の状態に応じて以下に示す動作を実行する。

（１）「試料水あり」→試料水排出後、洗浄水注入および排出
（２）「試料汚染、空」→洗浄水注入および排出
（３）「洗浄水あり」→洗浄水排出
（４）「清浄、空」→動作なし

以上の動作により、停電等の意図しない装置電源の遮断があっても、オペレータの判断を必要とすることなく必要最小限の動作によって装置を清浄状態とすることができるとともに、時間や洗浄水（純水）の無駄を省くことができる。

以上の実施の形態は本発明をＴＯＣ計に適用した例を示したが、本発明は他の成分を分析する水質分析装置にも適用することができ、要は試料水が注入される装置内の容器を対象として、装置電源の遮断時点における状態を記憶し、その記憶内容に応じた処理を電源起動時に自動的に実行して各容器を清浄な状態にすることが本発明の特徴である。

次に、本発明をＴＮ／ＴＰ計に適用した例を図２に示す。この例におけるＴＮ／ＴＰ計の基本的構成は公知のものであって、２つの８ポートバルブ３１，３２とシリンジ３３を主体とする送液系と、その送液系により試料水や各種試薬および希釈水が注入される反応器３４と、反応器３４内で反応した試料水が注入される測定セル３５ａを備えた吸光度計３５を主体として構成されている。

試料水は前処理部３６に注入されて懸濁質等が除去されたうえで、８ポートバルブ３１、３２を介してシリンジ３３内に吸引され、その吸引された試料水が８ポートバルブ３２から３１を経て反応器３４内に注入される。反応器３４には送液系によって試薬群３７のうちのいずれかを選択的に注入することができるようになっている。また、この反応器３４には、希釈水精製器３８により精製されて希釈水源３９内に溜められた希釈水についても、８ポートバルブ３１と８ポートバルブ３２を介してシリンジ３３に吸引した後に、８ポートバルブ３２と８ポートバルブ３１を通じて注入することができる。

反応器３４は加熱機能や紫外線照射機能を有するもので、全窒素測定または全リン測定に応じた反応を生起させることにより、試料水中の窒素を硝酸イオンに、あるいはリンをリン酸イオンに変換する。
すなわち、全窒素測定時には、試料水中にアルカリ性ペルオキソ二硫酸カリウム溶液を加えて紫外線照射または加熱することにより、試料水中の窒素を硝酸イオンに変換する。また、全リン測定時には、試料水中に中性ペルオキソ二硫酸カリウム溶液を加えて紫外線照射または加熱することにより、試料水中のリンをリン酸イオンに変換し、さらに発色剤としてモリブデン酸アンモニウム溶液とＬ−アスコルビン酸溶液を添加して発色させる。

そして、反応器３４内で反応後の試料水が試薬の添加によりｐＨ調整されたうえで８ポートバルブ３１と８ポートバルブ３２を介してシリンジ３３で吸引され、シリンジ３３から８ポートバルブ３２と８ポートバルブ３１を経て吸光度計３５の測定セル３５ａに注入される。吸光度計３５は測定セル３５ａを挟んでその両側に光源３５ｂと検出器３５ｃが配置された構造であり、全窒素測定時には硝酸イオンによる光吸収特性に応じた２２０ｎｍの波長の紫外光が測定セル３５ａ内の試料水に対して照射され、検出器３５ｃによる検出結果が硝酸イオン濃度情報として演算部５２に取り込まれて試料水中の全窒素濃度が算出される。また、全リン測定時には試料水中で着色されたリン酸イオンの吸光度を、例えば８８０ｎｍの波長の光として測定セル３５ａに向けて照射することによって計測し、その結果から演算部５２において試料水中の全リン濃度が算出される。

以上のようにして吸光度測定に供された試料水は、前記した送液系により測定セル３５ａから装置外に排出される。

反応器３４および測定セル３５ａの洗浄動作については、内部に残っている試料水を排出したうえで、希釈水源３９内の希釈水を洗浄水として上記の送液系によりこれらの内部に注入した後、同じく送液系によりその洗浄水を外部に向けて排出する。

また、前処理部３６の洗浄動作については、内部の試料水をピンチバルブ３６ａ，３６ｂを開いて外部に排出した後、電磁弁４０を開いて水道水入口４１からの水道水を前処理部３６内に注入し、ピンチバルブ３６ａ，３６ｂを開いて外部に排出する。

以上の洗浄動作および前記した分析動作において作動する８ポートバルブ３１，３２、シリンジ３３、電磁弁４０等の各アクチュエータは、制御部５０からの駆動信号によって制御される。そして、この制御部５０には電池バックアップメモリ５１が接続されており、先の例と同様に、この電池バックアップメモリ５１には、反応器３４と測定セル３５ａおよび前処理部３６の状態が逐次かつ個別に更新されつつ記憶される。具体的には、先の例と同様に（１）「試料水あり」、（２）「試料汚染、空」、（３）「洗浄水あり」、（４）「清浄、空」である。

そして、この例においても、装置電源の起動時に、制御部５０は電池バックアップメモリ５１の記憶内容を読み出し、反応器３４、測定セル３５ａおよび前処理部３６について上記の状態に応じて、（１）「試料水あり」であれば試料水の排出後に洗浄水（前処理部３６では水道水、以下同）を注入して排出し、（２）「試料汚染、空」では洗浄水を注入して排出し、（３）「洗浄水あり」では洗浄水を排出する。また、（４）「清浄、空」であれば動作なしとする。

以上の動作によって、先の例と同様に停電等の意図しない装置電源の遮断があっても、オペレータの判断を必要とすることなく必要最小限の動作によって装置を清浄状態とすることができるとともに、時間や洗浄水（純水）の無駄を省くことができる。

ここで、図１の実施の形態において、オートサンプラにより試料水をサンプリングする場合には、オートサンプラの吐出口（ＡＳＩ）に接続された８ポートバルブ４のポートを通じて試料水が供給されることは前記したが、そのオートサンプラには、図２に示したものと全く同様の洗浄機能を有する前処理部３６を設け、その前処理部についても図２の例と同様にその状態を逐次に電池バックアップメモリに記憶し、装置電源の起動時にその記憶内容を読み出し、図２の例と同様に、その記憶内容に応じた洗浄動作を実行する。

ここで、以上の実施の形態においては、本発明をＴＯＣ計とＴＮ／ＴＰ計に適用した例ついて述べたが、本発明はこれに限られることなく他の組み合わせであってもよく、要は水質分析装置において分析動作中に試料水が注入される反応器や測定セル、あるいは前処理部について、その状態を電池バックアップメモリ等に記憶しておき、装置電源の起動時にメモリに記憶されている状態に応じて必要最小限の動作により装置を清浄状態とするものである。

また、本発明において、装置電源の遮断時点における記憶内容を保持するメモリとしては、電池バックアップメモリのほか、不揮発性メモリ等であってもよいことは勿論である。

１ ＩＣ反応器
２ ＴＣ反応器
３ シリンジ
４ ８ポートバルブ
５ ガス検出部
６ キャリアガス入口
７，８，９，１０ 電磁弁
１１ 除湿用電子クーラー
１２ ハロゲンスクラバ
２０ 制御部
２１ 電池バックアップメモリ
２２ 演算部
３１，３２ ８ポートバルブ
３３ シリンジ
３４ 反応器
３５ 吸光度計
３５ａ 測定セル
３６ 前処理部
３７ 試薬群
３８ 希釈水精製器
３９ 希釈水源
４０ 電磁弁
４１ 水道水入口

Claims (5)

1. 試料水中に含まれる特定の成分の濃度を分析する装置であって、送液手段を通じて注入された試料水に対して分析対象成分に応じた反応を生起させるための少なくとも一つの反応器を備え、その反応器内での反応により生じた分析対象成分を含むガスをガス検出部に導いて計測するか、もしくは、上記反応器内での反応後の試料水を測定セル内に上記送液手段を通じて注入し、当該反応により生成された分析対象成分を含むイオンの濃度を計測することにより試料水中の分析対象成分の濃度を求めるとともに、
   分析後の試料水を上記反応器もしくは測定セルから排出するとともに、これらの反応器および測定セル内に上記送液手段を通じて洗浄水を注入／排出する動作を含む所定の手順のもとに当該反応器および測定セル内を個々に洗浄する洗浄動作を制御する制御手段とを備えた水質分析装置において、
   装置電源が遮断されても記憶内容を保持するメモリを備え、このメモリに、上記反応器および測定セルにおける試料水注入状態、試料水排出状態、洗浄水注入状態、洗浄水排出状態を個々に逐次記憶するとともに、上記制御手段は、装置電源の起動時に上記メモリの記憶内容を読み出し、その記憶内容に基づく状態を起点として、上記手順のもとに上記反応器および測定セルを個々に洗浄するよう構成されていることを特徴とする水質分析装置。
2. 試料水中の無機炭素を炭酸ガスに変換するＩＣ反応器と、試料水中の全炭素を炭酸ガスに変換するＴＣ反応器を備え、これらの各反応器が、上記メモリによる状態記憶と制御部による洗浄動作の対象とされていることを特徴とする請求項１に記載の水質分析装置。
3. 試料水中の窒素化合物および／またはリン化合物を硝酸イオンもしくはリン酸イオンに変換する反応器と、変換後の試料水中の硝酸イオンもしくはリン酸イオンの濃度を測定するための吸光度計を備え、その吸光度計の測定セルと上記反応器が、上記メモリによる状態記憶と制御部による洗浄動作の対象とされていることを特徴とする請求項１に記載の水質分析装置。
4. 請求項３における反応器の前段に、試料水中の懸濁質を除去する前処理部が設けられているとともに、この前処理部についても上記メモリによる状態記憶と上記制御部による洗浄動作の対象とされていることを特徴とする水質分析装置。
5. 上記メモリから読みだした記憶内容が、
   （ａ）上記反応器内に試料水がある状態を示すものであれば、上記試料水排出後、洗浄 水の注入および排出を開始し、
   （ｂ）上記反応器内の試料水が排出された状態を示すものであれば、上記洗浄水の注入 および排出を開始し、
   （ｃ）上記反応器内を洗浄するために洗浄水を注入した状態を示すものであれば、上記 洗浄水の排出を開始し、
   （ｄ）上記反応器内の洗浄水を排出した状態を示すものであれば、洗浄動作を行わない ように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水質分析装置。
   

Images