JP7084577B2

JP7084577B2 - 窒素分定量方法、窒素分定量装置

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Publication number: JP7084577B2
Application number: JP2018137796A
Authority: JP
Inventors: 宗孝山下; 崇西村
Original assignee: BL TEC K.K.
Current assignee: BL TEC K.K.
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: JP2020016468A

Description

本発明は、含窒素濃度を測定するための窒素分定量方法、及び窒素分定量装置に関する。

海水に含まれる窒素分は、海域、季節、深度などによって異なり、一般に沿岸域は外洋域表層より窒素分の含有率が高いと認識されている。海洋は全般に酸化的環境にあるため、海水中の窒素分を構成する無機態の窒素化合物の大半は「亜硝酸イオン（亜硝酸塩）」又は「硝酸イオン（硝酸塩）」の状態で存在する。

そして、海水中に含まれる窒素分は、生物にとって必須の元素（栄養塩）であるところ、その存在量は植物プランクトン、これを餌とする動物プランクトン、更にこれらのプランクトンを捕食する魚類等の生産量を左右する大きな因子となる。そのため海水の含窒素濃度は、古くから海洋調査における重要な観測対象とされてきた。

ここで、亜硝酸塩に起因する窒素分（亜硝酸態窒素）の分析法としては、試料とスルファニルアミドとをジアゾ化反応させ、更にＮ‐１ナフチルエチレンジアミン・２塩酸塩とカップリング反応させることによって赤色を呈するアゾ色素を形成し、５２０～５６０ｎｍの吸光度を測定する方法が一般的である（例えば、下記非特許文献１参照。）。

一方、硝酸塩（並びに亜硝酸塩）に起因する窒素分（硝酸・亜硝酸態窒素）の分析法としては、試料中の硝酸塩を何らかの手段（例えば、カドミウム・銅カラムを用いた還元法）によって還元し、亜硝酸として分析する方法が一般的である。

これらの従来法による含窒素濃度の定量範囲は０．０１～１ｍｇ／リットルであり、単なる栄養塩の分布についてのデータ観測の観点からは十分な精度であったといえる。

日本工業規格「工場排水試験方法（ＪＩＳＫ０１０２）」

しかしながら、地球温暖化のような全球規模の環境問題について海洋が果たす役割を見極めるためには、「貧栄養海域」と称される含窒素濃度が低い海域においても正確かつ高感度の測定精度が要求される。貧栄養海域における窒素分の濃度は０．０１ｍｇ／リットル未満であり、従来法では、貧栄養海域における含窒素濃度の測定をすることができなかった。

本発明は前記技術的課題に鑑みて開発されたものであり、含窒素濃度を高感度で測定することができる新規な窒素分定量方法、及び窒素分定量装置を提供することを目的とする。

前記技術的課題を解決する本発明の窒素分定量方法は、一次試料と酸性水溶液とを混合することによって、一次試料に含まれる亜硝酸イオンを亜硝酸ガスとして発生させるガス化工程と、発生した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液に吸収させることによって、一次試料より亜硝酸イオン濃度が高められた二次試料を作成する吸収工程と、二次試料の亜硝酸イオン濃度を測定する定量工程と、を実行することを特徴とする（以下、「本発明定量方法」と称する。）。

前記本発明定量方法においては、前記ガス化工程の実行時、酸性水溶液として硫酸水溶液を用いることが好ましい態様となる。

前記本発明定量方法においては、前記吸収工程の実行時、アルカリ性水溶液として水酸化ナトリウム水溶液を用いることが好ましい態様となる。

前記本発明定量方法においては、前記ガス化工程の実行前に、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する還元工程を実行することが好ましい態様となる。

前記技術的課題を解決する本発明の窒素分定量装置は、一次試料と酸性水溶液とを混合しながら移送するガス化路と、前記ガス化路において発生した亜硝酸ガスを捕集する捕集装置と、捕集した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液中に吸収させながら移送する吸収路と、前記吸収路の下流に設けられた亜硝酸イオン濃度測定装置と、を具備することを特徴とする（以下、「本発明定量装置」と称する。）。

前記本発明定量装置においては、前記捕集装置が、ダイアライザーとなされたものが好ましい態様となる。

前記本発明定量装置においては、更に、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する還元装置が、前記ガス化路の上流に設けられてなるものが好ましい態様となる。

本発明によれば、含窒素濃度を高感度で測定することができる。

図１は、実施形態１に係る本発明定量装置を示す概略構成図である。図２は、実施形態２に係る本発明定量装置を示す概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

［実施形態１（亜硝酸態窒素の定量）］
＜本発明定量方法＞
一次試料に含まれる亜硝酸態窒素の定量を行う本発明定量方法は、「ガス化工程」と、「吸収工程」と、「定量工程」と、を実行する。

‐ガス化工程‐
前記ガス化工程では、一次試料と酸性水溶液とを混合することによって、一次試料に含まれる亜硝酸イオンを亜硝酸ガスとして発生させる。本発明において「一次試料」とは、含窒素濃度の測定対象物を意味する。この一次試料には、海水、河川水、地下水、雨水などの自然から採取された自然水そのもののみならず、これら自然水の希釈物や濃縮物が含まれる。又、人工的に亜硝酸イオンの濃度調整がなされた標準溶液も一次試料に含まれる。本発明において「酸性水溶液」とは、水中に溶解している亜硝酸イオン（ＮＯ_２ ^－）にプロトン（Ｈ⁺）を与えることによって亜硝酸ガス（ＨＮＯ_２）を生成する性質を有する水溶液を意味する。この酸性水溶液としては、無機酸の水溶液を使用することが好ましく、特に硫酸水溶液（例えば、０．１～５Ｎ（より好ましくは０．２～２Ｎ）の希硫酸）を使用することが好ましい。

‐吸収工程‐
前記吸収工程では、発生した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液に吸収させる。本発明において「アルカリ性水溶液」とは、接触させた亜硝酸ガスを亜硝酸イオンの状態で溶解し得る性質を有する水溶液を意味する。このアルカリ性水溶液としては、アルカリ金属水酸化物やアルカリ土類金属水酸化物の水溶液を使用することが好ましく、特に、水酸化ナトリウム水溶液（例えば、１０^－４～１０^－１Ｎ（より好ましくは１０^－３～１０^－２Ｎ））を用いることが好ましい。前記ガス化工程において所定量の一次試料から発生させた亜硝酸ガスを、前記吸収工程において一次試料より少量のアルカリ性水溶液に吸収させれば、一次試料より亜硝酸イオン濃度が高められた二次試料を作成することができる。

‐定量工程‐
前記定量工程では、二次試料の亜硝酸イオン濃度を測定する。本発明において亜硝酸イオン濃度を測定する手段は、特に限定されるものではなく、例えば、ＪＩＳＫ０１０２に準じた吸光度測定やイオンクロマトグラフィーなどの既知の測定方法や測定機器を適宜選択して使用することができる。

以上の各工程を実行する本発明定量方法では、測定対象物たる一次試料の亜硝酸イオン濃度を直接的に測定するのではなく、前記ガス化工程と前記吸収工程を経て作成された二次試料の亜硝酸イオン濃度を測定する。前記ガス化工程における酸性水溶液の種類、濃度及び反応時間、又、前記吸収工程におけるアルカリ性水溶液の種類、濃度及び亜硝酸ガスとの接触時間、更に、一次試料と二次試料の絶対量と体積比等の測定条件をそろえれば、同一濃度の一次試料から同じ測定値（測定ピーク）が得られる。従って、前記定量工程の実行により得られた測定値を、検量線などの演算手段を通じて評価すれば、一次試料の亜硝酸イオン濃度を導き出すことができる。

そして、本発明定量方法においては、二次試料の亜硝酸イオン濃度が一次試料より高められている（濃縮されている）ため、測定対象物たる一次試料の亜硝酸イオン濃度が低すぎて既知の測定方法では亜硝酸イオン濃度を測定することができない場合（測定下限値以下の場合）にあっても、前記定量工程の測定値に基づいて一次試料の亜硝酸イオン濃度を求めることができる。なお、本発明定量方法の実行による亜硝酸イオンの定量範囲は、測定条件によって多少の変動はあるが、少なくとも従来法の１００倍（１０^－４～１０^－２ｍｇ／リットル）になることが確認されている。

＜本発明定量装置１＞
図１に、前記本発明定量方法を実行するための本発明定量装置１の一例を示す。前記本発明定量装置１は、「ガス化路（２）」と、「捕集装置（３）」と、「吸収路（４）」と、「亜硝酸イオン濃度測定装置（５）」と、を具備する。

‐ガス化路２‐
前記ガス化路２は、一次試料と酸性水溶液とを混合しながら移送する役割を担う。本実施形態においては、第一ポンプＰ１の駆動によって一次試料を前記ガス化路２に導入すると共に、第二ポンプＰ２の駆動によって酸性水溶液（１．８Ｎの希硫酸）を前記ガス化路２に合流させる仕組みとした。前記ガス化路２に導入された一次試料は、前記ガス化路２を移動しながら酸性水溶液と混合される。この際、一次試料中の亜硝酸イオンは亜硝酸となり、気泡の状態で一次試料と共に移送される。即ち、本発明定量装置１では、前記ガス化路２において、本発明方法でいうところの「ガス化工程」を実行する。

‐捕集装置３‐
前記捕集装置３は、前記ガス化路２において発生した亜硝酸ガスを捕集する役割を担う。本実施形態においては、前記捕集装置３としてダイアライザーを用いた。さらに詳しく説明すると、前記捕集装置（ダイアライザー）３は、ロウアー３１とアッパー３２との二部材からなり、各部材（３１、３２）の合わせ面間に疎水性フィルター（メッシュサイズ０．１μｍのＰＴＥＦ（ポリテトラフルオロエチレン）メンブレンフィルター）３０が挟まれている。又、各部材（３１、３２）の合わせ面には、それぞれ溝が設けられており、前記ガス化路２を通過した一次試料は、前記ロウアー３１側に設けられた溝を通じて排出（Ｗ１）される仕組みとなされている。この際、前記一次試料中に気泡として存在する亜硝酸ガスは、前記疎水性フィルター３０を通じて前記アッパー３２側の溝に移動する。これによって、亜硝酸ガスは一次試料から分離されて前記アッパー３２側の溝に捕集される。

‐吸収路４‐
前記吸収路４は、捕集した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液中に吸収させながら移送する役割を担う。本実施形態においては、前記吸収路４として、前記捕集装置（ダイアライザー）３のアッパー３２側の溝を通過する移送路を形成した。前記吸収路４には、第三ポンプＰ３の駆動によってアルカリ性水溶液（０．０１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液）が導入される仕組みとなされており、前記疎水性フィルター３０を通じてアッパー３２側に捕集された亜硝酸ガスは、アルカリ性水溶液と接触しながら前記吸収路４を移動し、亜硝酸イオンの状態でアルカリ性水溶液に吸収（溶解）される。即ち、前記本発明定量装置１では、前記吸収路４において、本発明定量方法でいうところの「吸収工程」を実行する。そして、この亜硝酸イオンを吸収したアルカリ性水溶液は、本発明定量方法における「二次試料」に相当する。

‐亜硝酸イオン濃度測定装置５‐
前記亜硝酸イオン濃度測定装置５は、前記吸収路４の下流に設けられる。前記亜硝酸イオン濃度測定装置５は、アルカリ性水溶液中の亜硝酸イオンの濃度を測定する役割を担う。本実施形態においては、前記亜硝酸イオン濃度測定装置５として比色計（分光光度計）を用いた。又、前記吸収路４の下流において、第四ポンプＰ４の駆動によりスルファニルアミド、更に、第五ポンプＰ５の駆動によりＮ‐１ナフチルエチレンジアミン・２塩酸塩（Ｎ‐１‐ＮＥＤ）を順に合流させる仕組みも設けた。前記吸収路４にて亜硝酸イオンを吸収したアルカリ性水溶液は、まず、スルファニルアミドとジアゾ化反応し、更にＮ‐１ナフチルエチレンジアミン・２塩酸塩とのカップリング反応によってアゾ色素を形成する。この呈色反応後の溶液の吸光度（５２０～５６０ｎｍ）を前記亜硝酸イオン濃度測定装置（比色計）５にて計測すれば、アルカリ性水溶液中の亜硝酸イオンの濃度がられる。即ち、前記本発明定量装置１では、前記亜硝酸イオン濃度測定装置５において、本発明定量方法でいうところの「定量工程」を行う。

前記構成を有する本発明定量装置１は、前記本発明方法を連続流れ式にて自動的に実行する分析装置である。前記本発明定量装置１においては、前記ガス化路２の流速に対して、前記吸収路４の流速を遅くすればするほどアルカリ性水溶液中の亜硝酸イオン濃度を高めることができる。これより、測定対象物たる一次試料の亜硝酸イオン濃度が低すぎて既知の測定方法では亜硝酸イオン濃度を測定することができない場合にあっても測定可能となる。

なお、本実施形態においては、前記本発明定量装置１につき、各ポンプ（Ｐ１～Ｐ５）を介して一次試料やその他の試薬を導入する連続流れ式としているが、前記本発明定量装置１は、連続流れ式のみならず、例えば、キャリヤー溶液中へインジェクターを通じて一次試料やその他の試薬を注入するフローインジェクション式としても良い。又、前記本発明定量装置１においては、一次試料やその他の試薬の導入時に気泡分節することによって、試薬の拡散を抑制する仕組みとすることが好ましい。

又、本実施形態においては、前記酸性水溶液として希硫酸を用いているが、発生した亜硝酸ガスが前記ガス化路２に吸着することを抑制するために、前記酸性水溶液には、０．１～２Ｎ程度の有機酸（例えば、酢酸）を加えることが好ましい。

［実施形態２（硝酸‐亜硝酸態窒素の定量）］
＜本発明定量方法＞
一次試料に含まれる硝酸‐亜硝酸態窒素の定量を行う本発明定量方法では、まず「還元工程」を実行したうえで、前記ガス化工程と、前記吸収工程と、前記定量工程と、を実行する。

‐還元工程‐
前記還元工程は、前記ガス化工程を実行する前に実行する。そして、前記還元工程では、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する。本発明において硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する手段は特に限定されず、カドミウム・銅カラムを用いた還元法など既知の還元法を適宜選択して使用することができる。

‐ガス化工程、吸収工程、定量工程‐
前記ガス化工程、前記吸収工程、及び前記定量工程は、前記実施形態１と同様にして実行する。

以上の各工程を実行する本発明定量方法では、前記ガス化工程の実行前に前記還元工程を実行するため、一次試料中に含まれていた硝酸イオンは亜硝酸イオンに還元された状態となる。即ち、その後のガス化工程に供される一次試料中の亜硝酸イオンは、もともと亜硝酸イオンとして一次試料中に存在していたものと、前記還元工程によって硝酸イオンが亜硝酸イオンとなったものとの集合体となる。

従って、前記ガス化工程の実行前に前記還元工程を実行する本発明定量方法によれば、一次試料の硝酸イオンと亜硝酸イオンとの総濃度を導き出すことができる。

＜本発明定量装置１＞
図２に、前記本発明定量方法を実行するための本発明定量装置１の一例を示す。前記本発明定量装置１は、「還元装置（６）」が前記ガス化路２の上流に設けられている以外は前記実施形態１に係る本発明定量装置１と同様である。

‐還元装置６‐
前記還元装置６は、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する役割を担う。本実施形態においては、前記還元装置６としてカドミウム・銅カラムを用いた。又、前記還元装置６の上流において、第六ポンプＰ６の駆動によりイミダゾールを一次試料に混合する仕組みも設けた。イミダゾールが混合された一次試料中の硝酸イオンは、前記還元装置（カドミウム・銅カラム）６を通過する際に亜硝酸イオンに還元される。即ち、前記本発明定量装置１では、前記還元装置６において、本発明定量方法でいうところの「還元工程」を行う。

前記構成を有する本発明定量装置１は、前記本発明方法を連続流れ式にて自動的に実行する分析装置である。前記本発明定量装置１では、前記還元装置６にて一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元するため、一次試料中に含まれる硝酸イオンと亜硝酸イオンとの総濃度を測定することができる。

その余は、前記実施形態１と同様のため繰り返しの説明を避けるべくここでは説明を省略する。

なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

本発明方法は、含窒素濃度を測定する手段として好適に利用される。

１本発明定量装置（含窒素定量装置）
２ガス化路
３捕集装置
３０疎水性フィルター
３１ロウアー
３２アッパー
４吸収路
５亜硝酸イオン濃度測定装置
６還元装置

Claims

一次試料と酸性水溶液とを混合することによって、一次試料に含まれる亜硝酸イオンを亜硝酸ガスとして発生させるガス化工程と、
発生した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液に吸収させることによって、一次試料より亜硝酸イオン濃度が高められた二次試料を作成する吸収工程と、
二次試料の亜硝酸イオン濃度を測定する定量工程と、
を実行することを特徴とする窒素分定量方法。
請求項１に記載の窒素分定量方法において、
前記ガス化工程の実行時、酸性水溶液として硫酸水溶液を用いる窒素分定量方法。
請求項１又は２に記載の窒素分定量方法において、
前記吸収工程の実行時、アルカリ性水溶液として水酸化ナトリウム水溶液を用いる窒素分定量方法。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の窒素分定量方法において、
前記ガス化工程の実行前に、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する還元工程を実行する窒素分定量方法。
一次試料と酸性水溶液とを混合しながら移送するガス化路と、
前記ガス化路において発生した亜硝酸ガスを捕集する捕集装置と、
捕集した亜硝酸ガスをアルカリ性水溶液中に吸収させながら移送する吸収路と、
前記吸収路の下流に設けられた亜硝酸イオン濃度測定装置と、
を具備することを特徴とする窒素分定量装置。
請求項５に記載の窒素分定量装置において、
前記捕集装置が、ダイアライザーとなされた窒素分定量装置。
請求項５又は６に記載の窒素分定量装置において、
更に、一次試料に含まれる硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する還元装置が、前記ガス化路の上流に設けられてなる窒素分定量装置。