JPH04366750A - 微粒子計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば浄水処理などの際
に、原水中に含まれる懸濁質または凝集剤を添加した後
の凝集体の大きさと個数濃度を測定する場合のように、
比較的高濃度の懸濁液の懸濁質濃度、懸濁質粒径を測定
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、懸濁液体中の懸濁物質の濃度を計
測する手段として、一般に次のものが知られている。

【０００３】〔１〕よく知られている濁度計の代表的な
ものは、試料液の光透過率を測定し、Ｌａｍｂｅｒｔ−
Ｂｅｅｒの式（１）　に従って懸濁物質の濃度を求める
ものである。

【０００４】 　　　　　　　　　　　　　　　　−ｌｎＴ＝ＫＣ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（１）Ｔ：光透過率　（Ｉ／Ｉ
０　） 但し、Ｉは透過光強度，　Ｉ０　は照射光強度Ｋ：懸濁
質の種類と照射光路長によって決まる定数Ｃ：懸濁物濃
度

【０００５】〔２〕液体中の懸濁物質の個数濃度を計測
する手段としては、レーザーの微粒子による散乱光検出
を原理とするパーティクルカウンターのほかに、レーザ
ーやＬＥＤ　のビームを微粒子が通過することによって
生ずる透過光強度の減少を、パルスとしてカウントする
光遮断法に基づくパーティクルカウンター、ピンホール
を粒子が通過することによって生ずる電気伝導度の変化
をカウントするコールターカウンターなどが知られてい
る。

【０００６】〔３〕濁度計の一種で、透過光強度のＤＣ
成分とＡＣ成分を分離して、照射光内を粒子が通過する
際の透過光強度のゆらぎをＲＭＳ値　（自乗平均値）　
として出力するものもあり、複雑なデータ処理によって
平均粒径が計算できることが、Ｊ．Ｇｒｅｇｏｒｙ　に
より雑誌Ｊ．Ｃ．Ｉ．Ｓ，１０５（２），１９８５，ｐ
３５７−３７１に記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
方法には次のような問題がある。以下に前記の〔１〕〜
〔３〕に対応するこれらの問題点を述べる。

【０００８】（１）　濁度は、Ｍｉｅ　散乱理論によれ
ば、粒径　（正確には粒径と波長で決まる粒径パラメー
タ）　の関数である消滅断面積と粒径分布関数の積の総
和であるから、凝集過程のように、個数濃度の低下と粒
径の増大が同時に進行するような系では、有意義な情報
を得ることは困難である。

【０００９】（２）　パーティクルカウンターでは、基
本的にビームまたはピンホールを通過する懸濁質粒子は
１個でなければならない。したがって、凝集沈殿過程で
扱う高濃度の懸濁液を直接測定することは難しい。また
、希釈操作は、凝集反応の条件を変えることになり、本
来の意味を失うことにもなる。

【００１０】（３）　〔３〕の方法によれば、透過光の
統計的なゆらぎを測定することにより、高濃度の懸濁液
を直接測定して粒径および個数濃度を得ることを可能と
しているが、計算に粒子総体積の値を必要としているた
めに、用途が限定される。また、この方法を応用して測
定器は赤外（８３０ｎｍ）　の単一波長を用いているた
めに、凝集剤として一般的に用いられているアルミニウ
ム塩の加水分解物を含めた実質的な凝集体　（フロック
とよばれる）　の情報は得られない。

【００１１】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、高濃度懸濁液、例えば
浄水処理などにおける凝集過程の凝集体の個数と粒径を
簡便かつ正確に測定する方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は複数の波長の光を発する光源，　この光
源から出射する光を伝達し被測定液に照射する光学的手
段，　被測定液が流れまたは通過する測定部，　被測定
液を透過した光を照射光光軸上で受光し所定の複数の波
長に分光して光電変換部に伝達する光学的手段，　光電
変換部から出力される複数の波長のそれぞれの透過光強
度に対応する電気信号を波形処理して出力し、この電気
信号に対して所定の演算を施す電気回路手段とを備えた
検出器により、被測定液の流れに二つ以上の異なる波長
の光を照射して、それぞれの波長について透過光強度、
吸光度の平均値Ｅ、標準偏差ＥＲＭＳ　を演算し、（８
）　式により各波長の粒子個数を、（１０）式により各
波長の粒子の粒径を計算し、出力するものである。

【００１３】

【作用】本発明では、被測定液に含まれる懸濁質　（粒
子）　が照射光ビーム内に存在する確率はＰｏｉｓｓｏ
ｎ　分布に従うというよく知られた仮定、即ち、照射光
ビーム内の懸濁質個数　（粒子個数）　の平均値と分散
値が等しいことを利用して、懸濁質個数と吸光度の関係
から粒子個数濃度および粒径の計算式（８），（１０）
を導く。

【００１４】

【実施例】はじめに、本発明による粒子個数濃度および
粒径の計算式（８），（１０）の導出について説明する
。

【００１５】平均吸光度Ｅおよび吸光度の標準偏差ＥＲ
ＭＳ　は次式で表わされる。

【００１６】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｅ＝νｃ／Ａ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２）ν：照射光ビーム内
の平均粒子個数 ｃ：消滅断面積 Ａ：照射光ビーム断面積

【００１７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＥＲＭＳ　＝ν
ＲＭＳ　ｃ／Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（３）νＲＭＳ　：粒子個
数標準偏差

【００１８】ここで、被測定液に含まれる懸濁質　（粒
子）　が照射光ビーム内に存在する確率はＰｏｉｓｓｏ
ｎ　分布に従うという仮定から、

【００１９】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ν＝νＲＭＳ　
２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（４）

【００２０】
（３）　式を（４）　式を用いて書き直すと、

【００２
１】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＥＲＭＳ　＝ν
１／２　ｃ／Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（５）

【００２２】（２）
　式および（５）　式より、

【００２３】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｅ／ＥＲＭＳ　
＝ν１／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（６）

【００２４】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ν＝　（Ｅ／Ｅ
ＲＭＳ　）　２　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（７）

【００２５】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎ＝　（Ｅ／Ｅ
ＲＭＳ　）　２　／　（ＡＬ）　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（８）Ｎ：粒子個数濃度 Ｌ：照射光路長

【００２６】また、（２）　式および（５）　式よりν
を消去すると、

【００２７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＥＲＭＳ　２　
／Ｅ＝ｃ／Ａ＝πｄ２　Ｑ／（４Ａ）　　　　　　　　
　　　　　　（９）Ｑ：消滅係数 ｄ：粒子直径

【００２８】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄ＝〔　（ＥＲ
ＭＳ　２　／Ｅ）　（４Ａ）　／　（πＱ）　〕１／２
　　　　　　　（１０）

【００２９】以上の式の展開は
、粒子が単分散　（単一粒径）　であることを仮定して
いる。ここで、多分散についても適用可能であることを
述べる。粒径分布密度関数をｆ（ａ）　とすると（２）
　式および（５）　式は、（１１）式および（１２）式
に書き直すことができる。

【００３０】

【数１】

【００３１】

【数２】

【００３２】（１１）式および（１２）式より

【００３
３】

【数３】

【００３４】

【数４】

【００３５】ここで、単分散での個数濃度の式（８）　
と比べると、積分項が補正的に付加した形となっている
ことがわかる。

【００３６】次に、（１１）式および（１２）式より

【
００３７】

【数５】

【００３８】（１５）式右辺の積分項の次元はａ２　の
次元を持つことは明らかであるから、見掛けの粒径ａａ
ｐ，　見掛けの消滅係数Ｑａｐとすると

【００３９】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ＥＲＭＳ　
２　／Ｅ）　＝　（π／Ａ）　Ｑａｐａａｐ２　　　　
　　　　　　　　　（１６）

【００４０】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ａａｐ＝〔　（
ＥＲＭＳ　２　／Ｅ）（Ａ／πＱａｐ）　〕１／２　　
　　　　　　　（１７）

【００４１】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄａｐ＝〔　（
ＥＲＭＳ　２　／Ｅ）　（４Ａ）　／　（πＱａｐ）　
〕１／２　　　（１８）

【００４２】（１８）　式は（
１０）式に相当する。

【００４３】続いて以下に本発明の方法が適用される装
置とその作動について述べる。図１は装置の光学系を示
した模式図である。図１において、Ｘｅランプ１から出
る照射光２をリフレクタ３で集光しコリメータ４に導き
、さらにスリット５で所定の断面形状に整形して溶融石
英製フローセル６中を矢印Ｐの方向に流れる試料液７に
照射する。その透過光８をスリット５と全く等しいもう
一つのスリット９を通してハーフミラー１０に入射する
。ハーフミラー１０によって２方向に分離した光をそれ
ぞれ透過波長帯域の異なる干渉フィルター１１，　１２
を介してフォトダイオード１３，　１４に入射し、負荷
抵抗１５，　１６の両端から電圧信号ｖ１　，　ｖ２　
として出力することができる。

【００４４】図１の装置では観測すべき波長を干渉フィ
ルター１１，　１２により得ているために、波長選択の
事由度が制約されるという欠点はあるものの、光学系と
ここでは図示してない信号処理回路が単純であるなどの
長所を持っている。

【００４５】図２は受光系に分光器２１を用いた装置の
光学系を示した模式図であり、図１と共通部分を同一符
号で表わしてある。図２では図１のハーフミラー１０の
代わりに集光レンズ２０を用いて透過光８を分光器２１
に入射させ、分光器２１の出射口２２で得られる透過光
８のスペクトル２３をフォトダイオードアレイ２４で受
光し光電変換するものである。

【００４６】図２の装置は分光器２１の波長校正やフォ
トダイオードアレイ２４の図示してないドライバー回路
など、図１の光学系に比べて煩雑な面が多いが、透過光
８がスペクトル２３として観測されるため、波長選択が
容易に可能であるという利点を有する。

【００４７】次に図１の装置を例として以降の信号処理
回路について説明する。

【００４８】図３は図１の光学系で得られる異なる２波
長の透過光信号ｖ１　，　ｖ２　および図１に示してな
い光源からの直接光の各波長の光信号ｖＲ１　，　ｖＲ
２　の処理回路ブロック図である。図３において、対数
アンプ，　ローパスフィルター　（ＬＰＦ）　で構成さ
れるアナログ信号処理回路３１，　サンプルホールド回
路　（Ｓ／Ｈ），マルチプレクサー　（ＭＵＸ），Ａ／
Ｄコンバータおよび高速シークェンサで構成される高速
Ａ／Ｄ変換部３２，　バッファメモリ，　インターフェ
イス，　メインメモリおよびＣＰＵで構成されるデジタ
ル信号処理部３３，　さらにＣＲＴ，　プリンター，　
キイボードなどマンマシーンインターフェイス３４によ
り全体を構成してある。アナログ信号処理回路３１は入
力電圧信号ｖ１　，　ｖ２　，ｖＲ１　，　ｖＲ２　に
対数比演算を施し、ノイズ除去した後Ｖ１　，　Ｖ２　
として出力し、高速Ａ／Ｄ変換部３２によりデジタル信
号に変換した後デジタル信号処理部３３によって演算処
理され、その結果をＣＲＴやプリンターに表示する。ま
た、演算に必要な種々のパラメータの入力やシステム全
体の操作はキイボードからＣＰＵを介して行うようにな
っている。

【００４９】デジタル処理の過程をさらに詳しく説明す
る。Ｖ１　，Ｖ２　はそれぞれ同時にサンプリング時間
Ｔの間Ａ／Ｄ変換され、Ｎ個の離散データｅ１１，　ｅ
２１としてバッファメモリに記憶される。ＣＰＵはデー
タサンプリング終了後直ちにデータを読み込み次の演算
を行う。

【００５０】

【数６】

【００５１】

【数７】

【００５２】

【数８】

【００５３】

【数９】

【００５４】ここで、特に清浄水を測定して得られる各
計算値を、Ｅ１０，　Ｅ２０，　Ｓ１０，　Ｓ２０とし
て記憶しておく。各波長の吸光度および標準偏差は次の
式で計算される。

【００５５】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｅ１　＝Ｅ’　
１　−Ｅ１０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２３）

【００５６】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｅ２　＝Ｅ’　
２　−Ｅ２０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２４）

【００５７】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＥＲＭＳ１＝　
（Ｓ’　１　−Ｓ１０２　）　１／２　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２５）

【００５８】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＥＲＭＳ２＝　
（Ｓ’　２　−Ｓ２０２　）　１／２　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　（２６）

【００５９】以上
の値より、（８），（１０）式の計算を行う。 ただし、ＥとＥＲＭＳ　以外の定数はひとまとめにして
ＲおよびＺとし、（８），（１０）式を書き直して（２
７），（２８）　式とする。ＲおよびＺは、濃度と粒径
の既知な標準粒子を測定して決定した。

【００６０】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｎｉ＝Ｒｉ　（
Ｅｉ／ＥＲＭＳ　ｉ）　２　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　（２７）ｉ＝１ｏｒ２

【００６１】 　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄｉ＝〔　（１
０６　／Ｚｉ）　（　ＥＲＭＳ　ｉ２　／Ｅｉ）　〕１
／２　　　（２８）

【００６２】次に、先に示した図１
および図３の装置を用いて、市販の標準粒子　（ポリス
チレンラテックス）　を測定した例について述べる。用
いた標準粒子の粒径は、２．０５７，　４．９９２，　
７．１２７，　２０．１９および４１．７μｍである。 また、波長１として　８６０ｎｍ，　波長２として２５
３．７ｎｍ　を設定した。

【００６３】上記の標準粒子の種々の試料について、Ｒ
ｉ＝１として個数濃度を測定した結果を、両対数目盛り
でプロットすると図４の線図が得られる。図４中の各プ
ロットの上に標準粒子の粒径を付記してある。図４中実
線のＮ１は波長　８６０ｎｍで測定した個数濃度、点線
のＮ２は波長２５３．７ｎｍ　で測定した個数濃度を表
わす。図４の線図から、少なくとも５μｍの大きさを持
つ粒子については、相関係数は両波長ともに０．９９５
　以上の良好な直線性が見られ、回帰直線の傾きからＲ
１＝１２３，Ｒ２＝７４が適当であることがわかった。

【００６４】図５はＺｉ＝１として、上記の標準粒子の
種々の個数濃度の試料について、粒径を測定した結果を
プロットした線図である。測定粒径範囲で、両波長とも
相関係数が０．９９９　以上の良好な直線性を示し、回
帰直線の傾きからＺ１＝０．３６８，Ｚ２＝０．３３７
　と決定された

【００６５】次にこれら決定された各係
数を設定して、カオリンの硫酸アルミニウムによる凝集
実験を行い、凝集過程のフロックの成長と個数濃度変化
をインラインで測定した例を説明する。

【００６６】実験は、カオリンが５ｍｇ／ｌに調製され
た懸濁液２ｌに、強撹拌しながら硫酸アルミニウムを５
ｐｐｍ　となるように添加した。また、試料液のｐＨは
硫酸アルミニウム添加直後にｐＨ７になるように、あら
かじめ水酸化ナトリウム溶液を添加しておいた。撹拌強
度は３００ｒｐｍから徐々に下げて、最終的に２０ｒｐ
ｍ　となるようにした。このような条件下で良好なフロ
ックが形成されることが目視で確認された。また、凝集
過程にある試料液は、形成されたフロックが壊れない程
度の流量で前述の装置のフローセルに導入し、撹拌槽に
還流した。選択した波長は、前述と同じく波長１として
　８６０ｎｍ，　波長２として２５３．７ｎｍ　である
。波長１では硫酸アルミニウムの加水分解生成物の吸収
はなく、カオリンのみが散乱による吸収を示す。一方、
波長２では、これら二つの成分が吸収を示す。

【００６７】図６は、凝集過程において、インラインで
測定されたフロックの個数濃度の変化をプロットした線
図である。図６において、二つの波長に共通した傾向と
しては、撹拌強度の低下に伴って、急激に個数濃度の減
少が見られ、　７００秒以降は数個／ｍｌとなる。

【００６８】図７は、同時に測定された粒径変化をプロ
ットした線図である。図７では個数濃度変化とは逆の傾
向を示し、粒径十分に撹拌強度が低下した時点から急激
に増大している。これは、強撹拌状態で形成と破壊の平
衡を保ちつつ、ゆっくりと成長していたマイクロフロッ
クが撹拌強度の低下に伴って、一方的に衝突と合一が開
始される様子を示すものである。また、紫外部で観測さ
れる粒径が赤外部で観測される粒径に比べて大きく推移
し、最終的に大きな開きを生じていることがわかる。こ
のことは、赤外部ではカオリンだけの粒径を測定してい
るのに対して、紫外線ではカオリン粒子の表面を覆うよ
うに吸着していると考えられる凝集剤を含めた粒径を測
定していることで定性的に説明することができる。

【００６９】これら２波長の粒子個数濃度および粒径の
乖離の様子から、適正な凝集剤の注入量が概ね推測され
る可能性がある。

【００７０】本実施例では、上述したように２波長で同
時に測定される粒子個数濃度、粒径の有用性について、
浄水における凝集過程のインライン測定を例として説明
した。一方、単一波長による測定としても、高濃度の懸
濁液の懸濁質粒子個数濃度と粒径の測定を前処理なしで
、かつ同時測定することができるという特徴は、従来法
には見られない大きな利点である。

【００７１】

【発明の効果】従来、高濃度懸濁液については、懸濁質
粒子の個数濃度および粒径をリアルタイムで同時に、し
かも前処理なしで測定する方法はなかったが、本発明の
方法によれば、実施例で述べたように、複数の波長の光
を発する光源、この光源から出射する光を伝達し被測定
液に照射する光学的手段、被測定液が流れまたは通過す
る測定部、被測定液を透過した光を照射光軸上で受光し
所定の複数の波長に分光して光電変換部に伝達する光学
的手段、光電変換部から出力される複数の波長のそれぞ
れの透過光強度に対応する電気信号を波形処理して出力
し、この電気信号に対して所定の演算を施す電気回路手
段とを備えた検出器により、被測定液の流れに二つ以上
の異なる波長の光を照射し、それぞれの波長について吸
光度の平均値、標準偏差を演算し、（８）　式により各
波長の粒子個数を、（１０）式により各波長の粒子の粒
径を計算し出力することにより、高濃度でしかも複数の
懸濁質の個数濃度と粒径を、それぞれの懸濁質に特有の
吸収を持つ波長で同時に、希釈などの前処理なしで測定
することができるようになった。また、本発明の方法で
計算に要する時間は、マイクロコンピュータによる演算
で数秒であるから、リアルタイム計測が可能であり、今
後の浄水処理における凝集プロセスの制御に道を開くも
のである。

【００７２】一方、単一波長による測定としても、高濃
度の懸濁液の懸濁質粒子個数濃度と粒径の測定を前処理
なしで、かつ同時測定することができるという特徴は、
従来法には見られない優れた利点であり、本発明の方法
の大きな効果の一つであることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の光学系の一例を示した模式図

【
図２】図１とは異なる光学系の例を示した模式図

【図３
】図１の光学系で得られる２波長の透過信号の処理回路
ブロック図

【図４】本発明の方法により標準粒子の個数濃度を測定
した結果を示す線図

【図５】本発明の方法により標準粒子の粒径を測定した
結果を示す線図

【図６】本発明の方法によりインライン測定したフロッ
クの個数濃度変化を示す線図

【図７】本発明の方法によりインライン測定したフロッ
クの粒径変化を示す線図

【符号の説明】

１　　　　Ｘｅランプ ２　　　　照射光 ３　　　　リフレクタ ４　　　　コリメータ ５　　　　スリット ６　　　　フローセル ７　　　　試料液 ８　　　　透過光 ９　　　　スリット １０　　　　ハーフミラー １１　　　　干渉フィルター １２　　　　干渉フィルター １３　　　　フォトダイオード １４　　　　フォトダイオード １５　　　　負荷抵抗 １６　　　　負荷抵抗 ２０　　　　集光レンズ ２１　　　　分光器 ２２　　　　出射口 ２３　　　　スペクトル ２４　　　　フォトダイオードアレイ ３１　　　　アナログ信号処理回路 ３２　　　　高速Ａ／Ｄ変換部 ３３　　　　デジタル信号処理部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】懸濁質を含む被測定液の流れに光を照射し
   、その透過光を光電変換手段を用いて電気信号に変え、
   被測定液中に含まれる微粒子を計測するに当たり、吸光
   度の平均値Ｅ、標準偏差ＥＲＭＳ　を測定し、次式によ
   り粒子個数濃度を計算することを特徴とする微粒子計測
   方法。 Ｎ＝　（Ｅ／ＥＲＭＳ　）　２　／　（ＡＬ）Ｎ：粒子
   個数濃度 Ｌ：照射光路長 Ａ：照射光ビーム断面積
2. 【請求項２】懸濁質を含む被測定液の流れに光を照射し
   、その透過光を光電変換手段を用いて電気信号に変え、
   被測定液中に含まれる微粒子を計測するに当たり、吸光
   度の平均値Ｅ、標準偏差ＥＲＭＳ　を測定し、次式によ
   り粒子の粒径を計算することを特徴とする微粒子計測方
   法。 ｄ＝〔　（ＥＲＭＳ　２　／Ｅ）　（　４Ａ）　／　（
   πＱ）　〕１／２　ｄ：粒子の粒径 Ａ：照射光ビーム断面積 Ｑ：消滅係数
3. 【請求項３】懸濁質を含む被測定液の流れに二つ以上の
   異なる波長の光を光軸を一致させて照射し、それぞれの
   前記波長について前記被測定液の流れを透過する光を光
   電変換手段を用いて電気信号に変え、前記各波長の平均
   値Ｅ、標準偏差ＥＲＭＳ　を測定し、請求項１記載の式
   により各波長の粒子個数濃度、請求項２記載の式により
   各波長の粒子の粒径を計算することを特徴とする微粒子
   計測方法。