JP4673197B2 - 液体試料のモニタリング方法及び液体試料分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体試料を対象とするモニタリング技術に係り、特に河川や地下水などの環境に関わる水質モニタリングや、化学合成設備、培養設備、浄水設備、原子力関連設備などの工学設備に関わる水質モニタリング等における液体試料のモニタリング方法およびモニタリングシステムに関する。

液体試料を対象とするモニタリングは様々な分野で行われており、例えば、河川、湖沼、ダム、地下水などの環境を評価するための水質モニタリングや、化学合成、培養、浄水、原子力などの工学設備における反応制御や、水質異常の感知を目的とした水質モニタリングが行われている。

従来、これらのモニタリングにおいては、液体試料をその場でセンサにより分析する方法（特許文献１参照）や、液体試料の一部を採取し分析装置に送液することにより分析する方法（特許文献２参照）が用いられている。

特開2000-121629号公報 特開2005-66531号公報

上記のような液体試料をその場でセンサにより分析する方法では、小型、低コストでモニタリングシステムを構築することが可能な反面、センサの種類の制約があり、温度、pH、ORP、導電率、濁度、溶存酸素、紫外吸光度といった一般的な水質の検査のみが対象となり、測定可能な濃度範囲についても制約を受けるなどの問題がある。

一方、液体試料の一部を採取し分析装置に送液することにより分析する方法では、様々な成分の分析や濃度範囲に対応可能であるものの、装置が大型化するとともに、モニタリングシステム毎に異なる分析装置が必要となるため、機器コストが増加するという問題がある。

本発明の目的は、様々な分析項目や濃度範囲に対応可能であり、小型で低コストな液体試料のモニタリング方法およびモニタリングシステムを提供することにある。

前記の課題は、例えば、モニタリングを行う液体試料の一部を、一次元形状の流路に一定流速で連続的、または一定時間毎に注入することにより、液体試料性状の時間変化を流路中に位置情報として保持し、その後、保持した液体試料を流路の位置毎に分析し、その分析結果から液体試料性状の時間変化を再現することにより解決される。

本発明は、水質の時間変化を一次元形状の流路中に位置情報として貯蔵可能であることを見出したことに基づく。

液体試料を一次元形状の流路に一定流速で注入すると、試料が流路中を安定した層流として流れ、乱流等による水質成分の混合が抑制される。また、流路断面積が小さいため、近接した部位との拡散による混合についても抑制される。

従って、液体試料のモニタリングを一次元流路中へのサンプリングと、流路位置毎の分析に分割することが可能となる。これにより、液体試料のサンプリングについては小型で低コストの装置構成とすることが可能となり、また、分析については、溶液試料が入ったチューブ等の一次元流路を、必要に応じ様々な分析機器に接続し連続的に分析することや、複数のモニタリングにおいても同じ分析機器を共有して用いることが可能となる。

また、液体試料の注入時間、注入速度等の記録があれば、容易に流路中の位置毎の分析結果を時間変化に変換することが可能となる。

装置の小型化の観点からは、一次元形状の流路を空間的に高密度化することが好ましいが、最も簡便にこれを実現する方法としては、チューブ等の流路を糸巻き状に巻き取ることにより、達成される。

サンプリングした流路中の分析を適時行うためには、液体試料を注入する流路に切り替え可能な機構や、着脱可能な機構を設けることが有効であり、これによりモニタリングを継続しつつ、任意の期間において分析結果を得ることが可能となる。

モニタリングの精度や信頼性を向上させる観点からは、溶液試料を保管する流路に一定時間毎にマーカー物質等を添加することにより、流路中の近接部位間における水質成分の混合を抑制する効果や、ポンプによる液体試料の注入が適切に行われていることを目視等により簡便に確認できる効果が期待できる。さらに、このマーカー物質が気泡である場合には、水質成分の混合をほとんどなくすることができ、長期のモニタリング等において極めて有効な方法となる。

本発明によれば、液体試料のモニタリングにおいて、様々な分析項目や濃度範囲に対応可能である。また装置の小型化、データの信頼性向上、モニタリングコストの削減が可能となる。

本発明の実施の形態について説明する前に、本発明に至る基本原理について説明する。本発明は、水質の時間変化を一次元形状の流路中に位置情報として貯蔵可能であることを発明者が見出したことに基づく。以下に、図２を参照しながら本発明における水質の時間変化を位置情報として貯蔵する概念を説明する。

発明者らは、予め水質成分濃度の時間変化がわかっている液体試料について、その液体試料の一部をポンプにより採取し、流速１０ｃｍ^３／ｈで流路断面積が０．１ｃｍ^２の一次元流路であるチューブに連続的に注入した。その後、チューブの位置毎に液体試料を分析した結果、水質の位置変化のグラフは、水質の時間変化とＹ軸に対して対称形を保っており、流速、流路断面積の情報に基づき、水質の時間変化を再現可能であることを見出した。

これは、液体試料を一次元形状の流路に一定流速で注入したため、試料が流路中を安定した層流として流れ、乱流等による水質成分の混合が抑制される効果があったためと考えられる。また、流路断面積が小さいため、近接した部位との拡散による混合についても抑制される効果があると考えられる。

一次元流路であるチューブに液体試料を連続的に注入して採取することにより、液体試料のモニタリングプロセスを、一次元流路中へのサンプリングプロセスと、流路位置毎の分析プロセスと、に分割することが可能となる。これにより、液体試料のサンプリングプロセスに用いる装置を、小型で低コストな構成とすることが可能となり、また、分析プロセスについては、溶液試料が入ったチューブ等の一次元流路を、必要に応じ様々な分析機器に接続し連続的に分析することや、複数のモニタリングにおいても同じ分析機器を共有して用いるなど自由度を高めることが可能となる。

尚、一次元流路とは、液体の流速と流路の断面積とを考慮して、液体の流れが乱流にはならず十分に層流であると推定可能な流路である。レイノルズ数Ｒｅは、下記の式により表される。

Ｒｅ＝（Ｕ×Ｌ）/ν

ここで、Ｕは代表速さ、Ｌは代表長さ、νは動粘性係数である。例えば、下記の実施例２において、液体を水と仮定すると、Ｕは、１０ｃｍ^３/ｈで流路の直径は１ｃｍ、Ｌは３.５ｍ、であるから、Ｒｅ＝８程度となり、乱流となるレイノルズ数Ｒｅである２０００よりも十分に小さい。従って、液体は層流と推定され、一次元流路であることがわかる。その他の実施例も同様である。

以下、本発明の実施の形態による液体試料のモニタリング技術について図面を参照しながら説明を行う。

本発明の実施例１による液体試料のモニタリング技術について図１を参照しながら説明する。本実施例による液体試料のモニタリング技術について、河川等の水質をモニタリングする例に基づいて説明する。本実施例による液体試料のモニタリング技術は、液体試料を採取するプロセスと、液体試料を分析するプロセスとを有している。

図１に示すように、本実施例による液体試料のモニタリングシステムは、液体試料１側から順番に、フィルターユニット３と、ポンプ２と、バルブ４と、試料保管流路５と、バルブ６と、を有している。

液体試料１の採取プロセスにおいては（上図）、液体試料１はポンプ２により吸引し、微粒子を排除するためフィルターユニット３を通過させた後、バルブ４を介して一次元流路を形成する試料保管流路５に注入する。この際、バルブ４およびバルブ６は開放状態にする。ポンプ２は、液体試料１を１ｃｍ^３／ｈの流速で、約１週間、連続的に試料保管流路５に送液した。試料保管流路５には、直径６ｍｍ、長さ６ｍの糸巻き状に複数回巻かれているチューブを用いた。

次に、液体試料の分析プロセスにおいては（下図）、液体試料１を回収した後、バルブ４およびバルブ６を閉じた状態で、試料保管流路５を分析を行う場所まで移送した。その後、バルブ６を介して、水質分析装置７と接続した。その後、バルブ４およびバルブ６を開き、ポンプ２を用いて純水８をフィルターユニット３側から試料保管流路５に送液し、試料保管流路５に保存されていた液体試料を所定の試料保管流路長さに相当する分量毎に水質分析装置７に移送し、水質分析を行った。

図３には、試料保管流路長さ８．４９ｃｍ（液量２．４ｃｍ^３）毎に水質分析した結果を示す。上図は、縦軸に水質成分濃度、横軸に一次元流路中の位置をとっており、下図は、縦軸に水質成分濃度、横軸に液体試料を吸入してからの経過時間をとっている。この結果から、本実施例によれば、液体試料の水質の時間変化が、試料保管流路５中の位置変化として保管されていることがわかる。すなわち、上図に示す試料保管流路５中の各位置における水質の採取時間は、水質の採取時間＝流速／流路断面積により求めることができる。そこで、水質の位置変化として得られたグラフを水質の時間変化に換算したものが下図である。この結果から、液体試料のモニタリングを実施することができた。

本実施例によるシステムは、装置がシンプルで小型化が可能である。特に、ポンプを離れた場所に設置できる場合には、液体試料を採取するための流路のスペースだけが確保できればモニタリングが可能となるため、通常、モニタリングが困難な狭隘部や高温、高圧、放射能といった極限環境において用いることも容易である。

また、液体試料の採取と分析とを分離して実施することが可能であるため、複数のモニタリングを実施する場合等に例えば複数の採取試料を１台の分析装置で共有することができるため、機器コストを削減することができるという利点がある。さらに、分析プロセスについては、必要に応じて、最も適切な分析装置に採取試料を接続することにより、様々な成分の分析や濃度範囲に対応可能であるという利点もある。

尚、ポンプには、プランジャーポンプ、シリンジポンプ、チューブポンプ等の微小流量を制御可能なポンプを用いることが好ましい。また、分析装置については、微量試料で高感度分析が実施可能なイオンクロマトグラフィー、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー、ICP発光分析装置、原子吸光分析装置、全有機炭素濃度計、質量分析装置等が適している。

次に、本発明の実施例２による液体試料のサンプリング技術について図４を参照しながら説明する。本実施例は、図４に示すように、化学合成を行う反応槽中の水質モニタリングを行う際の一例である。本実施例では、反応槽９内の液体試料の一部は、試料採取装置１０により採取され、試料保管装置１１に注入される。試料採取装置１０は、内部に、フィルター１２と、ポンプ１３と、バルブ１４と、記録装置Ｓと、を有している。試料保管装置１１は、試料保管流路１６およびこれの前後に設けられるバルブ１７、バルブ１８により構成されている。試料採取装置１０と試料保管装置１１との接続部位にパイプを接続・分離可能な周知の着脱機構１５を備えている。また、ポンプ１３の運転に関しては、記録装置Ｓが液体試料の流路への注入時間、注入速度を制御することにより、試料保管流路１６内に時間情報に変換可能な位置情報が記録される機構となっている。記録装置Ｓには、液体試料の流路への注入時間、注入速度が記録される。

液体試料の一部は、フィルター１２を介してポンプ１３により吸引され、一定の流速で試料保管流路１６に注入される。この際、バルブ１４およびバルブ１７およびバルブ１８を開放状態にし、液体試料の注入開始時間、注入速度は、記録装置Ｓに記録することができる。ポンプ１３は、液体試料を１０ｃｍ^３／ｈの流速で、２４時間、連続的に試料保管流路１６内に送液した。試料保管流路１６には、直径１ｃｍ、長さ３．５ｍのチューブを用いた。

尚、試料保管流路１６を非常に長くする場合には、取り扱いが困難である場合もある。このような場合には、図５に示すようなチューブＴを糸巻き状に巻いた試料保管流路を用いることもできる。これにより、試料保管流路１６の占有する容積を大幅に低減することができ、モニタリング装置をより一層小型化することができる。また、試料保管流路１６の形状を保持する機能も有する。

液体試料を２４時間にわたって採取した後、試料保管装置１１の貯蔵容量が一杯になったため、一旦ポンプ１３からの送液を止め、バルブ１４、バルブ１７、バルブ１８を閉じた後、着脱機構１５の部分で試料採取装置１０から試料保管装置１１を外し、別の新しい試料保管装置（１１）を装着した。その後、閉じたバルブ１４、１７、１８を再び開き、再度ポンプ１３の運転を開始した。

一方、図４の下図に示すように、回収した試料保管装置１１は、別のポンプ１９により、純水２０を送液するとともに、試料保管流路１６に保存されていた液体試料はフラクションコレクタ２１により、所定の試料保管流路長さに相当する分量ずつ分画した。これにより、測定サンプルが作製され、サンプル毎に分析を実施できる。

このようにして得られた分析結果は、試料保管流路１６の位置毎の水質の分析結果であるが、これらを記録装置Ｓに記録された液体試料の流路への注入時間、注入速度のデータから、元の液体試料の時間変化に換算する。これにより、液体試料のモニタリングを実施することができる。

本実施例による液体試料のサンプリング技術では、着脱機構１５により試料採取装置１０と試料保管装置１１とを分割することができる。試料保管装置１１の着脱が可能であるため、新たな試料保管装置１１に交換しながら、長期のモニタリングができるとの特徴を有する。

また、複数の反応槽をモニタリングする際などに、例えば１台の分析装置を共有して用いることが可能である。さらに、分析試料はフラクションコレクタ２１により、試料保管流路１６の位置毎に分画したサンプルが作製されるため、直接分析機器に接続できない分析方法についても適用することができ、より広範囲な分析方法の中から適切な手法を選定することが可能であるという利点を有する。

次に、本発明の実施例３による液体試料のモニタリング技術について図６を参照しながら説明する。本実施例は、原子力関連設備の配管中の水質モニタリングを行う際の一例である。

本実施例による液体試料のモニタリングシステムは、配管２２中の液体試料の一部は、試料採取装置２３により採取され、試料保管流路５０−１に注入される構成を有している。試料採取装置２３は、内部に、配管２２側から、フィルター２４、第１のポンプ２５、流路切り替え機構２６、第２のポンプ２７、マーカー物質タンク２８を有している。第１のポンプ２５、流路切り替え機構２６、第２のポンプ２７は、制御装置２９によって運転が制御される機構となっている。流路切り替え機構２６は、例えば、１つの入力位置に対して回転することにより複数の出力位置が対応するように回転式の入力−出力切り替え機構など周知の機構を利用することが可能である。

制御装置２９は、所定の時間に第１のポンプ２５を動作させ、フィルター２４を介して液体試料の一部を採取し、一定の流速で試料保管流路５０に注入する。同時に、制御装置２９により、第２のポンプ２７は、一定の時間間隔でマーカー物質を流路中に添加するように制御する。

試料をある時間だけ採取した後、制御装置２９により第１のポンプ２５および第２のポンプ２７は停止され、試料の採取およびマーカー物質の添加を中断する。その後、再び所定の時間に制御装置２９により第１のポンプ２５および第２のポンプ２７を動作させ、試料の採取およびマーカー物質の添加を行った。この際、マーカー物質には目視が可能なように着色溶液を用いた。

このように、試料の採取と中断とを繰り返す連続運転を行った後に、制御装置２９により流路切り替え機構（バルブ）２６を作動させ、試料保管流路５０−１が貯蔵容量を超える前に別の系統の試料保管流路５０−２又は５０−３に切り替える。

試料を貯蔵した試料保管流路５０−１は、バルブ３０−１およびバルブ３１−１を閉じた後に試料採取装置２３から切り離され、分析室まで移送される。その後、下図に示すように、試料保管流路５０−１は伸ばされて、それぞれの位置毎の放射能をしゃへい板３２に設けられた計測孔３３を通して放射線検出器３４により測定することができる。測定結果は、制御装置２９の運転記録とマーカー物質の数と位置とから、元の液体試料の時間変化に換算される。これにより、液体試料のモニタリングを実施することができた。

本実施例による液体試料のモニタリング技術を用いると、制御装置による自動運転が可能であり、さらに一定時間間隔で液体試料を採取することで、連続的に液体試料を採取する場合に比べて測定時間を短くすることが可能である。また、流路の切り替え機構を備えることにより、モニタリングを継続しつつ、任意の期間において分析結果を得ることが可能となる。

尚、モニタリングの精度や信頼性を向上させる観点からも、溶液試料を保管する流路にある時間毎にマーカー物質を添加することにより、流路中の近接部位間における水質成分の混合を抑制することができるととともに、液体試料の注入位置の確認が目視等により簡便化することができる。マーカー物質には、蛍光物質を含む溶液や着色溶液など、分析が容易な様々な物質を用いることが可能である。例えば、マーカー物質に、蛍光物質を用い、これを蛍光検出器により検出しても良い。或いは、マーカー物質に、溶液試料とは屈折率の大きく異なる物質を用い、光源と光量センサの組み合わせにより、溶液試料とマーカー物質とを区別することができるようにして良い。或いは、マーカー物質に不活性ガスなどの気体を利用しても良い。このようなマーカー物質の利用により、分析時間を任意に区切ることができるため、作業を自動化することが容易になる。

また、本実施例によれば、常時サンプリングを行わなくても、例えばタイマーなどを利用してある時間に液体試料をサンプリングし、次いで、マーカー物質を注入し、ある時間サンプリングを中断した後に、再びサンプリングを開始する工程を実施することも可能である。

本発明の実施例４による液体試料のモニタリング技術について図７を参照しながら説明する。本実施例による液体試料のモニタリング技術は、地質ボーリング孔内の水質モニタリングを行う際の一例である。

本実施例による液体試料のモニタリング技術では、地層３５中の液体試料の一部は、試料採取装置３６により採取され、試料保管流路３７に注入される。これらの装置は、例えば直径１０ｃｍ程度のボーリング孔内に挿入されている。試料採取装置３６は、内部に地層３５側から順番に、地下水採取機構３８、フィルター３９、第１のポンプ４０、ガスボンベ４１、第２のポンプ４２を有している。第１のポンプ４０および第２のポンプ４２を制御する制御装置４３が設けられ、これによって運転が制御される機構となっている。

制御装置４３は、所定の時間に第１のポンプ４０を動作させ、液体試料の一部をフィルター３９を介して採取し、例えば一定の流速で試料保管流路３７に注入する。同時に制御装置４３により、第２のポンプ４２は例えば一定の時間間隔で不活性ガスからなる気泡を流路中に添加するように制御される。所定時間の連続運転の後、制御装置４３により第１のポンプ４０および第２のポンプ４２の運転を停止し、液体試料の回収工程と気泡の添加工程を終了する。

その後、下図に示すように、試料保管流路３７は、ボーリング孔内から地上に回収され、バルブ４５を介して、水質分析装置４６と接続される。次いで、バルブ４４およびバルブ４５を開き、新たなポンプ４７を用いて純水４８を試料保管流路３７に送液し、試料保管流路３７に保存されていた液体試料を所定の試料保管流路長さに相当する分量毎に水質分析装置４６に移送し、水質分析を行う。

ここで得られた分析結果は、試料保管流路３７の位置毎の水質の分析結果である。これらを制御装置４３で設定した液体試料の流路への注入時間、注入速度のデータに基づいて元の液体試料の時間変化に換算することにより、液体試料のモニタリングを実施することができる。

本実施例によれば、試料の採取プロセスと分析プロセスとを分離して行うことが可能であるため、装置の小型化が容易であり、狭隘なボーリング孔中でのモニタリングに適用できる。また、気泡を添加することにより、流路中の気泡が液体試料の混合を抑制するため、試料保管溶液を長期保管した場合にも、水質の変化が精度良く流路中の各位置に保存されるという利点を有する。さらに、気泡個数により試料の採取が適切に行われたかを確認することができる。尚、この気泡を生成するガスには、空気や不活性ガスなど様々なガスを用いることが可能である。

以上に説明したように、本実施の形態による液体試料のサンプリング技術によれば、様々な分析項目や濃度範囲に対応可能な液体試料のモニタリング方法およびモニタリングシステムが実現でき、装置の小型化、データの信頼性向上、モニタリングコストの削減が可能となるという利点がある。

本発明は、液体試料のサンプリングシステムに利用可能である。

本発明の実施例に用いたモニタリングシステムを説明する図である。 本発明の作用の説明に用いた水質の時間変化を位置情報として貯蔵する概念を説明する図である。 本発明の実施例に用いたモニタリング方法を説明する図である。 本発明の別の実施例に用いたモニタリングシステムを説明する図である。 本発明の別の実施例に用いた試料保管流路を説明する図である。 本発明の別の実施例に用いたモニタリングシステムを説明する図である。 本発明の別の実施例に用いたモニタリングシステムを説明する図である。

符号の説明

１…液体試料、２…ポンプ、３…フィルターユニット、４…バルブ、５…試料保管流路、６…バルブ、７…水質分析装置、８…純水、９…反応漕、１０…試料採取装置、１１…試料保管装置、１２…フィルター、１３…ポンプ、１４…バルブ、１５…着脱機構、１６…試料保管流路、Ｓ…記録装置、１７…バルブ、１８…バルブ、１９…ポンプ、２０…純水、２１…フラクションコレクタ、２２…配管、２３…試料採取装置、５０…試料保管流路、２４…フィルター、２５…ポンプ、２６…流路切り替え機構、２７…ポンプ、２８…マーカー物質タンク、２９…制御装置、３０…バルブ、３１…バルブ、３２…遮蔽板、３３…計測孔、３４…放射線検出器、３５…地層、３６…試料採取装置、３７…試料保管流路、３８…地下水採取機構、３９…フィルター、４０…ポンプ、４１…ガスボンベ、４２…ポンプ、４３…制御装置、４４…バルブ、４５…バルブ、４６…水質分析装置、４７…ポンプ、４８…純水。

Claims (3)

1. 一次元流路を形成する液体保管流路と、該液体保管流路の一方の開口を開閉する第１のバルブと、前記液体保管流路の他方の開口を開閉する第２のバルブとを有する試料保管装置に対し、着脱可能に装着された試料採取装置を通じて前記液体保管流路に液体試料が注入された際に記録装置に記録された流速及び注入開始時間を前記記録装置から読み出すステップと、
   前記試料採取装置から取り外された後、分析装置に着脱可能に装着された前記試料保管装置に保持されている液体試料を、前記液体保管流路の各位置について分析するステップと、
   前記流速及び前記注入開始時間に基づいて、分析結果を液体試料性状の時間変化に再現するステップと
   を有することを特徴とする液体試料のモニタリング方法。
2. 一次元流路を形成する液体保管流路と、該液体保管流路の一方の開口を開閉する第１のバルブと、前記液体保管流路の他方の開口を開閉する第２のバルブとを有する試料保管装置に対し、着脱可能に装着された試料採取装置を通じて前記液体保管流路に液体試料が注入された際に記録装置に記録された流速及び注入開始時間を前記記録装置から読み出す手段と、
   前記試料採取装置から取り外された後、分析装置に着脱可能に装着された前記試料保管装置に保持されている液体試料を、前記液体保管流路の各位置について分析する手段と、
   前記流速及び前記注入開始時間に基づいて、分析結果を液体試料性状の時間変化に再現する手段と
   を有することを特徴とする液体試料分析装置。
3. 前記一次元流路の形状がチューブを巻き取った形状である
   ことを特徴とする請求項２に記載の液体試料分析装置。

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