設備紹介

大気中における浮遊ナノ粒子の粒度分布計測装置
菅原敏博 *To s h i h i r o S u g a w a r a

Low Pressure Impactor：電子式低圧インパクター）

１．はじめにの計測原理と同装置による粒度分布計測例を紹介

近年、ディーゼルエンジン排出ガスクリーン化する。

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技術の進歩に伴い、質量濃度（mg ／ m ）の大部
２．ＥＬＰＩの概要

分を占める粗大粒子は減少してきている反面、質量が小さく個数濃度（個／ m3）が高いナノサイ

表１に ELPI の仕様を示す。図１に ELPI の構

ズの浮遊粒子状物質（SPM：Suspended Particulate

成および計測原理を示す。ELPI は本体に収納さMatter）は増加傾向にあると言われている。SPMれているインパクター、コロナチャージャー、エの増加と健康影響の相関については内外で研究がレクトロメーター、外付けのエアーポンプ、制御・進んでおり、呼吸器への沈着や肺胞壁を通過して計測用 PC で構成されている。運転・停止、運転

血液循環による全身への影響まで危惧されているパラメータ設定、データ表示・集録等は専用ソフ１）という 。大気環境の保全を考える上で SPM にトを組み込んだ PC で行うことができる。また、代表される浮遊ナノ微粒子の地域や時間帯におけ連続的かつリアルタイムに粒径と粒子個数を把握る浮遊状態把握の必要性は今後高まると予想されでき、運搬と設置が容易にできるので室内、フィーる。本報ではフィールドにおいてナノ微粒子の粒ルドを問わず計測できる特長がある。

度分布が計測できる装置である ELPI（Electrical
表１ ＥＬＰＩ仕様（DEKATI社製）

＊

分級特性

0.007 〜9.97 m m

捕集板径

25fmm

ステージ数

12 段

インパクター寸法

65fmm ×300mm

吸引流量10Ｌ／min

全体寸法（本体）

H540 ×W400 ×D230

吸引圧力100mbar

全体重量（本体）25kg

データ検出時間5秒

チャージャー

コロナ放電で粒子を荷電インパクター耐熱

最大 200 ℃

インパクター材質

ステンレス

周囲温度0−40 ℃

絶縁体材質

テフロン

周囲湿度

0−60%

R.H

吸引ポンプ

16m 3 ／ｈ

試験エンジニアリング部

次長

計測事業部

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空気と共に吸引された微粒子は、コロナチャーされ、粒子個数が求められる。

ジャーで荷電された後に 12 段のインパクターになお本報で紹介する ELPI は最小レンジが 7nm入り、各段のノズル内流速に応じ慣性質量が大き（通常は 34nm）の extension range になっており、い粒子順に各ステージに衝突し捕集される。またより微細領域まで計測が可能である。

各ステージ入り口のノズル口径（ノズル流速）は＊ 1：粒子にレーザー光が当たったときの光のステージ毎に変えて、後段になるほど流速を大き回折と散乱の強度パターンが粒子径に依くして小さい粒子を捕捉できるように設計されて存することを利用した測定法。粒子形状

いる。に係わらず球体として捉える。

このステージに捕集された粒子の粒径を空気動力学的粒径と言い、レーザー回折散乱法*1＊ 2：溶媒中の分散している粒子は溶媒分子とや動衝突して激しく運動（ブラウン運動）す的光散乱法 * ２ とは異なり、粒子の慣性を利用しる。この運動速度が粒子径に依存するこた分級方式に依っている。ステージに衝突した荷とを利用している。粒子にレーザー光を電粒子は電荷量をエレクトロメーターにより測定当て、球形換算の粒子サイズに応じた周

図1

ELPI の構成と計測原理

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IIC REVIEW/2007/4. No.37

波数ドップラーシフトを捉えるため粒子すると考えられる CNT では、ほぼチューブ外径形状に左右される。に等しい計測結果が得られると考えられる。
写真１に ELPI による CNT の粒度分布計測状

３．ELPI による粒度分布計測例

況を示す。CNT を無菌パック内に微少量添加し粒 径 範 囲 が 既 知 の ナ ノ 粒 子（ カ ー ボ ン ナ ノ

密封した後無菌パック内にフィルターを介してエチューブ）および文献等で大凡の粒径範囲が示さアーを充填する。無菌パック内の CNT をエアーれているディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物と共に ELPI 本体に吸引し粒度分布を計測する。

質（PM：Particulate Matter） に 対 し て ELPI で 計

図２にカーボンナノチューブ（公称チューブ外径 10 − 30nm お よ び 20 − 50nm） の 粒 度 分 布 計

測し計測精度を検証した。

測結果を示す。比較のために動的光散乱法による3.1計測結果を併載した。

カーボンナノチューブの粒度分布計測

カーボンナノチューブ（以下 CNT）はその名

一般に粉体はある範囲の粒径を持つ粒子が混在の通りごく微小な物質であり、そのサイズは粒径しており、CNT の場合も公称値として範囲で示として表され、通常、チューブの外形を指すが、されている。ELPI では 12 段のインパクターで 7

長さが外径の何十倍、何百倍と正に長いチュー〜 10,000nm の広いレンジをカバーするため、ナブ 形 状 を し て い る。 ま た、 チ ュ ー ブ 長 は 0.1 〜ノ領域の一範囲については図に示すように粒度範m の範囲でばらばらの長さをもっており、こ10mm囲の中のモード（最頻値）として表現されることのチューブをレーザー光による動的光散乱法で計になる。計測の結果、CNT の公称粒径範囲の中測すると、長径の大きい長細い粒子と判断されるにモードが現れ、また 1 回目と 2 回目の計測結果ため、チューブ外径で言うところの粒径とは乖離において両者とも公称値範囲にモードが現れるとした計測結果となる。

いう再現性も確認できた。なお動的散乱法による

ELPI では、物体の慣性の大きさを表す慣性質計測では１桁大きい粒子径にモードが現れ、公称量の差異によりインパクターで分級捕集されるた値から大きく外れた結果となっている。理由は上め、チューブ外径の大きさが 2 乗倍で質量に寄与述した通りである。

写真 1ELPI によるカーボンナノチューブの粒度分布計測

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6010-30nm40（％）

ELPI-1
ELPI-2動的光散乱20-50nm

ELPI-1
ELPI-2動的光散乱

40頻度頻度（％）

60202000110100
粒径1000110000

10100
粒径(nm）

100010000(nm）

図２ カーボンナノチューブの粒度分布計測結果

ディーゼルエンジン排ガス中の粒度分布計測

クに導入してサンプリングした。図３にサンプリ

ディーゼルエンジンはガソリンエンジンに比べングした排ガスを ELPI で計測した結果を示す。て排ガス中の CO2 が少ない代わりに NOx、黒煙、アイドリング運転時において 85nm 前後にモード粒子状物質（PM：Particulate Matter）が多量に発があり、エンジン出力を上げた 2000 回転運転時生するとされている。

では 45nm 前後にモードが現れている。このモー3.2

実際のディーゼルエンジン車の排ガスを無菌ドの出現はディーゼルエンジン排ガス中のＰＭのパック内に吸引サンプリングし、ELPI で計測し粒度分布として他の研究報告 2) でも確認できると粒度分布を確認した。

ころであり、本計測方法の信頼性を裏付けている。

PM は、ディーゼルエンジン車（写真２）をパー４．おわりにキング状態でエンジンをアイドリング（600 回転）および 2000 回転の 2 条件で運転し、排気管近傍高性能のディーゼルエンジン等の開発によりにおいてエアーポンプで排ガスを吸引し無菌パッディーゼルエンジン車が増加傾向にあり、それに

写真 2 ディーゼルエンジン車

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頻度（%）

50idle2000rpm

4030
20
100
1

10100

1000

10000

粒径（nm）
図３ ディーゼルエンジン排ガス中の粒度分布計測結果

伴って浮遊粒子状物質（SPM）も増加傾向にある

参考文献とされている 3)。技術の進歩によって高付加価値、高品質の製品が開発される一方で、これまで経験

1）古 山（2005），（株）エヌ・ティー・エス .

しなかったナノサイズ大気汚染物質の浮遊による健康被害が懸念され、その浮遊状況を監視するこ昭 子：「 ナ ノ 粒 子 の 沈 着、 体 内 動 態 」

2）久保修一：「自動車排出ナノ粒子の性状と生とが重要になって来ると考えられる。ELPI によ成メカニズム」（2005），（株）エヌ・ティー・るナノ粒子粒度分布計測技術はこのような時代のエス .

要請に答えられる機動性と正確さを備えた有用な

3）押尾茂他：「ディーゼル排ガスの生態系およ計測方法の一つであると考える。今後はナノ粒子

び脳神経への影響」（2005），（株）エヌ・ティー・の種類や計測環境が精度に及ぼす影響等について

エス .

更に研鑽を積んで行きたい。

計測事業部
試験エンジニアリング部
次長

菅原 敏博
TEL. 045-759-2281
FAX. 045-751-0357

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