説明

全窒素の定量方法

【課題】亜硝酸イオンによるジアゾ化反応を利用し、検査水の全窒素を簡単な操作で高濃度の領域まで定量できるようにする。
【解決手段】検査水の全窒素の定量方法は、検査水に含まれる窒素化合物を酸化分解により硝酸イオンへ変換した後にさらに還元して亜硝酸イオンへ変換するための工程1と、工程1を経た検査水に対し、亜硝酸イオンとの反応によりジアゾニウム塩を生成可能なジアゾ化試薬を添加し、酸性下において反応させる工程2と、工程2を経た検査水について、ジアゾ化試薬による着色の吸光度または生成したジアゾニウム塩による着色の吸光度を測定することで亜硝酸イオン濃度を測定する工程3とを含んでいる。ジアゾ化試薬として、ケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物群および3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群からなる群から選ばれた化合物を用いる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、全窒素の定量方法、特に、窒素化合物を含む可能性のある検査水の全窒素を定量するための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒素は海洋水、湖沼水、河川水および地下水等の富栄養化に関わる原因物質の一つであることから、工場排水等での排出規制が設けられており、工場排水等は、環境への排出前に生態系の栄養源となるイオン状態の窒素(例えば、硝酸イオンや亜硝酸イオン)の定量が求められる。しかし、工場排水等は、イオン状態で窒素を含むだけではなく、各種の窒素化合物として窒素を含むのが一般的であり、この窒素化合物は環境への排出後に自然分解されることでイオン状態の窒素を発生する。このため、工場排水等は、窒素化合物から生成し得るイオン状態の窒素を含めた窒素の総量、いわゆる全窒素の定量が求められることが多い。
【0003】
工場排水等の検査水に含まれる全窒素の定量の一形態では、検査水に含まれる窒素化合物を酸化分解により硝酸イオンへ変換した後にさらに還元して亜硝酸イオンへ変換する前処理をし、この前処理後の検査水に含まれる亜硝酸イオンを定量する。そして、亜硝酸イオンの定量結果を換算して全窒素濃度を求める。
【0004】
検査水に含まれる亜硝酸イオンの定量方法として、亜硝酸イオンによるジアゾ化反応を利用した方法が知られており、そのような方法の公的なものとして日本工業規格(JIS)において規定されたナフチルエチレンジアミン吸光光度法が知られている(非特許文献1)。この定量方法(以下、JIS法という。)は、検査水に含まれる亜硝酸イオンが酸性下でスルファニルアミドと反応して生成するジアゾニウム塩をナフチルエチレンジアミンとカップリング反応させ、それにより生成するアゾ化合物による検査水の着色(発色)を吸光光度法により測定することで亜硝酸イオンを定量するものである。
【0005】
しかし、JIS法は、生成するアゾ化合物による検査水の着色が非常に鋭敏であって着色強度(モル吸光係数)が高まり過ぎることから、検査水における高濃度の亜硝酸イオンの正確な定量が困難であり、亜硝酸イオン濃度の測定可能範囲が0.06〜0.6mg[NO]/Lに制限されている。この範囲の亜硝酸イオン濃度は全窒素に換算すると0.02〜0.2mg[N]/L程度の微量範囲であることから、JIS法は、全窒素の定量に適用するのが困難である。
【0006】
特許文献1には、JIS法に替わる亜硝酸イオンの定量方法として、ポルフィン核にアミノ基を有するポルフィリン化合物を検査水へ添加し、当該ポルフィリン化合物と亜硝酸イオンとの反応により生成するジアゾ基を有するポルフィリン化合物の吸光度または励起時の蛍光強度を測定する方法が記載されている。この方法は、ポルフィリン化合物のソーレ吸収帯がジアゾ基の生成により減少することを利用したもので、必要な反応はポルフィリン化合物と亜硝酸イオンとの反応だけであるから、ジアゾニウム塩の生成反応とカップリング反応との二段階の反応が必要なJIS法に比べて簡単な操作で亜硝酸イオンを定量可能である。しかし、この定量方法は、特許文献1の記載(特に、段落0023)によると亜硝酸イオン濃度の測定可能範囲が0〜0.018mg[NO]/L程度であり、この範囲の亜硝酸イオン濃度は全窒素に換算すると0〜0.006mg[N]/L程度の微量範囲でしかないことから、JIS法と同じく全窒素の定量に適用するのが困難である。しかも、この定量方法は、特許文献1の記載(特に、段落0023および図4)によると、ジアゾ基を有するポルフィリン化合物を生成させるために、検査水に含まれる亜硝酸イオンの2倍モル当量以上の多量のポルフィリン化合物を用いる必要があるため、不経済であり、定量の自動化装置を実現する上で装置の小型化を図るのが困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】日本工業規格 JIS K 0102、工場排水試験方法(2008) 43.1.1
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−89781号公報(特許請求の範囲、段落0012、0016および0023並びに図4等)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の目的は、亜硝酸イオンによるジアゾ化反応を利用し、検査水の全窒素を簡単な操作で高濃度の領域まで定量できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、窒素化合物を含む可能性のある検査水の全窒素を定量するための方法に関するものであり、この定量方法は、窒素化合物を酸化分解により硝酸イオンへ変換した後にさらに還元して亜硝酸イオンへ変換するための工程1と、工程1を経た検査水に対し、亜硝酸イオンとの反応によりジアゾニウム塩を生成可能なジアゾ化試薬を添加し、酸性下において反応させる工程2と、工程2を経た検査水について、ジアゾ化試薬による着色の吸光度および生成したジアゾニウム塩による着色の吸光度のうちの少なくとも一つの吸光度を測定することで亜硝酸イオン濃度を測定する工程3とを含んでいる。この定量方法では、ジアゾ化試薬として、ケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物群および3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群からなる群から選ばれた化合物を用いる。
【0011】
この定量方法の工程1は、例えば、検査水へペルオキソ二硫酸のアルカリ金属塩を添加し、アルカリ性下において90℃から検査水の沸騰温度までの温度で加熱する工程1Aと、工程1Aを経た検査水へ塩化バナジウム(III)を添加し、酸性下において加熱する工程1Bとを含む。
【0012】
本発明の定量方法は、工程3の前に、工程2を経た検査水のpHが7より大きくなるよう調整する工程をさらに含み、かつ、工程3においてジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定するのが好ましい。
【0013】
本発明においてジアゾ化試薬として用いられる芳香族第一級アミン化合物群は、例えば、オルト位若しくはパラ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第1群と、メタ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第2群とからなる。第1群の一例は、1−アミノアントラキノン、2−ニトロアニリン、4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウム、p−ニトロアニリン、2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンおよび1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムからなり、第2群の一例は、3’−アミノアセトフェノンおよび3−アミノベンゾフェノンからなる。
【0014】
本発明においてジアゾ化試薬として用いられる3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群は、例えば、3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンおよび2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンからなる。
【0015】
本発明の定量方法の一形態では、工程2においてジアゾ化試薬を上述の第1群から選択し、かつ、工程3においてジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する。この場合、工程2において、ジアゾ化試薬とともに、検査水に対してアルコール系化合物並びに次亜りん酸およびその塩からなる化合物群から選択された少なくとも1種の化合物をさらに添加するのが好ましい。
【0016】
本発明の定量方法の他の一形態では、工程2においてジアゾ化試薬を上述の第2群から選択し、かつ、工程3においてジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する。
【0017】
本発明の定量方法のさらに他の一形態では、工程2においてジアゾ化試薬を3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群から選択し、かつ、工程3においてジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する。
【0018】
工程3においてジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する上記各形態の定量方法においては、通常、工程2を経た検査水のpHが7より大きくなるよう調整する工程をさらに含むのが特に好ましい。
【0019】
本発明の定量方法のさらに他の一形態では、工程2においてジアゾ化試薬を上述の第2群から選択し、かつ、工程3においてジアゾニウム塩による着色の吸光度を測定する。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係る全窒素の定量方法は、上述の工程を含むものであるため、亜硝酸イオンによるジアゾ化反応を利用したものでありながら、検査水の全窒素を簡単に高濃度の領域まで定量することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】実験例1Aで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図2】実験例1Aで作成した検量線を示す図。
【図3】実験例1Bで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図4】実験例1Bで作成した検量線を示す図。
【図5】実験例1Cで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図6】実験例1Cで作成した検量線を示す図。
【図7】実験例1Dで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図8】実験例1Dで作成した検量線を示す図。
【図9】実験例1Eで作成した検量線を示す図。
【図10】実験例1Fで作成した検量線を示す図。
【図11】実験例1Gで作成した検量線を示す図。
【図12】実験例1Hで作成した検量線を示す図。
【図13】実験例1Iで作成した検量線を示す図。
【図14】実験例1Jで作成した検量線を示す図。
【図15】実験例1Kで作成した検量線を示す図。
【図16】実験例1Lで作成した検量線を示す図。
【図17】実験例1Mで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図18】実験例1Mで作成した検量線を示す図。
【図19】実験例1Nで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図20】実験例1Nで作成した検量線を示す図。
【図21】実験例1Oで作成した検量線を示す図。
【図22】実験例1Pで作成した検量線を示す図。
【図23】実験例1Qで作成した検量線を示す図。
【図24】実験例1Rで作成した検量線を示す図。
【図25】実験例1Sで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図26】実験例1Sで作成した検量線を示す図。
【図27】実験例1Tで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図28】実験例1Tで作成した検量線を示す図。
【図29】実験例1Uで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図30】実験例1Uで作成した検量線を示す図。
【図31】実験例1Vで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図32】実験例1Vで作成した検量線を示す図。
【図33】比較例1で作成した検量線を示す図。
【図34】実験例2Aで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図35】実験例2Bで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図36】実験例2Cで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図37】実験例2Dで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図38】実験例3Aで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図39】実験例3Bで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【図40】実験例3Cで測定した吸光スペクトルの結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明の方法により全窒素を定量可能な検査水は、特に限定されるものではないが、通常は工場排水や生活排水等の窒素の排出規制が設けられている排水の他、海洋水、湖沼水、河川水および地下水等の天然水であり、窒素化合物を含む可能性のあるものである。但し、本発明の定量方法は、窒素化合物を含まない検査水に対して適用することも可能である。
【0023】
検査水の全窒素を定量する際には、先ず、所定量の検査水を採取し、この検査水に含まれる窒素化合物を構成する窒素元素を亜硝酸イオンへ変換するための前処理をする(工程1)。
【0024】
この前処理では、通常、検査水に含まれる窒素化合物を酸化分解することで窒素化合物を構成する窒素元素を硝酸イオンに変換(工程1A)した後、この硝酸イオンをさらに還元することで亜硝酸イオンに変換(工程1B)するのが好ましい。
【0025】
工程1Aでは、通常、ペルオキソ二硫酸のアルカリ金属塩を用い、アルカリ性下において窒素化合物を酸化分解する。ここで、検査水に当初から含まれる亜硝酸イオンは、この工程において併せて酸化され、一度硝酸イオンへ変換される。また、検査水に当初から含まれる硝酸イオンは、この工程においてそのまま硝酸イオンとして維持される。
【0026】
ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩を用いた酸化分解方法は、例えば、日本工業規格 JIS K0102 「工場排水試験方法(2008)」の45.2に挙げられた「紫外吸光光度法」において、窒素化合物を硝酸イオンへ変換するための方法として記載されており、この記載に従って実行することができる。但し、この「紫外吸光光度法」による方法は、ペルオキソ二硫酸のアルカリ金属塩を添加した検査水をアルカリ性下において120℃で30分間加熱することから、その操作において高圧蒸気滅菌器やオートクレーブのような耐圧反応器を用いる必要がある。このため、「紫外吸光光度法」による方法は、本発明の定量方法の自動化を想定したとき、自動化装置の複雑化を招くことになることから支障がある。
【0027】
そこで、本発明の定量方法は、自動化を想定したとき、上述の「紫外吸光光度法」において規定の方法を、耐圧容器を用いずに実行できるように変更するのが好ましい。例えば、工程1Aでは、検査水にペルオキソ二硫酸のアルカリ金属塩を添加し、アルカリ性下(好ましくはpH10以上のアルカリ性下)において、90℃から検査水が沸騰する温度まで(好ましくは100℃以下)の温度範囲で加熱するのが好ましい。
【0028】
工程1Aにおいて用いられるペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩は、通常、ペルオキソ二硫酸カリウムまたはペルオキソ二硫酸ナトリウムである。ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩は、通常、水溶液として検査水へ添加するのが好ましい。また、ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩を添加した検査水は、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウムまたは水酸化バリウムなどのアルカリ性水溶液を別途添加することでアルカリ性に調整することができる。なお、ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩は、このようなアルカリ性水溶液の溶液として検査水へ添加することもでき、この場合、検査水は、アルカリ性水溶液を別途添加しなくてもアルカリ性に調整され得る。
【0029】
ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩は、検査水に含まれる窒素化合物の全量を十分に酸化分解可能なように添加量を設定するのが好ましいが、あまり過剰に添加すると、未反応のペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩が検査水に残留し、それが後記する工程2において誤発色を引き起こす可能性がある。特に、工程1Aにおいて90℃から検査水が沸騰する温度まで(好ましくは100℃以下)の温度範囲で検査水を加熱する場合、未反応のペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩が検査水に残留しやすい。このため、アルカリ性に調整後の検査水におけるペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩の濃度は、通常、0.5〜20g/Lになるよう設定するのが好ましく、1〜10g/Lになるよう設定するのがより好ましい。
【0030】
工程1Aでの加熱時間は、検査水に含まれる窒素化合物の全量を十分に酸化分解できかつぺルオキソ二硫酸アルカリ金属塩が一部未反応のまま残留することのないよう全量が消費または自己分解により消滅するように設定するのが好ましく、通常、30〜120分が好ましい。なお、ペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩を消滅させるためにこの工程での加熱時間が長くなる場合、検査水に含まれる窒素化合物の酸化分解に十分な時間加熱した後、検査水に対して紫外線照射等の処理をすることで残留するペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩を酸化分解することもできる。この場合、この工程での加熱時間を短縮することができる。
【0031】
工程1Bでは、例えば、塩化バナジウム(III)を用いて硝酸イオンを亜硝酸イオンへ変換することができる。この例では、工程1Aを経た検査水に対して塩化バナジウム(III)を添加し、酸性下において反応させる。この反応では、塩化バナジウム(III)が酸性下で還元剤として作用し、検査水に含まれる硝酸イオン、すなわち、検査水に当初から含まれる硝酸イオンおよび工程1Aにおいて生成した硝酸イオンを還元して亜硝酸イオンへ変換する。なお、塩化バナジウム(III)により硝酸イオンを酸性下で亜硝酸イオンに還元可能なことは、例えば、次の非特許文献2において既に知られている。
【0032】
【非特許文献2】郷康弘、分析化学、55巻、4号、259−262頁、2006年
【0033】
検査水に対する塩化バナジウム(III)の添加量は、通常、検査水に含まれる硝酸イオンの全量を亜硝酸イオンへ還元可能なように設定するのが好ましく、通常、この工程において所要の薬剤を添加した後の検査水における濃度が0.1〜2.0g/Lになるよう設定するのが好ましく、0.2〜1.0g/Lになるよう設定するのがより好ましい。
【0034】
上記のとおり、塩化バナジウム(III)による硝酸イオンの還元反応は、酸性下で加熱することにより進行させる。具体的には、全窒素の定量結果に影響する可能性がある窒素元素を含まずかつ本工程での還元反応を阻害しない酸を検査水に添加することで検査水を酸性に調整し、その環境下で反応を進行させる。酸としては、例えば、塩酸および硫酸などの無機酸、酢酸、ベンゼンスルホン酸、クエン酸およびコハク酸などの有機酸並びにこれらの水溶液を用いることができるが、通常は塩酸水溶液(希塩酸)または硫酸水溶液(希硫酸)を用いるのが好ましい。
【0035】
検査水に対する酸の添加量は、工程1Bでの反応が円滑かつ安定に進行するように検査水を酸性に調整可能なように設定するのが好ましく、通常、検査水のpHが3以下になるように設定するのが好ましく、0〜1.5になるよう設定するのが特に好ましい。
【0036】
ここで、酸は、塩化バナジウム(III)の溶媒として検査水へ添加するのが好ましい。すなわち、検査水は、塩化バナジウム(III)の酸溶液を添加することで酸性に調整するのが好ましい。この際、酸としては、希塩酸または希硫酸を用いるのが特に好ましい。工程1Aの終了後の検査水がアルカリ性の場合、そこに塩化バナジウム(III)を添加すると水酸化バナジウムとして析出してしまうことになる。
【0037】
なお、塩化バナジウム(III)は、逆浸透膜等により膜処理することで得られる純水、蒸留水またはイオン交換水等の精製水を用いて調製した水溶液として検査水へ添加することもできるが、この場合、検査水に対する酸の添加時期は、塩化バナジウム(III)の水溶液を添加する前が好ましい。このようにすることで、上述のような水酸化バナジウムの析出を抑えることができる。但し、工程1Aにおいて用いるペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩は、自己分解により酸性化合物になると、それが検査水のpHを酸性側へ移行させる作用を有する。したがって、工程1Aにおいてアルカリ性水溶液およびペルオキソ二硫酸アルカリ金属塩の使用量を調整することで、工程1Aの終了時の検査水が中性〜酸性になるよう制御すれば、検査水に対して塩化バナジウム(III)の水溶液を添加してから酸を添加することもできる。
【0038】
工程1Bでの反応のための加熱温度は、通常、60〜100℃に設定するのが好ましい。加熱温度が60℃未満の場合は、検査水に含まれる硝酸イオンが亜硝酸イオンに還元されにくい場合がある。反応に要する時間は、加熱温度により変動し、加熱温度を高めるほどに短縮することができるが、通常、5〜120分程度である。
【0039】
工程1Bは、上述のような塩化バナジウム(III)を用いる方法の他に、日本工業規格 JIS K0102 「工場排水試験方法(2008)」の45.4に掲げられた「銅・カドミウムカラム還元法」に記載の銅・カドミウムカラムを用いて硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する方法や、同日本工業規格の45.3に掲げられた「硫酸ヒドラジニウム還元法」に記載の銅を触媒として硫酸ヒドラジニウムにより硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する方法に従って実行することもできる。
【0040】
次に、工程1を経た検査水に対してジアゾ化試薬を添加し、酸性下において反応させる(工程2)。ここで、工程1を経た検査水に含まれる亜硝酸イオンは、酸性下でジアゾ化試薬と反応し、ジアゾニウム塩を生成する。
【0041】
この工程で用いられるジアゾ化試薬は、亜硝酸イオンとの反応によりジアゾニウム塩を生成可能なもの、特に、検査水への添加によりそれ自体で検査水を着色させることができ、同時に、生成したジアゾニウム塩により検査水を着色させることができるものである。このようなジアゾ化試薬としては、通常、ケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物の群および3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物の群からなる群から選ばれた化合物を用いることができる。
【0042】
芳香族第一級アミン化合物の群は、オルト位若しくはパラ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第1群と、メタ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第2群とからなる。
【0043】
第1群は、例えば、1−アミノアントラキノン、2−ニトロアニリン、4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウム、p−ニトロアニリン、2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノン、1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム、2−アミノ−2’−フルオロ−5−ブロモベンゾフェノン、4−アミノベンゾフェノン、4−フルオロ−2−ニトロアニリン、5−アミノ−2−ニトロベンゾトリフルオリド、4−アミノ−3−ニトロベンゾフェノン、2−アミノ−5−ニトロベンゾフェノンおよび4,6−ジニトロ−o−トルイジンなどを含むが、1−アミノアントラキノン、2−ニトロアニリン、4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウム、p−ニトロアニリン、2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンおよび1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムからなるものが特に好ましい。
【0044】
一方、第2群は、例えば、3’−アミノアセトフェノン、3−アミノベンゾフェノン、2−アミノ−9−フルオレノン、m−ニトロアニリンおよび2−クロロ−5−ニトロアニリンなどを含むが、3’−アミノアセトフェノンおよび3−アミノベンゾフェノンからなるものが好ましい。
【0045】
3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物の群は、例えば、3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン、2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンおよび3−アミノ−5,5−ジメチル−2−シクロヘキセン−1−オンなどを含むが、3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンおよび2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンからなるものが特に好ましい。
【0046】
ジアゾ化試薬は、通常、溶媒に溶解した溶液として検査水へ添加するのが好ましい。ジアゾ化試薬を溶解するために用いられる溶媒としては、例えば、既述の精製水、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、アセトン並びにメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ポリエチレングリコールおよびグリセリン等のアルコール類などが挙げられる。
【0047】
検査水へのジアゾ化試薬の添加量は、検査水に含まれる亜硝酸イオンの全量がジアゾニウム塩の生成に関与するのに十分な量に設定する必要があり、検査水に含まれるものと想定される亜硝酸イオンと少なくとも等モルに設定する必要がある。この点に関し、検査水中に含まれる窒素化合物から硝酸イオンを経て誘導される亜硝酸イオンを考慮すると、検査水に含まれる亜硝酸イオン濃度は一般的に0〜35mg[NO]/L程度の範囲と想定されることから、例えば、検査水の量を2.0mLとした場合のジアゾ化試薬の添加量は、通常、1.5μmol以上になるよう設定するのが好ましい。但し、検査水の亜硝酸イオン濃度が35mg[NO]/Lよりも大幅に低いことが判明している、または、想定されるような場合、ジアゾ化試薬の添加量は1.5μmol未満であってもよい。
【0048】
この工程において、ジアゾ化試薬と亜硝酸イオンとの反応によるジアゾニウム塩の生成反応は、酸性下、好ましくはpHが0〜3、より好ましくはpHが0〜1.5の酸性下で加熱することにより進行させる。工程1Bを終了後の検査水がこのような酸性状態を維持している場合、この工程は、その検査水に対してジアゾ化試薬を添加して加熱することで実行することができる。一方、工程1Bを終了後の検査水が上述のような酸性状態ではない場合、検査水は、塩酸および硫酸などの無機酸、酢酸、ベンゼンスルホン酸、クエン酸およびコハク酸などの有機酸並びにこれらの水溶液、好ましくは塩酸水溶液を添加することでpHを上記範囲に調整するのが好ましい。なお、酸の添加時期は、ジアゾ化試薬の添加の前後のいずれであってもよい。
【0049】
この工程での反応は、通常、5〜40℃程度の室温で進行させることができる。反応に要する時間は、温度により変動するが、通常、5〜30分程度である。反応時間を短縮するために、検査水を適宜加熱することもできる。この場合、加熱温度は、40〜100℃に設定するのが好ましい。
【0050】
この工程において、検査水に当初から含まれる亜硝酸イオンおよび工程1において窒素化合物から生成した亜硝酸イオンは、酸性下においてジアゾ化試薬と反応し、ジアゾニウム塩を生成する。これにより、ジアゾ化試薬の添加により着色した検査水は、ジアゾ化試薬が亜硝酸イオンとの反応により消費されることでジアゾ化試薬自体による着色が退色し、同時に、生成したジアゾニウム塩による着色を呈するようになる。
【0051】
次に、工程2を経た検査水の吸光度を測定する(工程3)。ここで測定する吸光度は、検査水に残留しているジアゾ化試薬が検査水に付与している着色の吸光度(以下、「吸光度A」と称することがある。)、または、ジアゾ化試薬の反応により生成するジアゾニウム塩が検査水に付与している着色の吸光度(以下、「吸光度B」と称することがある。)である。
【0052】
吸光度Aは、ジアゾ化試薬そのものが検査水に付与する着色についてのものであり、この着色はジアゾ化試薬が検査水中の亜硝酸イオンとの反応で消費されるに従って着色強度が低下する。このため、吸光度Aと検査水におけるジアゾ化試薬濃度および亜硝酸イオン濃度とは相関性を有する。吸光度Aの測定波長は、ジアゾ化試薬が検査水に付与する着色の極大吸収波長またはその付近の波長であり、使用するジアゾ化試薬の種類により異なるため特定されるものではないが、通常は250〜600nmの範囲にある。
【0053】
一方、吸光度Bは、反応により生成したジアゾニウム塩が検査水に付与する着色についてのものであり、この着色は反応の進行によりジアゾニウム塩濃度が高まるに従って着色強度が高まる。そして、ジアゾニウム塩濃度は、検査水の亜硝酸イオン濃度に応じて高まることから、吸光度Bと、工程1を経た検査水における亜硝酸イオン濃度とは相関性を有する。吸光度Bの測定波長は、生成するジアゾニウム塩が検査水に付与する着色の極大吸収波長またはその付近の波長であり、生成するジアゾニウム塩の種類(すなわち使用するジアゾ化試薬の種類)により異なるため特定されるものではないが、通常は250〜600nmの範囲にある。
【0054】
この工程では、吸光度Aまたは吸光度Bと亜硝酸イオン濃度との関係を予め調べて作成しておいた検量線に基づいて、吸光度Aまたは吸光度Bの測定値から検査水の亜硝酸イオン量を判定する。ここで作成する検量線は、亜硝酸イオン濃度と吸光度Aまたは吸光度Bとの間の直線関係が比較的高濃度の亜硝酸イオン濃度の範囲まで良好に成立することから、検査水に含まれる亜硝酸イオンの定量可能範囲がJIS法等の従来法で可能な範囲よりも広い0〜53mg/[NO]/Lの範囲になる。
【0055】
検査水の全窒素濃度は、工程3で得られた亜硝酸イオンの定量結果から換算することで求めることができる。工程3での亜硝酸イオンの上述の定量可能範囲は、全窒素換算で0〜16mg[N]/Lの広範囲に相当する。したがって、本発明の定量方法は、窒素化合物を含む検査水の全窒素濃度を測定するための方法として有効である。
【0056】
なお、工程3では、亜硝酸イオンの定量結果の信頼性を高めるために、吸光度Aと吸光度Bとの両方を測定し、各吸光度に基づいて検査水の亜硝酸イオン量を別々に判定することもできる。この場合、吸光度Aによる判定結果と吸光度Bによる判定結果とが実質的に一致していれば、定量結果の信頼性が高いものと判断することができる。
【0057】
本発明の定量方法は、工程3において吸光度Aを測定する場合、工程3の前に、工程2を経た検査水のpHが7より大きくなるよう調整する工程(工程3’)をさらに含むのが好ましい。吸光度Aは、検査水のpHが7以下のとき、pH値により数値が異なる場合があることから亜硝酸イオンの定量結果に多少の誤差を生じさせる可能性があるが、このような調整をすると、吸光度AはpHの影響による測定誤差が小さくなるため、亜硝酸イオン濃度の定量精度をより高めることができる。
【0058】
検査水のpHは、通常、工程2の終了後の検査水へアルカリ金属の水酸化物、炭酸塩若しくは炭酸水素塩などのアルカリ化合物またはその水溶液を添加することで調整することができるが、通常は水酸化ナトリウム水溶液を添加することで調整するのが好ましい。
【0059】
本発明の定量方法の好ましい一形態(形態1)では、工程2においてオルト位若しくはパラ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第1群からジアゾ化試薬を選択し、工程3において吸光度Aを測定する。この場合、ジアゾ化試薬が検査水中の亜硝酸イオンとの反応で消費されやすく、ジアゾ化試薬による着色強度が低下しやすいため、亜硝酸イオン濃度の定量精度を高めやすい。
【0060】
但し、この形態の工程2で生成したジアゾニウム塩は、それを形成するジアゾニウムイオンのジアゾニオ基(−N)が容易に分解され、その基がヒドロキシル基(−OH)に変換された化合物(以下、変換化合物という場合がある。)を生成する傾向にある。特に、工程2は、加熱下で実行したとき、このような変換化合物の生成が進行しやすい。例えば、ジアゾ化試薬として1−アミノアントラキノンを用いた場合、そのジアゾニウムイオンのジアゾニオ基がヒドロキシル基に変換され、変換化合物として1−ヒドロキシアントラキノンが生成する。生成した変換化合物のヒドロキシル基は、ジアゾ化試薬のアミノ基(−NH)と同様に非共有電子対を有することから、それが結合している芳香族構造部分と共役系を形成する。このため、変換化合物は、ジアゾ化試薬の極大吸収波長の近接波長に極大吸収波長を有する別の色素として検査水を着色し、工程3において測定する吸光度に影響する可能性がある。例えば、1−アミノアントラキノンによる着色の吸光スペクトルでは480nm付近が極大吸収波長になるが、変換化合物である1−ヒドロキシアントラキノンによる着色の吸光スペクトルでは極大吸収波長が400nm付近になる。このため、工程3において、発光ダイオードのような光源を用いて吸光度を測定するとき、当該光源からは波長幅を持った光が照射されることになるため、目的の吸光度の測定において変換化合物による検査水の着色が障害になりやすい。
【0061】
そこで、この形態の工程2では、検査水へジアゾ化試薬とともに、アルコール系化合物並びに次亜りん酸およびその塩からなる化合物群から選択された少なくとも1種の化合物(以下、「添加剤」という場合がある。)を添加するのが好ましい。このような添加剤を添加した場合、工程2において生成したジアゾニウム塩のジアゾニウムイオンは、ジアゾニオ基が水素原子へ速やかに還元されることで変換化合物とは別の化合物に変換される。例えば、ジアゾ化試薬が1−アミノアントラキノンの場合、この工程では、1−ヒドロキシアントラキノンの生成が抑えられ、代わりにアントラキノンが生成する。この別の化合物は、ジアゾニオ基の還元による水素原子が芳香族構造部分の共役系に関与しないことから検査水を着色しにくく、工程3での吸光度の測定に影響しにくい。
【0062】
添加剤として利用可能なアルコール系化合物としては、例えば、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、ポリエチレングリコールおよびグリセリンなどを挙げることができる。また、次亜りん酸塩としては、次亜りん酸ナトリウム、次亜りん酸カリウムおよび次亜りん酸カルシウム並びにこれら次亜りん酸塩の水和物などを挙げることができる。
【0063】
添加剤は、通常、溶媒に溶解した溶液として検査水に添加するのが好ましい。溶媒としては、例えば、既述の精製水およびジメチルスルホキシドなどが挙げられる。また、添加剤は、検査水を酸性に設定するために用いられる酸やその水溶液の溶液として検査水へ添加することもできる。さらに、ジアゾ化試薬をアルコール類に溶解した溶液として検査水へ添加する場合、溶媒として用いるアルコール類を添加剤として用いることもできる。
【0064】
検査水への添加剤の添加量は、工程2での反応により生成するジアゾニウム塩のジアゾニウムイオンの全量を還元するのに十分な量に設定するのが好ましく、通常、検査水へ添加するジアゾ化試薬量と少なくとも等モルになるよう設定するのが好ましい。
【0065】
本発明の定量方法の他の好ましい一形態(形態2)では、工程2においてメタ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第2群からジアゾ化試薬を選択し、かつ、工程3において吸光度Aを測定する。この形態では、吸光度AはpHの影響による測定誤差が小さくなり、また、第2群のジアゾ化試薬は検査水中の亜硝酸イオンとの反応で消費されやすいことから検査水での着色強度が低下しやすいため、亜硝酸イオン濃度の定量精度を高めやすい。
【0066】
本発明の定量方法のさらに他の好ましい一形態(形態3)では、工程2において3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物の群からジアゾ化試薬を選択し、工程3において吸光度Aを測定する。この場合、ジアゾ化試薬が検査水中の亜硝酸イオンとの反応で消費されやすく、ジアゾ化試薬による着色強度が低下しやすいため、亜硝酸イオン濃度の定量精度を高めやすい。
【0067】
なお、形態1〜3においては、pHの影響による吸光度Aの測定誤差を抑えるために、工程3の前に、工程2を経た検査水のpHが7よりも大きくなるよう設定するのが特に好ましい。
【0068】
本発明の定量方法のさらに他の好ましい一形態では、工程2においてメタ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第2群からジアゾ化試薬を選択し、工程3において吸光度Bを測定する。この場合、第2群のジアゾ化試薬と検査水中の亜硝酸イオンとの反応が進行しやすく、生成するジアゾニウム塩による着色強度が高まりやすいため、亜硝酸イオン濃度の定量精度を高めやすい。
【0069】
本発明の定量方法において用いられる各種の水溶液は、既述の精製水を用いて調製することが明記されている以外のものについても、既述の精製水を用いて調製したものを用いるのが好ましい。
【0070】
<実験例>
試薬および分光光度計
以下の実験例等で用いた試薬および分光光度計は次のものである。
亜硝酸性窒素標準液(イオンクロマトグラフ用):和光純薬工業株式会社 コード147−06341
10重量%塩酸:和光純薬工業株式会社 コード085−07535
1mol/L塩酸:和光純薬工業株式会社 コード083−01095
10w/v%水酸化ナトリウム溶液:和光純薬工業株式会社 コード191−11555
1mol/L水酸化ナトリウム溶液:和光純薬工業株式会社 コード192−02175
エタノール:和光純薬工業株式会社 コード052−00467
次亜りん酸ナトリウム一水和物:和光純薬工業株式会社 コード193−02225
1−プロパノール:和光純薬工業株式会社 コード162−04816
ジメチルスルホキシド(試薬特級):和光純薬工業株式会社 コード043−07216
1−アミノアントラキノン:東京化成工業株式会社 コードA0590
2−ニトロアニリン:東京化成工業株式会社 コードN0118
4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウム:東京化成工業株式会社 コードA0375
1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム:東京化成工業株式会社 コードA0279
p−ニトロアニリン:東京化成工業株式会社 コードN0119
2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノン:東京化成工業株式会社 コードA0315
3’−アミノアセトフェノン:東京化成工業株式会社 コードA0249
3−アミノベンゾフェノン:東京化成工業株式会社 コードA1899
3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン:東京化成工業株式会社 コードA1936
2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノン:東京化成工業株式会社 コードA1288
スルファニルアミド(試薬特級):和光純薬工業株式会社 コード191−04502
ナフチルエチレンジアミン(窒素酸化物測定用):和光純薬工業株式会社 コード147−04141
分光光度計:株式会社島津製作所の商品名「UV−1600PC」
【0071】
<実験例1>
実験例1A
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0および12.0mg[N]/Lの7種類の亜硝酸イオン溶液を用意した。亜硝酸イオン濃度が0mg[N]/Lの亜硝酸イオン溶液は蒸留水をそのまま用い、また、他の亜硝酸イオン溶液は亜硝酸性窒素標準液を蒸留水で希釈することで亜硝酸イオン濃度を調整した。
【0072】
(検量線の作成)
用意した7種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して1−アミノアントラキノンの1−プロパノール溶液(濃度0.2g/L)2.0mLを添加し、さらに10重量%塩酸0.5mLを添加してpHを0.6に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で15分間放置して反応させた後、反応液の282〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図1に示す。
【0073】
次に、測定した吸光スペクトルから1−アミノアントラキノンによる発色波長である480nmの吸光度(吸光度A)を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。また、測定した吸光スペクトルから反応により生成したジアゾニウム塩による発色波長である330nmの吸光度(吸光度B)を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図2に示す。図2によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0074】
実験例1B
pHを0.6に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で15分間放置して反応させた後、反応液に10w/v%水酸化ナトリウム溶液0.6mLをさらに加えてpHを12.4に調整してから吸光スペクトルを測定した点を除いて実験例1Aと同様に操作し、2種類の検量線を作成した。吸光スペクトルの測定結果を図3に示し、検量線を図4に示す。図4によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0075】
実験例1C
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、2.0、4.0および6.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0076】
(検量線の作成)
用意した4種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して2−ニトロアニリンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.3g/L)0.5mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.2に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液の240〜500nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図5に示す。
【0077】
次に、測定した吸光スペクトルから2−ニトロアニリンによる発色波長である410nmの吸光度(吸光度A)を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。また、測定した吸光スペクトルから反応により生成したジアゾニウム塩による発色波長である280nmの吸光度(吸光度B)を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図6に示す。図6によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜6.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0078】
実験例1D
pHを1.2に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.4mLをさらに加えてpHを12.7に調整してから吸光スペクトルを測定した点を除いて実験例1Cと同様に操作し、2種類の検量線を作成した。吸光スペクトルの測定結果を図7に示し、検量線を図8に示す。図8によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜6.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0079】
実験例1E
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、0.5、1.0、1.5および2.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0080】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウムの水溶液(濃度0.6g/L)0.2mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.1に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、この反応液について4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウムによる発色波長である370nmの吸光度(吸光度A)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。また、反応液について、生成したジアゾニウム塩による発色波長である260nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図9に示す。図9によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜2.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0081】
実験例1F
pHを1.1に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.4mLをさらに加えてpHを12.9に調整してから4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウムによる発色波長である370nmの吸光度(吸光度A)および生成したジアゾニウム塩による発色波長である260nmの吸光度(吸光度B)を測定した点を除いて実験例1Eと同様に操作し、2種類の検量線を作成した。結果を図10に示す。図10によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜2.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0082】
実験例1G
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、1.0、2.0、3.0、4.0および5.0mg[N]/Lの6種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0083】
(検量線の作成)
用意した6種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対してp−ニトロアニリンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.33g/L)0.3mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.5mLを添加してpHを0.7に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で5分間放置して反応させた後、この反応液についてp−ニトロアニリンによる発色波長である380nmの吸光度(吸光度A)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。また、反応液について、生成したジアゾニウム塩による発色波長である310nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図11に示す。図11によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜5.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0084】
実験例1H
pHを0.7に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で5分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.7mLをさらに加えてpHを12.8に調整してからp−ニトロアニリンによる発色波長である380nmの吸光度(吸光度A)を測定した点を除いて実験例1Gと同様に操作し、検量線を作成した。結果を図12に示す。図12によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜5.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0085】
実験例1I
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、4.0、8.0、12.0および16.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0086】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.5mLに対して2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.5g/L)1.5mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.3に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で5分間放置して反応させた後、この反応液について2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンによる発色波長である520nmの吸光度(吸光度A)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。また、反応液について、生成したジアゾニウム塩による発色波長である460nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図13に示す。図13によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜16.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0087】
実験例1J
pHを1.3に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で5分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.5mLをさらに加えてpHを12.8に調整してから2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンによる発色波長である560nmの吸光度(吸光度A)および生成したジアゾニウム塩による発色波長である520nmの吸光度(吸光度B)を測定した点を除いて実験例1Iと同様に操作し、2種類の検量線を作成した。結果を図14に示す。図14によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜16.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0088】
実験例1K
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、0.5、1.0、1.5および2.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0089】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.33g/L)0.1mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.1に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、この反応液について3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンによる発色波長である280nmの吸光度(吸光度A)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図15に示す。図15によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜2.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0090】
実験例1L
pHを1.1に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.4mLをさらに加えてpHを12.9に調整してから3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンによる発色波長である270nmの吸光度(吸光度A)を測定した点を除いて実験例1Kと同様に操作し、検量線を作成した。また、反応液について、生成したジアゾニウム塩による発色波長である320nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図16に示す。図16によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜2.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0091】
実験例1M
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、4.0、8.0および12.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0092】
(検量線の作成)
用意した4種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.5g/L)1.0mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.3に設定した。この亜硝酸イオン溶液を95℃で30分間放置して反応させた後、300〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図17に示す。
【0093】
次に、測定した吸光スペクトルから2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンによる発色波長である460nmの吸光度(吸光度A)を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図18に示す。図18によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0094】
実験例1N
pHを1.3に調整した亜硝酸イオン溶液を95℃で30分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.5mLをさらに加えてpHを12.9に調整してから吸光スペクトルを測定した点を除いて実験例1Mと同様に操作し、検量線を作成した。検量線は、吸光スペクトルから2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンによる発色波長である480nmの吸光度(吸光度A)と、生成したジアゾニウム塩による発色波長である330nmの吸光度(吸光度B)とを抽出し、それぞれの吸光度による2種類のものを作成した。吸光スペクトルの測定結果を図19に示し、検量線を図20に示す。図20によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0095】
実験例1O
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、2.0、4.0、6.0および8.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0096】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して3’−アミノアセトフェノンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.3g/L)1.0mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.2に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、この反応液について3’−アミノアセトフェノンと亜硝酸イオンとの反応により生成したジアゾニウム塩による発色波長である330nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図21に示す。図21によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜8.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0097】
実験例1P
pHを1.2に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.4mLをさらに加えてpHを12.7に調整してから3’−アミノアセトフェノン自体による発色波長である330nmの吸光度(吸光度A)を測定した点を除いて実験例1Oと同様に操作し、検量線を作成した。また、反応液について、3’−アミノアセトフェノンと亜硝酸イオンとの反応により生成したジアゾニウム塩による発色波長である310nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。これらの結果を図22に示す。図22によると、作成した2種類の検量線は、いずれも、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜8.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0098】
実験例1Q
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、2.0、4.0、6.0および8.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0099】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して3−アミノベンゾフェノンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.5g/L)1.0mLを添加し、さらに1mol/L塩酸0.2mLを添加してpHを1.2に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置した後、3−アミノベンゾフェノンと亜硝酸イオンとの反応により生成したジアゾニウム塩による発色波長である330nmの吸光度(吸光度B)を測定し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図23に示す。図23によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜8.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0100】
実験例1R
pHを1.2に調整した亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.4mLをさらに加えてpHを12.7に調整してから3−アミノベンゾフェノン自体による発色波長である330nmの吸光度(吸光度A)を測定した点を除いて実験例1Qと同様に操作し、検量線を作成した。結果を図24に示す。図24によると、この検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜8.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0101】
実験例1S
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、4.0、8.0および12.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0102】
(検量線の作成)
用意した4種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.5mLに対して1−アミノアントラキノンのエタノール溶液(濃度0.5g/L)1.0mLを添加し、さらに10重量%塩酸1.0mLを添加してpHを0.2に設定した。この亜硝酸イオン溶液を70℃で15分間放置して反応させた後、反応液の330〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図25に示す。
【0103】
次に、測定した吸光スペクトルから1−アミノアントラキノンによる発色波長である480nmの吸光度を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図26に示す。図26によると、作成した検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0104】
実験例1T
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、2.0、4.0および6.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0105】
(検量線の作成)
用意した4種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して2−ニトロアニリンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.3g/L)0.5mLを添加し、さらに1mol/L塩酸水溶液に次亜りん酸ナトリウム一水和物を水分子を含めた濃度が10g/Lになるよう溶解した溶液0.2mLを添加してpHを1.2に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液の315〜530nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図27示す。
【0106】
次に、測定した吸光スペクトルから2−ニトロアニリンによる発色波長である415nmの吸光度を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図28に示す。図28によると、作成した検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜6.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0107】
実験例1U
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、0.5、1.0、1.5および2.0mg[N]/Lの5種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0108】
(検量線の作成)
用意した5種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.0mLに対して4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウムの水溶液(濃度0.6g/L)0.15mLを添加し、さらに1mol/L塩酸水溶液に次亜りん酸ナトリウム一水和物を水分子を含めた濃度が10g/Lになるよう溶解した溶液0.2mLを添加してpHを1.1に設定した。この亜硝酸イオン溶液を25℃で10分間放置して反応させた後、反応液の270〜440nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図29に示す。
【0109】
次に、測定した吸光スペクトルから4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウムによる発色波長である370nmの吸光度を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図30に示す。図30によると、作成した検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜2.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0110】
実験例1V
(亜硝酸イオン溶液の調製)
亜硝酸イオン濃度が0.0、4.0、8.0および12.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。
【0111】
(検量線の作成)
用意した4種類の亜硝酸イオン溶液のそれぞれ2.5mLに対して1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムの水溶液(濃度1.0g/L)1.0mLを添加し、さらに10重量%塩酸水溶液に次亜りん酸ナトリウム一水和物を水分子を含めた濃度が10g/Lになるよう溶解した溶液0.5mLを添加してpHを0.5に設定した。この亜硝酸イオン溶液を60℃で10分間放置して反応させた後、反応液の330〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図31に示す。
【0112】
次に、測定した吸光スペクトルから1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムによる発色波長である480nmの吸光度を抽出し、この吸光度から亜硝酸イオン濃度を判定するための検量線を作成した。結果を図32に示す。図32によると、作成した検量線は、少なくとも亜硝酸イオン濃度が0〜12.0mg[N]/Lの範囲で高い直線性を示している。
【0113】
<比較例1>
亜硝酸イオン濃度が0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9および1.0mg[N]/Lの11種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で用意した。そして、各亜硝酸イオン溶液に対して日本工業規格 JIS K 0102、工場排水試験方法(2008)43.1.1(非特許文献1)に規定されたナフチルエチレンジアミン吸光光度法を適用し、540nmの吸光度と亜硝酸イオン濃度との関係を調べた。結果を図33に示す。
【0114】
図33によると、亜硝酸イオン濃度の定量可能範囲は0〜0.3mg[N]/Lの範囲に止まり、本法で高濃度の亜硝酸イオンを定量することはできないことがわかる。
【0115】
<実験例2>
実験例2A
実験例1Aと同様にして亜硝酸イオン濃度が12.0mg[N]/Lの亜硝酸イオン溶液を調製した。調製した亜硝酸イオン溶液を3本の試験管A、BおよびCのそれぞれに2.5mLずつ入れ、各試験管の亜硝酸イオン溶液へ1−アミノアントラキノンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.5g/L)1.0mLを加えた。また、10重量%塩酸を0.5mLずつ添加し、pHを0.5に設定した。そして、ブロックヒーターを用いて各試験管を下記の条件で加熱した後、360〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図34に示す。なお、図34には、試験管Aについて、1−アミノアントラキノンのジメチルスルホキシド溶液を添加直後であって加熱前に同様の吸光スペクトルを測定した結果(ブランク)を併せて示している。
【0116】
試験管A:95℃で10分間
試験管B:95℃で30分間
試験管C:85℃で10分間
【0117】
図34によると、加熱後の試験管A〜Cについての吸光スペクトルは、1−アミノアントラキノンによる発色波長である480nmに近い440〜470nm付近において不一致が生じている(図34の一点鎖線枠内)。これは、480nm付近を中心として発光波長に幅のある発光ダイオードや同様に感度波長に幅のあるフォトトランジスタを用いて1−アミノアントラキノンによる着色の吸光度を測定しようとする場合、加熱温度や加熱時間の変動により吸光度の測定結果が変動することを意味し、亜硝酸イオンの定量結果が不正確になる可能性があることを示している。
【0118】
実験例2B
1−アミノアントラキノンのジメチルスルホキシド溶液を1−アミノアントラキノンの1−プロパノール溶液(濃度0.5g/L)に変更した点を除いて実験例2Aと同様に操作し、360〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図35に示す。なお、図35には、試験管Aについて、1−アミノアントラキノンの1−プロパノール溶液を添加直後であって加熱前に同様の吸光スペクトルを測定した結果(ブランク)を併せて示している。
【0119】
図35によると、加熱後の試験管A〜Cについての吸光スペクトルは、1−アミノアントラキノンによる発色波長である480nmに近い440〜470nm付近においても略一致している(図35の一点鎖線枠内)。これは、480nm付近を中心として発光波長に幅のある発光ダイオードや同様に感度波長に幅のあるフォトトランジスタを用いて1−アミノアントラキノンによる着色の吸光度を測定しようとする場合においても、加熱温度や加熱時間の変動により吸光度の測定結果が実質的に変動しないことを意味し、信頼性の高い亜硝酸イオンの定量結果が得られることを示している。
【0120】
実験例2C
亜硝酸イオン濃度が0.0、4.0、8.0および12.0mg[N]/Lの4種類の亜硝酸イオン溶液を実験例1Aと同様の方法で調製した。調製した4種類の亜硝酸イオン溶液2.0mLを個別の試験管に入れ、各試験管を90℃のブロックヒーターに装着した。そして、各試験管へ1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムの水溶液(濃度1.0g/L)0.8mL、10重量%塩酸水溶液0.5mLおよび蒸留水0.5mLを添加し、pHを0.5に設定した。ブロックヒーターによる亜硝酸イオン溶液の加熱温度を95℃に変更して15分間反応させた後、反応液の360〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図36に示す。
【0121】
図36によると、亜硝酸イオン溶液の濃度が異なることで420〜540nmの範囲での極大吸収波長が変動している。これは、測定された吸光スペクトルにおいて、1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムによる着色の吸光スペクトルと、1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムからジアゾニウム塩を経由して生成したヒドロキシ体(1−ヒドロキシ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウム)の吸光スペクトルとが融合した状態で現れているためと考えられる。特に、亜硝酸イオン濃度が高いほど極大吸収波長が低波長側へ移動しているのは、亜硝酸イオン濃度が高いためにヒドロキシ体の生成量が相対的に多くなるためと考えられる。
【0122】
実験例2D
蒸留水0.5mLに替えて水分子を含めた次亜りん酸ナトリウム一水和物濃度を10g/Lに設定した次亜りん酸ナトリウム一水和物水溶液0.5mLを試験管へ加えた点を除いて実験例2Cと同様に操作し、反応液の360〜600nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図37に示す。
【0123】
図37によると、亜硝酸イオン濃度が異なる場合であっても、亜硝酸イオン濃度が12.0mg[N]/Lの場合を除いて420〜540nmの範囲での極大吸収波長は略一定している。これは、次亜りん酸ナトリウム一水和物水溶液を用いることで実験例2Cのようなヒドロキシ体の生成が抑制され、1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムによる着色の吸光スペクトルが安定に得られたためと考えられる。
【0124】
<実験例3>
実験例3A
蒸留水2.5mL対してジアゾ化試薬であるp−ニトロアニリンのジメチルスルホキシド溶液(濃度0.3g/L)0.15mLを添加したジアゾ化試薬水溶液を4つ用意し、このうちの3つのそれぞれに1mol/L塩酸を0.03mL、0.06mLおよび0.09mL添加することで水素イオン濃度を0.011mol/L、0.022mol/Lおよび0.033mol/Lに調整した3種類の溶液を調製した。これらの溶液を25℃で5分間放置した後、290〜480nmの吸光スペクトルを測定した。結果を図38に示す。図38には、1mol/L塩酸を添加していないジアゾ化試薬水溶液のみについて同様の吸光スペクトルを測定した結果を併せて示している。
【0125】
実験例3B
実験例3Aで用意したものと同様のジアゾ化試薬水溶液を4つ用意し、このうちの3つのそれぞれに1mol/L塩酸に替えて1mol/L水酸化ナトリウム溶液を0.03mL、0.06mLおよび0.09mL添加することでpHを7以上に調整した3種類の溶液を調整した。これらの溶液について、実験例3Aと同様の条件で放置した後に吸光スペクトルを測定した。結果を図39に示す。図39には、1mol/L水酸化ナトリウム溶液を添加していないジアゾ化試薬水溶液のみについて同様の吸光スペクトルを測定した結果を併せて示している。
【0126】
実験例3C
実験例3Aと同様にして水素イオン濃度を調整した3種類の溶液を調製し、これらの溶液を25℃で5分間放置した。その後、それぞれの溶液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.15mLを添加し、pHをそれぞれ12.6、12.5および12.3に調整した3種類の溶液を調製した。これらの溶液について、実験例3Aと同様に吸光スペクトルを測定した結果を図40に示す。図40には、実験例3Aで用意したものと同じジアゾ化試薬水溶液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液0.15mLのみを添加することでpHを12.7に調整した溶液について、同様の吸光スペクトルを測定した結果を併せて示している。
【0127】
実験例3A〜3Cの説明
実験例3Aに関する図38は、吸光スペクトルを測定した溶液の水素イオン濃度が異なることで、ジアゾ化試薬であるp−ニトロアニリンの濃度が同じであっても極大吸収波長の吸光度が異なることを示している。より具体的には、溶液の水素イオン濃度が0.011mol/L増加する毎に、極大吸収波長の吸光度は約5%低下することを示している。これに対し、実験例3Bに関する図39は、ジアゾ化試薬水溶液に1mol/L水酸化ナトリウム溶液を添加してpHを7以上に設定すれば、p−ニトロアニリンの濃度が同じ溶液において極大吸収波長の吸光度に大きな変化が生じないことを示している。そして、実験例3Cに関する図40は、1mol/L塩酸を添加することで水素イオン濃度を高めた溶液は、1mol/L水酸化ナトリウム溶液の添加によりpHを7以上に調整してから吸収スペクトルを測定すると、極大吸収波長の吸光度に殆ど変化が生じないことを示している。
【0128】
以上の結果より、検査水の亜硝酸イオンを定量するときは、ジアゾ化試薬の反応後の検査水のpHを7以上に調整してから吸光度を測定するのが好ましいものと考えられる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒素化合物を含む可能性のある検査水の全窒素を定量するための方法であって、
前記窒素化合物を酸化分解により硝酸イオンへ変換した後にさらに還元して亜硝酸イオンへ変換するための工程1と、
工程1を経た前記検査水に対し、亜硝酸イオンとの反応によりジアゾニウム塩を生成可能なジアゾ化試薬を添加し、酸性下において反応させる工程2と、
工程2を経た前記検査水について、前記ジアゾ化試薬による着色の吸光度および生成した前記ジアゾニウム塩による着色の吸光度のうちの少なくとも一つの吸光度を測定することで亜硝酸イオン濃度を測定する工程3とを含み、
前記ジアゾ化試薬として、ケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物群および3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群からなる群から選ばれた化合物を用いる、
全窒素の定量方法。
【請求項2】
工程1は、前記検査水へペルオキソ二硫酸のアルカリ金属塩を添加し、アルカリ性下において90℃から前記検査水の沸騰温度までの温度で加熱する工程1Aと、工程1Aを経た前記検査水へ塩化バナジウム(III)を添加し、酸性下において加熱する工程1Bとを含む、請求項1に記載の全窒素の定量方法。
【請求項3】
工程3の前に、工程2を経た前記検査水のpHが7より大きくなるよう調整する工程をさらに含み、かつ、工程3において前記ジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する、請求項1または2に記載の全窒素の定量方法。
【請求項4】
前記芳香族第一級アミン化合物群は、オルト位若しくはパラ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第1群と、メタ位にケトン基若しくはニトロ基を有する芳香族第一級アミン化合物からなる第2群とからなる、請求項1または2に記載の全窒素の定量方法。
【請求項5】
前記第1群が1−アミノアントラキノン、2−ニトロアニリン、4−ニトロアニリン−2−スルホン酸ナトリウム、p−ニトロアニリン、2−アミノ−3−ヒドロキシアントラキノンおよび1−アミノ−4−ブロモアントラキノン−2−スルホン酸ナトリウムからなり、前記第2群が3’−アミノアセトフェノンおよび3−アミノベンゾフェノンからなる、請求項4に記載の全窒素の定量方法。
【請求項6】
前記3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群が3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オンおよび2−アミノ−3−クロロ−1,4−ナフトキノンからなる、請求項1または2に記載の全窒素の定量方法。
【請求項7】
工程2において前記ジアゾ化試薬を前記第1群から選択し、かつ、工程3において前記ジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する、請求項4または5に記載の全窒素の定量方法。
【請求項8】
工程2において、前記ジアゾ化試薬とともに、前記検査水に対してアルコール系化合物並びに次亜りん酸およびその塩からなる化合物群から選択された少なくとも1種の化合物をさらに添加する、請求項7に記載の全窒素の定量方法。
【請求項9】
工程2において前記ジアゾ化試薬を前記第2群から選択し、かつ、工程3において前記ジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する、請求項4または5に記載の全窒素の定量方法。
【請求項10】
工程2において前記ジアゾ化試薬を前記3−アミノ−2−シクロヘキセン−1−オン骨格含有化合物群から選択し、かつ、工程3において前記ジアゾ化試薬による着色の吸光度を測定する、請求項6に記載の全窒素の定量方法。
【請求項11】
工程3の前に、工程2を経た前記検査水のpHが7より大きくなるよう調整する工程をさらに含む、請求項7から10のいずれかに記載の全窒素の定量方法。
【請求項12】
工程2において前記ジアゾ化試薬を前記第2群から選択し、かつ、工程3において前記ジアゾニウム塩による着色の吸光度を測定する、請求項4または5に記載の全窒素の定量方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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【図17】
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【図18】
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【図19】
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【図20】
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【図21】
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【図22】
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【図23】
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【図24】
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【図25】
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【図26】
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【図27】
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【図28】
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【図29】
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【図30】
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【図31】
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【図32】
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【図33】
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【図34】
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【図35】
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【図36】
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【図37】
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【図38】
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【図39】
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【図40】
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【公開番号】特開2013−29329(P2013−29329A)
【公開日】平成25年2月7日(2013.2.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−163711(P2011−163711)
【出願日】平成23年7月26日(2011.7.26)
【出願人】(000175272)三浦工業株式会社 (1,055)
【Fターム(参考)】