大気中のギ酸と酢酸の生成反応に関する研究 : 炭化水素-NO-空気系の光反応実験
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(2) 22. 圧まで希釈した。照射室内の温度は室温と点燈本数の. ぎ. 8. 影響を受け20∼30。Cの閲であった。. 工. 3.分析方法 原料の炭化水素は反応容器から直接1mZを採取し てGCTIDで分析した。ギ酸,酢酸は反応容器壁面ヘ 呈 ,1. ー部吸着するので,、照射後反応容器を加熱(約100。C). しながら,その全量をPorapak N (80∼100mes1ユ). 1ccを充てんした0.5cmφ×8Clnのガラス製捕集管. ミ. に真空ポンプ(油回転式)で1時聞吸引(途中追い出. Φ. 一. し効率を高めるため約3♂の精製空気を10分閲で導入. く. a. 菰. した。)し常温.吸着濃縮した。 この捕集管に三方コッ. クで切り換えたキャリヤーガスを通し,さらに150。C 0 准 2 3 4 5. min. まで加熱してGC−MSのカラムへ導入するP。カラム. Porapak Q+H3PO41%,0.5m. はPorapak Q(50/80mesh)÷H3PO41傷を充てん した3mnφ×0.51nのガラスカラムを50∼150。Cまで. カラム温度 50∼150。C l5。C/min昇温. 15。C/minで昇温して使用した。イオン化電圧は20eV. 鴎2SIMクロマトグラム例. とし,m/eをそれぞれのM+で基準ピークである46, 60に保持時闇順に設定して,SIM法で測定した。その 他のGC−MS使用条件は以下のとおりである。 装置 島津LKB−9000型. コレクタスリット 1.Omm 利得(マルチプライヤー) 2 利得(ガルバノメーター増巾器) ×10 定盤には,純水10mZにギ酸,酢酸(市販の純撮). 記録計 日立056型. をそれぞれ10μ♂および安定化のためリン酸100μZを. フラッシュヒーター温度1180。C. 加え標準溶液として,これを1μZ導入して得られた. セパレーター温度 150。C. ピーク面積との比較から,実験試料の叉手,酢酸の生. 加速電圧 3500V. 成量を求めた。図1にギ酸と酷酸のマススペクトル. トラップ電流 60μA. を,図2に反応実験試料のSIMクロマトグラムを示. イオン源温度 270。C. す。. 出ロスリット 0.4m狙. 4.実験結果 て00. 46(1鴇←). 4−1各種炭化水素からのギ酸,酢酸の生成量. Formic acid. 原料となる炭化水素はパラフィン系炭化水素から, エタン,プPパン,n一ブタン, n一ヘキサンを,オレ フィン系炭化水素からエチレン, プロピレン, 1一ブ テン,iso一ブテンを,芳香族炭化水素からベンゼン, トルエン,エチルベンゼン,o一キシレン, m一キシレ. 0 20 30 40 50 60 70. ン,P一キシレン,ユ,2,4一トジチルメチルベンービンを. 選びそれぞれについて,炭化水素10ppm, NO 5pp鵜,. 加湿,照射5時間の条件で実験した。各種炭化水素か. 紛0. Acetic acld. 6◎(醗つ. らのギ酸,酢酸の生成量を表1と図3に示す。表1に は減少した炭化水素量と,減少した炭化水素に対する. ギ酸,酢酸生成量の比を同時に示す。図3に示すよう にギ酸酢酸ともに,・一キシレン,肝キシレン,P一 キシレン,L2,4一トヲメチルベンゼン等ベンゼン環に. 複数のメチル基を有する芳香炭化水素から多量に生成. 0. されることがわかった。これらの炭化水素の反応減少 20 30 40 50 60 70. 図1ギ酸,酢酸のマススペクトル20eV. 量に対するギ酸の生成量の比率(濃度比)は30∼50 %,酢酸は20∼30%と高かった。反応姓が高く減少量.
(3) 23. 表1各種炭化水素からのギ酸と酢酸の生成量(ppm). 爵悪様炭化難網. 炭 化 水 素 HC. 種類炭化水素名. △HCOOH }△CH3COOH 一△HC. _△HC. 0.23. 0.20. 1.5. 0,15. 0.13. フ ロ ハ ン. 0。25. 0.06. 1.2. 0.21. 0,050. n一ブ タ ソ. 0.88. 0.43. 1.8. 0.49. 0,24. n一ヘキサン. 0.07. 0.06. 2.6. 0.027. 0.023. エ チ レ ン. 0,53. 0.08. 2.1. 0.25. 0.038. プロ ピ レ ン. 1。2. 0.41. 8.2. 0.15. 0.050. 1一ブ テ ソ. 0,94. 0.15. 7.2. 0.13. 0.021. 1SO一ブテン. 0.62. 0.40. 9,6. 0.065. 0.042. 1.1. 0.27. 2.0. 0,57. 0.14. エチルベンゼン. 0.46. 0.26. 2.2. 0.21. 0.12. 。一キシ レ ソ. 1.8. 1.2. 5.2. 0.34. 0,23. m一キシ レ ン. 1.8. 1,0. 4.6. 0.40. 0.22. P一キシ レ ソ. 2.2. 1.1. 4,4. 0.49. 0.25. 1,6. 1.7. 5.3. 0.31. 0.32. パラフィン. エ タ ン. ・レフ. 0.8. ベ ン ゼ ン. ト ル エ ソ. 芳 香 族. 1,2,4一ト リチノレ. ベンゼン. 初期濃度 HC!0PPm, NO 5PPIn,加湿,紫外線強度 kd=0.5min−1,照射時間 5hr.. 4−2 紫外線強度とギ酸,酢酸生成量の関係. CH3COOH. HCOO日. 紫外線強度をスモッグチャンバーのブラックライト. 照射本数によって,k(1値で0∼1min榊1まで変え,紫. P−xy【e【1e. ム『Xyle飾. 外線強度とギ酸,酢酸の生戒量の関係を調べた。炭化. B−x:・’ie:le. 水素としてエチレンとm一キシレンを選び,初期濃度. ?2,4−Tr孟制 狽?ylh四z。1奮e. は炭化水素10PPm, NO 5PPm加湿,照射隣間5hr・と. orリアleno. @Tolue爲e. しそれぞれについて実験の結果,表2,3,図4,5. @1−Bしし竃軽・r}【,. に示すようにギ酸と酢酸の生成反応には光が必要であ. @a一圧.h=匙a畿e. 奄唐潤│3ute珊. り,他の条他が一定であれば,照射5時圏までの生成. @f;とhy!ene. 量は紫外線強度とほぼ正比例の関係にあることがわか. Eロ監ylbe郎e具. った。しかしエチレンの減少塗に対するギ酸の生成量. @Propalle. は約20%とほぼ一定であった。またエチレンからは酢. @Eαaaρ. 酸はほとんど生成されなかったが,m一キシレンから. @n−He》:a貯. @Be鷲ze=田. 2. 1. ◎. 0. 1. ρpm. 2 Pρm. はギ酸の50∼80弩の酔酸が生成された。. 4−3 照射時問とギ酸,酢酸生成量の関係. 初期濃度 炭化水素!0ppm, NO 5PPIn,加温,. 照射時闘を0∼20時間まで変えて生成量の時間変化. 紫外線強度kd=0.5miガユ,照射蒔間 5hr.. を調べた結果を表4,5,図6,7に示す。・同様にエ. 図3 各種炭化水素からのギ酸と酢酸の生成量. チレン,鶏一キシレンを10ppm, NO 5ppm,加湿,紫. 外線強度はkd=0.5mindに設定し,それぞれについ が多いプロピレン,1一ブテン,isO一ブテン等は,芳香. て実験した。ギ酸は,エチレンから照射12時間までほ. 族炭化水素に次いで,ギ酸の生成量が多いが,減少量. ぼ直線的に増加し,それ以後も減少する傾向はなかっ. に対する生成量の比率は低かった。とくに酢酸の生成. た。照射20時間でエチレンは6.7ppm減少し,ギ酸が. 量の比率は芳香族に比べ低かった。パラフィン系炭化. 1,3ppm生成された。この比率は約20%で,照射5時. 水素およびベンゼン,エチルベンゼンは,反応性が低. 間のときの値とあまり変わらなかった。 m一キシレン. く,生成量も少なかった。. からは,ギ酸と酢酸が徐々に増加し,照射20時閣で.
(4) 24. 表2 エチレン反応系,紫外線強度と剛性,酢酸生成量(ppm). 紫 外 線強 度. 燕ラ綜墨. 鰭成量;エチル盗聴・H…H. ギ酸生成量. kd. △HCOOH. ・CH、C・・H卜・C、猛、 騙△C・H・. △CH℃00R 一△C2H4. 0. G. 0,043. 0.008. 0. 2. O.13. 0.15. 0.024. 0.80. 0.19. 0.G30. 4. 01%. 0,14. 0.026. 0.53. 0.26. 0.049. 4. 0.25. 0,16. 0.035. 0.73. 0.22. 0.048. 8. 0.5. 0.53. 0,008. 2.1. 0.25. 0.038. 12. 0.75. 0.37. 0.097. 4.1. 0.09. 0.024. 12. 0.75. 0.71. 0.067. 4.1. 0,17. 0.016. 16. 1.0. 1.27. 0.10. 6.9. 0.18. 0.014. C2壬{410ppm, MO 5ppm,加湿,照射5hr.. 表3 m一キシレン反応系,紫外線強度とギ酸,酢酸生成量(ppm). 紫 外 線強 度 ブラックライト「 照 射 本 数ト. ギ酸生成量 酢酸生成蚤. kd. ・HC・・H;・CH・C・O則. 。H。。。H}。CH、C。。H. m一キシレン 減少量. 一△Xylene. _△Xxlene. 一△Xylene. 4. 0.25. 0.54. 0.28. 1.8. 0.30. 0.16. 8. 0.5. 1.8. 0.95. 4.6. 0.40. 0.21. 12. 0.75. 2,2. 1.7. 4.6. 0.41. 0.33. 16. 1.0. 3.2. 2,0. 5.4. 0,59. 0.37. m−Xylene 10ppm, NO 5ppm,加湿,照射時間5hr.. 4. 1.5 HCOOトモ ●. HCOOH. 巨. §3. Ω.. 二1・0. 離. 書 蓋 §. ● C出COOH. 婁. §2. ●. 8. ■. 。 8 ●. 0.5 o. 重. o. CH3COOH. o. 0 0.5 tO 0. kd min4. 。. 00 0,5 ・・O kd min弓. 初期濃度 エチレン10ppm, NO 5ppm,. 初期濃度 m一キシレン10PPIn, NO 5ppm,. カrl湿, 員蕉身寸時舞男 5 hr.. カr将{昆, !照身寸日寺【背i 5hr.. 図4 エチレン反応系,紫外線強度とギ酸,. 図5 m一キシレン反応系,紫外線強度とギ酸,. 酢酸生成量の関係. 酢酸生成鑑の関係. は,m一キシレンは6.6ppm減少したのに対し,ギ酸は. 増加した。. 3.3,酢酸は2,4ppm生成された。 m一キシレン減少量. 4−4 炭化水素濃度とギ酸,酢酸生戒量の関係. に対する生成量の比率は5時間で,ギ酸39%,酢酸21. エチレンおよびm一キシレンの濃度を,0.2∼50ppm. %であるのに対し,20時間ではギ酸55%,酔酸40%と. まで変化させて,ギ酸,酢酸の生成量を調べた。他の.
(5) 25. 表4エチレン反応系,照射時間とギ酸,通客の生成董(ppm) ギ酸生成量. 照射蒔間. 酢酸生成量. △HCOOH. hr.. △CH3COOH. △HCOOH. エチレン減少量. 一△C2H4. 一△C2H4. △C}{3COOH 一△C2H4. 1. 0.077. 0.041. 0.07. 1.!. 0.59. 3. 0.095. 0.032. 1.4. 0.068. 0.023. 4. 0.15. 0.037. 5. 0.53. 0.08. 2.!. 0、25. 0.038. 8. 0.62. 0.076. 4.2. 0.15. 0.0!8. 12. 1.34. 0.19. 6.8. 0.20. 0.028. 15. 1.13. 0.11. 20. 1.33. 0.12. 6,7. 0.20. 0.018. C2H410PPm, NO 5PPrn, kd=0.5min−1,加湿. 表5m一キシレン反応系,照射時間とギ酸,醇酸生成量(PPm) 照射時欄. ギ酸生成量. hr.. △HCOOH. 驚譲濫1壁誌畿糧. △HCOOH. 一△Xylene. △CH3COOH 一△Xylene. 5. 1.8. 0.95. 4。6. 0.39. 0.21. 10. 2.4. 1.6. 5。8. 0.41. 0.28. 20. 3.3. 2.4. 6.6. 0.55. 0.40. m−Xylene 10PPm, NO 5PPm, kd冨0.5min一ユ,加湿. 4 ト{COOH. HCOO8. t5 薮. 琶 3. CH3COOH. ●. ■. α. ユ. ●. ●. 量. 量1P. 董. 蓮. 2 。. 芒. 8. 琶. 呂. ●. §α5. 。. ●. Q. ●. 0. 壌. CH3COOH. ●. 0. 噛O. 20. irra.匙ime hr.. 0. 0 10 20 1rra暫me h「.. 初期濃度 エチレン10PPIn, NO 5ppm,. 初期濃度 m一キシレン10ppm, NO 5ppm,. 加湿,紫外線強度 kd竺0.5min−1. 加湿,紫外線強度 kd漏0.5min−1. 図6 エチレン反応系,照射時間とギ酸,. 國7 m一キシレン反応系,照射時間とギ酸,. 酢酸生成量の関係. 酢酸生成量の関係. 条件はNO濃度1ppm,加湿,紫外線強度kd=0.5. 度の増加にともなって,ギ酸,酔酸の生成量が増加し. min−1,照射5時間と一定にした。図8に初期エチレ. たが,傾きは35。程度で,初期濃度が高くなると,ギ. ン濃度に対するギ酸の生成量の関係を,両対数グラフ. 酸,酢酸の生成量の比率は低下した。. 上に示す。傾きが40。の直線で,ギ酸の生成星は初期. 4−5 NO濃度とギ酸と酢酸生成量の関係. エチレン濃度に,NO濃度が1ppm一定であるにもか. NO濃度を0.05∼50ppmまで変化させて,ギ酸,酢. かわらず,ほぼ正比例することがわかった。m一キシ. 酸の生成量を調べた。エチレンおよびm一キシレンは. レンの場合を同様に図9に示す。初期mヰシレン濃. 各10PPm,加湿,紫外線強度kd漏0.5min鼎1,照射5.
(6) 26. 表6 エチレン反応系,初期エチレン濃度とギ酸,酢酸生成量(ppm) ギ酸生成量. エチレン濃度. 酢酸生成量. △HCOOH. △CH3COOH. エチレン減少量. 一△C2H4. △HCOOH. △CH3COOH. =「C2葛. 一△C2H4. 0. 0。065. 0.5. 0.061. 0,018. 0.18. 0.34. 0.10. 2. 0.041. 0.023. 0.37. 0.11. 0,062. 0.017. 2. 0,19. 0.033. 0.55. 0.35. 0。060. 10. 0.66. 0,052. 3.6. 0.18. 0.014. 50. 3.18. 0,052. 6.5. 0.49. 0.008. NO lppm, kd篇0.5mIn−1,加湿,照射時間5hL. 表7 m一キシレン反応系,初期m一キシレン濃度と里国,酢酸生成蚤(ppm). 難鑑im瀦羅少量i甥器. ギ酸生成量. m一キシレン濃度. △HCOOH. △CH3COOH 一△Xylene. 0.2. 0.015. 0。015. 2. 0.17. 0.077. 0.9. 0.19. 0。086. 10. 0.48. 0.34. 1,9. 0.25. 0.19. 50. 1.5. 0.55. 0.057. 0.021. 26. NO lppm, kd=0.5min−1,加湿,照射時間5hr.. 10. 10. HCOOH ●. 巨. 巳. ユ 肱. CH3COOH. 1 呑. 8. き. 8. 工. f 8・・. 0.1. 呈. o. 0.Oτ. oj. 10. 10. 1. C2H4. o.01 0,1. ppm. 初期濃度 NO lppm,加湿,紫外線強度 kd=0.5min柵1, }照笏寸B寺隔ユ 5hr.. 1. 100. {o. m−Xylene. ppm. 初期濃度 NO lppm,加湿,紫外線強度 kd=0.5mln−1,照射時澗 5hr.. 図8 エチレン反応系,初期エチレン濃度と. 図9 m一キシレン反応系,初期m一キシレン. ギ酸生成量の関係. 濃度とギ酸,醇酸生成量の関係. 時間一定とした。図10にエチレン,図11にm一キシレ. m一キシレンの場合はNO濃度5ppmで最も生成量が. ンの実験結果を両対数グラフ上に示す。エチレンの場. 合はNO濃度が0.5∼50ppmまでの筏囲では, NO濃. 多く,1ppm以下でも10ppm以上でも生成量が減少 した。特にNO濃度が0.05ppmの場合は,生成量は. 度を大きく変えたにもかかわらず,ギ酸の生成鑑は. ギ酸0.098,酢酸0.092PPmと低かった。このことは. 0.5∼0.9ppmとほぼ一定であり,紫外線強度,照射時. ギ酸,酢酸の生成反応には,窒索酸化物が必要である. 聞,エチレン濃度と娩べ,生成量に与える影響は小さ. ことを示している。しかしエチレンの場合と同じく. かった。NO濃度が0.2ppm以下の場合は生成量が減. NO濃度の生成量におよぼす影響は,他の要因に比べ. 少し,NO O,05ppmの時ギ酸は0.24ppmであった。. 小さかった。.
(7) 27. 表8 エチレン反応系,NO濃度とギ酸,鮮酸生成量(ppm) ギ酸生成量. NO濃度. 酢酸生成量. △HCOOH. △CH3COOH. △HCOOH. △CH3COOH. 0,21. 1.1. 0。16. エチレン減少量 一△C2慧4. 一△C2H4. 一△C2H4. 0.05. 0.24. 0.034. 0.1. 0.45. 0,005. 0.2. 0。34. 0,03. 1.4. 0.25. 0。022. 0.5. 0.88. 0,08. 2.8. 0.32. 0.028. 0.5. 0.77. 0.35. 2.4. 0.32. 0.14. 1. 0.66. 0。052. 6.5. 0,49. 0.008. 2. 0.80. 0.07. 5.0. 0,16. 0.014. 5. 0.53. 0.08. 2,1. 0.25. 0,038. 10. 0.53. 0.18. 3,31. 0.!6. 0.054. 50. 0,53. 0.16. !,44. 0.50. 0.16. C2H‘10PPm,1{d=0.5min鼎1,加湿,照射5hr.. 表9 m一キシレン反応系,NO濃度とギ酸,酷酸生成量(ppm). 騰鮫箔畦菰誘蝿.. ギ酸生成量. NO濃度. △HCOOH. △HCOOH. △CH3COOH. 一△Xylene. 一△Xylene. 0.9. 0.1!. 0.10. 0。05. 0.098. 0.092. 0.2. 0.25. 0,19. 1. 0.74. 0,56. 1.6. 0.46. 0.35. 5. 1,8. !.0. 4.6. 0.40. 0,22. !0. 0.96. 0.42. 4,7. 0.20. 0.089. 50. 1。1. 0,41. 2,0. 0.55. 0.21. m−Xylene!0PPm, kd漏0.5mind,加湿,照射5hr.. 10. 10. §. ● ’HCOOH. 巨. HCOOH. α 1 ●. き 1. 8. ●. ● ● ●. Q O. o 。83 テ。。レ1. o. 工. き ●. 8. ぎ. 工. 婁 δ。・・. 。.、. o,o1 o,1. 蒲. NO. 10. 100. PP「η. 0.1 1 10 100. NO ppm. 初期濃度 エチレン10ppm,加湿,紫外線. 初期濃度 m一キシレン10ppm,加湿,紫外. 弓璽度 kd竺0.5mind, 1照封冊聯i1男 5 hr.. 線強度 kd讐0。5miガ1,照射時間 5hr.. 図10 エチレン反応系,初期NO濃度と制酸. 図11 m一キシレン反比系,初期NO濃度と. 生成量の関係. 闇闇,酢酸生成量の関係. 5. まとめ ギ酸と酔酸は各種炭化水素一NO一加湿空気一光の. 反応系から生成されることが確認された。生成量の多 かった炭化水素は, o一キシレン,m一キシレン, p一キ シレン,1,2,4一トリメチルベンゼン等ベンゼン環にメ.
(8) 28. チル基が付加した芳香族であり,これらの炭化水素滅. ヒドとカルボン酸のGC−MS−SIM分析,横浜国. 少量に対する生成量の比率(濃度比)はギ酸30∼50%,. 大環境研紀要,5,41(1979). 酢酸は20∼30弩と高かった。このことはキシレン,ト. 2)花井義道・加藤龍夫・山下 暁:光化学スモッ. リメチルベンゼンはかなり高い割含でベンゼン環が開. グ成分に対する芳香族炭化水素の役割,横浜国大. 裂していることを示唆している。反応機構に関する研. 環境研紀要,5,53(!979). 究は今後課題としたい。プロピレン,ブテン等は反応. 3)Bruce W. Gay, Jr., Philip L Hanst, Joseph. 性が高い割にぽ生成量は少なかった。炭化水素として. J.Butalini and Richard C. Noonan:Atmosph・. エチレンとm一キシレンを選び,条件を変えて実験し. eric oxidation of chlorinated ethyle且es, Environ,. た結果エチレンからギ酸,m一キシレンからギ酸,酷. Sci. TechnoL,10,58(1976). 酸の生成量は,紫外線強度,照射時間,炭化水素濃度. 4)Spicer, C, W,, Mlller, D. E;」. Alr PoluL. にほぼ正比例するが,NO濃度は一定量以上あれば生. Control Assoc., Nitrogen balance in smog. 成量にあまり影響を与えない要困であることがわかっ. chamber studies,26,45(1976). た。したがって大気中のギ酸,酢酸の濃度を減少させ. 5) Halime AkimotQ, Hiroshi Bandow, Fumio. るには,まず炭化水素の減少対策が有効な手段となる. Sakaki, Gen Inoue, Mikio Hoshino and Michi◎. だろう。. Okuda: Photooxidation of the propylene−NOx. 文. 献. 1) 花井義道・加藤龍夫・小泉義正:大気中アルデ. −air system studied by long−path Fourier transform infrared spectrometry, Environ. Sci,. TechnoL,14,172(1980).
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