炭素性煙霧体に関するコロイド化学的研究 : 線香の煙

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炭素性煙霧体?と関するコロイド化学的研究一一線香の煙

応 用 化 学 科 佐 野

果

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環 境 工 学 研 究 所 太 田

洋

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Isamu SANO

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要旨:燃焼e凝集法によって得られる線香の煙;aj克伴下lこ放置，京お邑時聞による粒子直径および伺数濃 度の推移を実験的 lζ追究したととろ， 30分の聞に粒子直径は1.0から2.3fllこ成長し，個数濃度は3.1xl05 から2.3XI05_個/C71131乙低下する乙とが観察された.その他，粒子の洗降速度や煙の重量濃度などを測定 し，これらの結果から線香の煙粒子の密度が 0.317/C7113程度でゐることを推定し，また粒子のブラワン運 動による凝結定数を算出して理論値と比較した. 筆者は以前に，コロイド化学的見地からp たばこの煙 中の粒子の粒度(大きさ)や粒子の帯電量などを測定 したことがあるが，最近，同じく炭素性煙霧体である線 香の煙についてー，二の測定を行なったのでその結果の 一端を以下に報告する. まずp 図 2のようとfアクリル樹脂板製，円筒形のスモ ークチャンバー〔直径58cm

，

高さ80cm)を用意する.チ 線香の煙の発生と測定:の方法 線香は苦から経過持閲の尺度に使われていたし，今日 でも使われることがあるらしいが，事実，燃焼量は，図 1の如く， 時間に比例する.図は湿度が低く，隙間風の

H

2

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3

初 出 ど ば 怒 一

ノ

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.

4

10 時間(分)

同

図

1

線 香 の 燃 焼 速 度 通らない室内で線香を垂直に立て上端に点火した場合で あるが，湿度が高いと燃焼速度は遅くなるであろうし， 風があると速くなるであろう. 測定用の線香の煙の製法は次の通りであるが，燃焼速 度が定常的であるために濃い煙でも淡い煙でも線香の本 数や燃焼の持簡を調節することにより簡単に造ることが でき，便利であった. 図

2

実 験 装 置

7

0

佐 野 ャンバーには撹枠用のスターラー(回転数:

8

0

回/分) が取り付けである.線香を

1

0

本 束iこして点火し， これを チャンパーの孔 Hl(直径 1.5cm)から揮し込み煙の漏 れるのを防ぐためチャンバーをゴムテープで密閉した 後，スターラーで援持しながら3分間線香を燃焼，チャ ンバー内に煙を充満させる.燃焼3分間の後，線香を取 り出してチャンパーを密閉し*1，引きつづき撹持しなが ら煙を老化させ柏，時々，チャンパーの子

L

H2 (直径

3

.

8

α

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)

から，その都度，新らしい注射器(容量100cm3)を 使ってその内に煙を吸引，採取する圃これらの，煙を採

f

果 太 田 洋 取，充満させた注射器を，それぞれ，ピストンを抜き去 ってから顕微鋭用カバーガラス上に垂直に立てて2時 間相放置すると，煙粒子がカバーガラス上に沈降し，付 着するのでこれを光学顕微鏡で観察し，粒度を測定料す るとともに個数を計数桁する.カバーガラス上の面積 a (CJll3) 内の{回数をnとし，注射器の高さを d(cm)とす ると煙 1c討中の例数濃度 x ({回/α'1[3)は次式 一 d 同 n 一 ・ ヲ 心 一

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粒 子 直 径

(μ)

2

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粒 子 直 径 (μ)

4

0

A H υ A H U η d q ι 個 数 ( % 10

2

4

粒 子 直 径 (μ)

4

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ハ U n u q o η 5 4 個 数 ( %

1

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0

n u n u n 4 u q ， ι 個 数 ( % 10

2

4

粒 子 直 径 (μ)

2

4

粒 子 直 径 (μ) 図

3

老化による粒度分布の変七 老化時間(分):

A 0

，

B 3

，

C 9

，

D 1

5

，

E 3

0

れこの時点を老化時間の原点とする.

*

2

チャンバー内は

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温度

2

0

'

C

，湿度

50%

前後でそれぞれ一定に保つである. 相 直 径

0

.

5

μ

の粒子が注射器の高さ (18cm)を落ち切るのに要する時間は，計算_I:，

5

0

0

0

秒程度である. 料 倍 率

1

5

x

l

0

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*

5

倍率

1

5

x

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*

6

d=18cm

炭素性煙霧体に関するコロイド化学的研究一一線香の煙 表

1

老化時間による粒度分布の変化 '~老化時間(分)I '-.._- -粒度ω(戸)戸1'1'''~-~ I

~

0.5

I

-h d 吋 S よ 口 u q u ₃₀ 0.5~ 1.0 1.0 ~ 1.5 1.5 ~ 2.0 2.0~ 2.5 2.5~ 3.0 3.0~ 3.5 3.5~ 4.0 4.0~ 4.5 4.5~ 5.0 5.0~ 5.5 5.5~ 6.0 6.0~ 札粒子直径 ρhunLn 白 -a F U つ 臼 円 / つ れ ︼ n 4 2 1 0 引 っ A U K -7 4 0 マ_i q u つ リ 9.5 13.1

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j

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21.4 17.9 15.5 7.1 2.81 3目21 -1 4.8

*

2

頻度(個数%) 表

2

老化時間と平均粒度 老化時間 ￨ 粒度範囲 ￨ 平均粒度 (分) (戸) (μ〕

o

0.5~ 3.0 1.00 3 0.5~ 4.0 1.51 9 0.5~ 4.0 1.72 15 30 1.7ヶ 2.26 0.5~ 5.0 0.5~ 6.0 狽JI定結果とその考察 結果の一例は表1の如くで，これを図示すると図3が 得られる.表1から平均粒度を計算すると表 2の通りに なる.これらの結果から線香の煙は粒度1~数 ρ 程度の 多分散系で，老イ七とともに粒度の成長して行くことが知 られる. 表3中i己表1と同時に測定した粒子の洗降速度が示し 71 であるが，これは各老化時間毎にスモ{クチャンパーか ら注射器で煙を採取し，暗視野コンデンサー型限外顕微 鏡(倍率

7

x10)のセル内に注入して粒子が一定距離 (325/1)を沈降し去るに要する時聞を測定することによ って求めたものである.粒子の密度を1と仮定して次式 (Stokes-Cunninghamの式) V二_YJ_P_ご₁₈p_'1

.

d

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g・d_-p2 (l十 K _，_l) (1) p ，_. --d_p 与 ~. dp2 (2) 18万 3.6

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降速度 pp 粒子の密度 内:媒体(空気〉の密度 g:重力の加速度 dp 粒子の直径(粒度) K: Cun凶nghamの係数 1・媒体(空気〕分子の平均自由行路 から粒度を計算すると (20'C)， 表の(計算値)が得ら れる. 一方，粒子粒度と枕降速度の各測定値を Stokes-Cunninghamの式(2)に代入して計算すると表 3の如く 粒子密度の欄の(計算値1)が得られる.同じ欄中の(計 算値 2)は表 3中のイ回数濃度と重量濃度から粒子を，や はり，球状と仮定して勘定した値であるがe一般に煙霧 体に関する測定には障害が多く，従って再現性に乏しい ことを考慮すると，これらの計算値1および2は期待以 上に良い一致を示しているといってよい. 煙霧体の粒子は，構造が多孔性で綴密でないためであ ろうといわれているが，一般にその密度の小さいことが 知られている.例えば酸化カドミウム(密度 6.95)，酸 化マグネシウム(3.65)，水銀(13.6)などの煙霧体の場 合，粒子の密度はそれぞれ 0.51，0.35， 1.70などであ ると報告されているし，筆者もたばこの煙や硫酸ナトリ ウム(密度2.68)Lどの煙霧体について粒子の密度がそ れぞれ0.74および0.62であることを観察している .

t

こば ζの煙や線香の煙の粒子が炭素の綴密な粒子であるなら 表

3

老 化 時 間 と 煙 の 物 性 二二二二二ニ一一一一二二二二二二二---でアーでτ二二二二二二二二ごでτ二二アででτ 二二二=一一二二二二ニニニニ」二二 てて=二二→一一ーム二二二二二二二二二7て--二二二二ご7 τ二二ニ二二二二二二二二.-二三二二二二4二三二二二L二=二二二二ご=二二二二ニL二二二二二二=二二こ二=二二二二二二二二二二二二二二ご士二=二二二二ご二L一二二--二二二二二二2 / / ， n y A り ×

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丸 一 測 一 間 同 一 時 分 0 3 9 日

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一 割 ( 一

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1

表2参照 ホ2 粒子若干個に係る平均値 個 数 濃 度 重 量 濃 度 1.

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1.81 1.75

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.

0

8

7

2

佐 野 ばその密度は炭素の密度

2

.

2

6

1

乙等しいであろうと思われ る. なお，表中の重量濃度はスモークチャンバーの孔 (Hli)からサンプラー*によって煙を吸引し，サンプ ラー中の漉紙の重量増と煙の吸引量から算出した値で， 表の如く，測定時間中

(

3

0

分間)ほとんど一定にとどま っているようである. ブラウン運動のために粒子は相互に衝突し，従って凝 結，成長することが知られている.これに関し，次式

一旦旦=

dt kn--_{-. k} 2 •

=

t

(

士

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)

t :経過時間

n

:

個数濃度 (t=t) no:個数濃度 (t=O) k:凝結速度定数 が成立するが，式中のkについては Smoluchowski

(

1

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1

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により，次式 ) a a -( T ﹁

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一 部 k

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(

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7エルクソ。

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・モJレ) T:温度

(

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K

)

N:アボガドロ定数

(

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.

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X

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28) が誘導されている.(4)式によると凝結速度定数は粒度に 関 係 な し さ ら にSmoluchowkiは粒子が球状の単分散 系を仮定しているので(4)従って(3)式は単分散の球状粒子 から成る煙霧体でしかも凝結過程開始後の短かい時間内 において成立する乙とが想像される. 図

4

1

乙表3中の測定値(個数濃度aと 経 過 時 間 t) が目盛ってあるが，大体において直線関係が穿在してい るのでその勾配を求めると，すなわち k =

6

.

2

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8 (cm3/分)が得られる.これに対し，理論値は，

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ロ ¥ H (3) q J W 偲 故 田 川 内 記 10 20 時間， t (分) 図

4

凝結速度式の検討 場合， k =

1

.

7

5

x

1

0

-

8(α13/分)であるから両値は数倍 の開きで一致していることが見られる.開きの原因は煙 が多分散性でしかも粒子が総じて球状でないなどの点に あろうかと思われる. 終りにのぞみ，装置の製作，測定の実施などが学部学 生苅谷陽一，井置善彦および佐藤弘樹の3君によって行 なわれた旨を記し， 3君に謝意を表する. 引 用 文 献 1)佐野保，藤谷義保，阪田貞弘:日化，

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4

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佐 野 傑 : 化 学 と 工 業

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2) H. S. Patterson

，

R. W hytlaw-Gray: Proc. Roy. Soc. (London)

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3) Y. Ueno

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Sano : Bull. Chem. Soc.

Japan

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，

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