水質モニタリング

セクションの概要

• 水のイオンを検出するための比抵抗測定
• Milli-Q^®超純水・純水製造装置における比抵抗計の仕組み
• TOC測定による水中の有機物の検出
• 関連製品

水中のイオンを検出するための比抵抗値の測定

水の電気伝導度（導電率）とその測定

導電率は、物質が電流をどの程度よく伝導できるかを示す指標です。純水は導電率が低くなります。水中で電流は溶解したイオンによって運ばれるため、導電率の測定は、水中のイオン性汚染物質の総量を迅速かつ確実に把握する手段となります。 

導電率は、電荷を帯びたイオンの濃度、各イオンが持つ電荷（原子価）、およびそれらの移動度に正比例します。イオンの移動度は温度に依存するため、導電率の測定値も温度に依存します。そのため、水の導電率は通常、25°Cで補正された値（µS/cm @25°C）として報告されます。

水溶液の導電率は次のように表されます：

σ = F . Σc_i z_i µ_i

ここで、σは導電率、Fはファラデー定数（96485 C·mol-1）、c_iはイオンiの濃度、z_iはイオンiの電荷数、µ_iはイオンiの移動度です。

超純水の導電率

理論的に純粋な水、すなわちイオンを一切含まない水においては、溶液中に存在するイオン種は水の解離に由来する H⁺ と OH- の2種類のみとなります。したがって、25°Cにおける導電率は σ = 0.055 μS/cm となります。

超純水の比抵抗値

高純度の表現では水を扱う際、導電率の値を報告するのは煩雑になる場合があります。このため、25°Cで1 µS/cm未満の導電率については、導電率の逆数である比抵抗値が多く用いられます。比抵抗値は25°CでMΩ·cm単位で表されます。

ρ = 1/σ

ここで、ρは比抵抗値、σは導電率です

イオンが全く含まれない場合、超純水の比抵抗値は水温25°Cのとき18.2 MΩ·cmとなります。

Milli-Q^® 超純水・純水製造装置における比抵抗計の仕組み

Milli-Q^®超純水・純水製造装置で精製される純水・超純水を測定するには、既存のどの比抵抗計もその厳しい要件を満たすことができなかったため、当社は比抵抗値を正確にモニタリングするための専用比抵抗計を開発しました。これらの比抵抗計は、以下の独自のニーズに対応しています：

• 比抵抗計のセルは、非接触状態で電極間の間隔を狭めつつ、広い表面積を確保する同心円状の電極を採用しています。これにより、ASTM^® D5391-99で推奨される低いセル定数（0.01 cm^⁻¹）を実現しています。
• 電極は316Lステンレス製で、腐食やイオン放出のリスクを最小限に抑えます。
• 全量通過型にすることで、流水中のイオン汚染を即座に検出することが可能です。
• 温度測定は、水温の変化に迅速かつ正確に反応する感度0.1°Cのサーミスタによって行われます。
• 装置上では、水温25℃時の値に補正された比抵抗値または導電率が表示されます。水温補正なしの値を表示させることもできます。
• 本装置の電子回路は常に自動的に検証されており、電気部品や電子部品に不具合が認められた場合はアラームメッセージが送信され、表示されるすべての測定結果の信頼性が確保されています。
• 本装置で測定される水温および導電率／比抵抗値は、比抵抗値の大きい純水・超純水専用に開発された方法で校正されており、校正証明書（certificate of calibration）が添付されています。本測定器は、USP <645> 適合性試験の性能要件を満たしています。

Milli-Q^®超純水・純水製造装置内蔵の比抵抗計は、本装置によって製造された純水／超純水のイオン性汚染物質が極めて低いレベルにあることを、継続的かつ確実に保証します。

水中の有機物を検出するためのTOC測定

水には、酸化されやすさと濃度が異なる数百種類の有機物質が含まれている可能性があります。水中の有機汚染物質は、HPLCやLC-MSなど、多くの分析に干渉する可能性があります。TOC（Total Organic Carbon / Total Oxidizable Carbon＝全有機体炭素量）は、水中の有機汚染物質の総量を表す値です。

A10^® TOCモニター

業界最高水準のオンラインA10^®モニター（図2）を使用することで、迅速かつ高精度なTOC測定を実現します。このTOCモニターは、単体ユニットとしてご購入いただくこともできますし、あるいは特定のMilli-Q^®超純水・純水製造装置（例：Milli-Q^® IQ 7000システム）に標準で搭載されております。

A10^® TOCモニタリングの手順は以下の通りです：

• 試験対象となる水の一部が0.5 mLの石英セルに採取されます。
• セルの隣には172 nmのUVランプが設置されています。ランプが点灯すると、水中の有機化合物が光酸化によって酸化されます。
• この有機物の酸化反応の生成物は二酸化炭素であり、これが水に溶解して導電率を上昇させます。この導電率の変化はチタン電極によって定期的にモニタリングされ、25°Cに温度補償されます。
• 一連の複雑な計算式により、存在する有機物の完全な酸化が確認され、この導電率の変化に相当する炭素レベルが算出されます。

図3は、一定温度下におけるA10^® TOC測定セル内での光酸化工程における、時間経過に伴う比抵抗値の変化を示しています。

本装置のA10^® TOCモニターは、研究者にとって次のようなメリットをもたらします：

• 高精度：酸化測定と導電率測定が同一セル内で行われるため、本装置は、すべての有機物が完全に酸化され、安定した導電率に達したことを確認してからTOC値を算出します。
• 広い測定範囲：本モニターは、0.5～999.9 ppbの範囲でTOC値を測定可能です。
• 迅速な測定：キセノンエキシマランプ（水銀フリー）は瞬時に点灯・消灯できるため、水銀UVランプを使用する場合よりも分析時間を短縮できます。
• 信頼性の高いデータ：各TOCモニターは、25°Cにおける18.0 MΩ・cmおよび1 MΩ・cmという2つの抵抗値、ならびに1～200 ppbの範囲のメタノール含有TOC値に対して校正が行われています。各TOCモニターの校正結果は、装置に付属しています。
• 適合性試験への対応：A10^® TOCモニターは、USP <643>に記載されている適合性試験の実施要件を満たしています。適合性試験は、当社の認定サービスエンジニアのサポートのもとで実施可能です。

インライン Milli-Q^® TOC インジケーター

HPLC などの有機物に敏感なアプリケーションの信頼性を確保するため、当社独自のインライン TOC インジケーターが、ユースポイントにおける超純水の TOC を測定します。

インラインTOC測定プロセスは以下の通りです：

• 超純水が送水されると、水は装置内部の循環ループを通って、精製カートリッジをバイパスし、有機物酸化分解用UVランプへと流れます。
• UV照射により有機物は帯電分子に酸化され、水の導電率が上昇します。
• この変化は中間比抵抗センサーによって検出され、計算式を用いてTOC値に変換されます。
• TOC値は、採水時にタッチスクリーンモニターに表示されます。                                                                                                                           
  表示されるTOC値：
  • 0～5 ppb：≦5 ppb
  • 6～10 ppb：≦10 ppb
  • 10～999 ppb：整数で表示

このTOCインジケーターは、一部のMilli-Q^®超純水製造装置（例：Milli-Q^® EQ 7000）で利用可能です。

ご自身の研究室や用途に適した水質モニタリング機能を備えた超純水・純水製造装置の選定についてサポートをご希望の場合は、お気軽にお問い合わせください。