元素分析は分析化学の一分野であり、固体または液体物質中の有機化合物や無機化合物の定量および定性測定に用いられます。
炭素、水素、窒素、酸素、硫黄の定量(CHNOS分析)には特に注意が払われています。これらの元素の含有量に関する知識は、多くのセクターや産業にとって非常に重要です。
元素分析技術
元素分析には、様々な確立された手法があります。金属試料の分析には、光放射分光法(ICP-OES)、原子吸光分光法(AAS)、火花分光法などの分光測定法が広く用いられ、好まれています。
熱重量分析法(TGA)では、試料物質の質量の変化を温度の時間変化の関数として測定するため、分析対象の物質の組成について結論を導くことができます。
これらの手法に比べて、いわゆる燃焼分析器は、非常に幅広い範囲を提供し、多種多様な試料の迅速かつ信頼性の高い分析に使用できます。
最新の燃焼分析装置による元素分析
燃焼分析は基本的に3段階のプロセスで行われます。最初のステップでは、測定結果に影響を与える可能性のある不純物を取り除くために酸素ストリームを処理します。次のステップでは、分析対象の試料を酸素雰囲気中で完全に燃焼させます。この目的には、一般に誘導炉または抵抗炉が使用されます。燃焼中に生成されたガス成分は、最終ステップで処理され、分光分析されます。分析には近赤外センサー(NIR)または熱伝導センサー(TCD)がよく使用されます。
元素分析の用途と産業
元素分析装置は汎用性があるため、幅広い産業で無数の応用が可能である。例えば、鉄鋼やチタン産業では、品質管理の目的で元素分析装置がよく使用される。
炭素は鋼の重要な構成要素でもあり、その含有量は材料の特性に大きな影響を与える。炭素含有量が増えると、鋼の強度や焼入れ性が増し、延性や溶接性などの他の特性も低下する。
水素は鋼、チタン、さらには銅の材料特性に少なからぬ影響を与える可能性がある。マルテンサイト含有量の高い高強度鋼は、水素による損傷に特に敏感である。チタンの場合、水素が材料の金属マトリックスに堆積し、その結果、金属水素化物が形成され、これも材料特性に少なからぬ影響を与える。
材料の酸素含有量も大きな関心事です。チタンの場合、酸素含有量が増加すると、硬くなるだけでなく、はるかに脆い材料構造になります。酸素含有量が増加すると、鉄、鉄鋼、銅などの他の材料にも同様の悪影響があります。
炭素を決定するだけでなく、試料の硫黄含有量の分析は、現在の元素分析における最も重要な作業の1つです。鉱業から産出される石炭などの有機試料の場合、硫黄含有量によって燃料の品質に関する結論を導き出すことができます。高品質の材料は一般的に発熱量が高く、硫黄含有量は低くなります。さまざまな無機試料の硫黄含有量の分析も特に関心があります。
食品および飼料産業の場合、窒素含有量の検出は特別な関心事です。窒素含有量に基づいて、分析した試料のタンパク質含有量を決定できます。