はじめに
夏はバーベキューの季節。しかし、どの炭を使うのが一番いいのか迷ったことはないだろうか。木炭の品質は、有機化合物の含有量、灰分（灰分含有量）、燃焼中に放出されるエネルギーによって評価されます。これらはすべて、同時熱分析装置（NETZSCH STA）を使って測定できる特性です。TGA-DSC測定を使えば、製品間の価格差が品質によって正当化されるかどうかを簡単にチェックできます。
比較のために、3種類の市販の木炭が選ばれた：ブナの木炭、ブランド名の木炭、ディスカウントショップの安い木炭。
結果と考察
TGA-DSC測定は、TGA-DSC試料担体タイプSを装備した同時熱分析装置STAを用いて行った。異なる木炭試料をバルク試料として不活性雰囲気中で550℃まで、酸化雰囲気中で550℃から950℃まで加熱した。詳細な測定条件は表1を参照。
表1：測定パラメータ
| 測定パラメータ | ブナの木炭 | ブランド炭 | 特価炭 | ブナ材 |
|---|---|---|---|---|
| 温度プログラム | 室温～550℃、窒素 550℃～950℃、酸化雰囲気 | |||
| 加熱速度 | 20K/分 | |||
| ガス流量 | 70ml/分 | |||
| 容器 | 白金製貫通蓋付 | |||
| 試料キャリア | TGA-DSC、タイプS | |||
| 試料質量 | 9.49 mg | 10.03 mg | 9.94 mg | 7.83 mg |
ブナ材木炭試料の結果を図1にプロットした。3段階の質量減少はエネルギー的な影響を伴っていた。81℃の最初の質量減少ステップはおそらく水の放出によるもので、411℃の2番目の質量減少は残留有機化合物の熱分解を示すものである。これらの現象は、ピーク温度67℃と394℃、エンタルピー30J/gと5J/gの2つの吸熱（吸熱性）を引き起こした。合成空気雰囲気下での残存炭素の燃焼は、92%の質量損失と-23,315 J/gのエンタルピーの発熱（発熱性）をもたらした。これは完全な燃焼エンタルピーではない。STAはパージガスと放出ガスで生成エネルギーの一部を放出する開放系だからである。この値は相対的な比較にのみ使用できる。灰分（灰分含有量）に関連する残留質量は3%であった。
図2は、異なる木炭試料のTGA結果の比較である。所定の温度プログラムにより、各試料は不活性雰囲気下で2段階の質量減少を起こした。含水率の点では、ブランド炭が最も高い値を示し、次いでディスカウンター炭、ブナ木炭の順であった。含水率の違いは、おそらく保存条件の違いによるものであろうが、水分を吸収する表面の性質の違いによるものである可能性もある。
一方、有機化合物の割合は、木炭と練炭の製造工程の完成度に関する情報をもたらす：有機化合物の含有率が低いほど、製造工程における最初の木材の木炭への熱分解が良好であり、より高品質の木炭が得られる。3つの試料を比較すると、やはりブナの木炭が最も低い値を示し、次いでブランド炭、ディスカウントショップの木炭となった。ディスカウンター木炭は550℃ではまだこの工程が終わっておらず、この温度では試料はまだ有機化合物を含んでいることになる。
酸化雰囲気に切り替えた後、残留炭素は酸素と一緒に燃焼し、二酸化炭素と一酸化炭素を放出した。ここでも3つの試料の違いが観察された。ブナ木炭の炭素含有量は90％以上であったが、ブランド木炭とディスカウントショップの木炭の炭素含有量は75％程度であった。炭素含有率が高いということは、木炭の純度が高いということである。
その結果、3つの試料は、木炭の灰分含有量を示す残留質量という点でも異なっていた。意外なことに、銘柄炭は灰分が10％以上であったのに対し、他の2つの炭は3％から5％であった。灰分（灰分含有量）は品質の基準にもなる。灰分（灰分含有量）が低ければ低いほど、フィラーやミネラルのような非反応性の副生成物の初期比率が低くなる。
図3に示したDSC信号の比較から、ブナ木炭が酸化燃焼中に最も多くの熱を放出することがわかった。試料は開放された非断熱系で測定されたため、これらの値を燃焼熱とみなすことはできない。
測定されたエンタルピーは、高温の反応ガスが試料から出て、放出された熱を持っていくため、燃焼熱よりもかなり低い。しかし、放出熱量は3つの試料の相対的な比較に利用できる。
図4を参照。ブナ材の試料でさらなる測定が行われた。図4参照。予想通り、水分量と有機物含量ははるかに高かった。最初の質量損失ステップでは、水分は5.13%であった。温度の上昇により、有機分は2段階で分解され、合計68.35%に達した。ブナ木炭との比較では、木材の熱分解による炭化プロセスはほぼ完了した。有機含量は約78%から3%未満に減少した。木材の炭素含有率が低いことは、酸化燃焼中に検出された発熱（発熱性）エンタルピーにも反映されている。
概要
水分、灰分含有量、放出熱量などの炭の品質特性は、NETZSCH Analyzing & Testing社の同時熱分析装置STAの助けを借りて検出することができます。これらの特性に関して、ブナ木炭の品質の高さを実証することができました。一方、ブランド木炭は、この特定のケースでは、ディスカウント店の木炭試料よりも有意に優れた値を示しませんでした。さらに、TGA-DSC法は、有機材料の熱分解に関する炭の製造プロセスの完了を管理するのに適している。
バーベキューを楽しんでください！