はじめに
わらとは、脱穀して乾燥させた穀物の茎と、油や繊維を生産するための植物の葉の総称である。農業での利用だけでなく、わらは将来、CO2ニュートラルなエネルギー・キャリアとして重要になる可能性を秘めている。藁は耕作の副産物であるため、バイオマスの優れた形態である。他のバイオ燃料とは異なり、栽培に特別な対策や追加の土地は必要ない。さらに、燃焼過程で出るフライアッシュは、地元農場の土壌肥料として利用することもできる。
熱分解や燃焼プロセスの調査には、熱重量分析（TGA）や、TGAと示差走査熱量測定（DSC）を同時に行う同時熱分析（STA）が特に適している。ほとんどの固体燃料の反応温度や燃焼速度などの熱安定性に関する情報を迅速に得ることができます。さらに、熱分解または燃焼中の質量損失および灰分（灰分含有量）を定量化することができる。
ここで説明する測定は、わらの分解挙動を調べるものである[1]。分解中に発生するガスは、完全に統合されたSTA-FT-IR カップリングシステムNETZSCH Perseus STA 449 を使用した FT-IR 分光法によって同定されます（図 1 参照）。
測定結果
初期質量28.64 mgの起源不明の粉末わら試料を、穴あき蓋付き白金るつぼに入れ、加熱速度20 K/分で測定した。ガス雰囲気は740℃で純窒素から空気に変更した（ガス流量は70 ml/min）。740℃以下では、4.9％、33.8％、35.8％の3段階の質量減少が起こり、125 J/gと-115 J/gのエンタルピーを持つ吸熱（吸熱性）と発熱（発熱性）が2つ重なった。これらの質量減少ステップの間、すべての波数のFT-IR吸光度の総和を反映するGram-Schmidtシグナルは、DTG曲線とよく相関する111℃、302℃、360℃で極大を示した。740℃で空気に切り替えると、20.9%の質量損失と-7.79 kJ/gの発熱（発熱性）が生じた。これらの効果は、いわゆる熱分解すすの燃焼によるもので、灰分（灰分含有量）を反映する4.6%の残留質量が残る。
わらの分解を通して集められた発生ガスのFT-IRスペクトルの立体図を図3に示す。特に興味深いのは、試料の熱分解が起こった740℃以下のスペクトルである。高温での強いFT-IR吸光度は、燃焼の結果としてCO2が放出されたためである。
特定の温度で抽出された個々の2次元スペクトルをライブラリーのスペクトルと比較することで、発生ガス種を同定した。例えば図4は、302℃で発生したガスのスペクトルが、CO2、CO、H2O、ギ酸（HCOOH）を含む混合物と一致していることを示している。分子に特徴的なFT-IRの吸光度範囲を積分し、温度の関数として積分値の曲線を分析から得られたTGAおよびDTG曲線と重ねることで、試料分解の過程における個々のガス種の進化を追跡することができます。CO2では2200～2450cm-1、COでは1950～2150cm-1、H2Oでは1300～1600cm-1、HCOOHでは1000～1150cm-1の範囲が積分された。
図5からわかるように、H2Oは第1質量減少段階（水分の蒸発）、第2質量減少段階および第3質量減少段階（熱分解）で放出され、その間にCO、CO2、HCOOHも発生した。CH4は534℃で最大となる広い温度範囲で発生し、CO2は空気中での試料の燃焼の結果、740℃以上で再び検出された。
結論
非常にコンパクトなSTA-FT-IR カップリングシステムNETZSCH Perseus STA 449 を使用して、わらの熱分解と燃焼の特性を評価することが実証された [1]。検出された質量損失ステップとガス発生との間に良好な相関関係が観察され、ダイレクトカップリングインターフェースの利点が実証された。データベース検索によるガス発生の同定により、特に熱分解に伴う質量損失ステップに関与する化学の詳細な解釈が可能になった。