【コラム】近赤外分光法による肥料中の水分の簡便な決定
2021/04/06
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開花か爆発か?
世界人口が着実に増加する中、十分な食料、衣類、その他の製品を提供するため、毎年十分な作物が生産されることが重要です。トウモロコシ、小麦、大豆、綿花などの作物は、栽培される土壌から栄養素を得ています。肥料は、これらの作物が適切に成長するために必要な栄養素を供給する上で、重要な役割を果たします。
高品質で効果的な肥料の製造における重要な成分が、植物にとって優れた窒素・アンモニウム供給源である硝酸アンモニウム(NH4NO3)です。
台所塩と見た目が似た小さなビーズ状に生産される硝酸アンモニウムは、安価に購入でき、通常は取り扱いも安全です―しかし、その保管が問題となることがあります。時間が経つにつれ、この化合物は水分を吸収し、個々のビーズが大きな塊へと固まっていきます。このように圧縮された大量の硝酸アンモニウムが強い熱にさらされると、爆発を引き起こす可能性があります。
過去1世紀の間に、硝酸アンモニウムは少なくとも30件の災害やテロ攻撃に関与してきました。最も最近の事例の一つが、2020年8月4日夜にレバノンのベイルートで発生したもので、硝酸アンモニウムの爆発により少なくとも220人が死亡、5000人以上が負傷しました。この爆発は、NH4NO3に関連した史上最大級の産業災害の一つです。
肥料の水分分析方法
硝酸アンモニウムの製造プロセス中、水分含有量を制御することが重要です。低い水分含有量が望ましいですが、不必要な過剰乾燥は追加の製造コストにつながります。さまざまな肥料に対する規制は世界各地で異なりますが、現地の法的制限により、水分の存在量に上限が設けられ、これを超えてはならないとされています。したがって、迅速、確実、かつ正確な水分決定方法が必要です。利用可能な方法の中でも、カールフィッシャー滴定は最も一般的な方法の一つです。例えば、オーブン乾燥法は、硝酸アンモニウムを含む肥料には使用できません。
これらの方法と比較して、近赤外分光法(NIRS)は独自の利点を提供します。これは二次的技術であり、サンプル前処理を一切必要とせず、数秒以内に信頼性の高い結果を生成します。NIRSは非破壊測定技術であり、同時に化学廃棄物も一切発生させません。
NIRSを二次的技術として使用することについて詳しくは、以下より過去のブログ記事をご覧ください。
固体のNIRS分析
肥料や硝酸アンモニウム顆粒中のさまざまなパラメータの測定に最も適したNIRアナライザーは、Large Sample Cupを備えたMetrohm DS2500 Solid Analyzerです。
回転式のDS2500 Large Sample Cupに充填された固体サンプル(例:顆粒やペレット)は、アナライザーのウィンドウ上に配置する必要があります。サンプルのスキャン中、Large Sample Cupは不均一性を補正するために回転します。
DS2500 Solid Analyzerは事前分散型システムであるため、エネルギーレベルを可能な限り低く保つため、サンプルは単色光で照射されます。したがって、外部光が結果に影響を与えないよう、分析開始前に装置の蓋を閉じる必要があります。
NIR放射は下方から照射され、サンプルによって一部が反射されて検出器に到達します。検出器も同様にサンプル容器面の下方に位置しています。45秒後、測定は完了し、結果が表示されます。この反射光にはサンプルに関する関連情報がすべて含まれているため、この測定技術は拡散反射と呼ばれます。
NIRS使用の利点
NIRスペクトルを取得する手順は、サンプル測定における簡便性と迅速性を、既に浮き彫りにしています。NIRSのいくつかの利点を以下に挙げます:
- 高速な技術で、1分未満で結果が得られる
- サンプル前処理が不要―固体・液体を純粋な形で使用できる
- サンプルあたりのコストが低い―化学薬品や溶剤が不要
- 環境に優しい技術―廃棄物が発生しない
- 非破壊的―貴重なサンプルを分析後に再利用できる
- 複数成分分析―異なる成分の並行予測が可能
- 操作が簡単―経験の浅いユーザーでもすぐに使いこなせる
全体として、近赤外分光法は、固体・液体中の化学的・物理的パラメータの両方の決定にとって堅牢な代替技術です。これは迅速な方法であり、高度な実験室教育を受けていないスタッフによる日常的な分析にも問題なく導入することができます。
関連アプリケーション
特殊化学品は、複数の品質要件を満たす必要があります。ほとんどすべての分析証明書や仕様書に記載されている品質パラメータの一つが、水分含有量です。水分含有量決定の標準的な方法は、カールフィッシャー滴定です。
この方法は、再現性のあるサンプル前処理、薬品、および廃棄物処理を必要とします。これに代わり、水分含有量の決定には近赤外分光法を使用することができます。この技術を用いれば、サンプルは前処理も薬品の使用も一切必要とせず分析することができます。
本アプリケーションについての詳細は、下記をご参照ください:
水分含有量は、肥料において最も一般的に測定される特性の一つです。世界的に、さまざまな肥料に対する規制は異なりますが、現地の法的制限により、水分の存在量に上限が設けられ、これを超えてはならないとされています。この目的のため、多くの分析技術が利用可能です。重量法に次いで、正確な水分決定にはカールフィッシャー滴定がよく使用されます。
これらの方法と比較して、近赤外分光法は独自の利点を提供します:数秒以内に信頼性の高い結果を生成し、同時に化学廃棄物も発生させません。下記のアプリケーションノートでは、NIRSがさまざまな肥料製品中の水分含有量について、迅速かつ試薬不要の分析をどのように提供できるかについて説明しています。
