目的
焦炭、煤、汽油、生物質、聚合物和化學品中的氧含量是產品特性、品質控制和研究中的重要參數。過去，氧是有機基質中唯一無法直接測定的元素。取而代之的是，氧的測定方法是「從100中減去最終分析中其他成分的總和」（ASTM 3176），計算公式如下：

100 % - 灰分 % - CHNS % = O %

然而，這種間接氧含量測定的準確性受到「元素分析其他測定方法產生的誤差以及燃燒後灰分形成成分的重量變化」的影響。 (ASTM 3176)。雖然可以透過這種所謂的「扣除法」來測定氧含量，但與直接分析氧含量的方法相比，其分析的準確性和可重複性會大大降低。

如今，高溫爐技術的進步使得直接分析測定氧含量變得可行。這使得氧含量分析能夠達到更高的精度，滿足當今燃料、生質能、聚合物和化學工業及研究領域客戶日益增長的需求。下文將「扣除法測氧」通常可達到的測量精度與一系列用於直接測量氧含量的專用氧分析儀解決方案進行比較。

分析原理

在氧元素分析中，樣品氧被轉化為一氧化碳，並用熱導偵測器 (TCD) 或紅外線檢測器 (IR) 檢測。一氧化碳的轉化是在氦氣環境中，在炭黑存在下透過還原熱裂解來實現的。樣品氧轉化為氣體 CO 的過程遵循與溫度相關的 Boudouard equilibrium理論，即隨著溫度升高，CO 的生成優先於 CO₂ 的生成。根據 Boudouard equilibrium理論，低於 1400 °C 的熱裂解溫度會產生微量 CO₂ 的殘留，這會導致氧測量結果出現偏差，因為在這種情況下，樣品氧可能尚未完全轉化為一氧化碳。相反，高於 1400 °C 的熱裂解溫度始終會導致樣品氧定量轉化為 CO，而不會產生不必要的 CO₂。因此，測量完全不受基質影響，所有樣品氧都能可靠且定量地轉化為 CO，這是高精度氧濃度分析的先決條件（表 1）。

圖 1.無背景值熱裂解反應，分析氣流與吹掃氣流完全分離。

表1. 氧分析的性能取決於熱裂解溫度。

無背景值的分析技術

當熱裂解溫度高於1000°C時，元素碳與含氧無機材料（例如SiO₂、Al₂O₃）接觸會導致微量CO生成，而CO會被TCD和紅外線偵測器判定為背景值。因此，為了避免此情況，至關重要的是避免石墨坩堝與分析氣流中的陶瓷接觸。這可以透過將玻碳管反應器內的分析氣流與石墨坩堝和保護性陶瓷管之間的吹掃氣流完全隔離來實現（見圖1）。這種獨特的裝置可實現無空白的熱裂解反應管。這種設計的好處是可以確保分析結果不會受到燃燒管陶瓷表面氧背景值的影響，從而使氧分析達到最佳性能。

專利的反沖洗 (backflush)技術

在熱裂解過程中，副產物氣體（例如 N₂）會與目標氣體一氧化碳一起生成。這些副產物氣體會緩慢地從熱裂解反應管中排出，進入 TCD 偵測器後會導致錯誤的結果。因此，將副產物氣體引導至排氣口的系統有助於進一步提高氧氣分析的準確性。這項專利機制被稱為「反吹」技術，是 rapid OXY cube 的標準配備。

在 rapid OXY cube 的熱解階段，產生的 CO 目標氣體會被氣體選擇性吸附柱（專利 APT 技術）捕獲。熱裂解完成後，可能從熱裂解反應管中緩慢排出的副產品氣體會被引導至排氣口，捕獲的 CO 會被直接氦氣載氣脫附出來。這使得 CO 與所有干擾氣體完全基線分離，從而顯著提高準確性和重現性（見圖 2）。

圖 2：不使用（a）和使用（b）主動反吹系統時獲得的 CO 分析峰值比較

卓越的氧靈敏度

rapid OXY cube 可與選購的紅外線偵測器配合使用，測量不超過 10 ppm 的氧含量，並具有出色的精度和重現性。圖 3 顯示了氧含量為 756 ppm 的柴油樣品的分析峰值圖。請注意，在這種微量氧分析中，基線上方的峰高令人印象深刻。

圖 3：紅外線偵測器對氧濃度為 756 ppm 的柴油樣品的反應

典型應用

上述技術改進使氧含量分析達到了前所未有的準確度和精密度。表 2-5 列出了液體燃料、生物質、煤炭和純化學品領域的典型應用。

表 2. 對不同純化學品的分析表明，測量值與理論值之間具有極好的一致性

表 3. 不同生物質基質的氧濃度分析

表 4. 對不同煤和石墨樣品的分析顯示出極佳的標準偏差，即使石墨樣品中的氧含量較低

表 5. 對 2 個汽油和 2 個柴油樣本的分析說明了標準偏差僅為 0.01-0.03%

總結

實驗成功證明了rapid OXY cube在多種樣品基質中氧含量分析的表現——其準確性和便利性前所未有。rapid OXY cube完全符合 ASTM D5622（透過還原熱裂解分析汽油和甲醇燃料中總氧含量的標準測試方法）的要求，這是燃料氧含量分析最重要的標準。

資料來源:elementar官網