Phoenix BLACK高溫爐經由專家和Wiley分析科學期刊的讀者共同評選，榮獲分離、實驗室自動化及實驗室儀器領域 2024 Wiley分析科學獎！
高溫灰化是一種用於無機物分析的樣品前處理技術，廣泛應用於灰分測定、熾灼殘渣分析、燒失量測定、固形物檢測以及重金屬分析等科學領域。此技術利用高溫去除樣品中的有機物，留下灰分（主要為無機鹽和氧化物）進行分析。
本文將向您介紹高溫灰化的核心原理及應用領域，並比較傳統高溫爐與快速高溫灰化爐之間的差異，希望能幫助到初次接觸高溫灰化前處理的您！
灰化的方式
灰化的方式大致分為兩種：乾式灰化法及濕式灰化法。乾式灰化顧名思義就是不添加任何試劑，先秤重樣品，再去除水分，接著預灰化（即碳化）後以極高溫加熱，將樣品中的有機物質轉化為二氧化碳和水蒸氣再排出，留下灰分進行下一步分析。
而濕式灰化法，則是會在樣品中加入強酸（H2SO4、HNO3）或氧化劑（H2O2、HClO4），其主要目的為避免部分元素的損失。另外，濕式灰化的溫度通常較乾式灰化來得更低。
灰化的目的
依據應用不同，我們可以將灰化的目的分為定性及定量兩種。定性分析主要目的為了解樣品中總無機成分的含量，這些無機成分可能來自天然礦物、人工添加，或是製程中引入的污染物，其結果通常以百分比（%）呈現。
而定量分析，除了掌握無機成分總含量外，還需針對特定法規所規範的有害元素（如鉛、鎘等）進行檢測，甚至更進一步分析各種礦物質含量的分布情況。透過這些元素濃度的變化，還可以進一步了解原料的來源以及製程的穩定性。
灰化的應用領域
- 食品
在食品科學中，高溫灰化常用於分析食品中的中礦物鹽或無機鹽成分。這對於了解食品中的營養價值、調整產品配方、管控食品品質等方面至關重要。常見的應用包括測定各類食品中的鈣、磷、鉀、鈉的含量。此外，針對一些有毒的金屬元素（如鉛、汞、鎘、鋁），灰分分析更扮演著食安守門員的角色。
- 固體再生燃料
固體再生燃料（SRF, Solid Recovered Fuel）是通過對工業廢棄物或都市垃圾進行前處理程序以及均質化後製成的可燃性能源替代品。SRF讓廢棄物重新被運用，為推動綠色能源及循環經濟提供莫大的幫助。
環保署訂定「固體再生燃料製造技術指引與品質規範」，並公告「固體再生燃料中灰分及可燃分檢測方法」，當中使用高溫爐作為分析設備，明確指出檢測程序與要求，為能源回收與廢棄物再利用的規範化管理提供了技術支持。
- 高分子/聚合物
主要用於分析塑膠、高分子材料中的無機物成分，尤其是在品質控制、成分分析等領域。塑膠和高分子材料中通常包含無機填料（如鈣、矽、鋁等），灰化可以用於確定這些無機成分的含量，藉以進行製程控管。同時，高溫灰化技術亦符合ASTM D5630塑膠中灰分含量的標準測試方法規範。
- 特用化學
高溫灰化在特用化學中的應用，主要體現在黏著劑（Adhesives）、密封劑（Sealants）以及樹脂（Resins）等材料的分析上。高溫灰化能夠有效幫助品管工作人員分析材料中的無機成分，把關產品品質。
- 藥品
高溫灰化技術符合USP <281>、<733>、ASTM以及ISO規範，可用於藥品及其原料的分析，幫助檢測藥品中的金屬元素或其他無機成分。這對於藥品的品質控制與安全性管控至關重要。
圖1：灰化的應用領域
傳統高溫爐面臨的挑戰
- 灰化時間漫長
在傳統高溫灰化流程中，碳化或明火燃燒（也稱為預灰化）往往是最耗時的程序，隨後的灰化過程以及坩堝的冷卻時間也同樣需要花費大量時間。完成一次完整的程序通常需要耗時半天以上，有時甚至需要將樣品放置隔夜冷卻。如果需要進行不同溫度的實驗或下一批試驗，還必須等待爐體冷卻至安全溫度後才能繼續操作。
- 煙塵及異味
由於傳統方法需進行預灰化程序（電熱爐加熱或本生燈加熱），過程中常伴隨異味與煙霧的產生，尤其部分揮發性有機物產生的異味，可能對操作環境及人員造成不適或危害；而煙塵排放不僅污染空氣，還可能使設備需要更頻繁的清理與維護。
- 坩堝冷卻時間漫長
陶瓷及鉑金坩堝需耗費約一個多小時才能完成冷卻，並達到安全溫度，無疑降低了實驗效率。同時，也因為降溫速度慢，進而增加實驗人員的灼傷風險。
快速高溫灰化技術的突破
- 灰化時間快速
透過微波加熱原理，最高節省97%灰化時間，將灰化時間從數小時縮短至數分鐘。
- 兼顧安全與環保
即使高溫運轉中，機體外殼也不發燙，系統電子元件遠離熱區，大幅延長機台使用壽命。此外，主動式風扇能快速排出灰化爐腔內的黑煙與廢氣，達到空氣置換，提升灰化速率，並確保使用者不會直接接觸到有毒或腐蝕性的廢氣。
- 樣品冷卻速度快
石英纖維材質的坩堝能在幾秒內完成冷卻，且無需乾燥皿即可立即秤重，大幅加快批次實驗操作的時間。
常見問題（FAQ）
- 高溫灰化的溫度範圍是多少？
灰化的溫度取決於樣品的性質，大部分的灰化溫度介於550°C到600°C之間，而塑膠、聚合物、合成纖維及紙類的灰化溫度則多半在800°C以上，可以參考下圖說明。此外，若有可能會引起元素揮發的疑慮，就會選擇較低的灰化溫度。目前國內外針對各類產品都有相關的參考方法與依據可以遵循，包含CNS、ASTM、ISO、AOAC、USP等方法。
圖2：各類樣品的灰化溫度範圍
- 高溫灰化能處理多少樣品量？
Phoenix BLACK高溫爐最多可容納15個50 mL的石英纖維坩堝，且無論樣品如何擺放，都能均勻受熱，以確保實驗結果的再現性。
圖3：快速冷卻石英纖維坩堝
結語
本文探討了高溫灰化技術的基本原理、應用領域、傳統技術的問題以及新技術的突破。此技術應用廣泛，在食品檢測分析、固體再生燃料製造、特用化學分析和藥物檢測等領域的品質控管工作擁有舉足輕重的地位。
而面對傳統高溫爐的限制，快速高溫灰化技術以其出色的灰化效率、樣品冷卻速度及安全性，為學術界和產業界帶來了巨大的便利性。隨著技術的不斷進步，我們可以預見高溫灰化技術將會在更多領域中發揮其潛力，為我們的生活帶來更多的效益。
