農業廢棄物製成的生物炭，可藉由負碳循環來減少溫室氣體的排放，目前已展現許多的環境應用。在本文中，我們將討論生物炭的製備方法與特性，以及製成生物炭所需之反應條件、對其物理與化學性質的作用。而為了增加生物炭應用於永續生態系統的機會，我們探討了生物炭在土壤改良、固碳、空氣污染控制、農業廢棄物管理、水質淨化和環境管理相關之能源生產的功用。此外，將生物炭用於土壤改良亦可提高資源利用率，達到永續農業和循環生物經濟之目標。
【內文精選】
前 言
由生物炭所發展的各種環境應用，將農業廢棄物轉化為生物炭，可以提供環境和農業工程方面的效益。此外，生物質的可再生性、易獲得性和低成本，使得生物質應用於生物炭的合成更顯經濟效益。近年來，業界和學術界對生物炭生產及其應用的興趣與日俱增。因此，未來的研究重點是優化生物炭的合成方法，為環境管理訂製生物炭的物理及化學特性。
生物炭的製備和特性
1. 生物炭製備
焙燒是最近開發的生物炭合成技術，表一提供了焙燒方法的分類及其詳細資訊。主要是將焙燒分為乾式和濕式焙燒，乾式焙燒進一步分為氧化性和非氧化性焙燒，而濕式焙燒又分為汽爆式和稀酸處理式焙燒，也就是說生物質會在蒸汽或液相中被處理。
用於環境管理的生物炭
農業廢棄物轉化為生物炭是一個負碳過程，如圖一所示，這意味著將生物質製成生物炭，可以減少排放入大氣中的碳。此外，生物炭獨特的性質，包括官能團、高比表面積(SSA)、高孔隙率、優異的穩定性、高陽離子交換能力(CEC)，使其適用於各種環境應用。
圖一、(a)碳循環；(b)生物炭循環之圖示，顯示了生物炭循環的負碳過程
近期重要研究多集中在利用農業廢棄物所衍生的生物炭進行環境管理應用，包括：土壤改良、空氣污染控制、廢棄物管理、水淨化(Water Purification)管理、減緩氣候變化和能源生產。在水淨化管理方面，生物炭被應用於去除工業或其他來源廢水中的無機、有機污染物；在氣候變化和土壤改良方面，生物炭有助於解決土壤肥力問題，同時減少溫室氣體排放。生物炭因具有多功能的物理化學特性，目前已被廣泛應用於各種領域，透過系統性地利用生物炭，可為永續的環境管理戰略提供有前景的解決方案。
4. 水的淨化
由於生物炭具有理想的理化特性，廢水淨化成為生物炭應用的新興主題之一。傳統上從廢水中去除污染物的方法，有膜分離、離子交換和化學沉澱等，成本高昂並且會產生化學廢棄物。相比之下，由可再生農業廢棄物和其他生物質原料生產的生物炭來處理廢水，是一種經濟可行的方法，它有助於有效地管理農業和動物廢棄物。此外，生物炭的生產是對環境友善的，在生物質許多的熱化學過程中，生物炭是副產品之一。近期，生物炭被證明可以從廢水中去除污染物，包括重金屬、染料、農藥、抗生素、無機離子、酚類、多環芳烴(PAH) 和揮發性有機化合物。
生物炭對重金屬和有機污染物的吸附機制因其性質而異，如圖三所示。源自生物質的生物炭具有各種金屬陽離子（Na、K、Mg和Ca），可以與污染物中的重金屬進行交換。此外，生物炭中存在的礦物質作為重金屬的吸附位點，提高重金屬的吸附。生物炭對無機污染物有四種可能的吸附機制：①離子交換、②離子金屬 …以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖三、推測(a)無機污染物；(b)有機污染物在生物炭上的吸附機制
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。