賴奇厚、鄭為謙、陳晉照、徐兆稹 / 逢甲大學
本文探討在「水–能源–食物(WEF)」鏈結框架下，將高含水有機廢棄物轉化為生物氫之低碳技術與材料應用。針對木質纖維素與高濃度有機廢液，解析「鹼性–超音波」與「熱化學水解」等前處理之破壁與解聚機制；並探討暗發酵結合微生物電解池(DF-MEC)及動態膜生物反應器(DMBR)如何突破熱力學限制，提升整體能源回收率。此外，探討生物炭(Biochar)作為碳基材料，在穩定生物膜、酸鹼緩衝及促進直接種間電子傳遞(DIET)上的微觀電化學作用。最後，結合生命週期評估(LCA)與技術經濟分析(TEA)，量化此農廢轉化路徑之減碳潛能與商業化條件，為推動綠色氫能與資源循環提供技術參考。
【內文精選】
關鍵材料應用：生物炭的多重強化機制
在生化產氫系統中導入碳基材料，為環境工程與材料科學之研究重點。將農業廢棄物於缺氧環境下進行熱裂解（如650℃），可製備具石墨化與多孔特性的生物炭(Biochar)。此過程除實現碳封存，生物炭在暗發酵系統中亦具備強化產氫效能之特性，其微觀作用機制可歸納為物理、化學與電化學三個層面，反應如圖三所示。
圖三、生物炭微觀機制、直接種間電子傳遞(DIET)與整合產氫系統(DF-MEC)示意
1.物理載體與生物膜微群落建構
熱裂解賦予生物炭較高的比表面積(BET Surface Area)與微孔/中孔網絡。多孔結構有利基質與代謝物擴散，粗糙表面為產氫梭菌（如巴氏梭菌Clostridium pasteurianum）提供良好的附著基質。產氫菌體分泌之胞外聚合物(EPS)與碳材料表面結合形成生物膜(Biofilm)，此微群落結構有助抵抗水力剪切力與毒性物質，維持反應器內之生物量。
2.表面官能基吸附與系統酸鹼緩衝
高濃度有機廢液發酵初期，常因VFA累積導致pH值下降。生物炭本體富含鹼性灰分（如鉀、鈣、鎂等金屬離子），提供酸鹼緩衝能力，維持產氫菌所需之弱酸性環境。此外，傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)分析顯示，生物炭表面具含氧官能基（如羥基-OH、羧基-COOH），可藉由氫鍵或π–π交互作用，吸附液相中的呋喃類、酚類等發酵抑制物，降低其對微生物細胞膜之毒害。
3.促進直接種間電子傳遞(DIET)之電化學機制
傳統厭氧代謝中，微生物間依賴氫氣或甲酸等可溶性代謝物進行種間電子傳遞(Interspecies Electron Transfer; IET)，分子擴散速率常為反應瓶頸。高溫熱裂解（650℃以上）製備之生物炭具局部石墨化結構與共軛電子系統，具備導電性。此特性使其能作為固態氧化還原介質(Redox Mediator)，建立直接種間電子傳遞(DIET)通道---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》474期，更多資料請見下方附檔。