有一種神奇的材料，看起來黑溜溜、毫不起眼，但放入水中可淨化水質，放入土中可以改善土壤，放入建材中還可以捕捉二氧化碳，這就是備受期待的新材料「生物炭」。但如果不仔細把關生產過程，生物炭反而可能成為增加溫室氣體排放的幫凶。如何讓生物炭生產更綠色友善，讓它發揮「炭之呼吸」的最大潛力？一起來瞭解明志科技大學環境與安全衛生工程系吳容銘教授的研究發現！

生物炭（Biochar）是一種特殊的木炭，其生產原料為有機生質材料（biomass），例如林業或農業的廢棄物，在高溫（450-550°C）下進行熱裂解（pyrolysis），即低氧或缺氧下的不完全燃燒而形成。這個過程可以將生質材料中的碳元素，轉化為可以被穩定存儲於其結構中的固體碳，避免變成釋放到大氣中的二氧化碳，加劇溫室效應。因此生物炭被認定為一種負碳材料（Carbon negative materials），即其生命週期中所吸收的二氧化碳量，大於其所釋放的二氧化碳量。

而生物炭具有多孔隙的物理特性，讓它可以進行「炭之呼吸」，透過吸附作用，將水、土壤和底泥中的重金屬、有機污染物等捕捉起來，成為移除環境污染的大功臣。若是應用於改善土壤性質上，生物炭的多孔隙與高比表面積（單位重量表面積）的結構，也讓它可吸收遠大於自身重量的水分或肥料，增加土壤的保水和保肥力，是農民的好幫手。

都市水泥叢林會備受詬病，在於混凝土是高碳排產業。作為混凝土的重要成分，水泥在生產過程中會排放大量的二氧化碳。如果將所有水泥產業視為一個國家，其碳排量可以排行全球第三，占據了全球碳排的 8%。當全世界都在追求降低碳排、達到碳中和，建築物中不可或缺的建材，是否可以變得更低碳、環保一些？

答案是可以的！科學家想出了將生物炭添加入混凝土中的方法！在兼顧混凝土強度的情況下，負碳材料的生物炭，可以降低建材整體的碳足跡。更有研究發現，適量地混入生物炭，也可提升水泥的抗壓強度。更厲害的是，這種升級版的環保混凝土，還會「吸碳」，從大氣中吸收二氧化碳，減少土木基礎設施的淨溫室氣體排放。

然而，若不仔細把關產製生物炭的過程，生物炭不但不能發揮神奇功效，更有可能在綠色城市中幫倒忙。一般而言，在穩定受控環境中生產的生物炭，品質也穩定，但若生產條件不佳，不僅生產效率低落，更可能排放過量的甲烷、一氧化碳、氮氧化物等溫室氣體。

該如何改善產製生物炭的過程？為了找出符合成本效益、增加吸附能力、低溫室氣體排放的生物炭製程，吳容銘教授針對臺灣本土九種不同的生物炭，進行了各樣的改質（modification，透過添加或改變材料的成分與結構，來改善材料的物理化學特性）實驗並比較其對環境的影響。這些生物炭的原料包括稻殼、木材、龍眼殼、玉米芯、白罌粟、松果、蔗渣、竹子和椰子。在改質方法上，研究團隊嘗試了五種途徑：蒸氣改質、酸改質、鹼改質、氧化改質及水滑石（Layered double hydroxide, LDH）［註一］改質。

要怎麼衡量生物炭從生產、使用到廢棄各階段，對環境造成的影響呢？吳容銘教授研究團隊透過生命週期分析（Life cycle analysis, LCA），從生物炭生產過程所排放的氣體及溫室氣體量、使用的燃料與能源量、對土地使用帶來的負面效應等層面進行評估，同時也計算不同改質方法的成本效益。

實驗結果發現，生物炭生產過程所排放的氣體及溫室氣體量，在其生命週期中對環境的影響占據了最大的比例。其中，龍眼殼製成的生物炭，是所有生物炭中，對環境最友善的種類。在所有改質方法中，水滑石改質法的成本最低且穩定，而且不需要過高的溫度、不排放過多的廢氣與溫室氣體，便可達到相同的生物炭吸附效率。研究團隊因此總結，從能源消耗、吸附效率及生命週期之環境影響觀點來看，水滑石改質法是生物炭改質的最佳選擇，適用於本土生物炭作為吸附劑的應用開發。

吳容銘教授期許，這個研究成果，能對臺灣循環型經濟做出貢獻，為原本的農業廢棄物增加利用價值，為減碳節能、打造永續的綠色社會盡一份心力。

從移除污染物到打造綠色建材，黑漆漆、不起眼的生物炭，卻可以展現能量轉換的魔法，用「炭之呼吸」守護環境。未來，只要我們能發展生物炭的更多應用，改善製程，就可以更有效率地解決棘手的污染問題，降低碳排。讓城市不只是高樓林立的水泥叢林，而是一個會「呼吸」、能「自淨」、和自然共生的生態家園。

一、 水滑石，或稱為層狀雙氫氧化物（LDH），是一類天然存在或人工合成的材料，由帶正電的金屬氫氧化物層與含水的層間陰離子所構成。由於其低毒性與良好的生物相容性，LDH 在生物醫學領域引起了廣泛關注。其獨特的層狀結構使其具有對酸鹼值敏感的陰離子交換特性，使其在各種生物學與藥理學應用中展現出高度的多樣性。