從綠竹到黑鑽

 
2016/12/08 王芳 | 行政院農業委員會林務局     707
 
與生活密不可分

蘇東坡曾說:「食者竹筍、庇者竹瓦、載者竹筏、爨者竹薪、衣者竹皮、書者竹紙、履者竹鞋,真可謂一日不可無此君也。」說明了竹子與我們生活密不可分的關係。文人墨客常以松、竹、梅歲寒三友,以及梅、蘭、竹、菊四君子為素材,可見竹子也蘊藏著深厚的文化意涵。

全世界除了歐洲和西亞地區外,其他地區從低地到高海拔都有不同竹種的分布,主要在溼潤的熱帶、亞熱帶和暖溫帶地區,尤其以南、北回歸線之間最多。

全球竹林面積約2,200萬公頃,竹類植物約1,250種,其中約85%分布在亞洲。台灣由於地理位置與氣候很適合竹子生長,竹林面積約有13萬公頃,占全島森林面積約6%,以中部及北部為主,南部次之,東部較少;又竹類約有58種,以桂竹、孟宗竹、莿竹、長枝竹、綠竹、麻竹等6種較有經濟價值。

生長快速

竹子與一般林木最大不同處是其生育期短、生長快速,4年就可以成材利用,且繁殖力強,砍伐老竹越多,越有利新筍萌發與竹材品質提升。

不論是哪一種竹子,大多在發筍後3個月內完成生長,速度之快非一般木本植物能比。目前所知生長最快的是日本的剛竹,一天可以長高約121公分,相當於每小時長5公分。台灣常見的孟宗竹一天也可以長高約118公分,算是植物界中生長快速者。竹子生長快速是因竹稈分節,每個節都可同時生長,其他植物則只有頂端分生組織會生長,因而生長較慢。

因竹子生長快速,一般竹稈生命周期不超過10年,4~5年生時就達成熟,6年生以上就已過熟,若不採收利用,會自然腐敗,不僅浪費資源,也會降低竹林生態防災的機能。

竹材用途

台灣早期竹材主要用於建築的竹鷹架、農用竹稈,以及各種竹材製品如竹竿、竹蓆、竹掃帚等。1980年以前,竹產品如竹筷、竹合板等產量大,不但滿足國內需求,更大量出口賺取巨額外匯。後由於木竹建材為鋼筋水泥取代,竹製品也被塑膠產品取代,竹材使用量逐漸減少,再加上國內工資提高,竹材加工業大量外移至大陸及東南亞地區,台灣竹產業逐漸落沒。921地震後,政府林業部門為重建竹產業,整合了產官學研資源,從友善環境觀點出發,進行竹材變身計畫,促進了台灣竹產業的加值與創新。

竹材質地輕、強度高,且有良好的機械與物理性質,竹材平行竹纖維方向所能承受的抗拉強度超過木纖維10倍以上,與軟鋼近似而超過混凝土。竹膠合板強度及對溫度或溼度變化的穩定性都優於木膠合板,又竹材可與木材或其他金屬材料配合應用達到加成效果。

另因竹材的澱粉含量高,比木材更易受生物劣化因子如菌類、白蟻、蛀蟲等危害,為突破竹材易腐朽的問題,國內已有系統地開發符合環保方式的防腐處理技術。其中「單一程序竹材保綠處理的方法」可有效提升竹青保綠效果及耐腐朽性,竹材熱處理技術則可降低竹材吸水性,增加尺寸安定性與耐候性。

竹材構件經過適度設計,以及採用新技術擴大應用範圍,就能以工業化型式大量、快速生產為竹構建材,因而竹子也稱為「綠色鋼筋」,摒除一般人對竹材強度弱、耐候性差、壽命短、安全性不足的刻板印象。

竹炭與竹活性碳

1854年,英國科學家就已利用炭化竹絲使電燈泡通電發光。時至今日,竹炭可以應用在食衣住行育樂各方面,是由於竹子經過炭化後具有非常緻密與多孔隙的結構,而有極佳的除臭、調溼、放射遠紅外線、電磁波屏障等功能。竹炭由碳原子組成,與鑽石一樣,因此有人把竹炭稱為「黑色晶鑽」。

炭材與活性碳的製程與用途都不同。炭材是以炭化方式而得,而炭化是把含碳原料經熱解過程,也就是在限制空氣或隔絕空氣缺氧環境下加熱,使其化學成分熱解而形成以碳為主體的結構,並發展成許多以微米為單位或更細微的多孔性構造。由於炭化過程中常有碳氫化合物及其他物質生成,附著於炭材結構邊緣甚至阻塞部分孔隙,降低了表面積而影響吸附能力。藉由物理性氣體活化法或化學性藥品活化法去除碳氫化合物,可增加孔隙的生成以及比表面積而提升吸附能力。經過活化處理的炭材則稱為活性碳。

一般所稱的竹炭多指未經活化處理的炭材,如果經過活化處理,則以竹活性碳表示。竹子經過炭化,比表面積可達300~600 m2/g,也就是1公克的竹炭孔內壁總面積約300~600 m2,相當於長25公尺的游泳池或一個網球場的面積。經活化處理者,比表面積可增加至1,000 m2/g以上,這驚人的廣大表面積就是竹炭調節溼度、淨化水質與空氣能力的根源。竹炭比表面積約為木炭的2.5倍,因此具有比木炭更強的吸附能力。

竹炭的使用

若是用於土壤改良或肥料等農業方面,以攝氏450~600度低溫製造的竹炭即可;若是做為除臭、吸溼用,需用經攝氏600~800度中溫燒製;若要產生遠紅外線或負離子、阻隔電磁波等健康用途,則需選擇經過攝氏800~1,000度以上高溫精煉而成者。如果竹炭經過活化製程,再經表面調質及化學接枝處理,則具有親水性、非溶血性及非凝血性,並與血液具相容性,是良好的血液透析材料。

使用竹炭的方法很簡單,事前先以刷子在清水中沖洗乾淨,再放進水中煮沸10分鐘後,放在通風處陰乾1天就可使用。淨水用的竹炭約1個月需重新洗刷及陰乾1次再重複使用,壽命可維持3個月。至於淨化空氣或放置電器旁阻隔電磁波的竹炭,放置約半年再用水沖洗後陰乾就可再使用,壽命約2年。使用後的竹炭可以敲碎放置於花盆或花圃中,做為土壤改良之用。

炭化過程的其他產物

在竹炭燒製過程中,釋放出的煙霧和水氣經過熱交換急速冷卻後,所得到的液體就是竹醋液,具有獨特煙燻香氣,pH值是2.3~4.0,主要成分是醋酸,有良好抗菌效果,因此可做為土壤消毒劑、堆肥發酵促進劑、植物生長調節劑、食品防蟲劑、燻蒸劑、抗菌保鮮劑等。此外,竹醋液能中和惡臭源中的氨、硫磺化合物等惡臭成分,因此也可做為消臭劑,只要在浴廁內加上1~2毫升的竹醋液,就能消除臭味並抑制寄生蟲生長。

竹子炭化過程中除了產生竹炭及竹醋液外,利用鼓風爐所生成的烷類等氣體,除去其中的焦油及粉塵後再送至氣體引擎發電機,可做為生質能源發電,每小時能產生約5,000瓦的電力,約等於2~3個家庭用電量。在竹材炭化及發電過程中,藉由熱交換器可把廢熱轉換成攝氏50度以上的熱水回收利用。竹材剩餘廢料還可以利用高溫壓縮成質地堅硬的顆粒燃料。

台灣之光

日本林野廳自1979年開始研究開發竹材的炭化及其用途,台灣雖然起步較晚,但經過這十多年來的努力,已締造多項全球首創佳績,包括建立全球第一套竹炭驗證標準、竹炭精煉度與遠紅外線量測技術、遠端自動控溫監測的檢測平台,並首創模組化竹材炭化爐、活化設備,發展出複合性產品高達三百餘種。

自2004年起,在CAS台灣優良農產品標章中增加林產品項目,訂定一般用木炭、竹炭、木醋液、竹醋液等產品驗證的基準,這也是全球首創的驗證基準,特別要求竹炭製程清潔與安全。原料須產自台灣無化學及重金屬汙染竹林中3~6年生的竹材,且由CAS驗證機構—工業技術研究院—透過電腦網路遠端監測炭化製程,確保炭化溫度及生產數量,並針對成品及包裝進行品管檢測,以維護生產者與消費者的權益,建立國產竹炭精品共同品牌的形象。

竹子生長快速、繁殖力強、生育期短,更新容易,在砍伐過程中,對林地破壞小,並具有與速生樹種類似的碳貯存能力。台灣竹材資源豐富,相較於造林木約20年成熟,30~50年才具利用價值,實具有相當大的發展潛力。善用竹材資源可以為全球節能減碳盡一份心力,創造美好且永續的未來。