菱殼炭循環經發展歷程

資料來源
60-05
文/林弘萍

循環經濟是現今全球重視的議題,亦是新型態工業發展的理想目標,如何建立一套完善的永續循環經濟,是須要投入大量的科學研究,並且也需要與各領域的專業共同合作,例如: 產品行銷、包裝設計、產品宣導、以及商業經營的規劃,都要能達到完善的整體配合,才能有機會成就永續型的循環經濟。簡略來說循環經濟其實是跨領域合作的新經濟型態,是相當值得投入和發展的新興產業,更能針對不同區域和產業建立出一套具有地方特色的永續循環經濟。

近年來將農業廢棄資材經過高溫處理轉成生物炭(Biochar)的研究和應用相當受到重視,主要是生物炭大多是穩定的石墨結構,可達到固碳的效果。生物炭的製造原理其實相當簡單,只要在氧氣缺乏的高溫狀態下,含有木質素的生物資材即可被轉成生物炭。從化學的結構而言,生物炭是具有高含量的石墨結構(graphite structure, 碳以sp2結構結合),以及低的氫/碳比(H/C)和大比表面積(surface area)。為了達到生物資材的碳化結果,高溫加熱是必經的過程,而如何建構一套適合的生物炭製造系統,有許多因素需要考量。生物炭的碳化系統建構有幾項重要的準則值得討論。(1)能量的來源;(2)原料組成;(3)副產物的生成量與處理方式;(4)設備機動性;(5)操作安全性;(6)建構成本及生物炭製造成本。從環境保護的觀點,生物炭的製作的目的在固碳,系統的建立期待能在「負碳」的條件下達成,因此低電能和石化燃料使用量,且不產生有毒的化學物質的條件下,建構的生物炭量產設備,才能真正具有永續發展的潛力。

在六年前,個人因官田區區長顏能通的盛情邀約下投入協助官田區廢棄菱角殼的處理,主要是因為官田區為台灣最大菱角產地,年產量約6,000公噸,但每年亦同時產出大約3,000公噸之廢棄菱角殼。對當地的農民而言菱角殼有兩個麻煩的缺點: 1. 木質素成分高不易分解,通常分解需要一到兩年的時間,很難用一般堆肥方式處理;2. 菱角殼的形狀有菱有角不易緊密堆積(圖1A)、因此容易造成積水而孳生蚊蟲。當地農民常用露天燃燒的不適當方法將菱角殼去化,然而在燃燒過程中常產生大量的煙,造成空氣汙染也容易造成公共危險(圖1B)。但是從科學的角度來看,菱角殼的木質素成分高,反而是一適合做為生物炭(Biochar)的農業廢棄資材。


圖1.(A)棄置的菱角殼的照片;(B)露天燃燒菱角殼的照片

過去所認為菱角殼的缺點,從科學的角度分析,菱角殼的木質素高反而是可以成為高碳化率原料的優點,形狀不一亦可堆積出高通透的狀態,適合空氣的流通達到幾近無煙的碳化程序。在初期研發菱角殼碳化系統時,因為缺乏經費,因此只能採用最簡易的「上方點火法」的方式(圖2A),以直火點燃上方的菱角殼,藉由菱角殼中的纖維素和半纖維素先氧化燃燒產生熱量,在無需提供額外能量的條件下持續燃燒,提高碳化的溫度,由於火焰只在上方燃燒,下方則是處於缺氧高溫狀態,高温過程中逐漸將木質素轉變成石墨結構的菱殼炭。結合當地現有的資源,以廢棄的鐵桶在底部打適量的洞,使空氣對流能達到燃燒所需的空氣量,在側邊挖一些大的洞,加上煙囪導流使熱氣上傳達到接近無煙的碳化過程(圖2B)。雖然在設備構想上並不難,但在實際的操作過程中所遇到的難題確是相當多。例如:底部打洞的數量最佳化、側邊開洞的尺寸和洞數、煙囪尺寸和長度,皆會影響碳化過程當中產生未完全燃燒的煙濃度,但是如果底部洞數及尺寸過大,反而會因為空氣對流過旺,燃燒速度過快,導致產生的菱殼炭產率大幅下降。


圖2.(A)上方點火法之菱角殼碳化系統示意圖;(B)官田區開發之菱角殼碳化系統的照片

當然我在指導改善這些複雜的燃燒因素時,流體力學的知識是做為最重要的科學依據,但是仍需要實際操作和測試,不斷地修正才能符合實際的現地使用,很幸運地,經過一年左右的測試改良,終於開發出接近完美的菱殼碳化桶。圖3是碳化過程中的升温曲線以及一氧化碳生成量的圖,由圖3B曲線可看出點火時確實會產生燃燒不完全的一氧化碳,但當開始燃燒之後,温度便會迅速上升到700oC左右(圖3A),一氧化碳的濃度即降低至100 ppm以下,此時煙窗便不再有煙的產生,呈現一完美的碳化程序,也符合環保法规。而當燒到碳化系統的底部時,此時轉而燃燒至菱殼炭,温度則會再上升至1000oC左右,經過此高溫的焠煉,菱殼炭品質更為提升,完全符合國際EBC和IBI的標準,由於黑金色菱殼炭的元寶形狀,我們在當地稱之為「官田烏金」。表1列出菱殼炭檢測資料和國際標準之對照。


圖3.(A)官田區開發之菱角殼碳化系統的燃燒過程的溫度變化;(B)及一氧化碳濃度曲線圖。

表1. 菱殻炭組成和性質檢測資料與EBC國際標準之對照表


雖然在前二年有環保署經費之補助,建立官田菱碳化場,以及農委會計畫支持農地試驗研究,菱殼炭的生產與田間試驗配合的成果都是正向的。但随著政府資金補助的減少和移出,碳化場人力的薪資與設備的損耗維修經費,卻逐漸產生無法延續的困境。因此不得不再思考如何將菱殼炭的價值提昇,這決定著菱殼炭的永續發展的命運。幸運地,官田區產出的菱殼炭具有高比表面積(每克菱殼炭大約有300米平方的表面積, 大概是0.7個篮球場大),是一個高吸附率的生物炭,以科學應用而言,菱殼炭可以成為室内或密閉空間的除濕、吸臭的吸附劑。因此便開始著手將菱殼炭導入生活化應用,圖4A是第一代的菱殻附包的照片,在没有深思熟慮的狀况下,因應過年節日便蒼促地上市,由於缺乏實際使用的印證,包裝不吸引人,而且菱殼炭直接暴露於外在環境中,吸附效果已逐漸降低,使用者拿到時已是無效。第一年的銷售成果非常差,只能靠著同情心勉理賣出幾十包,剩下幾千包就轉送當地居民,但是都是負面評價。


圖4.(A)第一代的菱殻附包的照片;(B)菱殼炭淨化水質的功效對比照片(左:對照組;右:添加菱殼炭);(C)第二代的菱殻炭附包的照片;(D)台南市復康巴士吊掛菱殼炭吸附包的照片

有著這次慘痛的失敗經驗,區長和我重新思考如何說服消費者的方法,不能只用冷冰冰的科學數據要求民眾購買。如何以簡易的科學實驗說服想支持環境保護的人,的確是有需要仔細規劃。對我這位長期待在實驗室做研究的老師,反而不適應這種挑戰。不過為了能活化菱殻炭商機,一定得想到辦法。最直接的呈現即是水中染料的吸附,從顏色的變化是容易令人印象深刻,由比較的結果即可清楚地看出菱殼炭淨化水質的功效(圖4B)。雖然水體系統的吸附效果已清楚呈現,但是空氣品質的改善效果如何證明卻是一大難題。使用儀器設備檢測並不是一般大眾可接受,況且氣味的感受因人而異。如何讓消費者對空氣品質改善的觀念,不是停留在用芳香劑掩蓋臭味的方式,而是要將有毒的氣體分子吸附著。我們一直嘗試各種說法,但成效不彰。既使加了塑膠外袋閉封使菱殼炭吸附包永保有效,包装設計也更為精美,但仍然没有太大的購買成效,只能配合一些在地社區或參訪活動,才能有些民眾願意購買。如何永續經營的難題和壓力逐漸加大。

常說:危機就是轉機,但是没有提出正確的方法解決,問題依然存在。 當然,可以選擇放棄,反正區長和我是在公家單位服務,薪資並不是來自菱殼炭的銷售成果。但是放棄了這個理想和幸運,這二、三年的努力就是一場空,況且菱殼炭產品是有固碳及改善生活品質的再生資源。放棄理念一定是最容易的,堅持理想往前卻是需要勇氣和智慧。再經過一段時間的思緒沈澱後,正巧因為有一位官田當地居民因受傷需常搭乘復康巴士,聊天中提到巴士内空氣品質不佳對病人不是很好。這反而提醒了我們,復康巴士是菱殼炭吸附包效能的最佳測試場域。結合官田區及崑山科技大學的大學社會責任計畫之資源(由商管系楊泰和老師主持),共同捐贈了六百多包吸附包給台南市復康巴士,每輛車吊掛六包吸附包(圖4D)。並請司機協助追蹤空氣品質改善成效,利用大數據的收集以達到更直接的說服力,也順便做社會公益。其實捐贈之後並没有立即產生正面回應,等待了大約二個月後,有一天接到復康巴士司機打電話來,要採購菱殼炭吸附包送給朋友,用來改善汽車内空氣品質。這通電話卻讓我們官田烏金的研發團隊信心大增,也支持了我們往前進步的動力。

隨著菱殼炭吸附包產品逐漸推上市場後,菱殼炭許多的小缺點亦會逐一浮現,主要是因為菱殼炭是易碎的(圖5A),經過外力擠壓常會掉出些許微細粉塵,且菱殼炭孔隙率高、質地輕(體密度小) 佔的體積大,使用上會有些場域或設備不適合使用。必需要再改進產品的型式,才更具有市場競爭力和實用性。我的研究團隊從食品化學的專業知識,得知可以藉由海藻酸鈉加入乳酸鈣的造粒方式(圖5B),配合自動滴定装置,即可將菱殻炭造粒成型。成型後的菱殼炭造粒的機械強度佳,不易產生粉塵,且大幅提升體密度,減少佔據之空間,大幅提升實用性(圖5C)。為了更進一步提升產品的多元化,研發團隊亦嘗試添加精油於菱殼炭造粒之中,也因為菱殼炭具有高孔隙度,可將精油吸收於造粒菱殼炭之内,轉變將原本液態的經由成乾式的精油菱炭粒,再緩慢釋放,達到長時間的釋芳香功能,做為天然無須加熱的乾式擴香劑,也逐漸發展成官田區特色商品(圖5D)。產品的銷售方面,崑山科技大學商管學院就扮演著菱殼炭商品重要的行銷角色,負責將產品做更好的行銷管理,才能奠定日後官田烏金自己自足的永續特色產業。


圖5.(A)易脆的菱殼炭照片;(B)菱殼炭加入海藻酸鈉滴入乳酸鈣的造粒過程的照片;(C)菱殻炭造粒後的照片;(D)菱殻炭造粒吸附精油產品之的照片

市場開發是永續經營的決定因素,除了有科學學理的依據做為新功能開發主外,對於產品的包裝、Logo圖案設計,使用方式的建立,其實都需要不同領域的專家一起參與。這六年左右的奮鬥過程,也充份了解到永續循環經濟的創立,是一項需要由科學做為基礎,結合各方有相同志向的人才,共同努力才能逐步達成目標。現階段菱殼炭商品雖有一些經濟成效,但仍不足以成為永續產業,研究圍隊將會持續努力開發新產品,也期望消費者和政府單位能重視循環經濟的重要性,多購買和支持相關產品,共同支持理想的永續循環經濟產業。我也將持續開發菱殼炭永續循環經濟產業,並且將許多的研究經驗和成果傳承,直到真正建立出菱殼炭永續產業。最後,感謝這一路相伴的官田區區長和當地熱心的居民,崑山科技大學商管學院大學社會責任執行團隊、官田烏金合作社、以及我成大的研究團隊。
 



林弘萍
國立成功大學化學系 特聘教授