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中国台湾省竹炭材应用技术的发展

据《台湾林业》2015年第2期报道  1970年代为中国台湾(简称"台湾")竹材生产高峰期,年产量约1 700万根,产值达新台币1.25亿元以上。随着全球产业环境变迁,台湾竹材加工业大量外移,竹材生产量自1980年以后逐年递减。台湾林务局于2002年起推动"竹产业振兴与转型计划"。2009年,配合台湾农委会"精致农业健康卓越方案"行动计划,推动"竹制精品"计划,陆续开发竹炭材新兴产品及其生产技术与设备,大幅提高竹材多元利用价值。目前竹材产量虽仅为鼎盛时期的10%,年产量约180万根,但比2004年的54万根年产量增长了3倍多。

竹子生长速度快,作为生态材料,极具发展潜力,深受国际重视,"以竹代木"逐渐流行。台湾竹林面积约15万hm2,低海拔(1000m以下)经济竹林约7万余hm2,桂竹、麻竹、孟宗竹、刺竹、长枝竹及绿竹等6种为最主要经济竹种,资源丰富且质量优良。

竹炭可利用传统土窑与机械窑生产。土窑乃是以少量的木材作为燃料燃烧提供热能,使窑内竹材自燃,达到炭化温度,封闭窑门,在无氧状态下自熄冷却。机械窑炭化的能源为电源、柴油或瓦斯等,炭化温度为800℃。

经由缺氧热裂解与炭化过程,竹子制成竹炭之后,其主要官能基为碳氢键(C-H)、双碳键(C=C) 及少许氢氧键(O-H ),对硫化物、甲醛、苯、酚或三氯甲烷等有机污染物或有害化学物质等均具有极佳的吸收能力。此外,经不同温度炭化或活化后,竹炭具有极佳的除臭、调湿和电磁波屏蔽等功能。使用后的炭可作为土壤改良剂,而不会造成环境污染。

竹炭的功能可概括为以下方面:(1)吸附功能。高温烧成的竹炭有无数的微细孔洞,孔径介于数微米至数十微米之间,由于孔洞具有极复杂的凹凸结构和很大的表面积,使水、空气通过时产生吸附作用,可显著提高环境质量。(2)提供微量矿物质元素。高温烧成的竹炭所含矿物质为水溶性,当置于水中时矿物质自然溶出,使水变成甘甜的微量矿物水。(3)远红外线功能。高温烧制的竹炭为远红外线能量供体,遇热后可强化其远红外线效果,促使周围的空气、风、水等变暖。(4)阴离子功能。高温烧制的竹炭促使其周围增加阴离子,如同森林中的芬多精,使人身心舒适、镇定心情。(5)高温精炼后的竹炭具有更高的导电性,能够阻止电磁波。

基于上述特性,竹炭被广泛应用于生活中,如:煮开水时加入竹炭,可吸附氯气、重金属等杂物而净化水质,且微量矿物质可使开水的pH值变成微碱性(8.0~8.5);煮饭时加入高温精炼竹炭,可吸附氯气、农药、重金属等杂物;冰箱内放入竹炭,可除去冰箱杂味以净化冰箱空气,且阴离子功能可使蔬菜鱼肉保持新鲜;室内放置高温竹炭时,可吸附异味、净化空气。竹炭的远红外线及阴离子功能可消除电器产生的阳离子,使空气舒爽。

农业应用方面,科学家吴怡德曾于2009年以孟宗竹炭取代市用泥炭土介质中的珍珠石,依不同体积混合比例(7.5%、15% 及30%)在泥炭土介质中作为栽培介质,观察其对甘蓝与西红柿盘栽苗生长的影响。结果表明,栽培介质以15%竹炭取代珍珠石时,其物理与化学性质,以及导电度与阳离子交换浓度等皆优于珍珠石栽培介质,可显著提高蔬菜苗地上部分的干重和鲜重。何学铭于2011年的研究也表明,孟宗竹炭作为取代蔬菜栽培介质的珍珠石,可显著提高蔬菜苗的生物量、单株重、总叶面积、球径及球重等。其它科学家的研究还表明竹炭可促进土壤活化,减少病虫害、提高农作物生产力,亦可使植物花叶颜色更鲜艳,延长花期。

水产养殖应用方面,台湾农委会水产试验所研究试验发现,添加适量竹炭粉的饲料投喂台湾鲷,养殖鱼的增重率和肥满度有明显提高,有助于增进养殖鱼成长,提高生产效率与经济效益。竹炭颗粒亦可应用于渔业养殖场滤水系统。

畜牧应用方面,在饲料中添加木炭粉,可消除猪的胀气症状、缓解下痢、增进食欲;可改善肉鸡的肉质及提高蛋鸡的产卵率、卵重和饲料摄取量,并大大减少鸡粪的臭味;羊青刍饲料中添加竹炭,可促进羊的成长。

食品应用方面,台湾行政院卫生署已于2006年3月公告竹炭可用作食用天然色素,但需符合食用天然色素卫生标准的相关规定。

工业应用方面,由于竹炭粒子具有较大的表面积、发达的孔隙结构及高导电系数,经表面改质处理后,可作为具有较高能量密度或高电容量的电极材料,适用于锂离子电池、燃料电池或超高电容器(Super capacitor)等。因此,随着科技进步,竹炭将更广泛应用于生活层面,如日用品、农林牧渔以及工业材料技术,甚至于国防及医疗等。

竹子生长速度快且能吸附大量的二氧化碳,可以更有效减缓温室效应,发挥水土保持作用。竹子经无氧炭化过程生产出的竹炭可以应用于衣食住行娱乐等多方面,甚至可用于农业土壤改良与作物安全栽培,减少化学肥料的使用,可以说是取之于自然,用之于自然,创造人类与环境共生共荣的发展模式,达到产业永续经营的理念。