臺灣孟宗竹竹炭之簡介

竹炭就是「竹」「炭化」了的物質,享有「黑鑽石」的美譽。竹炭的取材來源以孟宗竹為主,桂竹次之,台灣產的竹炭中,80%來自孟宗竹。

研究以孟宗竹、苦竹及麻竹為竹材,發現孟宗竹含水率較低(10.7%)、體積收縮率小(19.29%)、結構緻密(0.42g/cm3)(克/1立方厘米),可得較佳之竹炭。竹炭基本上具有與竹材相同之組織與構造,每克竹炭之比表面積高達300平方米/克(m2/g),遠大於木炭或其他竹炭,表現出獨特的和巨大的吸附現象。不同溫度所燒製之竹炭,具有不同的表面性質,用途也不同,700℃~800℃所燒製的竹炭對氯的吸附能力最強,高溫( 1000℃以上)燒製之竹炭,具有良好的導電性。【引自:黃彥鈞、蔡至翔、李暐婷和陳怡臻(2004).《竹炭的製備與竹碳水》】。
孟宗竹炭化溫度400℃、600℃和800℃之炭收率各為37.10%、31.90%和25.30%,隨炭化溫度增加,炭收率隨之減少。竹材含水率愈高,炭化後之炭收率越低,含高水率之竹材所含水分於炭化時無法迅速排出爐外,使水蒸氣對部分焦炭或焦油沈澱物(disorganized carbon)產生氣化反應(partial gasification),造成含水率較高之竹材炭收率偏低,尤以中、高溫炭化者更明顯,因此,上乘的竹炭並不易燒製,價值亦較高。孟宗竹材炭化後增加收縮率,長度收縮為6.7~23.3%,厚度收縮率為21.7~29.3%,因此,上乘的竹炭並不多,價值亦高。竹炭之酸鹼(pH)值,在炭化溫度400℃、600℃和800℃分別為7.90、8.20和8.80,均偏弱鹼性。炭化溫度600℃之孟宗竹炭,其比表面積(BET/Brunamer-Emmett-Teller’s specific area)為445m2/g,呈最大值,顯示有較佳孔隙性質及吸附能力【引自:藍浩繁、賴宏亮和鄧維豐(2008).《孟宗竹炭性質研究》】。

竹炭是由竹子的人為高溫炭化處理而成,分為第一階段400℃~800℃(通常為400℃)炭化、第二階段500℃~900℃(通常為800℃)炭化及第三階段1000℃炭化三種,因溫度的差異所以品質上也分作三個級別,以第三階段1000℃炭化的竹炭最上乘。竹炭之炭收率會隨炭化次數增加而降低,第一階段炭化之炭收率最高(27.72%~34.36%),而第三階段炭化者最低(16.04%~21.02%),因此,上乘的竹炭並不易燒製。各階段之竹炭均偏鹼性,酸鹼(pH)值介於7.5~10.1之間。各階段之竹炭灰分含量為1.09%~2.53%,以第三階段炭化之竹炭灰分含量最高。碳元素含量則以第二階段炭化之竹炭最高(79.93%~92.33%),而第一階段炭化之竹炭最低(77.34%~86.85%)。比表面積(BET)會隨炭化次數增加而增加,以第三階段炭化者最高(330.4m2/g~493m2/g),而第一階段炭化之竹炭者最低(0.2m2/g~163.5m2/g)。在液體相吸附方面,以400℃進行第一階段炭化之竹炭外,其餘碘值皆可達600mg/g以上,屬於活性碳等級,其中以第三階段炭化竹炭的碘值最高,皆高於900mg/g,甚至可達1000mg/g以上。而孟宗竹竹炭降低化學需氧量(COD)之效果,則顯示化學需氧量的降低率會隨炭化次數增加而提高,此與碘值之變化趨勢一致,以第三階段炭化竹炭的處理效果最佳,化學需氧量降低率最高可達54%【引自:許玲瑛(1996).《多階段炭化對孟宗竹炭基本性質及吸附能力之影響》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號096NCHU5360022】。化學需氧量是指採用強氧化劑處理水樣時所消耗的氧化劑量,它是水中還原性物質多少的一個指標,水中的還原性物質有各種有機物、亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等,但主要是有機物。因此,化學需氧量又成為衡量水中有機物質含量多少的指標,化學需氧量越大,説明水體受有機物的污染越嚴重【引自:《化學需氧量(COD)》】。

研究選用竹山地區三至五年生竹齡之孟宗竹(Phyllostachys heterocycla)為原料,於500℃、700℃及900℃不同炭化溫度下進行炭化;孟宗竹含水率60%以上,炭化溫度700℃,所製得之竹炭具有較高之吸附值(74.04 mg/g)。而以活化溫度900℃所製得之活性碳為最佳,可獲得較高之吸附值(1094.10 mg/g)、BET比表面積867.34 m2/g【引自:陳弘彬(2003).《孟宗竹炭與活性碳之研製》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號091NPUST360006】。

研究是針對台灣經濟竹種孟宗竹的碳化製備及特性作分析,利用竹子生長快速的優勢及環保的考量,將竹子碳化成竹炭,期望能以天然材料的開發,增加竹材的利用價值,減少人為的污染。孟宗竹未碳化前各部份組織完整;500℃以上細胞已經碳化,殘留許多管狀的組織腔壁,管徑在10m -50m之間,維管束組織結構結實,碳化後孔洞在1m -10m之間,鉀元素及矽元素有明顯的釋出,碳含有六方晶系之結晶相【引自:張文理(2004).《孟宗竹炭化之製備及特性探討》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統】。

台灣的竹林占總森林面積7.2%,台灣的竹炭產業在921大地震後開始發展。1999年台灣中部發生大地震,破壞當地產業。2002年,工研院的陳文祈向農委會提出「竹產業轉型及振興計劃」,並邀請日本竹炭專家鳥羽曙訪台指導,開始台灣竹炭產業。2005年建立「竹炭品質檢驗標準和建置優良林產品標章」(CAS)竹炭產品認証,是全球第一個竹炭認証標準,符合「竹炭品質檢驗標準和建置優良林產品標章」認証的竹炭產品,基本條件是原料來自生長在台灣中海拔無污染山區,硬度達15~20度,四年生以上的孟宗竹,竹炭燒製過程溫度需達800℃以上,炭化過程為無氧炭化,敲打高溫燒製而成的竹炭,會發出清脆的金屬聲。製作竹炭時可以同時產生竹醋液,用於清潔、消毒等用途。【上文撮寫自《維基百科》「竹炭」一文。】

研究選用竹山地區三至五年生之孟宗竹為原料,探討孟宗竹材於不同之炭化及活化條件,製備具較高表面積性質之孟宗竹竹炭及活性碳。伐採時,依竹稈之離地高度分成基段(2.5m以下)、中段(2.5∼4.9m)與末段(4.9∼7.3m),再各自裁切成60cm長之圓竹段,並將含水率調整為60%以上、30∼60%、30%以下之三種狀態,於500℃、700℃及900℃不同炭化溫度下進行炭化,探討炭收率、收縮率、灰分、酸鹼值、平衡含水率、電阻係數及甲基藍吸附值等性質;其次,再以含水率30%以下之中段竹材,於500℃、700℃及900℃炭化製造之竹炭為原料,以不同活化溫度500℃∼1100℃、活化時間30∼180 min及CO2流量100∼300 ml/min之條件進行活化,並分析所得之活性碳甲基藍吸附值、Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面積及各孔隙之表面積、孔體積等性質。研究結果顯示竹炭之炭收率、平衡含水率及電阻係數,會隨著炭化溫度之提高(500∼900℃)而降低,而其灰分、酸鹼值、直徑及厚度收縮率則隨之增加。竹材含水率愈高時,則竹炭之灰分、甲基藍吸附值、電阻係數、酸鹼值、竹桿之直徑及厚度收縮率亦隨之增加,而炭收率則隨之降低。取材部位愈接近基段時,則竹材炭化後其直徑及厚度收縮率則愈小,然對其餘之各項性質,則無明顯之影響趨勢。孟宗竹較適宜之炭化條件為竹材含水率60%以上,炭化溫度700℃,取材部位則無差異,所製得之竹炭,具有較高之甲基藍吸附值(74.04 mg/g)。而以活化溫度900℃,CO2流量200 ml/min,活化時間120 min所製得之活性碳為最佳,可獲得較高之甲基藍吸附值(1094.10 mg/g)、Langmuir表面積(1078.56 m2/g)、BET比表面積(867.34 m2/g)、大孔表面積(0.28 m2/g),中孔表面積(20.45 m2/g)、微孔表面積(783.02 m2/g)、大孔孔體積(5.15 ×10-3ml/g)、中孔孔體積(38.54 ×10-3ml/g)及微孔孔體積(343.56 ×10-3ml/g)【引自:陳弘彬(2003) .《孟宗竹炭與活性碳之研製》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統】。

竹子含水率以10%~15%,較適合燒製竹炭,以孟宗竹為例,燒製竹炭宜採用四年生以上之竹材,未滿三年生之幼竹由於生長旺盛、含水率高、收縮率大、變形率高,在燒製時都會影響竹炭的品質。一般而言可將竹材分成三部份,由下往上之名稱分別為根桿、中桿和先端桿,通常根桿指根部1米內之部分,先端桿指第一枝條以上之部分,根桿與先端桿之間的部分稱為中桿,約佔竹材50%~70%。根桿含水率大於中桿,且含水率越大,體積收縮率越大,故中桿較適合燒製竹炭。【引自:黃彥鈞、蔡至翔、李暐婷和陳怡臻(2004).《竹炭的製備與竹碳水》】。玄竹竹炭健康力高山孟宗竹竹炭所採用的是經過精心挑選的高山孟宗竹的最優質中桿部分。 燒製完成的孟宗竹竹炭體積為原本的1/10,非常堅硬,硬度達15-20度【引自:陳俞君.《度養生黑鑽-竹炭》.臺北:文經社出版,ISBN 978-957-663-414-7】。

從孟宗竹生竹燒製竹炭每次約需2.5個工作天,一個月大約可燒製10次【引自:陳明益(1994).《機能性竹炭之研製》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號093NPUST747010】,因此,玄竹竹炭健康力竹炭的生產量也受到一定限制,產品十分矝貴。

孟宗竹竹炭的碳質結構非常細密、比重大、孔隙多,而且含有豐富的礦物質。由於竹子維管束的構造,燒製出來的竹炭成品有多孔的特性,使比表面積(BET)增大,其細孔直徑約為0.4~0.25mm【引自:黃國雄、余欣怡和鳥羽(2004).土窯炭化溫度對桂竹竹炭真密度與電阻係數之影響《台灣林業科學》19(3),237-45。】。

孟宗竹竹炭的隙孔道非常縝密,結構特別細密多孔而質地額外堅硬,平均每公克重的竹炭比表面積可達300㎡/g(平方米/克),活化處理過後的竹炭,表面積可高達1,200m2以上【引自許美玲(林務局造林生產組)(2008).新世代林產品-推動林產物利用與研發成果《農政與農情》第191期5月】,相當於一個足球場的面積。另一研究找出孟宗竹竹炭比表面積為258±49㎡/g【引自:陳明益(1994).《機能性竹炭之研製》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號093NPUST747010,網址為:】。炭化溫度600℃之孟宗竹炭,其比表面積(BET)為445m2/g,呈最大值,顯示有較佳孔隙性質及吸附能力【引自:藍浩繁、賴宏亮和鄧維豐(2008).《孟宗竹炭性質研究》,網址為:】。

孟宗竹炭備有強大的吸附和分解空氣中的硫化物、氮化物、甲醇、苯酚和三氯甲烷等有機污染物、水中氯氣和各類對人體有害的化學物質等等,且具有抗菌、除臭、淨化、調濕、防腐和保鮮等強大功能。加上孟宗竹竹炭測得遠紅外線輻射率量熱輻射係數超過85%,波長為4~14μm。因為這些特性,竹炭的成品可用於製作家居用品、寢具、汽車用品、化妝用品、清潔用品、運動用品保、健用品、工藝用品、紡織纖維類等方面【引自:林裕仁、黃國雄(2008).台灣竹炭業之發展與現況(林試所森林利用組)《林業研究專訊》第15卷第3期】。

工業應用方面則可製為竹炭電容器【引自:許美玲(林務局造林生產組)(2008).新世代林產品-推動林產物利用與研發成果《農政與農情》第191期5月】。

孟宗竹竹材在高溫熱裂解時所產生的成分,經儀器定性分析包含有機酸類、羧基化合物、酚類、醇類、醌類、芳香族類等物質,顯示含有41種有機化合物成分【引自:鄧維豐(1993).《孟宗竹炭及其高溫乾餾產物之分析》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號093NPUST747002】。

另一研究以四至五年生之孟宗竹、桂竹、石竹及莿竹為原料,在同一活化條件下所製得之活性碳以孟宗竹較佳。孟宗竹活化以900℃高温窰燒較佳,竹炭及活性碳吸附率分別為40~96%和26~98%【引自:陳明益(1994).《機能性竹炭之研製》.國家圖書館/臺灣博碩士論文知識加值系統/系統編號093NPUST747010】。

竹炭之製作方法屬於黑炭的一種,取4~5年以上生之孟宗竹高溫炭化而成,由於其屬於多孔質之結構,再加上燒結溫度達到700℃以上,導致其含炭率可達80%以上,且輕敲會有金屬聲,經過高溫燒製後之竹炭結構緻密,孔隙多,比表面積甚至可達700m2/g,是一般木炭的3倍以上,由於此一極大之表面積,因此竹炭具有很強的吸附和分解、消除臭味及調節濕度之能力,對氮化物、硫化物、甲醇、苯、酚等有害化學物質能達到分解和消臭之作用,另外竹炭還能產生適合人體之遠紅外線,使人體產生微熱,促進人體細胞之活化,改善人體內環境。竹炭還可以增加空氣中有益健康的負離子,減少空氣中之正離子,進而鬆弛神經,消除疲勞,並使空氣更加清新,經由千度以上燒製之竹炭,更可以具有導電的效果,甚至阻絕存在於環境中有害之電磁波,因此竹炭於日本享有『黑鑽石』之美譽【引自:賴偉仁和陳建龍.《竹炭研磨於PET 混練加工之分散性質探討》】。

玄竹竹炭健康力的竹炭產品是採用臺灣高山孟宗竹竹炭製作而成。臺灣高山孟宗竹竹炭就是採用生長在臺灣高山一帶4年至4年半生以上的孟宗竹老竹的中桿為材料,經過土窯高溫800℃~1000oC以上炭化技術燒製而成。臺灣高山孟宗竹生長在臺灣高山,是臺灣中海拔無污染的一帶山區,所以臺灣高山孟宗竹竹炭是天然的有機材料。臺灣高山孟宗竹被公認為全世界最好的孟宗竹,而臺灣高山孟宗竹竹炭是全世界最好的竹炭,由臺灣高山孟宗竹竹炭製成的產品亦是全世界最好的竹炭產品。臺灣高山孟宗竹生長期衹有六年,在臺灣中、低海拔的高山一帶生長,一夜間可長三吋,生長速度快,生長至4年至4年半品質最佳,這時即使不砍伐也自然老死,因此大量砍伐竹子也不會影響生態環境。竹炭產品且耐用和能重複使用,符合環保原則。

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