生物炭性質

3.1.1 生物炭化學性質

Table 3 為稻殼、柳杉與田菁三種未炭化植體材料以及在 300℃和 500℃製作出 的生物炭性質。生物炭的回收率隨著溫度的上升而減少，熱解溫度300℃時 RH-300 與CJ-300 的回收率約在 69% 左右，SR-300 的回收率為 56.1%。500℃時，SR-500 與CJ-500 回收率約在 32% 左右，RH-500 的回收率較高，約有 40%左右。

三種未炭化植體的pH 值都在 5.4-5.8 左右，在製成 300℃生物炭後稻殼與柳杉 的pH 值分別上升到 6.4 與 6.7，SR-300 的上升幅度較大，上升到 8.0。在製成 500

℃生物炭時，三種材料的pH 值均上升至 9.7-10.2 左右。

灰分含量在RH-raw、CJ-raw 與 SR-raw 分別為 12.9、0.6 與 6.2%；300℃生物 炭時RH-300、CJ-300 與 SR-300 的灰分含量則分別是 18.7、1.0 與 12.8%；500℃

生物炭時RH-500、CJ-500 與 SR-500 的灰分含量則則是 31.9、1.9 與 21.6%。無論 在未炭化植體、300℃和 500℃生物炭皆以稻殼的灰分含量最高，柳杉最低。

碳含量在RH-raw、CJ-raw 與 SR-raw 分別為 43.8、53.8 與 53.1%。以 300℃製 成生物炭後，RH-300、CJ-300 與 SR-300 的總碳含量分別上升到 51.3、63.1 與 60.8%。

500℃生物炭 RH-500、CJ-500 與 SR-500 的總碳含量分別上升到 56.4、86.5 與 66.9%。

三種材料的總氮含量在製成生物炭後沒有明顯的變化，稻殼約在0.4-0.5%、柳杉都 是0.1%，而田菁則是在 2.1%左右。碳氮比則是以柳杉最高，由 538 上升到 864，

稻殼則是由109 上升到 112，田菁的碳氮比最低，由 27 上升到 31。

三種材料的未炭化植體均有最高的CEC，RH-raw、CJ-raw 與 SR-raw 的 CEC 分別為174.6、191.9 和 280.0 mmol(+) kg^-1。三種材料的CEC 都在製成生物炭後下 降，RH-300、CJ-300 與 SR-300 的 CEC 分別下降到 87.3、98.7 與 107.3 mmol(+) kg^-1， 隨熱解溫度增高，RH-500、CJ-500 與 SR-500 的 CEC 更下降到 68.9、64.5 與 91.08

mmol(+) kg^-1。

交換性K、Na、Ca、Mg 等鹽基陽離子的交換量與 K、Na、Ca、Mg 等金屬元 素的總量隨熱解溫度上升而增加。田菁交換性K、Na、Ca 都較稻殼與柳杉高，而 交換性Mg 則以柳杉最高。此外，鹽基元素總量 (K、Na、Ca、Mg) 同樣以田菁 最高，稻殼與柳杉其次。但以交換性陽離子在總元素含量所佔的比例而言，稻殼 交換性K、Na、Ca、Mg 所佔的比例最高，而田菁最少。

未炭化植體的有效性磷在RH-raw、CJ-raw 與 SR-raw 分別為 184.3、19.4 與 421.2 mg kg^-1。有效性磷在以300℃製成生物炭後大幅下降，RH-300、CJ-300 與 SR-300 有效性磷分別為89.7、14.1 與 523.9 mg kg^-1；500℃製成生物炭則是會再度上升，

RH-500、CJ-500 與 SR-500 的有效性磷分別為 223.2、46.6 與 606.5 mg kg^-1。相較 於稻殼與柳杉生物材料，田菁無論在未炭化植體、300℃與 500℃生物炭中，都具 有最高的有效性磷含量。

整體而言，在生物炭材料的化學性質上，pH 值、總碳含量、灰分含量、有效

性元素含量都隨著熱解溫度的增加而上升，回收率與CEC 則是隨之降低，總氮含

量則是沒有變化。不同材料間，碳含量以柳杉最高，田菁居次，稻殼最少，而養 分濃度 (氮、磷、鉀、鈣與鎂) 則以田菁含量最高，稻殼其次，柳杉含量最少。

3.1.2 FTIR 圖譜分析

三種材料FTIR 圖譜顯示在未炭化植體與 300℃生物炭之間訊號的變化相當小，

但500℃炭化生物炭則有許多訊號會消失 (圖 -圖 )。就三個材料整體而言，3400 cm^-1和2900 cm^-1的訊號在未炭化植體與300℃生物炭都有出現，分別代表 O-H 官 能基和脂肪族碳氫化合物 (aliphatic C-H)，而這兩個訊號在 500℃生物炭的圖譜中 消失。而在1500-1000 cm^-1 之間，來自於C=C、C=O、C-O、C-H 等鍵結的訊號，

同樣在500℃生物炭的圖譜中消失。不過，炭化過程則逐步增加 C=C 訊號(1600 cm^-1)，同時也保留部分 COOH (1700 cm^-1) 訊號。

而針對個別材料，RH-300 與 RH-500 的圖譜之間的訊號變化較少 (圖 )，未炭 化植體FTIR 圖譜訊號主要出現在 1700、1600、1100、800、450 cm^-1，且這些訊號 即使在RH-500 的圖譜上仍然有保留下來。1600、1700 cm^-1的訊號分別代表炭化後 芳香族的C=C 鍵結與羧基的 C=O 鍵結。而 1100、790、450 cm^-1的訊號在稻殼上 則是來自Si-O 的鍵結 (An et al., 2011)。不過，1500-1300 cm^-1之間有一些較不明 顯的訊號存在於RH-raw 與 RH-300 的圖譜上，這些訊號在 RH-500 的圖譜上消失。

在CJ-raw 與 CJ-300 的圖譜上 (圖 )，1700-1000 cm^-1之間有許多訊號出現。

在CJ-500 只有 1700 與 1600 cm^-1的訊號保留下來，CJ-500 尚有 880-750 cm^-1有數 個不明顯的訊號出現，主要來自芳香環平面外的C-H 鍵結。

在SR-raw 與 SR-300 圖譜之間的訊號變化比其他兩種材料明顯 (圖 )。 SR-raw 的圖譜在1500-1000 cm^-1與670 cm^-1附近有訊號出現，在1500-1000 cm^-1 之間出現 的數個訊號則是C=C、C=O、C-O、C-H 等鍵結，而在 670 cm^-1附近的訊號則是平 面外的C-OH 鍵結。這些訊號在 SR-300 的圖譜上訊號變得較不明顯，並在 SR-500 的圖譜上消失。在SR-300 的圖譜上，1580、1436、1110、1030 與 875cm^-1都有訊 號出現。1580 cm^-1的訊號來自芳香族的C=C 和 C=O 鍵結，1436 cm^-1的訊號則來 自不對稱的C-O 伸張 (asymmetric C-O streching) (Kloss et al., 2011)。在 1030 與 1110 cm^-1的訊號來自對稱的C-O 伸張 (symmetric C-O stretching) (Uchimiya et al., 2011)，875 cm^-1的訊號代表在芳香環平面外的C-H 結構 (aromatic C-H out of plane) 。同樣地，SR-500 只有 1700、1600 與 1430 cm^-1的訊號保留下來，880-750 cm^-1有數個不明顯的訊號出現。

3.1.3 NMR 圖譜分析

稻殼、柳杉與田菁的未炭化植體與生物炭的NMR 圖譜如圖 -圖 所示，三種

未炭化植體共有的訊號出現在106、89、84、75、73、65、63、56、22 ppm 的化 學位移 (chemical shift) 附近，其中 106、89、84、75、73、65、63 ppm 都代表纖 維素的化學位移 (張容蓉與鄒裕民，2007)。 56 ppm 與 22 ppm 分別來自半纖維素 的甲氧基 (methoxy) 與甲基 (methyl) (Solum et al., 1995)。SR-raw 在 30 ppm 附近 有訊號出現，來自脂肪族 (aliphatic carbon) 的結構 (McBeath et al., 2011)。三種材 料經300℃熱解溫度下，22 ppm 的訊號消失，在 128 ppm 的化學位移附近開始出 現代表芳香族結構 (aromatic structure) 的訊號；RH-raw 與 CJ-raw 在 148 ppm 的化 學位移附近也出現來自含氧之芳香族結構的訊號 (Almendros et al., 2003)。SR-300 在89、84、65、63 ppm 的訊號變得不明顯，但 RH-300 與 CJ-300 在上述四個化學 位移的訊號仍保留著。三種材料的圖譜在500℃時都只在代表芳香族結構的化學位 移上有訊號出現，各圖譜之間沒有明顯的差異。

將¹³C-NMR 的化學位移做分類的結果如表 4    稻殼  (RH)、柳杉木材  (CJ)  與 田菁植體  (SR)  的未炭化植體材料  (raw)、300℃  (300)  與 500℃  (500)  生物炭的碳

‐13 NMR 化學位移分佈率所示，在未炭化植體中，以含氮或氧原子的烷基碳的結構 為主，佔67-75 %，其次是芳香族碳結構或烷基碳結構，分別佔有 10-19% 和 5-15%。

顯示未炭化植體以脂肪族碳結構為主，佔有77% 以上。在 300℃的生物炭中，含 氮或氧原子的烷基碳結構的比例下降，約下降到26-43%，其中以 SC-300 下降最 多。芳香族碳結構與烷基碳結構的比例上升，分別增加到18-31% 與 32-36%。在 500℃的生物炭中，含氮或氧原子的烷基碳結構的比例以下降到 10% 以下，烷基 碳結構的比例也在15% 以下，而芳香族碳結構的比例卻上升到 69% 以上。顯示 在500℃的生物炭中，以芳香族碳結構為主。而在未炭化植體到 500℃生物炭之間，

羰基碳鍵結與酮類碳鍵結的比例變動較小，其所佔的比例也都在6% 以下。