中華民國第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書
排版\030211-封面
國中組 化學科 第一名
030211-封面
碳為觀止 -回收式生物炭吸附光解膠囊
學校名稱：臺南市私立瀛海高級中學 (附設國中)
作者： 指導老師：
國三 高苡瑄 國二 楊俐玟 國二 莊杰叡
黃勤展 薛 龍
關鍵詞：植物炭、動物炭、吸附遞減
i
得獎感言
科展，對於我們來說最大的意義是，能夠和相關領域教授以及其他參賽同學交流的管道，
藉此了解自己在全國的程度，也能交流彼此對科學領域的看法。
在這次的研究過程中有笑有淚也曾體力超支，都是難以忘懷的經驗，而我們也習慣這種 忙得不可開交的生活，促進我們的邏輯思考與時間分配能力，我們大部分的性格特質都是在 一次次的失敗與重拾信心中養成的，能夠靜下心來思考問題或釐清方向，每一次的思考過程 都是學習是成長，也練就了我們能夠熬夜趕報告和統整資料的能力，讓我們更加喜歡科學人 的生活模式，很謝謝為了共同目標努力的神隊友們互相扶持。其中，最辛苦的事是要解決問 題的時候，像是自製累進沖提吸附裝置和造炭球裝置時，我們用了好幾個月的時間改良，不 斷的討論與嘗試，希望他能具有良好信度；而最有趣的事是我們一邊做實驗一邊討論數據的 時候，試著將大筆的數據，整理出造成吸附能力好壞的關聯性，經常在討論過程中，激盪出 歸納的方法，讓我們很好奇的去嘗試，開啟我們實驗的下一個步驟。
在線上評審過程中，我們是盡情的表達想法，把實驗過程中遇到的問題和整理出的收穫 跟評審教授們分享，這就是科學領域的討論會如此令我們著迷的原因，無須擔心對錯或不及 他人，以自在的心情討論與分享彼此的見解。能夠這樣毫不膽怯的表達，要特別感謝我的隊 友們，做實驗時互相交流心得、平時的線上小組討論、一起查詢資料和詢問指導老師等等，
早已將這樣的討論模式化作過程中的一部份，因此無論是實驗架構或是問答時的應對，都有 著縝密的邏輯性。我們認為之所以能得到評審青睞的原因除了實驗架構完整、響應綠色科學、
自製測試裝置之外，也跟我們的口語表達能力有著很重要的關係。
能夠取得這次的成績，要特別感謝瀛海中學的科展團隊，老師們會以引導式的帶領，讓 我們嘗試自己去探討原因與改良；學長姐則是將比賽經驗和實驗技巧傳承給學弟妹，可以教 學相長；其他同樣參加科展競賽的組別們也會在課餘時間互相分享實驗進度並給予建議，一 起交流看法一起努力；當然還要感謝國一國二時，和我一起合作的前隊友們，讓我逐漸學會 如何領導團隊、怎麼營造小組凝聚的氛圍；更要謝謝一路陪著我們奮戰到最後的展哥，他真 的是為了實驗室賣命，提供實體、知識方面和心靈上的資源，就像我們的第四位隊友一樣，
陪我們研究與討論。因此，我們會將光環化為研究動力，繼續保持對實驗的熱忱與好奇，探 討科學尋找真理，並且把所學教給對科學有興趣的學弟妹，延續瀛海中學的實驗精神。
ii
碳為觀止戰隊暨瀛科科幹部特攻隊
精選實驗紀錄——海產店開張囉！
添唐醛-帶你得第一
1
摘要
將廢棄物轉質為吸附材是當今趨勢。本研究建立具再現性之碳化程序，將花生菱殼、雞骨龍蝦 等製成生物炭，並建立吸附 SOP 來探討最佳處理參數，最後將其製成回收式生物炭球。
實驗發現動物炭因為含有高比例無機物(97%)，可經由酸洗提升生物炭的等重吸附率，雞骨炭 因無機物分布位置特殊而具有發展潛力(超越市售活性炭)。整體而言，酸洗能有效提升生物炭吸附 亞甲藍(99%)、動物炭吸附甲基橙(39%)能力(活性炭吸附亞甲藍 70%、甲基橙 2%)，生物炭還能夠吸 附鈷離子。
實驗以雞骨炭/海藻酸鈉=5 來製作炭球，符合材料經濟最大，且吸附效果良好。最後也將自製 光觸媒分散至炭球表面，使觸媒炭球吸附染料後能照射陽光再生，重複使用
壹、研究動機
有一次在新聞中發現，台灣每年菱角產量達 6800 公噸，但廢棄的菱角殼就多達 3700 公噸。其 中有一段便使用甲基澄滴入菱殼炭濾材中，以測試其淨水能力，發現濾出後的液體為澄清無色。這 個小實驗使我們對其吸附能力感到興趣，於是我們開始著手研究菱殼炭，希望能找出其最大的利用 價值，減輕對環境的負擔。
而早在生物炭被重視之前，活性碳是主要被用來淨化水質與氣體的物質，而活性碳也富有商 用價值，但必須經由人工方式活化，可是生物炭只需將其隔氧炭化，便可使用。我們想以實驗比 較兩者吸附程度差別，希望使生物炭能更加被重用，使其發揮更高的經濟價值。
貳、研究目的
1. 建立標準碳化(石墨化)流程
2. 建立標準吸附流程(靜態吸附、累進沖提吸附) 3. 探討以不同動植物取得各種炭源
4. 探討各種材料之組成成分 5. 探討生物炭最佳碳化溫度
6. 探討不同碳化溫度處理之生物炭含有的水溶性鈣離子比例 7. 證明酸處理可以提升生物炭的吸附能力以及原因
8. 探討不同生物炭對於結構染料的吸附能力
9. 以最佳參數自製生物炭碳球並測試其吸附率及效果 10. 結合光觸媒製作具有回收能力的吸附生物炭球
2
參、研究器材與藥品
一、藥品
名稱 學名 化學式 來源
鹽酸 Hydrochloric acid HCl 立統 氫氧化鈉 Sodium hydroxide NaOH 立統 活性碳粉 Carbon powder C 立統 甲基橙 Methyl orange C14H14N3NaO3S 立統 亞甲藍 Methylene blue C16H18ClN3S 立統 去離子水 Deion water H2O 立統 二、、設備或器材
名稱 學名 名稱 學名
鍛燒爐 Calciner 分光光度計 Spectrophotometer
燒杯 Beaker 烘箱 Oven
漏斗 Funnel 洗滌瓶 Wash bottle
滴管 Drop 定量瓶 Graduated flask
濾紙 Filter paper 試管架 Tube holder
試管 Tube 酸鹼計 pH meter
磁石加熱攪拌器 Magnetic stirrer 超音波震盪器 Ultrasound oscillator 防風電子秤 Balance 鑷子 Tweezers
量筒 Graduated cylinder 微量吸量管 Pipette
錐形瓶 Conical flask 研缽、研杵(杵臼) Mortar and pestle 離心機 Centrifugal 坩堝 Crucible
攪拌子 Stir bar 刮勺 Spatula
濾網 Filter screen 滴定管 Burette
圖 示
說 明
陶藝社高溫爐 分光光度計 四位數防風天平 酸鹼計 紫外光燈
圖 示
說 明
烘箱 超音波震盪器 均質機 離心機 攪拌器
3
肆、原理與實驗架構
本研究目的是探討食物廢棄物製成生物炭的炭轉換率、改良其吸附效果、以及製成炭球後的功能。
生物炭主要可分成：植物來源的生物炭、與動物來源的生物炭。
不同的植物，天生有不同的結構，例如菱角 或是花生，天生帶有硬殼，通常是木質素含 量較高的，木質素是帶有苯環的巨大有機結 較其他植物更容易轉成碳材。
硬殼植物軀幹所得到的碳材，還可能含有二 氧化矽骨架，這使得其比重變大，易於沉 降。
碳材主要由碳原子組成，不同植物所得到的 碳材，其大結構還可能與原植物種類有關，
例如微管束的排列，碳化後，可能留下空腔結構，變成孔洞碳材(Porous carbon)。除了碳原子以 外，木質素OH 基大部分都會在隔絕氧氣加熱的過程中變成水蒸氣而逸散，少部分留下來或是形 成COO 的官能基，此外不同的植物可能還會含有 N、S 等成分，這些異原子有機會改變生物碳材 的吸附能力。
本研究最一開始想比較菱殼炭與花生殼炭在吸附上的優劣，實驗中以活性碳作為對照組。
先利用過去實驗室經驗建立一標準炭化流程後，對相同重量的菱殼與花生殼做相同隔絕氧加熱的 處理，計算其轉換百分比。
為了使吸附的數據具有信度、以及效度，研究多次改良吸附染料的方式，去除棉花等干擾物質、篩 選碳材粒徑等，後來發現市售有種把牛奶變成巧克力牛奶的神奇吸管具有特殊的內建結構，有利於 我們製作吸附管，於是實驗利用市售的便宜「神奇吸管」，建立一具有鑑別度的標準吸附流程，能 比較不同碳材經過亞甲藍染料沖提的吸附效果，計算吸附率、吸附遞減情況，進而探討吸附容量 (capacity)。
實驗主要研究植物軀幹經炭化不同時間對炭材吸附性質的影響、此外也探討酸處理是否增進吸附 效果。比較菱殼炭與花生殼炭吸附性質的差異，包含針對不同結構的染料、不同濃度的吸附效果差 異也比較了不同重金屬的吸附效果。
為了更了解植物炭的性質，本研究進一步選用動物炭來進行研究比較，動物炭選擇龍蝦殼、雞骨頭、
貝類的生物炭，都是菜餚中常見的堅硬的結構，蝦殼中能夠被炭化的部分主要是甲殼素，甲殼素的 結構跟纖維素類似，是鏈狀聚合物；而骨頭中能夠被炭化的部分主要是膠原蛋白質，也是鏈狀聚合 物；貝類主要由無機物組成，是此部分的對照組。
動物來源的生物炭，動物炭出爐後呈現粉狀(不像植物炭一開始就呈現塊狀)，所以本研究因此也研 究了將炭製成錠的方法，並且在眾多參數中發現規則性得以自由控制碳球大小，希望能將生物炭的 吸附功用發揮出來。
木質素 石墨平面
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伍、研究過程與方法
一、實驗一、建立標準處理材料流程(以雞骨頭為例) (一) 步驟
步驟1-1 準備植物組：花生殼、菱角殼，及動物組：龍蝦殼、九孔貝、雞骨頭 步驟1-2 將所有材料清洗乾淨，並去除油脂
步驟1-3 放入烘箱 70 度烘乾
步驟1-4 將材料敲碎及放入攪拌均值機攪成粉末 (二) 圖例說明
步驟1-1 準備材料
步驟1-2 清洗與去油脂
步驟1-3 放入烘箱烘乾
步驟1-4 將材料磨成粉末 二、實驗二、建立標準燃燒與窯燒程序
(一) 步驟
步驟2-1 將已磨碎的各材料放入烘箱中 70 度烘乾
步驟2-2 秤取烘乾後的材料 0.5 克後裝入坩堝(窯燒使用稻殼粉填充，紙黏土密封) 步驟2-3 將坩堝放入高溫爐中進行燃燒 2 小時，操縱溫度 200 度至 600 度
步驟2-4 取出並計算質量轉換率，並換算碳轉換率 (二) 圖例說明
步驟2-1 放入烘箱烘乾
步驟2-2 秤取粉末並裝入坩堝
步驟2-3 燃燒或窯燒2 小時
步驟2-4 秤重計算轉換比例 三、實驗三、使用羊毛鉻黑測定材料鈣含量
(一) 步驟
步驟3-1 將羊毛鉻黑放入 pH 值 10 的氨水中形成指示劑，呈藍色 步驟3-2 使用滴管吸取些許指示劑放入以蒸餾水潤洗後的 sample 瓶中 步驟3-3 秤取 0.01 克各窯燃燒後產物倒入 sample 瓶
步驟3-4 使用滴定法將此液用 EDTA 滴回呈藍色
步驟3-5 觀察並記錄所使用 EDTA 的毫升數，計算產物的鈣含量
5
(二) 圖例說明
步驟3-1 配製指示劑
步驟3-2 裝入指示劑
步驟3-3 將產物倒入
步驟3-4 開始滴定 四、實驗四、探討酸洗對燃燒與窯燒產物的影響
(一) 步驟
步驟4-1 將已磨碎的材料裝入含蒸餾水的燒杯中 步驟4-2 使用 1M 鹽酸將 pH 值調至 1
步驟4-3 裝入水熱瓶，並放入烘箱進行水熱 100 度 2 小時 步驟4-4 取出後使用濾紙過濾，留下濾餅
(二) 圖例說明
步驟4-2 調pH 值至 1
步驟4-3 放入烘箱水熱
步驟4-4 過濾後留下濾餅
步驟4-4 烘乾濾餅 五、實驗五、探討酸處理與碳化的先後順序對轉換率與鈣含量的影響
(一) 步驟
步驟5-1(窯燒後泡酸)將直接窯燒後產物裝入小燒杯中，滴入 1.2M 的鹽酸
步驟5-2(窯燒後泡酸)放入烘箱等待其乾燥，乾燥後拿出秤取 0.01 克產物裝入 sample 瓶 步驟5-3(窯燒後泡酸)滴入使用羊毛鉻黑調配的指示劑，若產物含鈣將呈紫紅色
步驟5-4(窯燒後泡酸)使用滴定法將此液使用 EDTA 滴至呈藍色，且不再變色為止 步驟5-5(窯燒後泡酸)觀察並記錄 EDTA 的毫升數，計算產物鈣含量
步驟5-6(窯燒後酸洗)將直接窯燒後產物裝入小燒杯中，接著滴入 1.2M 的鹽酸並使用濾紙過濾 步驟5-7(窯燒後酸洗)放入烘箱，待其乾燥，乾後取出濾餅，秤取 0.01 克產物裝入 sample 瓶 步驟5-8(窯燒後酸洗)滴入使用羊毛鉻黑調配的指示劑，若產物含鈣將呈紫紅色
步驟5-9(窯燒後酸洗)使用滴定法將此液使用 EDTA 滴至呈藍色，且不再變色為止 步驟5-10(窯燒後酸洗)察並記錄 EDTA 的毫升數，計算產物鈣含量
(二) 圖例說明
步驟5-1.5-6 步驟5-2.5-7 步驟5-3.5-8 步驟5-4.5-9
6
滴鹽酸到產物上 烘乾後取出 滴入羊毛鉻黑指示劑 滴定EDTA 六、實驗六、模擬廢水
(一) 步驟
步驟6-1 (亞甲藍、甲基橙) 以分光光度計尋找亞甲藍、甲基橙的最大吸收波長（以蒸餾水歸零）
步驟6-2 (亞甲藍、甲基橙)以波長 664 配製 1A 亞甲藍水溶液，以波長 460 配置 1A 甲基橙水溶液 (蒸餾水)
步驟6-3 (重金屬) 以分光光度計尋找硫酸亞鐵、氯化亞鈷、硫酸鎳、硫酸銅的最大吸收波長(以 蒸餾水歸零)
步驟6-4 (重金屬)分別以各金屬最大吸收波長配製 1A 水溶液(蒸餾水)
步驟6-5 (酸鹼廢水) 將配置好的 1A 亞甲藍水溶液以 1M HCl 或 NaOH 調整不同 pH 值 (二) 圖例說明
步驟6-1 6-2 配製1A 亞甲藍、甲基
橙
步驟6-3 6-4 配製1A 重金屬離子溶
液
步驟6-5
配製不同酸鹼值1A 亞 甲藍
步驟6-5
配製不同酸鹼值1A 亞 甲藍
七、實驗七、建立粉末吸附廢水標準程序 (一) 步驟
步驟7-1 以最大吸收波長配製 1A 溶液
步驟7-2 秤取 0.002 克的各窯燒後及燃燒後產物，放入離心管中
步驟7-3 使用滴管吸取 2mL 的 1A 溶液滴入裝有 0.002 克粉末的離心管中 步驟7-4 放入超音波震盪器震盪 7 分鐘
步驟7-5 取出後放入離心機中離心
步驟7-6 使用滴管吸取上層液滴入分光槽，以分光光度計測量吸收度 (二) 圖例說明
步驟7-1 配製1A 溶液
步驟7-2 7-3 裝入粉末與染料
步驟7-4 超音波震盪
步驟7-5 離心
步驟7-6 測量吸收度 八、實驗八、自製碳球
(一) 步驟
步驟8-1 秤取適量碳粉及海藻酸鈉倒入燒杯中(蒸餾水潤洗) 步驟8-2 加入蒸餾水調配成炭漿，並使用攪拌均值機攪拌混合 步驟8-3 調配濃度為 5%的氯化鈣水溶液
步驟8-4 將炭漿倒入分液漏斗，於下方放置氯化鈣水溶液
步驟8-5 滴入氯化鈣水溶液形成碳球待其沉澱，過濾後放入烘箱烘乾
7
(二) 圖例說明
步驟8-1 加入碳粉與海藻酸鈉
步驟8-2 加入蒸餾水
步驟8-3 配置氯化鈣水溶液
步驟8-4 倒入裝置中取得碳球
步驟8-5 放入烘箱中烘乾 九、實驗九、自製黏度計檢測碳漿黏度
(一) 步驟
步驟9-1 秤取適量碳粉及海藻酸鈉倒入燒杯中
步驟9-2 加入蒸餾水調配成炭漿，並使用磁石攪拌器攪拌混合 步驟9-3 固定使用同樣寬度和長度的管子製作炭漿流過的裝置 步驟9-4 倒入等量的炭漿到裝置中
步驟9-5 測量開始流過裝置至結束所需時間並記錄各參數對黏度的影響 (二) 圖例說明
步驟9-1 秤取炭粉和海藻酸鈉
步驟9-2 加入蒸餾水
步驟9-3 配製炭漿
步驟9-4 固定裝置
步驟9-5
倒入等量炭漿併計時 十、實驗十、碳球和炭粉吸附亞甲藍效率測試
(一) 步驟
步驟10-1 以亞甲藍之最大吸收波長調配成 1A 亞甲藍水溶液 步驟10-2 將 0.002 克炭粉或碳球與 2 毫升 1A 亞甲藍倒入離心管
步驟10-3 放入超音波振盪機振盪，每五分鐘測一次吸收度，取出後放入離心機中離心 步驟10-4 使用滴管吸取上層液滴入分光槽，使用分光光度計測量吸收度
(二) 圖例說明
步驟10-1 配製1A 亞甲藍
步驟10-2 裝碳或碳球與亞甲藍
步驟10-3 震盪與吸附
步驟10-4 取出上層液
步驟10-4 測量吸收度
8
十一、實驗十一、將碳球結合光觸媒重複利用 (一) 步驟
步驟11-1 秤取 0.8 克的碳球及檸檬酸鈦，加入燒杯中
步驟11-2 吸取些許蒸餾水放入和碳球及檸檬酸鈦的燒杯中，並放於磁石攪拌器上攪拌 步驟11-3 使用 1M 的氫氧化鈉將 pH 值調至 7
步驟11-4 使用濾紙過濾後留下濾餅，將濾餅放入烘箱烘乾並窯燒
步驟11-5 取出乾燥光觸媒碳球，秤取 0.002 克的光觸媒碳球放入離心管中
步驟11-6 加入 2 毫升的 1A 亞甲藍放入裝有光觸媒碳球的離心管中，置離心管於紫外線光線下 步驟11-7 每 30 分鐘吸取上層液滴入分光槽，使用分光光度計測量吸收度並繪製時間軸折線圖
(二) 圖例說明
步驟11-1 秤取檸檬酸鈦和
蒸餾水
步驟11-2 倒入碳球
步驟11-3 調酸鹼值
步驟11-4 取得濾餅
11-5 窯燒
十二、實驗十二、建立標準沖提裝置與吸附遞減程序 (一) 步驟
步驟12-1 以波長 664 配置 1A 亞甲藍水溶液，並倒入滴定管中 步驟12-2 秤取 0.5 g 碳球並裝入神奇吸管中，並將空氣排出 步驟12-3 以試管夾與燒杯架在滴定管下方
步驟12-4 開啟滴定管使亞甲藍滴入恰與上層碳球等高處填滿孔隙，並倒掉流下來的濾液 步驟12-5 滴定亞甲藍 5mL 並重複步驟 4 次
步驟12-6 以分光光度計測量吸收度並計算吸附遞減程度 (二) 圖例說明
步驟12-1 將1A 亞甲藍倒入滴定
管
步驟12-2 將0.5 克碳球裝入神奇
吸管
步驟12-3.12-4 調整裝置
步驟12-5.12-6 滴定後測量吸收度
9
陸、結果與討論
討論一、以菱角與花生合成生物炭
每年留在官田的菱角殼約有一千三百噸，大部分都會棄置田 間、路邊焚燒，或是載到焚化廠銷毀，處理過程中排放許多二 氧化碳。「台南市官田烏金社區合作社」理事主席謝金章表示，
菱殼炭在高溫無氧的環境中自體燃燒，排出的二氧化碳非常 少，不會對環境造成二度污染，且埋在土壤中的固碳效果極 佳，一年減碳量可達1.1 座大安森林公園。
參考資料：生命力新聞Feb 3, 2018 廢材變烏金 菱炭點亮官
田新奇蹟 【圖】菱角殼、花生殼
【表】本研究自製隔絕氧氣加熱的方法
將樣品置入小 坩堝中
使用紙黏土將 外部封住
將小坩鍋置入 大坩堝中
在大小坩堝之 間填入稻殼粉
外部也使用紙 黏土封住
拆開黏土 得到生物炭
實驗作了許多測試，發現可以使用黏土將剛沉澱後的產物封在陶器中，一層是可以的，但是為了 實驗精密性，必須封兩層，而兩層之間可以加入廢棄的稻殼粉消耗內部氧氣，確保每次做出來的 生物炭相近。
實驗嘗試將菱角殼及花生殼進行炭化，不同炭化時間1 hr、2 hr、3 hr，且各執行三次，結果如 下，實驗計算了轉換率，菱殼炭與花生殼炭的轉換率接近30%，而且每次轉換率都一樣，表示 絕氧效果很好。
【圖】25 克菱角殼經 600℃不同炭化時間處 理之菱角殼炭殘存克數
【圖】20 克花生殼經 600℃不同炭化時間處 理之花生殼炭殘存克數
實驗發現：
炭化時間並不太會影響菱殼炭及花生殼炭的轉換率，損失的質量可能大部分是水。
如果要將這些生物炭運用在吸附方面，那麼炭化時間是否會影響其吸附性質呢？
由於菱角殼炭與花生殼炭的吸附能力很接近，為了辨別它們的優劣，實驗設計了沖提吸附方法。
0 5 10 15 20 25
起始 量
1 2 3
轉換克數
炭化時數
第一次 第二次 第三次
0 5 10 15 20 25
起始 量
1 2 3
轉換克數
炭化時數
第一次 第二次 第三次
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討論二、建立標準吸附程序
接下來的實驗，將建立一具有鑑別度的吸附 流程，比較不同微處理方式對合成生物炭的 細微影響，而吸附材料最重視的主要有兩 點，首先探討的是：
1. 第一次吸附的吸附效能(在吸附容量內進 行實驗)，通常第一次吸附效果會特別好。
2. 逐次吸附的遞減程度 ( 接近吸附最大容 量)，而實驗在第一次吸附後會再做三次，
當吸附材料在經過第一次吸附後，若在未 達到最大容量以前，吸附率沒有太大變 化，則它屬於好的吸附材料。
實驗選用亞甲藍作為被生物炭吸附的染料，
主要有兩個原因：
1. 易取得，毒性低，易於操作 2. 容易被吸附，吸附數據變化大
實驗沒辦法使用人眼來看亞甲藍染料被吸 附後褪色多少，褪色的程度要使用分光光度 計來「量化」，為了提升靈敏度，實驗尋找亞 甲藍的最大吸收波長，為664 nm，表示當亞 甲藍的濃度有微小變化時，則吸收度會有較 大的數值變化。
【圖】亞甲藍的最大吸收波長在664 nm
【圖】阻隔設計 【圖】神奇吸管內建阻隔裝 置
要對「累進吸附率」進行定量，實驗不能用簡單的重力過濾，但是將生物炭的粉加入染料中直接吸 附，則不易再回收粉體進行第二次之後的吸附遞減實驗。
於是實驗決定利用「沖提」的方式，也就是利用填充管柱的方式，使生物炭粉體能流在管柱中，而只 有水溶液通過管柱，那麼第一次吸附後，測量濾液的殘存吸收度，然後再進行第二次沖提，再一次測 量新濾液的殘存吸收度，依此類推。
討論三、建立標準吸附裝置 本研究採用「沖提」的方式
使可計算吸附率、比較吸附遞減程度、比較吸附容量等優點
因此設計沖提式標準吸附裝置在本研究中是最重要的步驟。而我們為了搭建此裝置，耗費了2 個月的時間不斷測試、改良，以達到吸附數據具有「再現性」。
為了要讓炭粉填充管柱，起初，我們在吸管底部 塞住棉花防止炭粉漏出吸管，但是實驗卻發現：
1. 實驗再現性非常差 2. 各參數之間沒有鑑別度
之後才發現棉花亦能吸附亞甲藍，且吸附效果甚 至比炭粉還好(棉花的價格比炭粉高)，我們確定
棉花會影響實驗數據後，便放棄使用棉花。 【圖】棉花也對亞甲藍有很好吸附能力 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
350 450 550 650 750 850 950
吸收度(A)
波長(nm)
11
【圖】神奇吸管外觀(原本是用來把牛奶變成巧克力牛奶的) 後來，無意中想起了神奇吸管，如右圖，此裝置能有效
擋住裡面的巧克力顆粒漏出，但是牛奶等液體可以自由 進入，液體流出時顆粒仍留在管柱內，只有溶液能夠滴 出，非常適合作為沖提的內建裝置。為了減少實驗誤差，
我們便決定主要以細顆粒的炭粉吸附，但底部需用粗顆 粒的炭粉抵擋，可避免過多炭粉隨液體流出，影響實驗 數據。
在滴定過程中，我們發現起初流出的液體為黑色，後來 才變得澄清，因此在測定吸附前，需先水洗炭粉，以避
免影響實驗數據。 【圖】澳洲Sipahh 商標
在建立此吸附裝置後，接下來要討論如何製造出恰好的炭粉量，以免過多炭粉導致每項實驗數 據之吸附率皆高；或者炭粉過少導致吸附率過低，以至於無法判斷其材質是否適合用為吸附劑。
因此在本實驗中，採用0.16 g 的生物炭粉吸附染料，以達成上述效果。
而炭粉顆粒大小也是本實驗需控制的變因之一，取顆粒太細的炭粉會消耗太多時間成本，而取顆 粒大的炭粉其實驗數據誤差太大。
本實驗採取粗顆粒0.04 g，細顆粒 0.12 g，在填充碳粉時不會使細顆粒炭粉漏出，且吸顆粒炭粉 大小亦不會使水流過慢，在衡量兩面因素皆得的情況下，便決定以此方法作為標準吸附裝置。
討論四、炭化時間對製作生物炭吸附性質的影響
管柱填充0.16 g 生物炭並累進 4 次滴加 20 mL 亞甲藍(每次 5 mL)，紀錄每次濾液的殘存吸收度
【圖】經不同炭化時間處理之菱角殼炭吸附 1A 亞甲藍染料的吸附遞減情況
【圖】經不同炭化時間處理之菱角殼炭吸附 2A 亞甲藍染料的吸附遞減情況
【圖】經不同炭化時間處理之花生殼炭吸附 1A 亞甲藍染料的吸附遞減情況
【圖】經不同炭化時間處理之花生殼炭吸附 2A 亞甲藍染料的吸附遞減情況
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A亞甲藍沖提累進體積(mL)
炭化3 hr 炭化2 hr 炭化1 hr
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
2A亞甲藍沖提累進體積(mL)
炭化3 hr 炭化2 hr 炭化1 hr
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A亞甲藍沖提累進體積(mL)
炭化3 hr 炭化2 hr 炭化1 hr
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
2A亞甲藍沖提累進體積(mL)
炭化3 hr 炭化2 hr 炭化1 hr
12
1、首次吸附率，由吸附材料的特性決定。通常首次吸附率是沖提過程中吸附率的最大值，而每 一種種類的吸附劑的首次吸附率因為材質的緣故而有所不同。
2、一個理想的的吸附劑，在未達到吸附上限時，吸附效果應該維持定值。但是隨著吸附劑表面 被吸附物占據，那麼在管柱沖提的時間內，吸附遞減是必然發生。
3、當吸附遞減發生時，那麼就可以知道吸附劑在進行吸附後，可能已經接近吸附容量上限。
討論五、酸洗合成生物炭
【圖】經酸處理之菱角殼炭吸附 1A 亞甲藍 染料的吸附遞減情況
【圖】經酸處理之花生殼炭吸附 1A 亞甲藍染 料的吸附遞減情況
【圖】經不同處理之菱角殼炭吸附 2A 亞甲 藍染料的吸附遞減情況
【圖】經不同處理之花生殼炭吸附 2A 亞甲藍 染料的吸附遞減情況
討論六、探討負電型染料-甲基橙的吸附結果(加入活性碳為對照組) 實驗以炭化3 小時的生物炭參數進行吸附甲基橙的實驗。
亞甲藍是非常容易被棉花吸附的染料，也非常容易被炭吸附，詢問老師，這是因為碳的石墨結 構與亞甲藍中的芳香結構之間具有 π-π stacking 的分子間作用力，使得其在任何情況下都有很 好的吸附率。
而棉花是纖維素，表面帶有許多含氧官能基(表面易帶負電)，也許因此對帶正電的染料，如圖 為亞甲藍的吸附效果極佳。但棉花與炭對甲基橙沒轍，推測是因為甲基橙為負電型的染料；而 且甲基橙的主體沒有像亞甲藍一樣具有類似併苯的芳香結構，因此就連活性碳對甲基橙沖提的 吸附效果都很差(1A 吸附率 20%/0.16 g 活性碳)。而實驗發現：
在相同狀況下，「菱殼炭」對甲基橙的吸附率，優於活性碳。
【圖】亞甲藍屬於正電型染料 【圖】甲基橙屬於負電型染料
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A亞甲藍沖提累進體積(mL)
對照組
酸洗
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A亞甲藍沖提累進體積(mL)
對照組
酸洗花生
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
2A亞甲藍沖提累進體積(mL)
對照組
酸洗菱角
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
2A亞甲藍沖提累進體積(mL)
對照組
酸洗花生
13
【圖】炭化3 小時合成生物炭吸附 1A 亞甲藍 染料的吸附率比較
【圖】炭化3 小時合成生物炭吸附 2A 亞甲藍 染料的吸附率比較
實驗挑選炭化3 小時的生物炭進行吸附性質比較：
由圖表可知：
1. 菱殼炭在較高濃度的亞甲藍染料吸附率較高
2. 在較低濃度亞甲藍時，吸附率是花生炭較高(未達吸附上限)
3. 在較高濃度亞甲藍時，花生炭的吸附率隨累進體積快速衰退，這說明花生殼炭對亞甲藍的吸 附容量較小。
4. 活性碳展現商用價值，對亞甲藍具有良好的吸附率、吸附容量。
當使用甲基橙染料時，有驚人 發現：
1. 活性碳竟然不怎麼吸附甲基橙 2. 活性碳對甲基橙的吸附率<20%
3. 菱殼炭的吸附效果超越活性碳 4. 菱殼炭對甲基橙的吸附率在累
進沖提 20 mL 時，仍有 20%吸附
率/0.16 g 菱殼炭。 【圖】合成生物炭吸附 1A 甲基橙染料的殘存吸收度比較 討論七、重金屬的吸附結果比較
實驗發現植物炭中，菱角殼對鈷離子的吸附效果較佳。
【圖】合成菱角殼炭吸附 1A 金屬鹽的吸附率 比較
【圖】合成花生殼炭吸附1A 金屬鹽的吸附率 比較
80%
85%
90%
95%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A亞甲藍沖提累進體積(mL)
菱殼炭
花生炭
活性碳
80%
85%
90%
95%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
2A亞甲藍沖提累進體積(mL)
菱殼炭
花生炭
活性碳
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A甲基橙沖提累進體積(mL)
菱殼炭 花生炭 活性碳
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A金屬鹽沖提累進體積(mL) Co2+
Ni2+
Cu2+
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25
吸附率(%)
1A金屬鹽沖提累進體積(mL) Co2+
Ni2+
Cu2+
14
討論八、深入研究其他生物炭的碳元素轉換率
為了更了解其他生物炭的性質，因此本實驗部分先探討合成條件，並固定炭化時間 2 小時(節省 能源，預留更多實驗操作時間)、選擇溫度 600℃(確保燃燒時能移除所有的有機物)。
以眾多數據，綜合探討原料碳化轉換率、碳化溫度對炭轉換程度影響
【表】不同炭粉經窯燒、直接燃燒後的轉換率 600℃
包陶土窯燒 轉換率○1
600℃
對空氣燃燒 轉換率○2
600℃
碳轉換率
○2 −○1
解釋
菱角殼 37% 2% 35% 植物炭中大部分都是有機物，而花生 殼中的灰份(無機物)含量較菱角殼 高。菱角與花生殼燃燒後的灰分溶於 水成鹼性。
花生殼 38% 13% 25%
雞骨頭 59% 58% 1% 動物炭中大部分都是無機物，雞骨與 龍蝦的有機物占比少，但是做出來的 動物炭蓬鬆。
龍蝦殼 60% 58% 2%
九孔貝
(對照組)
96% 96% 0% 九孔成分由無機物組成。
活性炭
(對照組)
X X X -
解釋 此步驟包含去 除內部水分，
此外由於窯燒 並沒有完全隔 絕氧氣，仍有 部分有機物汽 化或是被燃燒
此 步 驟 是 指 坩 堝沒有加蓋，直 接對空氣加熱，
原則上，所有裸 露 有 機 物 都 會 在高溫600℃燃 燒光
窯 燒保存 了 碳以及 灰 分 部 分 ；而燃 燒 則是只 留下灰分
-
【圖】不同原料在600℃的碳轉換率(每克的原料可以產生的碳元素克數，以菱角為例，表示 1 克的菱角殼經過包陶土窯燒之後可以產生 0.35 克的碳元素)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝
碳元素轉換率
15
討論九、探討不同溫度處理的生物炭轉換情形
【表】不同原料經不同溫度炭化的轉換率及碳轉換率
大部分未碳化 大部分已碳化 解釋
總轉換率 (單位原料 重)
原料 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃ 1. 總轉換率指的是 1 g 的生物原料經窯燒後 產出的固體重。
2. 由總轉換率扣掉燃燒 (600 ℃ ) 後 的 灰 分
%(討論一數據)，可以 得到不同溫度的碳元 素轉換率。
3. 碳化的溫度越高則窯 燒過程中被燒掉的碳 元素越多，殘存的碳 元素越少。
4. 由轉換率與碳元素轉 換率的差/總轉換率，
可以推得無機物的百 分比。
5. 實驗發現植物炭成分 中的碳元素比例較動 物炭高，且菱殼炭又 比花生高。
6. 動物炭中無機物的比 例很高，雞骨炭與龍 蝦炭的無機物含量很 高。
7. 因此若要以移除無機 物來提升生物炭的吸 附能力，動物炭有很 大的研究空間。
菱角殼 轉灰 轉黑 37% 36% 36%
花生殼 - - 50% 46% 38%
雞骨頭 - - 62% 60% 59%
龍蝦殼 - - 68% 68% 60%
九孔貝 (對照組)
- - 96% 96% 96%
碳 元 素 轉 換率 (單位原料 重)
原料 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 轉灰 轉黑 35% 34% 34%
花生殼 - - 37% 33% 25%
雞骨頭 - - 4% 2% 1%
龍蝦殼 - - 10% 10% 2%
九孔貝 (對照組)
- - 0% 0% 0%
生 物 炭 中 的 無 機 物 含 量 百 分 比
原料 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 轉灰 轉黑 6% 6% 5%
花生殼 - - 26% 28% 34%
雞骨頭 - - 94% 97% 98%
龍蝦殼 - - 85% 85% 97%
九孔貝 (對照組)
- - 100% 100% 100%
生 物 炭 中 的 碳 含 量 百分比
原料 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 轉灰 轉黑 94% 94% 95%
花生殼 - - 74% 72 66%
雞骨頭 - - 6% 3% 2%
龍蝦殼 - - 15% 15% 3%
九孔貝 (對照組)
- - 0% 0% 0%
備註 1. 總轉換率考慮水分的蒸發
2. 碳元素轉換率考慮碳元素可能被燃燒 3. 九孔貝作為無機物的對照組
從顏色可以得知生物炭進行碳化的趨勢，一般來說，不同的生物有機物來源，會有不同的最低 碳化溫度，初步從顏色來觀察可以發現菱角殼的碳化溫度門檻最低(最容易被碳化)，本研究中 大部分的生物原料大約在300℃開始碳化，但是呈現灰色，400℃以上才開始變黑(照片沒辦法 拍得很清楚)
而九孔貝則是在600℃才稍微變灰，作為本研究無法碳化的對照組。
16
原始 200 300 400 500 600 菱
角 殼 花 生 殼 雞 骨 頭 龍 蝦 殼 九 孔 貝
【圖】不同原料炭化後在不同溫度的外觀顏色
【圖】不同溫度處理得到的生物炭總轉換率 【圖】不同溫度處理得到的生物炭碳轉換率
【圖】不同溫度的處理得到的生物炭的無機 物含量百分比
【圖】不同溫度處理得到的生物炭碳含量百 分比
0%
20%
40%
60%
80%
100%
400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝
(對照組) 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝 (對照組)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝(對 照組)
94% 94% 95%
74% 72%
66%
6% 3…
2%
15% 15%
3
0% 0% 0%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
400℃ 500℃ 600℃
菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝 (對照組)
17
討論十、探討不同碳化溫度處理之生物炭的吸附率
【表】0.002 g 吸附 2 mL、
1A 亞甲藍的結果(7 分鐘) 400℃ 500℃ 600℃
菱 角
50% 31% 25%
花 生
39% 49% 22%
龍 蝦
15% 31% 54%
雞 骨
60% 50% 55%
九 孔
13% 12% 15%
活 性 炭
71% 74% 69%
【圖】經不同碳化溫度得到之生物炭對亞甲藍的吸附(0.002 g 生物 炭/2 mL 亞甲藍) 震盪吸附 7 分鐘)
實驗發現：
炭化溫度並不是越高溫越好，菱角較適合低溫炭化，龍蝦則是需要比較高溫的炭化溫度。
討論十一、探討酸處理之生物炭的吸附率 實 驗 發 現 經 過 酸 處 理 之
後，大部分的生物炭吸附 亞甲藍的效果都有提升的 趨勢，九孔則差異不大，
龍蝦有變差的趨勢。
酸洗可以移除金屬鹽無機 物，其中，對雞骨及花生 的提升效果較明顯。移除 無機物可以使碳的比例提 高，也可能在結構中造成 空腔，增加吸附的位置。
※事先酸洗再窯燒炭化的 龍蝦炭，吸附能力有時候 很差，有時候跟沒酸洗的 一樣，因此在此特別說明，
龍蝦炭的吸附數據誤差很 大，僅供參考。
【圖】是否先酸洗再進行窯燒碳化得到的生物炭吸附亞甲藍的結果 (0.002 g 生物炭/2 mL 亞甲藍) 震盪吸附 7 分鐘)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
菱角 花生 龍蝦 雞骨 九孔 活性炭
吸附率%
400 500 600
21% 22%
55% 54%
15%
73%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
菱角炭 花生炭 雞骨炭 龍蝦炭 九孔貝 活性炭
吸附率%
沒有酸洗 有酸洗
18
討論十二、探討炭材改良方法I-探討酸洗的效果 要進一步提升生物炭材的效果必須先了解生物 原料的組成與分布：
實驗一開始在生物炭中加入鹽酸發現植物炭冒 泡不明顯，其中動物炭冒泡最嚴重。之後使用廣 用指示劑來檢測生物炭的酸鹼性，發現它們都呈 現鹼性(變藍色)。由左而右是菱花龍雞九
廣用原本顏色 加入生物炭顏色
菱角殼 綠 藍
花生殼 綠 藍
雞骨頭 綠 藍
龍蝦殼 綠 藍
九孔貝 (對照組)
綠 藍
【表】不同酸洗處理對生物炭吸附亞甲藍的效果 吸附率 直接窯
燒
經過酸洗再 窯燒
經 過 窯 燒 後再酸洗
菱角殼 21% 30.2% 27.8%
花生殼 22.9% 43.2% 39.2%
雞骨頭 55.4% 76.2% 94.5%
龍蝦殼 53.8% 54.1% 72.2%
九孔貝 (對照組)
15.2% 16.8% 7.2%
活性炭 (對照組)
69.3% 70.2% 72.1%
實驗發現：酸洗之後再窯燒，對於某些生物炭來 說，確實有提升的效果。
Q:那如果先窯燒再酸洗是不是比較好？
A:因為窯燒後再酸洗很麻煩，可能會導致碳材的 流失，要過濾可能導致生物炭粉末卡在濾紙上。
【表】網路查到的生物原料組成
來源 原料 有機物 無機物 植物
來源
菱角炭 木質素等 金屬鹽 花生炭 纖維素等 金屬鹽 動物
來源
雞骨炭 蛋白質 碳酸鈣、磷 酸鈣 龍蝦炭 甲殼素 碳酸鈣 九孔貝
(對照組)
亮質素 碳酸鈣
不同碳材 加入鹽酸後冒泡 實驗一開始在生物原料中加入鹽酸，發現 動物原料都會冒泡，而植物炭則不明顯，
證明應該都含有碳酸鹽類
實驗筆記：
生物炭之所以會變成鹼性，實驗判斷，應該是 生物炭中含有金屬氧化物，那就表示，窯燒碳 化以前，應該含有碳酸鹽，從網路資料中，生 物炭應該含有的是鈣鹽。
因此實驗推測：
若能有效在生物炭中移除鈣鹽，是否能 提升生物炭的吸附能力？
實驗筆記
實驗嘗試在生物殘骸進行窯燒以前事先酸洗，
希望可以移除這些金屬鹽類，使生物炭中的碳 元素比例能夠提高，藉此提升等重吸附率。
19
討論十三、探討炭材改良方法II-探討窯燒溫度
為了證明先窯燒再酸洗可以產生吸附能力更好的生物炭，實驗推 導可能的機制：
高溫碳化的過程中，除了有機物會轉成碳元素以外，無機物的碳 酸鈣受熱會釋放二氧化碳，並產生氧化鈣的過程：
CaCO3→CaO+CO2
實驗利用羊毛鉻黑遇到鈣離子會變色的特性，證明窯燒前菱角、
花生、雞骨、龍蝦都是含有不會解離的鈣離子，窯燒後產生可以 解離的鈣離子，表示上述假設成立。
CaO+H2O→Ca(OH)2→Ca2++2OH-
【表】不同原料及其生物炭加入羊毛鉻黑(pH10)後的顏色變化 菱角殼 花生殼 雞骨頭 龍蝦殼 九孔貝 窯
燒 前 加 入 指 示 劑 窯 燒 後 加 入 指 示 劑
那麼要加熱到幾度才可以使成分中的碳酸鈣分解呢？
【表】不同原料經不同溫度窯燒後的生物炭中鈣% (Ca=40) 原料 200℃ 300℃ 400℃ 500℃ 600℃
菱角炭 0% 0% 0% 0% 0.34%
花生炭 0.24% 0.2% 0.48% 0.64% 0.8%
雞骨炭 0% 0% 0.68% 0.36% 2.1%
龍蝦炭 0.24% 1.72% 2.44% 8.32% 10%
九孔貝 0% 0% 2.36% 4.08% 12%
備註：植物炭含有較高比例的碳元素，鈣比例本來就比較低，值得 一提的是，花生比菱角含有更高的鈣含量。可以解釋討論十一數據
實驗筆記
我們曾經學過大理石遇到熱會 分解，但是大理石是變質岩，
會需要比較高的溫度，而生物 體內的碳酸鈣應該是比較脆弱 的，應該很容易被分解？
實驗筆記
實驗使用網路上的羊毛鉻黑螯 合鈣離子來確認原料是否含有 游離的鈣離子，結果是沒有(呈 藍色)，表示生物殘骸打碎後的 結構中是沉澱的鈣鹽。
實驗筆記
螯合主要是針對「鈣離子」進 行捕捉，但是碳酸鈣並無法解 離出鈣離子，必須要碳酸鈣被 分解之後，證明 600℃窯燒同 時對有機物碳化，也同時分解 成分中的碳酸鈣。
實驗筆記
參考網路，使用「羊毛鉻黑」
作為指示劑，以EDTA 來滴定 溶液，定出生物炭粉中的含鈣 比例。方法是，先將生物炭事 先分散在水中的水溶液，進行 螯合滴定，得到鈣離子莫耳數 之後再反推鈣離子佔原生物炭 粉總重的比例，稱為Ca%。
20
實驗發現：菱角要到600℃、花生、龍蝦在 200℃、雞骨炭、九 孔則是400℃。最奇怪的是雞骨炭，雞骨炭的鈣含量並不符合所 查詢到的文獻數據，可能因為雞骨中鈣鹽有一部份是磷酸鈣，也 有可能：雞骨頭的無機物被包在有機物中！
實驗進一步測定有無酸洗所製成的生物炭鈣含量，發現事先酸洗 確實可以使生物炭的鈣含量下降(也就是移除無機物)，但是對動 物炭中鈣鹽的移除效果並不好。
【表】不同炭粉經窯燒、酸洗窯燒後的鈣含量 含鈣% 直接窯燒 酸洗窯燒 菱角炭 0.3% 0.1%
花生炭 0.8% 0.1%
雞骨炭 1.2% 0.4%
龍蝦炭 10.0% 7.0%
雖然雞骨炭的鈣含量從 1.2%降到 0.4%，但是這些很可能只是裸 露在外部的氧化鈣，從 EBT 系統測定水溶性氧化鈣的數據，目 前還不知道生物炭內部的鈣鹽有多少。
計算方式：
因為Ca：EDTA=1：1 設EDTA 使用 x mL
(𝑥 × 10−3𝐿) × (10−3𝑀) × 40𝑔/𝑚𝑜𝑙 0.002 𝑔
=Ca%
實驗筆記
只有可以溶於水的氧化鈣，或 是裸露在外部的氧化鈣才有辦 法與外界接觸而釋放鈣離子，
被EBT系統偵測到，否則就測 不到(不能說沒有)。本研究含 鈣量特別是指高溫加熱後產生 的水溶性鈣含量(不包含磷酸 鈣)。
討論十四、探討炭材改良方法III-探討動物炭的結構 為了瞭解動物炭中的鈣鹽在結構的何處，以及 有機物是否真的如實驗假設真的會包住無機 物。
實驗將酸洗後窯燒得到的動物炭泡入酸中，我 們發現將直接窯燒後的碳粉泡入鹽酸中後烘 乾(因為HCl是氣體溶質，所以加熱可以將水分 蒸發，也使HCl氣體離開生物炭)，最後就會發 現上面有白色粉末，推測應該是是氧化鈣。
檢測方法是定性分析：將粉末測試水溶性，發 現無論使用純水或是酸性水溶液都可以全溶 掉，然而利用照射雷射光來觀察，發現純水溶 解白色粉末後看似全溶解掉，但是卻有廷得耳 效應，而用酸溶解白色粉末的溶液沒有廷得耳 效應，證明這些白色粉末並非完全是氧化鈣，
可能摻有難溶於水的磷酸鈣。(磷酸鈣溶於酸) 此實驗部分證實了，雞骨內部中含有大量的鈣 鹽會在碳化後被包住，而龍蝦的鈣鹽應該大部 分裸露在外部。
【圖】雞骨頭酸洗後窯 燒後再泡酸烘乾，白色 粉末可能為氧化鈣，或 是磷酸鈣。
【圖】龍殼酸洗後窯燒 後再泡酸烘乾，沒有出 現白色粉末。表示事先 酸洗能有效移除鈣鹽。
【圖】泡酸烘乾出現的 白色粉末使用「水」溶 掉具有廷得耳效應
【圖】白色粉末使用
「酸」溶掉沒有廷得耳 效應，證明可溶於酸。
21
討論十五、探討生物炭吸附不同結構染料的結果
菱角炭 花生炭 龍蝦炭 雞骨炭 九孔炭 活性炭 亞甲藍 21% 22% 54% 55% 15% 63%
甲基橙 8% 5% 29% 34% 5% 2%
1. 活性碳不太能吸附甲基橙
2. 酸洗會使得生物炭吸附亞甲藍的 效果變好。
3. 但是，酸洗會使植物炭吸附甲基 橙的效果變差，而酸洗的動物炭 仍變好。
4. 從九孔對照組可知，無機物並不 是吸附甲基橙的原因，由此可判 斷：動物炭之所以能對甲基橙吸 附效果特別好，推測可能的原因 如下：
(1) 動物炭有特殊的官能基 (2) 動 物 炭 的 內 部 構 造 跟 植
物炭的內部構造不一樣
備註：動物炭在滴定時也特別會吸 附羊毛鉻黑，羊毛鉻黑也是偶氮 染料，因此推測結構影響很大。
討論十六、探討生物炭吸附重金屬的結果 鈷離子很容易被吸附。
根據查到的資料得知，環境 毒性，是銅鎳>鈷，是因為鈷 離子在遇到水的 OH 易沉澱。
實驗有觀察到，剛配好的溶 液，靜置一天後，鈷鹽就會 沉澱了，而鎳與銅鹽則不容 易沉澱，老師說，生物炭的 表面可能有OH官能基的緣 故，才會對鈷離子有這樣的 吸附能力。
P.S.生物炭表面帶鹼性
菱角 花生 雞骨頭 龍蝦 九孔 活性炭 鈷離子 14.20% 17.90% 21.40% 12.70% 20.40% 20.20%
鎳離子 0% 0.40% 0% 0% 2.20% 2.50%
銅離子 0% 0% 0% 0% 2.20% 1.20%
8% 5% 2%
34% 29%
5%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
菱角炭 花生炭 活性炭 雞骨炭 龍蝦炭 九孔炭
未酸洗-吸附率(%)
亞甲藍 甲基橙
0.56% 0.66% 2.00%
39.50% 39.30%
0.96%
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
菱角炭 花生炭 活性炭 雞骨炭 龍蝦炭 九孔炭
有酸洗-吸附率(%)
亞甲藍 甲基橙
0.00%
5.00%
10.00%
15.00%
20.00%
25.00%
菱角 花生 雞骨頭 龍蝦 九孔 活性炭
吸附率(%)
材料酸洗窯燒
鈷 鎳 銅
22
討論十七、控制炭球形成
生物炭用於吸附，常有回收不易問題，因此本 研究欲將生物炭做成炭球微膠囊，採取使用化 學方法的海藻酸鈣系統來製作不同尺寸炭球。
海藻酸鈣的成球機制是利用分液漏斗控制炭 漿在管口先形成水球，水球的主要成分是水，
水會帶著被海藻酸鈉分散的稠狀炭粉，在管口 聚集成炭漿水球，直到表面張力支撐不住水球 重量而滴落，滴落的滯空期間呈水滴狀，落至 水面可能是水滴狀(炭漿黏度太高)、球狀，然 後表面的海藻酸鈉會瞬間與水面的鈣離子產 生交聯，原本具有水溶性的海藻酸鈉鏈狀聚合 物，會變成不溶於水的網狀聚合物，化學反應 為鈣離子與兩個鈉離子進行交換：
海藻酸鈉+Ca2+→海藻酸鈣(難溶於水)+2Na+ 由於表面的海藻酸鈣薄膜具有良好的通透性，
因此外部的鈣離子又會滲透進來，而鈉離子則 會再滲透出去，最終水球中的海藻酸鹽質量會 減輕，但是由於交聯後薄膜張力緣故，球體萎 縮，大量的水被趕出水球，所以水球的總質量 下降，體積變小，最終沉入氯化鈣水溶液底部。
本研究使用海藻酸鈣系統來製作不同尺寸的 炭球，可能影響的變數如下：(1)海藻酸鈉濃度 (2)氯化鈣濃度(3)炭粉濃度(4)滴管口徑
由於氯化鈣的濃度主要影響的是水球的浮沉 以及球殼定型的時間，與烘乾後球的尺寸無 關，因此本研究固定其濃度在5%(剛滴入的時 候水球會先浮著，水球定型後海藻酸鈉與鈣離 子形成網狀聚合合物後體積萎縮、密度變大就 會沉下去，方便掌握收集水球的時機)。由於炭 粉與海藻酸鈉粉要一開始就先攪一起(這樣才 可以在溶液增稠的過程中均勻分散，否則炭粉 會分散不均勻)，於是，炭粉必須受到海藻酸鈉 稠度的乘載而漂浮(而不至於沉降)，若海藻酸 鈉濃度太低，除了無法成球外，也會造成炭粉 分散不均勻導致做出來的水球，內部含有的炭 粉比例不同，而在同一杯炭漿中做出大小不一 的球，經過測試，實驗先挑選1%海藻酸鈉(黏
【圖】由分液漏斗、滴管、吸管頭組裝而成 的控制裝置
海 藻 酸 鈉 濃 度 太 低 0.1%無法成球，0.5%
球型不規則，且炭粉會 沉降
海藻酸鈉濃度1%，黏 度適中，可使炭粉漂 浮，2%以上流速爆降 且易阻塞
【圖】配置炭漿的懸浮液外觀
浮 交聯後沉
【圖】海藻酸鈣水球在5%
【圖】表面張力作用與重力平衡 注意：
滴入時，流速要適中，若水球聚集滴落瞬 間，又有額外的炭漿加入(牽絲)，則會使炭球 重量產生正偏差，影響炭球大小誤差
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度約400CPS)進行實驗，探討炭漿中炭粉比例 對水球烘乾後的炭球球徑影響。
從物理的觀點，我們得知，水球脫離滴管，並滴落至氯化鈣水溶液接觸的瞬間，水球就會被定型，
水球內部的炭粉就會被海藻酸鈣鎖住，因此水球內部炭粉的量越多，待水分蒸乾後剩下的炭集結 成的球就會越大，因此，炭粉的分散濃度越低，就能夠做出越小的炭球，經過實驗測試，本實驗 部分做出最小的球徑是1 mm (使用 1%炭粉)。
實驗發現，提高炭粉分散濃度可以使球變大，但是會有一個上限。隨著炭粉濃度增加，炭漿的流 速也會變慢，這些炭漿會在滴管管口先聚集成水球，決定這個水球的大小的因素是表面張力作用，
表面張力×管口圓周長=水球最大重量的時候，水球就會脫離管口落下，因此如果實驗只改變炭 粉濃度，由於水球中大部分的重量仍來自於水，管口聚集的水球重量有限的情況下，這樣做出的 炭球會有一個球徑限制是 2.0 mm (15%極限炭粉濃度)，於是實驗也探討了不同滴管口徑所能夠 製作出炭球的上下限，實驗發現，雖然口徑的影響大於炭粉濃度，雖然如此，口徑必須與炭粉的 分散濃度相配合，這是因為口徑大到一定程度，炭漿不會注滿整個口徑，而是從側壁滴下的話，
炭球的球徑無法獲得提升。實驗發現炭粉濃度與口徑能互相配合的極限下，使用一般重力法所能 夠做出的炭球為4.5 mm。
由於本實驗部分要做出的炭球是用於吸附，因此炭球中的海藻酸鈣儘可能越低越好，而海藻酸鈣 的量又是一開始海藻酸鈉的濃度決定，海藻酸鈉濃度必須在1~2%之間，如果要使海藻酸鈣比例 下降，只能提高炭粉濃度，但是又會同時始炭球變大，實驗發現，炭球在1%海藻酸鈉、5%炭粉 時有最佳等重吸附率。
口徑 1.00
mm 1.00 mm
1.00 mm
1.00 mm 海藻
酸鈉
1% 1.5% 2% 2.5%
炭粉 0% 0% 0% 0%
水 球 重(g)
0.020 0.020 0.020 0.020
口徑 1.00
mm 1.00 mm
1.00 mm
1.00 mm 海藻
酸鈉
1% 1% 1% 1%
炭粉 1% 3% 5% 7%
水球 重(g)
0.020 0.020 0.020 0.020
口徑 1.00 mm
3.00 mm
5.00 mm
7.00 mm 海藻
酸鈉
1% 1% 1% 1%
炭粉 1% 1% 1% 1%
水球 重(g)
0.020 0.062 0.094 0.141
【圖】不同海藻酸鈉濃度炭漿 滴落的水球重量
【圖】不同炭粉濃度炭漿滴落 的水球重量
【圖】不同口徑滴落的水球 重量
表面張力×管口圓周長(2𝜋𝑟)=水球最大重量
口徑決定了水球重，水球重也決定了水球中的炭粉量上限，是主要控制炭球大小的因素。並且 口徑與水球重大致成正比(符合物理定律)。
1、不管如何改變實驗參數，只要炭球是以注滿管口的方式滴落，則炭球的大小可以利用表面 張力關係式及本實驗部分結果進行預測。
2、口徑太大的缺點是，滴落時有較明顯的牽絲斷裂，落下產生其他小尺寸水球。
0 0.05 0.1 0.15
0.0 2.0 4.0
水球重(g)
海藻酸鈉濃度(%)
0 0.05 0.1 0.15
0.0 5.0 10.0
水球重(g)
炭粉濃度(%)
0 0.05 0.1 0.15
0.0 3.0 6.0 9.0
水球重(g)
口徑(mm)
24
口徑(mm) 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
海藻酸鈉濃度 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1% 1%
炭粉分散濃度 1% 3% 5% 7% 9% 11% 13% 15%
炭球大小 0.75 mm 1.00 mm 1.25 mm 1.5 mm 1.6 mm 1.65 mm 1.68 mm 1.70 mm 炭球重量 0.0006 0.0011 g 0.0015 g 0.0018 g 0.0020 g 0.0023 g 0.0025 g 0.0026 g 等重吸附率 17.9% 14.8% 39.0% 39.4% 34.9% 35.5% 37.9% 19.3%
【圖】固定管徑、海藻酸鈉濃度1%，改變不同炭粉分散濃度 1%、3%、5%、7%、9%、11%、
13%、15%的炭球大小及等重吸附率(0.026 g 炭球/2 mL 亞甲藍吸附 7 分鐘)
炭粉的分散濃度越高，則炭粉相對於海藻酸鈉的重量比提升，也就是在等重水球中分配到的炭 粉量較多(海藻酸鈉越少)，當水分烘乾後會形成較大的炭球。炭粉分散濃度是控制炭球大小的 次要因子。而且在海藻酸鈉濃度固定的情況下，炭粉分散濃度也控制了炭球的含碳比例，因此，
以吸附功能來說，海藻酸鈣比例越低越好，炭粉比例就要提高，但炭粉比例提高，球就會變大，
而大球的等重吸附率就會變差，實驗藉此找到了黃金交叉 (等重吸附率最佳之碳球合成比)。
口徑 1.00 mm 3.00 mm 5.00 mm 7.00 mm 11.0 mm
海藻酸鈉 濃度
1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0%
炭粉分散 濃度
1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0% 1.0% 1.5% 2.0%
是否成球 O O O O O O O O O X O O X O O
炭球大小 0.75 mm
0.75 mm
0.75 mm
1.00 mm
1.40 mm
1.60 mm
1.25 mm
1.60 mm
1.80 mm
X 1.50 mm
2.40 mm
X 2.00 mm
3.0 mm
【圖】固定炭粉/海藻酸鈉=1 使炭球組成不變但提升黏度，配合不同管徑影響炭球球徑的上限 雖然口徑是影響炭球大小的主要因子，但是口徑仍必須與溶質濃度作搭配
0 0.5 1 1.5 2
0% 2% 4% 6% 8% 10% 12% 14% 16%
球徑(mm)
炭粉分散濃度
0.00%
10.00%
20.00%
30.00%
40.00%
50.00%
1% 3% 5% 7% 9% 11% 13% 15%
等重吸附功率
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【表】不同海藻酸鈣濃度影響炭球吸附率之影響(選擇球徑小誤差小) 海藻酸
鈉濃度
口徑 炭粉 分散濃度
黏度 (s-1)
情況 球徑 亞甲藍 吸附率 0.1% 1 mm 1% 1/4 無法成球 - 無 0.5% 1 mm 1% 1/18 球形破碎 - 無 1.0% 1 mm 1% 1/100 恰能成球 0.75
mm
17.9%
1.5% 1 mm 1% 1/225 流動較慢 0.90 mm
10.2%
2.0% 1 mm 1% 1/699 無法流動 1.00 mm
5.1%
討論十七、炭球、粉體吸附功率、吸附動力學 實驗利用討論十八的結果，炭粉：海藻酸鈉=5：
1 的重量比來製作生物炭球。
吸附功率比值越高，表示該碳材製作成碳球之 後，越是保有其粉體吸附能力。例如活性炭為 6.5%較其他生物炭球低，表示該粉體的吸附能 力很高，而製作成碳球之後的吸附能力大幅下 降。
實驗發現：
理論上，炭球與粉體在吸附無限長的時間後，吸 附效果相同，但是受限於結構表面問題以及海 藻酸鈣的干擾等影響，實驗發現炭球的吸附效 果雖然較差，但是若考慮回收便利問題，則炭球 仍有發展潛力。
備註：龍蝦看起來好像很厲害，但其實只是分母 很小。生物炭球以雞骨炭的吸附效果最好
吸附是物理現象，因此若我們將粉體製成炭錠，
必然改變其吸附效果，若以原粉體吸附效果為 100%，實驗探討了製成的不同大小炭球在相同 時間內的吸附功率比值：
吸附功率比值 = 炭球吸附率
粉體吸附率× 100%
【表】不同生物炭球(有經過酸洗)對亞甲藍的吸 附功率(0.002 g/2 mL 吸附 7 分鐘)
粉體吸 附率
炭 球 吸 附 率
炭 球 吸 附 功率比值 菱角殼 30.2% 0.8 2.2%
花生殼 43.2% 1.5% 3.4%
雞骨頭 76.2% 3% 3.9%
龍蝦殼 54.1% 2.5% 4.6%
九孔貝 (對照組)
16.8% 0% 0%
活性炭 (對照組)
72.1% 4.7% 6.5%
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菱角 花生 龍蝦 雞骨頭 九孔 活性炭
0 1 1 1 1 1 1
5 0.706 0.932 0.801 0.13 0.903 0.14 10 0.658 0.881 0.614 0.059 0.882 0.132 15 0.544 0.853 0.59 0.055 0.867 0.124 20 0.532 0.826 0.564 0.054 0.817 0.121 25 0.519 0.79 0.503 0.051 0.78 0.118 30 0.484 0.76 0.475 0.049 0.742 0.09
【表】不同生物「炭粉」的吸附時間軸
菱角 花生 龍蝦 雞骨頭 九孔 活性炭
0 1 1 1 1 1 1
5 0.999 0.963 0.947 0.991 0.999 0.937 10 0.975 0.945 0.84 0.68 0.998 0.867 15 0.955 0.939 0.776 0.645 0.991 0.73 20 0.938 0.925 0.682 0.618 0.979 0.722 25 0.928 0.911 0.641 0.502 0.97 0.686 30 0.917 0.9 0.603 0.473 0.96 0.64
【表】不同生物「炭球」的吸附時間軸
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 5 10 15 20 25 30
吸收度(A)
時間(分)
「生物炭粉」吸附亞甲藍時間軸
菱角 花生 龍蝦 雞骨頭 九孔 活性炭
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 5 10 15 20 25 30
吸收度(A)
時間(分)
「生物炭球」吸附亞甲藍時間軸
菱角 花生 龍蝦 雞骨頭 九孔 活性炭
