TWI717053B - 新穎多孔生物炭陶粒及其製備方法 - Google Patents

Abstract

本揭露提供一種多孔生物炭陶粒，係包括含矽酸鹽化合物之無機質及摻混於該含矽酸鹽化合物之無機質中的生物炭，其中，該多孔生物炭陶粒的表面具有連通其內部之孔隙。本揭露之多孔生物炭陶粒為一種新穎的栽培介質，具備優異的保水、保肥及通氣能力，進而提供良好的栽培環境。本揭露復提供一種多孔生物炭陶粒的製備方法。

Description

新穎多孔生物炭陶粒及其製備方法

本揭露係關於一種栽培介質，尤係關於一種具多孔結構之栽培介質及其製備方法。

於現今的栽培介質中，其保水能力越高，代表植栽作物的水份利用效率(water-use efficiency)越高，而保肥能力越高，能有效減少土壤或肥料中的養分流失，進而降低環境污染之可能。

現在市面上有多種栽培介質或土壤改良物，例如，取自天然礦物之蛭石(vermiculite)及真珠石(perlite)，其需進行礦物開採，而匱乏上述礦物之國家則需仰賴進口，增加運輸成本及碳足跡，容易對環境造成負面影響或破壞。至於目前常見的陶粒或發泡煉石(light expand clay aggregate)等介質，其外觀雖具有孔洞構造，然在微觀上，陶粒及發泡煉石的孔洞內部為緻密熔融之表面，水分不易滲透至陶粒或發泡煉石孔洞內部，故其保水能力仍有待提升。再者，陶粒或發泡煉石係於有氧環境下燒製，使得燒製後的成品幾乎不存在有機物，養份含量極低。因此，以陶粒或發泡煉石作為栽培介質時，仍有諸多使用上的限制。

同時，台灣一年農業廢棄物高達數百萬公噸，此外，以石門水庫淤泥為例，每年約可產生50萬立方米的淤泥，為減少處理廢棄物的成本，並解決大量農業或環境廢棄物等問題，利用並轉化農業和如水庫淤泥等環境廢棄物，將資源有效循環利用，為目前的趨勢。

因此，如何提供一種保水及保肥能力佳的多孔生物炭陶粒及其製備方法以解決上述缺失，已為所屬技術領域亟待解決的課題之一。

為解決上述課題，本揭露提供一種多孔生物炭陶粒，係包括含矽酸鹽化合物之無機質及摻混於該含矽酸鹽化合物之無機質中的生物炭，其中，該多孔生物炭陶粒的表面具有連通其內部之孔隙，且該多孔生物炭陶粒具有25%至50%的容水量，該多孔生物炭陶粒之比表面積為9g/m²至18g/m²。

於一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質係包括選自由陶土、黏土、粉土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材污泥所組成群組之至少一者經燒結而得。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒與水混合後之pH值為8至11。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之碳含量為0.9%至5.0%。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之氮含量為0.02%至0.2%。

本揭露復提供一種多孔生物炭陶粒的製備方法，係包括：混合含碳材料及含矽酸鹽化合物之無機質，以形成基質材料；調濕處理該基質材料；加工造粒經調濕處理之該基質材料，以形成顆粒狀基質材料；以及於無氧環境下燒結該顆粒狀基質材料，使其炭化並形成多孔生物炭陶粒。

於一具體實施態樣中，該調濕處理係包括將水與該基質材料混合，使該基質材料為可成形狀態。

於一具體實施態樣中，該含碳材料係粒徑小於或等於0.25毫米之粉體。

於一具體實施態樣中，以該含矽酸鹽化合物之無機質的總重量計，該含碳材料的含量為大於0重量%且小於或等於15重量%。

於一具體實施態樣中，該含碳材料係選自由農業廢棄物、林業廢棄物及畜牧業廢棄物所組成群組之至少一者。

於一具體實施態樣中，該農業廢棄物係選自由樹皮、木屑、竹材、稻桿、稻殼、菱角殼、花生殼及動物排泄物所組成群組之至少一者。

於一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質係選自由陶土、黏土、粉土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材汙泥所組成群組之至少一者。

於一具體實施態樣中，燒結該顆粒狀基質材料的燒結溫度為600℃至1000℃。

於一具體實施態樣中，維持該燒結溫度的時間為1至3小時。

於一具體實施態樣中，該燒結之步驟係包括以每分鐘5℃至20℃之升溫速率提升溫度至600℃至1000℃。

本揭露提供一種新穎的栽培介質，使用含碳材料作為有機物，且使用含矽酸鹽化合物之無機質，混合後於無氧環境下燒製，可依照不同需求製備不同粒徑及形狀。本揭露的多孔生物炭陶粒同時具有有機資材及無機物的優點，作為栽培介質可提供植株優良的生長環境，並增進栽培過程保水、保肥及通氣的能力。

相較於傳統陶粒及其他常見的栽培介質，在使用相同體積作為介質時，本揭露之多孔生物炭陶粒具有較高的容水量，特別適合用於乾旱的環境，例如：綠色植生牆(green wall)、綠屋頂等，可增加植栽在乾旱環境的存活率。此外，在相同的灌溉頻率下，可栽種的植物種類增加，減少植物的維護成本及水足跡(water footprint)。

本揭露之多孔生物炭陶粒的燒結溫度較傳統陶粒的溫度低，且本揭露的多孔生物炭陶粒於無氧環境下燒製，其碳、氮含量明顯較傳統陶粒、發泡煉石及火山岩等栽培介質高，以本揭露之多孔生物炭陶粒作為栽培介質，可提供植物養分，對植株及根系的生長具有正面影響。

相較於傳統陶粒及發泡煉石為弱酸性的栽培介質，本揭露之多孔生物炭陶粒為弱鹼性，且pH值隨著燒結溫度上升及含碳物質含量的增加而上升。因此，本揭露之多孔生物炭陶粒適合與其他介質混合使用，亦可用於調節土壤的酸鹼度，不需使用生石灰或鹼性肥料即可改良酸性土壤的性質，降低環境負擔。

本揭露之多孔生物炭陶粒應用範圍廣泛，除了可用於盆栽的栽培介質，更可用於薄層式綠屋頂資材、魚菜共生栽培介質、行道樹填充資材及土壤改良劑等不同領域。此外，本揭露之多孔生物炭陶粒可藉由不 同的燒製溫度或含碳材料的含量以調整其機械性質以應用於不同領域中，例如，用於魚菜共生過濾及栽培介質需適應較高的物理強度，可選擇高溫燒結的多孔生物炭陶粒，而作為土壤改良劑時，可選擇低溫燒結且含碳材料含量高的多孔生物炭陶粒，提供更高的保水、保肥能力。另一方面，使用機械強度較低之多孔生物炭陶粒時，裂開或碎裂的多孔生物炭陶粒可改善土壤結構，進一步增加更多土壤團粒結構的形成。

另一方面，本揭露之多孔生物炭陶粒選用常見的農業廢棄物作為含碳有機質，使用水庫或自來水廠淤泥作為無機質，其原料不需額外購買或生產，同時可連結廢棄物處理，促進資源循環再利用，符合當代環境保護的趨勢。

透過例示性之參考附圖說明本發明的實施方式：

第1A圖係發泡煉石及火山岩的照片；第1B圖係未燒製陶粒於不同粒徑下之照片；第1C圖係本揭露之多孔生物炭陶粒於不同粒徑下之照片；第1D圖係於不同燒結溫度下製備的實施例的照片；第1D’圖係於不同燒結溫度下製備的比較例2的照片；第1E圖係本揭露之含碳材料於不同含量比例下之多孔生物炭陶粒之照片。

第2圖係本揭露實施例及比較例的剩餘水分重量及靜置時間關係的折線圖。

第3A圖係使用比較例5種植萬壽菊的實際根系生長狀況的照片；第3B圖係使用實施例1種植萬壽菊的實際根系生長狀況的照片。

第4A圖係使用比較例5種植香蜂草的實際根系生長狀況的照片；第4B圖係使用實施例1種植香蜂草的實際根系生長狀況的照片。

第5A圖為比較例3及4於電子顯微鏡150x及2000x下的剖面圖；第5B圖為比較例1及2於電子顯微鏡150x及2000x下的剖面圖；第5C圖為實施例3於電子顯微鏡150x及2000x下的剖面圖。

以下藉由特定之具體實施例加以說明本揭露之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本揭露亦可藉由其他不同的實施方式加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本揭露的精神下賦予不同的修飾與變更，下述實施例應瞭解為僅用於例示說明，而不應被解釋為本揭露的限制。

在文中，「生物炭」係指以生物質(biomass)為原料，經熱裂解(pyrolysis)後產生的固態物質，且碳含量所佔組成較高。

在本文中，「剩餘水分重量」係指於填充有水之容器中裝入乾燥多孔生物炭陶粒，浸泡於水中24小時之後，倒掉容器內的水分，計算乾燥多孔生物炭陶粒吸附水分前後之重量差即代表多孔生物炭陶粒的剩餘水分重量，其中，乾燥多孔生物炭陶粒重量係指未浸泡於水中的多孔生物炭陶粒重量。文中，「容水量」係指剩餘水分重量與乾燥多孔生物炭陶粒重量的比值，係根據下式計算而得：

在本文中，除非另有說明，「pH值」係指根據下述方法進行測量：混合8g之待測樣品(本揭露之多孔生物炭陶粒)與20ml的水，以迴轉式振盪器(裕德科技有限公司，TS-520D)以180rpm振盪處理所得含有待測樣品和水之混合物30分鐘，使用酸鹼度測定計(ISTEK，Model 720P)測量混合物中液體之pH值，即為待測樣品之pH值。

依據本揭露之多孔生物炭陶粒，係包括生物炭，且因製備該多孔生物炭陶粒時，含碳材料係與含矽酸鹽化合物之無機質混合，經燒結後，含碳材料轉為生物炭，使與其摻混之該含矽酸鹽化合物之無機質之間產生孔隙，故該多孔生物炭陶粒的表面具有連通其內部之孔隙，而多孔生物炭陶粒內則具有複數孔洞，俾藉由該孔隙連通孔洞而提升容水量，該多孔生物炭陶粒具有25%至50%之容水量，例如，25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%，該多孔生物炭陶粒之比表面積為9g/m²至18g/m²。

於一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質係包括選自由陶土、黏土、粉土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材污泥所組成群組之至少一者經燒結而得。於又一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質包含二氧化矽、氧化鋁及氧化鐵，其中，二氧化矽所占比例最高，約為59重量%至77重量%之間。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之堆積密度為0.65g/cm³至0.9g/cm³，例如，0.65g/cm³、0.69g/cm³、0.71g/cm³、0.74g/cm³、 0.76g/cm³、0.78g/cm³、0.85g/cm³、0.86g/cm³、0.87g/cm³、0.88g/cm³、0.89g/cm³、0.9g/cm³。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之抗壓強度最低為0.29MPa。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒與水混合後之pH值為8至11，例如，8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、10.6、10.7、10.8、10.9、11.0。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之碳含量為0.9%至5.0%，例如，0.90%、0.95%、0.96%、0.97%、0.98%、0.99、1.00%、1.10%、1.20%、1.25%、1.30%、1.40%、1.50%、1.60%、1.70%、1.80%、1.90%、1.95%、1.96%、1.97%、1.98%、1.99%、2.00%、2.10%、2.20%、2.21%、2.22%、2.23%、2.24%、2.25%、2.30%、2.40%、2.50%、2.60%、2.70%、2.80%、2.85%、2.86%、2.87%、2.88%、2.89%、2.90%、2.91%、2.92%、2.93%、2.94%、2.95%、3.00%、3.10%、3.20%、3.25%、3.30%、3.40%、3.50%、3.60%、3.70%、3.80%、3.90%、3.91%、3.92%、3.93%、3.94%、3.95%、4.00%、4.10%、4.20%、4.30%、4.40%、4.45%、4.46%、4.47%、4.48%、4.49%、4.50%、4.60%、4.70%、4.80%、4.90%、5.00%。

於一具體實施態樣中，該多孔生物炭陶粒之氮含量為0.02%至0.2%，例如，0.02%、0.03%、0.04%、0.045%、0.05%、0.06%、0.065%、0.07%、0.08%、0.085%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%、0.15%、0.16%、0.17%、0.175%、0.18%、0.19%、0.2%。

本揭露復提供一種多孔生物炭陶粒的製備方法，係包括：混合含碳材料及含矽酸鹽化合物之無機質，以形成基質材料；調濕處理該基質材料；加工造粒經調濕處理之該基質材料，以形成顆粒狀基質材料；以及於無氧環境下燒結該顆粒狀基質材料，使其炭化並形成多孔生物炭陶粒。

於一具體實施態樣中，該調濕處理係包括將水與該基質材料混合，使該基質材料為可成形狀態。於本實施態樣中，調濕處理的水量並無限制，並依據使用之含矽酸鹽化合物之無機質的種類而不同。舉例而言，在本揭露之實施例中，以該基質材料的總重量計，可加入30重量%至45重量%的水，例如，30重量%、31重量%、32重量%、33重量%、34重量%、35重量%、36重量%、37重量%、38重量%、39重量%、40重量%、41重量%、42重量%、43重量%、44重量%、45重量%。

於一具體實施態樣中，該含碳材料係粒徑小於或等於0.25毫米的粉體。

於一具體實施態樣中，以該含矽酸鹽化合物之無機質的總重量計，該含碳材料的含量為大於0重量%且小於或等於15重量%，例如，1重量%、2重量%、3重量%、4重量%、5重量%、6重量%、7重量%、8重量%、9重量%、10重量%、11重量%、12重量%、13重量%、14重量%及15重量%。

於一具體實施態樣中，該含碳材料係選自由農業廢棄物、林業廢棄物及畜牧業廢棄物所組成群組之至少一者。於本具體實施態樣中，該農業廢棄物係包括植物資材。於另一具體實施態樣中，該農業廢棄物係 選自由樹皮、木屑、竹材、稻桿、稻殼、菱角殼、花生殼及動物排泄物所組成群組之至少一者。於又一具體實施態樣中，該含碳材料為花生殼。

於一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質係選自由陶土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材汙泥所組成群組之至少一者。於另一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質為水庫淤泥。於又一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質包含二氧化矽、氧化鋁及氧化鐵，其中，二氧化矽所占比例最高，約為59重量%至77重量%之間。

於一具體實施態樣中，該含矽酸鹽化合物之無機質於使用前，置於大氣中進行乾燥。於一具體實施態樣中，該含碳材料使用前需乾燥，藉此更易於進行後續的調濕處理。

於一具體實施態樣中，燒結該顆粒狀基質材料前，以100℃至120℃烘乾至少24小時，例如，100℃、105℃、110℃、115℃及120℃。

於一具體實施態樣中，燒結該顆粒狀基質材料的燒結溫度為600℃至1000℃，例如，600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃。

於一具體實施態樣中，維持該燒結溫度的時間為1至3小時，例如，1小時、1.5小時、2小時、2.5小時、3小時。較佳地，維持該燒結溫度的時間為2小時。

於一具體實施態樣中，該燒結之步驟係包括以每分鐘5℃至20℃之升溫速率提升溫度至600℃至1000℃，例如，每分鐘5℃、每分鐘6℃、每分鐘7℃、每分鐘8℃、每分鐘9℃、每分鐘10℃、每分鐘11℃、每分鐘 12℃、每分鐘13℃、每分鐘14℃、每分鐘15℃、每分鐘16℃、每分鐘17℃、每分鐘18℃、每分鐘19℃、每分鐘20℃。

以下透過實施例及比較例詳細說明本揭露之諸多性質及功效。該等詳述實施例僅用於說明本揭露之性質，本揭露不限於特定實施例所例示者。

第1A圖由左至右分別為市售發泡煉石及火山岩；第1B及1C圖分別為未燒製陶粒及本揭露之多孔生物炭陶粒，由左至右之粒徑分別為20mm、15mm、9mm、6mm、4mm、2mm。如第1C圖所示，本揭露之多孔生物炭陶粒材料的粒徑及形狀並無限制，可根據不同需求製造不同粒徑或形狀之多孔生物炭陶粒。第1D圖係顯示於不同燒結溫度下製備的實施例3的顏色，其中，由左至右的燒結溫度分別為600℃及1000℃；第1D’圖係顯示於不同燒結溫度下製備的比較例2的顏色，其中，由左至右的燒結溫度分別為600℃及1000℃。如第1D圖所示，因本揭露之多孔生物炭陶粒於無氧環境下燒製，形成的多孔生物炭陶粒中包含生物炭，故其外觀顏色依據燒結溫度不同而呈現灰褐色或黑色。如第1D’圖所示，以傳統製程製備的比較例2，於氧化環境下燒製，因原料中所含的有機質於高溫下分解，並進而形成氧化鐵，使其外觀顏色呈橘紅色。此外，燒結溫度的不同及含碳材料的含量亦會影響外觀顏色，如第1D及1D’圖所示，燒結溫度為600℃時，本揭露之多孔生物炭陶粒為灰褐色，比較例2為橘褐色，而燒結溫度為1000℃時，本揭露之多孔生物炭陶粒為黑色，比較例2為橘紅色。第1E圖係顯示使用含量不同之含碳材料製備之多孔生物炭陶粒的顏色，其中，由左 至右的含碳材料分別為0重量%、5重量%、10重量%、15重量%，由圖中可以看出，含碳材料的含量越高，多孔生物炭陶粒的顏色越深。

本揭露的實施例使用石門水庫沉澱池之底部淤泥作為含矽酸鹽化合物之無機質，經大氣乾燥法(air-drying method)處理，使處理後之淤泥呈氣乾狀態(air-dries state)，而氣乾狀態係指將材料置於空氣中，使其自然風乾，直到表面及內部之一部份為乾燥或者含有水分而未飽和的狀態；使用台南11號花生之花生殼作為含碳材料，以烘箱烘乾後，使用高速粉碎機(榮聰精密科技有限公司，RT-N04)將花生殼碾碎，並以4目、30目、60目之篩網(純良儀器藥品有限公司，ST-A系列)篩選出粒徑小於或等於0.25mm之花生殼粉末。

石門水庫淤泥的自然含水量約為39.9至45.2wt%，塑性指數(plastic index，PI)約為13至19，液性限度(liquid limit，LL)約為37至43，比重約為2.73；石門水庫淤泥之組成比例為粉土約佔43%至59%，黏土約佔41%至56%，砂約佔0.1%至1.3%，而淤泥之平均顆粒粒徑(D50)為0.003至0.006毫米。根據統一土壤分類法，石門水庫淤泥屬於低塑性黏土(CL)。使用X射線螢光分析儀(X-ray Fluorescence Spectrometer：XRF)分析石門水庫淤泥所含的氧化物成分，主要分析得到二氧化矽、氧化鋁及氧化鐵等，其中二氧化矽所占比例最高，約為59重量%至77重量%之間。使用感應耦合電漿質譜儀(ICP)分析水庫淤泥重金屬成分，其中鐵及鋁含量最高，且水庫淤泥之砷、鎘、銅、鎳、鉛、鋅、鉻等有毒重金屬含量均遠低於土壤污染管制標準的規定，可排除水庫淤泥本身有重金屬污染之問題。

實施例1：含有5重量%含碳材料之多孔生物炭陶粒的製備

以淤泥的總重量計，將5重量%的花生殼粉末與淤泥混合後，加入32重量%至42重量%的水並放入桌上型手動製丸機(裕勝光食品機器公司)造粒，形成粒徑9.5毫米之生胚。將生胚放入烘箱中，以105℃烘乾24小時，使其呈絕乾(absolute dry)狀態。將烘乾後的生胚置於無氧環境下，以每分鐘10℃之升溫速率進行燒結，分別於600℃、800℃及1000℃之不同溫度維持2小時，以獲得三種不同燒結溫度之多孔生物炭陶粒，最後，將燒結完成的多孔生物炭陶粒靜置於室溫(約30℃)下，使其自然降溫。

實施例2：含有10重量%含碳材料之多孔生物炭陶粒的製備

如實施例1的製備方法，惟實施例2使用以淤泥的總重量計，10重量%的花生殼粉末與淤泥混合。

實施例3：含有15重量%含碳材料之多孔生物炭陶粒的製備

如實施例1的製備方法，惟實施例3使用以淤泥的總重量計，15重量%的花生殼粉末與淤泥混合。

比較例1：不包括含碳材料之多孔生物炭陶粒的製備

比較例1之製備方法與實施例1相同，差異在於比較例1未使用花生殼粉末，亦即未使用含碳材料，僅使用淤泥製備多孔生物炭陶粒。

比較例2：於傳統製程下製備的傳統陶粒

比較例2為傳統陶粒，係如比較例1的製備方法，差異在於比較例2於有氧環境下燒製，並於1000℃之溫度下維持2小時，即得常見之傳統陶粒。

比較例3：市售之發泡煉石。

比較例4：市售之火山岩。

比較例5：於傳統製程下製備不包括含碳材料之多孔生物炭陶粒

比較例5之製備方法與比較例2相同，差異在於比較例5的燒結溫度為800℃。

比較例6：於傳統製程下製備含有5重量%含碳材料之多孔生物炭陶粒

比較例6之製備方法與實施例1相同，差異在於比較例6於有氧環境下以燒結溫度800℃進行燒製。

比較例7：於傳統製程下製備含有10重量%含碳材料之多孔生物炭陶粒

比較例7之製備方法與實施例2相同，差異在於比較例7於有氧環境下以燒結溫度800℃進行燒製。

具體而言，比較例1為原料中未添加含碳材料並使用與本揭露相同之製備方法所製備的多孔生物炭陶粒，由於原料所用之淤泥中含有自然沉積的有機質，雖比較例1中未添加含碳材料，但於無氧環境下燒結的成品仍有少量有機質被轉成生物炭而殘存，其有機碳含量仍有0.54%。比較例3至4為兩種市面上常見的市售栽培介質。比較例1至7與實施例1至3的堆積密度、抗壓強度、pH、容水量及碳、氮含量之數據結果記錄於表1與表2中。

如表1及表2所示，實施例1至3之比表面積均高於比較例1至7，顯示本揭露之多孔生物炭陶粒的內部孔隙較多。本揭露之比表面積係使用比表面積分析儀(Micromeritics，ASAP2020)測定。

如表1及表2所示，未添加含碳材料之比較例1之堆積密度與比較例2相近，且明顯高於比較例3及比較例4。然而，添加含碳材料之實施例1至3之堆積密度明顯低於比較例1，尤其實施例2及3之堆積密度介於比較例3及4之堆積密度之間，與目前常見之市售栽培介質的堆積密度水準接近。另，燒結溫度的改變並不會對本揭露之多孔生物炭陶粒的堆積密度產生顯著的影響。由於應用於綠屋頂的介質有重量的限制，若堆積密度過高可能導致屋頂超重等問題，因此，本揭露之多孔生物炭陶粒的堆積密度約為0.6g/cm³至0.9g/cm³，適合應用於綠屋頂等對於栽培介質有特定限制的領域中。

在本文中，除非另有說明，「堆積密度」係根據下述方法進行測量：烘乾待測樣品，取體積為100cm³的容器並記錄其重量，之後使待測樣品自然落入容器內，直到待測樣品充滿容器並齊平其表面，記錄充滿 待測樣品之容器重量，將充滿待測樣品之容器總重量減去容器重量，即為待測樣品重量，並依下式計算待測樣品的堆積密度。

如表1及表2所示，隨著燒結溫度增加，本揭露之多孔生物炭陶粒的抗壓強度上升，尤其燒結溫度為1000℃之實施例1至3及比較例1已超過儀器所能測量的最大值(3.14MPa)，比較例2至4的抗壓強度亦然，本揭露之抗壓強度係使用機械動態分析儀(ElectroForce 3200，TA instruments)進行測量，儀器所能測量的最大值約為3.14MPa。相較於發泡煉石及火山岩等常見栽培介質，生物炭本身質地脆弱，容易經物理作用而破碎，而導致生物炭及其所含的可溶性物質或鹽類因淋洗或逕流等作用而流失，本揭露的生物炭係摻混於無機質中，因而可改善單獨使用生物炭容易破碎及養分流失的問題。

由表1及表2的pH值部份可以看出比較例2及3皆為弱酸性，而本揭露之多孔生物炭陶粒為弱鹼性，且隨著燒結溫度上升，多孔生物炭陶粒之pH值上升。另，由表1中還可以看出隨著花生殼粉末的含量增加，本揭露之多孔生物炭陶粒的pH值亦會上升。

如表1及表2所示，比較例1至4的容水量相近，約為11.8%至20.4%，而實施例1至3的容水量明顯提高至27%至45%的範圍，且隨著花生殼粉末的含量上升而顯著增加，其中，實施例3的容水量可達到44.6%，顯現本揭露之多孔生物炭陶粒明顯增加水分保留的特性。

第2圖係根據一些實施例說明介質剩餘水分重量及靜置時間關係的折線圖，以顯現本揭露之多孔生物炭陶粒在靜置乾燥過程中的剩餘 水分重量變化。由第2圖中可以看出，燒結溫度分別為600℃及1000℃所製備之實施例3的剩餘水分重量明顯高於燒結溫度分別為600℃和1000℃所製備之比較例1和比較例2之剩餘水分重量，並且在整個乾燥過程中，實施例3之剩餘水分重量皆高於比較例1及2。

如表1及表2的碳含量部分所示，由於添加含碳材料的實施例1至3所製備的多孔生物炭陶粒中含有生物炭，故實施例1至3的碳含量明顯高於比較例1至7。此外，於裂解過程中，因含碳材料中的揮發性物質(volatile matter)會因溫度增加而有較大損失，造成燒結溫度較高的多孔生物炭陶粒中的碳含量較低。本揭露之碳含量係使用元素分析儀(Perkin Elmer，2400)進行測量。

含碳材料在缺乏氧氣的環境下燒製所形成的固體產物為生物炭，且生物炭的產率主要與熱裂解的溫度有關，隨著燃燒溫度升高，生物炭的產率下降，此結果間接證明本揭露之多孔生物炭陶粒的碳含量會隨著燒結溫度提高而下降的性質。由於生物炭本身可作為供應植物養分的來源，同時亦是一種良好的吸附劑，可吸附並保留土壤中的養分，以供植物利用，因此，提高栽培介質中的生物炭含量可增加保肥能力及養分的供應。

由表1及表2中可以看出，實施例1至3的氮含量明顯高於比較例1至7，尤其比較例2至5的氮含量均低於儀器偵測極限。從表1中還可以看出本揭露之多孔生物炭陶粒的氮含量隨著燒結溫度升高而下降，而燒結溫度為1000℃的多孔生物炭陶粒之氮含量較低，若考量養分供應方面，本揭露之多孔生物炭陶粒的燒結溫度較佳為1000℃以下。氮是植物所需的重要元素之一，因此，相較於氮含量極低的比較例2至4，本揭露之多孔生物 炭陶粒對植物生長有較大助益。本揭露之氮含量係使用元素分析儀(Perkin Elmer，2400)進行測量。

使用燒結溫度為800℃之實施例1、2及比較例1、比較例3至7作為栽培介質，分別種植萬壽菊(Tagetes erecta)及香蜂草(Melissa officinalis)兩種植物各五盆以進行盆栽試驗，並將四個月後各實施例及比較例的五盆植株高度之平均值記錄於表3中。須說明的是，本揭露之盆栽實驗使用之萬壽菊及香蜂草，於種子的育苗階段使用泥炭土，移植時為避免傷及根部，將幼苗及附著於根部的泥炭土移植到含有上述栽培介質的盆栽中，故第3A、3B、4A及4B圖的根部照片含有少量泥炭土。

如表3所示，關於萬壽菊的平均植株高度，比較例3至7的高度明顯較低，其中，比較例1的高度較比較例3至7高，但仍低於實施例1及2的高度；關於香蜂草的平均植株高度，比較例3至7的高度較低，其中，比較例1的高度較比較例2至7高，但仍低於實施例1及2的高度。

第3A圖及第3B圖分別顯示使用比較例5及實施例1作為栽培介質以種植萬壽菊的根系生長狀況，第4A圖及第4B圖分別顯示使用比較例5及實施例1作為栽培介質以種植香蜂草的根系生長狀況。由第3A、3B、4A及4B圖可看出相較於使用傳統陶粒栽培的根系，使用本揭露之多孔生物炭陶粒栽培的根系發展明顯較為健全，其根部可大範圍包覆介質，且根部粗細度較為平均，尤其第4A圖所示的香蜂草根部生長甚至無法穿過堆積的介質，顯現本揭露之多孔生物炭陶粒有助於植物根系的生長，且對根系生長具有正面影響，可進一步提升植物的存活率。

第5A圖為比較例3及4於掃描式電子顯微鏡(Jeol，JSM-6510V)150x及2000x下的內部構造圖，比較例3及4分別為發泡煉石及火山岩；第5B圖為燒結溫度為1000℃之比較例1及比較例2於掃描式電子顯微鏡150x及2000x下的內部構造圖，比較例1為製備過程未添加含碳料的陶粒，比較例2為有氧環境下燒製的傳統陶粒；第5C圖為燒結溫度為1000℃之實施例3於掃描式電子顯微鏡150x及2000x下的內部構造圖。由第5A圖可以看出比較例3及4內部為緻密熔融表面，其孔隙為無內外連通的閉孔孔隙構造。由150x的內部構造圖可以看出比較例1及2的內部結構排列緊密，而實施例3的多孔生物炭陶粒具有因生物炭形成或者因生物炭殘留所產生的空腔。此外，由2000x的內部構造圖可以看出，相較於第5A及5B圖，第5C圖之細部構造較為破碎且具有孔洞，亦即具有更多內外連通的開孔孔隙，可提升本揭露之多孔生物炭陶粒的保水與保肥能力。

上述實施形態僅為例示性說明本揭露之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在 不違背本揭露之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本揭露所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本揭露之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。

Claims (13)

1. 一種多孔生物炭陶粒，係包括：含矽酸鹽化合物之無機質；以及生物炭，係摻混於該含矽酸鹽化合物之無機質中，其中，該多孔生物炭陶粒的表面具有連通其內部之孔隙，且該多孔生物炭陶粒具有25%至50%之容水量，該多孔生物炭陶粒之比表面積為9g/m²至18g/m²。
2. 如申請專利範圍第1項所述的多孔生物炭陶粒，其中，該含矽酸鹽化合物之無機質係包括選自由陶土、黏土、粉土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材污泥所組成群組之至少一者經燒結而得。
3. 如申請專利範圍第1項所述的多孔生物炭陶粒，其堆積密度為0.65g/cm³至0.9g/cm³。
4. 如申請專利範圍第1項所述的多孔生物炭陶粒，其與水混合後之pH值為8至11。
5. 如申請專利範圍第1項所述的多孔生物炭陶粒，其碳含量為0.9%至5.0%。
6. 如申請專利範圍第1項所述的多孔生物炭陶粒，其氮含量為0.02%至0.2%。
7. 一種如申請專利範圍第1項所述之多孔生物炭陶粒的製備方法，係包括：混合含碳材料及含矽酸鹽化合物之無機質，以形成基質材料；調濕處理該基質材料；加工造粒該經調濕處理之基質材料，以形成顆粒狀基質材料；以及 於無氧環境下燒結該顆粒狀基質材料，使其炭化以形成該多孔生物炭陶粒，其中，該燒結之步驟係包括以每分鐘5℃至20℃之升溫速率提升燒結溫度至600℃至1000℃。
8. 如申請專利範圍第7項所述的製備方法，其中，該調濕處理係包括將水與該基質材料混合，使該基質材料為可成形狀態。
9. 如申請專利範圍第7項所述的製備方法，其中，以該含矽酸鹽化合物之無機質的總重量計，該含碳材料的含量為大於0重量%且小於或等於15重量%。
10. 如申請專利範圍第7項所述的製備方法，其中，該含碳材料係選自由農業廢棄物、林業廢棄物及畜牧業廢棄物所組成群組之至少一者。
11. 如申請專利範圍第10項所述的製備方法，其中，該農業廢棄物係選自由樹皮、木屑、竹材、稻殼、稻殼、菱角殼、花生殼及動物排泄物所組成群組之至少一者。
12. 如申請專利範圍第7項所述的製備方法，其中，該含矽酸鹽化合物之無機質係選自由陶土、黏土、粉土、水庫淤泥、自來水廠濾泥及石材汙泥所組成群組之至少一者。
13. 如申請專利範圍第7項所述的製備方法，其中，維持該燒結溫度的時間為1至3小時。

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