台灣過濾與分離學會電子報2022年第22期

研究趨勢

◎ 運用生物炭作為過濾材料備受關注

        生物炭是一種木炭狀物質，由農業和林業廢棄物(也稱為生物質)中的有機材料在無氧條件下(熱解)熱分解產生，是一種廢棄物衍生的吸附材料。它被廣泛用作土壤調理和固碳的肥料。由於其高表面積、高孔隙率和反應性表面官能團，具有作為廢水處理吸附劑的潛力，例如，處理雨水及城市、農業和工業廢水等。

        位於美國加州的California Filtration Specialists公司運用松木生物質製成生物炭過濾材料(BioCarbon)，由 >80% 的固定碳組成，具有多孔性、高表面積和高吸附能力。作為農業改良劑能保水、保留營養、保留農藥、吸附重金屬和溶解的金屬等。

        Bautista Quispe等人回顧過去十年中，用於灰水(greywater)處理的生物炭管柱過濾系統(Biochar-based column filtration systems, BCFS)。灰水是指洗手盆、浴室、洗衣機、淋浴、廚房水槽和洗碗機產生的廢水，但不包括廁所的廢水流。大多數灰水的濁度、總溶解固體(TDS)和總懸浮固體(TSS)的範圍分別為1.24–791 NTU、141–1683 mg/L和5.84–5176 mg/L。大多數灰水的pH值接近中性。生物需氧量(BOD)與化學需氧量(COD)取決於灰水的來源，例如廚房、洗衣房和浴室水流的混合灰水有較高值。

        生物炭吸附機理取決於吸附劑表面的異質性和汙染物(吸附物)的性質。對於有機汙染物，靜電吸引、疏水吸附、氫鍵、π-π電子供體受體相互作用和孔隙填充促進了吸附過程。在高溫下生產生物炭會導致含氧基團的解離，使生物炭帶負電並促進其對帶正電的污染物的靜電吸引。此外，高溫生物炭的生產起源於生物炭表面含氧和含氫官能團較少，因而造成極性降低，使它們不太適合去除極性有機化合物。在此條件下，帶負電的生物炭和有機化合物之間可以透過氫鍵發生吸附作用。在孔隙填充中，吸附物凝結發生在吸附劑孔隙中，這取決於它們的微孔和中孔體積。對於無機汙染物，如重金屬，可利用靜電吸引、離子交換、絡合和共沉澱以及物理吸附機制發生吸附。在絡合和共沉澱中，灰水中存在的金屬可以與氧化物礦物或生物炭表面可用的游離羧基和羥基官能團形成絡合物，然後它們在生物炭表面沉降(物理吸附)或形成層狀(沉澱)。

BCFS中的污染物去除機制：(1)進水；(2)結塊；(3)沉降/沉澱；(4)表面過濾；(5)過濾；(6)吸附；(7)水解；(8)生物膜吸附；(9)生物膜過濾；(10)流出物。

        將生活廢棄物轉變為生物炭已成為回收再利用的方法之一。在美國，平均每個嬰兒每年使用約3,700片一次性尿布，其中超過270億片最終進入美國垃圾掩埋場，按重量計算，尿布是美國垃圾掩埋場的第三大貢獻者，需要長達500年的時間才能分解。位於美國亞利桑那州的紙尿布公司Dyper開發將髒尿布轉化為生物炭的技術，並且與著名回收公司TerraCycle合作收回使用過的紙尿布，作為解決這一主要生活廢棄物的潛在解決方案。生物炭技術將處理時間從堆肥的幾個月縮短到幾分鐘，反應器每天可處理2噸尿布，換句話說，大約是每分鐘處理12片尿布，同時空間和電力需求較低。將尿布和濕巾轉化為生物炭可使質量減少80%，例如100磅乾尿布可產生大約20磅生物炭。生物炭可作為碳封存技術，將碳俘獲並在土壤中保持惰性數千年，並防止其作為有害的溫室氣體釋放到大氣中。此外，生物炭可以用作土壤改良劑、混凝土和瀝青填料，有助於空氣淨化和水過濾，以及作為油漆和油墨顏料的添加劑。

Dypere公司的Byochar技術成功“炭化”尿布。

        隨著世界人口的增長、地方城市化和工業的快速擴張，水需求和廢水量都顯著增加。對於灰水處理，如人工濕地(CW)、綠牆(GW)、垂直花園(VG)和綠色屋頂(GR)等自然的解決方案已被用作可持續處理技術，同時運用廢棄物材料作為吸附劑以用於廢水處理的再利用和回收備受到關注，能成為缺水地區灰水處理和應用的一種可行且可持續的替代方案。

資料來源：

1. https://californiafiltrationspecialists.com/products/biochar-filtration-media/
2. https://www.innovationintextiles.com/benefits-of-dypers-byochar-reactors/
3. J.I. Bautista Quispe, L.C. Campos, O. Mašek, A. Bogush, “Use of biochar-based column filtration systems for greywater treatment: A systematic literature review”, Journal of Water Process Engineering, 48 (2022) 102908, https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.102908.

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society