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竹木秸秆“拆”出绿色高价值工业原料

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-05-30  浏览次数:1123
 
 
             中国秸秆网综合报道,化石原料断舍离,可再生原料接替上岗,中国科学家又找到了一条重要路径:将木材、竹材、秸秆中的木质纤维素高质量地分离成纤维素、半纤维素和木质素,使其作为可再生化工原料,供下游转化使用。5月29日23点,《自然》杂志在线发表了这一来自中国科学院大连化学物理研究所历经十多年的攻关成果。

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破解木质素分离的“贪吃蛇”困境
木质纤维素是植物自己合成出的“钢筋混凝土”,也是自然界中储量最丰富的可再生原料。它主要由纤维素、半纤维素和木质素(简称“三素”)组成,广泛来源于木材、竹材、秸秆等材料。我国每年可利用的木质纤维素原料约有12亿吨。

两千年前,古人发明的造纸法,就是将竹、麻、秸秆等植物中的纤维组分分离出来加以利用。不过,这种利用方式效率很低,即使现代化学法制浆造纸,分离出的纤维素浆也仅占生物质总量的一半左右,而占到生物质总量20%-30%的木质素几乎利用不到。
作为最具利用价值的可再生碳资源,木质纤维素三素如果无法充分利用,将限制生物质化工发展的经济性和环境友好性。“木质素中有天然形成的苯环,这在自然界中极为难得,如果可以分离出来用于化工产业,利用价值非常高。”2005年,在石油价格居高不下的国际能源形势下,论文通讯作者、中国科学院大连化物所研究员王峰开始了分离木质素的探索。
2013年,王峰团队提出了催化还原解聚天然木质素的方法,引领了木质素优先解聚的热潮,相关论文目前引用次数已逾千次。
木质素在三素中性质最活泼,但在过往研究中,科学家发现,木质素在分离过程中,会发生不可控的缩聚,“就好像小游戏‘贪吃蛇’一样,自己一段段连起来,最后变成一大团无法被利用的分子。”王峰说。
经过细致分析,王峰团队发现,木质素分子的缩聚并非不可避免,只要加入与它更“亲密”的芳基化试剂——木质素衍生酚,就能让它们放弃“抱团”。经过如此改性后,木质素的溶解性显著提高,可与纤维素、半纤维素组分高效分离。同时,由于保留了自身活性结构,分离出的木质素更有利于后续催化解聚。
“摸石头过河”实现变废为宝
如果说,新能源的应用是在能量供应上替代化石能源,那么木质纤维素的高质量三素分离,就是一项在物质供应上实现“石油替代”的关键技术。王峰说,这对于我国实现“双碳”战略具有重要意义。
在2013年发表论文提出概念后,王峰带着团队“摸着石头过河”,攻克实现路径上的一个又一个难题。
“从概念到形成木质素催化转化模型,就经过了好几届学生的努力,最终回归分离的本质,才获阶段性成果。”他说,如今这一领域已吸引越来越多的科学家加入——2015年,一次国际会议仅有半天时间在讨论木质素催化转化,而2019年这一领域话题的讨论足足持续了两天半。

在此基础上,研究团队发展出了一整套的三素分离(CLAF)技术,将提取出的木质素制备成环境友好的可再生双酚和寡聚酚——其毒性仅为传统石化工艺生产的双酚的百分之一。此外,同时分离出的纤维素组分和半纤维素糖可分别转化为高纯溶解浆、木糖和糠醛。
目前,大连化物所王峰团队已发表相关论文56篇、综述15篇,总引用次数超2500次,还申请了80多件专利。“我们正在尝试年产量300吨的工程放大研究,希望能将其最终推向工业化。”论文第一作者李宁坦言,工艺放大同样是个艰难而漫长的过程,但其经济价值与社会意义都十分巨大。
王峰介绍,目前我国溶解浆的下游产品进口依存度近90%,2022年进口量高达300多万吨,而木糖和糠醛类产品的市场需求量有50多万吨。木质素经催化解聚可制备绿色化学品、可再生材料和燃料,潜在市场巨大,“过去,木质素原料往往当做工业废料直接烧掉,现在可以转化为高价值工业原料”。
王峰表示,在这条路上,研究团队还要在木质纤维素原料的筛选、反应过程减碳、催化剂和反应器的设计、产品纯化分离等方面持续创新,不断突破,推动相关产业本土化发展。
 
 
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