來(lái)源：《新京報》第6版 綜合
發(fā)布時(shí)間：2024-05-30
■本報記者 許琦敏
化石原料“斷舍離”，可再生原料接替上崗，中國科學(xué)家又找到一條重要路徑：將木材、竹材、秸稈中的木質(zhì)纖維素高效分離成纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，作為可再生化工原料供下游轉化應用。昨天深夜，國際權威學(xué)術(shù)期刊《自然》在線(xiàn)發(fā)表了這一來(lái)自中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所歷經(jīng)十多年的攻關(guān)成果。
破解木質(zhì)素分離的“貪吃蛇”困境
木質(zhì)纖維素是植物自己合成出的“鋼筋混凝土”，也是自然界中儲量最豐富的可再生原料，主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素（簡(jiǎn)稱(chēng)“三素”）組成。我國每年可利用的木質(zhì)纖維素原料約有12億噸。古人發(fā)明的造紙法，就是將竹、麻、秸稈等植物中的纖維組分分離出來(lái)加以利用。不過(guò)，這種方式效率很低，即使用現代化學(xué)法制漿造紙，分離出的纖維素漿也僅占生物質(zhì)總量一半左右，而占生物質(zhì)總量20%—30%的木質(zhì)素幾乎利用不到。
作為最具利用價(jià)值的可再生碳資源，木質(zhì)纖維素“三素”如果無(wú)法充分利用，將限制生物質(zhì)化工發(fā)展的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性?！澳举|(zhì)素中天然形成的苯環(huán)在自然界中極為難得，如果可以分離出來(lái)用于化工產(chǎn)業(yè)，利用價(jià)值非常高?！?005年，論文通訊作者、中國科學(xué)院大連化物所研究員王峰開(kāi)始了分離木質(zhì)素的探索。
2013年，王峰團隊提出了催化還原解聚天然木質(zhì)素的方法，引領(lǐng)了木質(zhì)素優(yōu)先解聚的熱潮，相關(guān)論文引用次數已逾千次。
木質(zhì)素在“三素”中性質(zhì)最活潑，但在過(guò)往研究中，科學(xué)家發(fā)現，木質(zhì)素在分離過(guò)程中會(huì )發(fā)生不可控的縮聚，“就好像游戲‘貪吃蛇’一樣，會(huì )自己一段段連起來(lái)，最后變成一大團無(wú)法被利用的分子?！蓖醴逭f(shuō)。
經(jīng)過(guò)細致分析，王峰團隊發(fā)現，木質(zhì)素分子的縮聚并非不可避免，只要加入與它更“親密”的芳基化試劑——木質(zhì)素衍生酚，就能讓它們放棄“抱團”。經(jīng)過(guò)如此改性后，木質(zhì)素的溶解性顯著(zhù)提高，可與纖維素、半纖維素組分高效分離。同時(shí)由于保留了自身活性結構，分離出的木質(zhì)素更有利于后續催化解聚。
攻克一個(gè)個(gè)難關(guān)實(shí)現變廢為寶
如果說(shuō)，新能源的應用是在能量供應上替代化石能源，那么木質(zhì)纖維素的高質(zhì)量“三素”分離，就是一項在物質(zhì)供應上實(shí)現“石油替代”的關(guān)鍵技術(shù)。王峰說(shuō)，這對我國實(shí)現“雙碳”目標具有重要意義。
2013年發(fā)表論文提出概念后，王峰帶著(zhù)團隊攻克實(shí)現路徑上一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。他回憶說(shuō)：“從概念到形成木質(zhì)素催化轉化模型，經(jīng)過(guò)了好幾屆學(xué)生的努力，最終回歸分離的本質(zhì)，才獲階段性成果?！边@一領(lǐng)域也吸引越來(lái)越多科學(xué)家加入——2015年，一次國際會(huì )議僅有半天時(shí)間在討論木質(zhì)素催化轉化，2019年這一領(lǐng)域話(huà)題的討論足足持續了兩天半。
在此基礎上，研究團隊發(fā)展出了一整套的“三素”分離技術(shù)，將提取出的木質(zhì)素制備成環(huán)境友好的可再生雙酚和寡聚酚——其毒性?xún)H為傳統石化工藝生產(chǎn)的雙酚的百分之一。此外，同時(shí)分離出的纖維素組分和半纖維素糖可分別轉化為高純溶解漿、木糖和糠醛。
目前，大連化物所王峰團隊已發(fā)表相關(guān)論文56篇、綜述15篇，總引用次數超2500次，還申請了80多件專(zhuān)利?！拔覀冋谶M(jìn)行年產(chǎn)量300噸的工程放大研究，希望能將其最終推向工業(yè)化?！闭撐牡谝蛔髡呃顚幪寡?，工藝放大同樣是個(gè)艱難而漫長(cháng)的過(guò)程，但其經(jīng)濟價(jià)值與社會(huì )意義都十分巨大。
王峰介紹，目前我國溶解漿的下游產(chǎn)品進(jìn)口依存度近90%，2022年進(jìn)口量高達300多萬(wàn)噸，而木糖和糠醛類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量達50多萬(wàn)噸。木質(zhì)素經(jīng)催化解聚可制備綠色化學(xué)品、可再生材料和燃料，潛在市場(chǎng)巨大。
“過(guò)去，木質(zhì)素原料往往被當作工業(yè)廢料直接燒掉，現在可轉化為高價(jià)值工業(yè)原料?！蓖醴灞硎?，在這條路上，研究團隊還要在木質(zhì)纖維素原料的篩選、反應過(guò)程減碳、催化劑和反應器的設計、產(chǎn)品純化分離等方面持續創(chuàng )新、不斷突破，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)本土化發(fā)展。
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