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中國(guó)秸稈網(wǎng)綜合報(bào)道，化石原料斷舍離，可再生原料接替上崗，中國(guó)科學(xué)家又找到了一條重要路徑：將木材、竹材、秸稈中的木質(zhì)纖維素高質(zhì)量地分離成纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，使其作為可再生化工原料，供下游轉(zhuǎn)化使用。5月29日23點(diǎn)，《自然》雜志在線發(fā)表了這一來(lái)自中國(guó)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(chǔ)量最豐富的可再生原料。它主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素（簡(jiǎn)稱“三素”）組成，廣泛來(lái)源于木材、竹材、秸稈等材料。我國(guó)每年可利用的木質(zhì)纖維素原料約有12億噸。
兩千年前，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)，這種利用方式效率很低，即使現(xiàn)代化學(xué)法制漿造紙，分離出的纖維素漿也僅占生物質(zhì)總量的一半左右，而占到生物質(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(jì)性和環(huán)境友好性。“木質(zhì)素中有天然形成的苯環(huán)，這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。”2005年，在石油價(jià)格居高不下的國(guó)際能源形勢(shì)下，論文通訊作者、中國(guó)科學(xué)院大連化物所研究員王峰開始了分離木質(zhì)素的探索。
2013年，王峰團(tuán)隊(duì)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)論文目前引用次數(shù)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(xiàn)，木質(zhì)素在分離過(guò)程中，會(huì)發(fā)生不可控的縮聚，“就好像小游戲‘貪吃蛇’一樣，自己一段段連起來(lái)，最后變成一大團(tuán)無(wú)法被利用的分子。”王峰說(shuō)。
經(jīng)過(guò)細(xì)致分析，王峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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(tuán)”。經(jīng)過(guò)如此改性后，木質(zhì)素的溶解性顯著提高，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(jié)構(gòu)，分離出的木質(zhì)素更有利于后續(xù)催化解聚。
“摸石頭過(guò)河”實(shí)現(xiàn)變廢為寶
如果說(shuō)，新能源的應(yīng)用是在能量供應(yīng)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(xiàng)在物質(zhì)供應(yīng)上實(shí)現(xiàn)“石油替代”的關(guān)鍵技術(shù)。王峰說(shuō)，這對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。
在2013年發(fā)表論文提出概念后，王峰帶著團(tuán)隊(duì)“摸著石頭過(guò)河”，攻克實(shí)現(xiàn)路徑上的一個(gè)又一個(gè)難題。
“從概念到形成木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化模型，就經(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。”他說(shuō)，如今這一領(lǐng)域已吸引越來(lái)越多的科學(xué)家加入——2015年，一次國(guó)際會(huì)議僅有半天時(shí)間在討論木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化，而2019年這一領(lǐng)域話題的討論足足持續(xù)了兩天半。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出了一整套的三素分離（CLAF）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——其毒性僅為傳統(tǒng)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(zhuǎn)化為高純?nèi)芙鉂{、木糖和糠醛。
目前，大連化物所王峰團(tuán)隊(duì)已發(fā)表相關(guān)論文56篇、綜述15篇，總引用次數(shù)超2500次，還申請(qǐng)了80多件專利。“我們正在嘗試年產(chǎn)量300噸的工程放大研究，希望能將其最終推向工業(yè)化。”論文第一作者李寧坦言，工藝放大同樣是個(gè)艱難而漫長(zhǎng)的過(guò)程，但其經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)意義都十分巨大。
王峰介紹，目前我國(guó)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(dá)300多萬(wàn)噸，而木糖和糠醛類產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量有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)素原料往往當(dāng)做工業(yè)廢料直接燒掉，現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)化為高價(jià)值工業(yè)原料”。
王峰表示，在這條路上，研究團(tuán)隊(duì)還要在木質(zhì)纖維素原料的篩選、反應(yīng)過(guò)程減碳、催化劑和反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品純化分離等方面持續(xù)創(chuàng)新，不斷突破，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)本土化發(fā)展。
中國(guó)行業(yè)電子商務(wù)網(wǎng)站100強(qiáng) 2020年度最佳行業(yè)發(fā)展獎(jiǎng)
