生物質(zhì)制備高品質(zhì)燃料

利用秸稈類生物質(zhì)制備燃料乙醇一直是世界各國努力的方向。利用玉米、蔗渣和木薯等富含淀粉的材料制備乙醇已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化，在許多國家得到了推廣應(yīng)用，然而真正意義上的纖維素乙醇，即以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為原料制備乙醇仍然面臨著效率偏低和成本偏高的問題，需要進一步研發(fā)廉價高效的預(yù)處理方法并降低纖維素酶的成本。目前，世界上有24個在運行的纖維素乙醇生產(chǎn)廠，主要分布在美國和歐盟，美國纖維素乙醇的最低可銷售價格已經(jīng)降低到了0.57美元/升，預(yù)計到2022年生產(chǎn)量將會超過第一代生物乙醇達到600億升/年。

得益于國家的大力支持，我國的沼氣產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，但是沼氣產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益仍然較低，需要依賴財政補貼。截至2015年，大型沼氣設(shè)施的產(chǎn)量僅占沼氣總產(chǎn)量的26.3%、小型設(shè)施的運行率偏低（60%）、秸稈類生物質(zhì)制備沼氣的收益仍然很低，沼氣發(fā)電率（2.53%）也遠低于德國等技術(shù)成熟國家（98.5%）。

利用生物質(zhì)作為產(chǎn)氫的原料也是實現(xiàn)生物質(zhì)資源化的有效途徑。在KOH溶液中，CdS/CdOx量子點光催化劑能夠在可見光作用下直接催化未經(jīng)過預(yù)處理的生物質(zhì)分解產(chǎn)氫（見圖4），但目前產(chǎn)氫效率仍然很低。Zhang等構(gòu)建了將生物質(zhì)經(jīng)由甲酸轉(zhuǎn)化為氫氣的新策略。第一步轉(zhuǎn)化采用含有少量二甲基亞砜（DMSO，體積分數(shù)為1%）的稀硫酸溶液（0.7wt%）和NaVO3在高壓氧氣（3MPa）氛圍將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲酸。第二步轉(zhuǎn)化利用均相銥催化劑將甲酸分解為氫氣。利用該策略轉(zhuǎn)化小麥秸稈時，氫氣的產(chǎn)率高達95%。

為了解決多步轉(zhuǎn)化效率低和成本高的問題，國內(nèi)外也開始嘗試直接以纖維素和生物質(zhì)為原料進行一鍋法轉(zhuǎn)化制備烴類燃料。聯(lián)合使用Ir-ReOx/SiO2和HZSM-5作為催化劑時，纖維素經(jīng)由山梨醇轉(zhuǎn)化為液態(tài)烷烴（見圖5）。在水/正癸烷二相體系中，雜多酸H4SiW12O40分散在水相中可以將纖維素轉(zhuǎn)化為HMF等中間產(chǎn)物，而htTSA(2)Ru/C（H4SiW12O40水熱處理的Ru/C）分散在正癸烷中將中間產(chǎn)物加氫脫氧轉(zhuǎn)化為液態(tài)烷烴。Xia等采用多功能催化劑Pt/NbOPO4在正己烷體系中直接將木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化為液態(tài)烷烴和烷基環(huán)己烷，采用Ru-RuO2/C作為催化劑在水相中可以將生物質(zhì)通過一鍋法轉(zhuǎn)化為多元醇和烷基環(huán)己烷的混合物。此外，Liu等采用Ni-N-C單原子和鎢酸作為催化劑，將纖維素加氫脫氧轉(zhuǎn)化為乙二醇和丙酮醇。

開發(fā)可再生的秸稈類生物質(zhì)資源對解決固體廢物的污染問題和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，現(xiàn)有的生物質(zhì)利用方式面臨產(chǎn)品價值較低、應(yīng)用范圍有限和易造成二次污染的問題，極大地制約了生物質(zhì)資源的充分利用。本文在總結(jié)國內(nèi)外秸稈類生物質(zhì)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了利用生物質(zhì)生產(chǎn)高價值化學(xué)品、高品質(zhì)液態(tài)燃料、氫氣和新型材料的最新研究進展，提出要發(fā)展基于循環(huán)農(nóng)業(yè)的秸稈綜合利用模式、完善秸稈禁燒制度并加快研發(fā)秸稈資源化新技術(shù)。研究結(jié)果可為我國生物質(zhì)資源化技術(shù)的進一步發(fā)展和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供理論支撐。

石油等化石燃料的大量消耗引發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，資源短缺、能源危機和環(huán)境污染已經(jīng)成為威脅人類發(fā)展的世界性難題。開發(fā)以秸稈類生物質(zhì)為代表的可再生資源制備高價值的液態(tài)燃料、精細化學(xué)品和新型材料，替代當前廣泛應(yīng)用的石化產(chǎn)品，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。生物質(zhì)兼具資源和固體廢物的雙重屬性，秸稈類生物質(zhì)的焚燒也是造成我國大氣污染問題的關(guān)鍵因素之一。因此，實現(xiàn)秸稈類生物質(zhì)的資源化也是治理環(huán)境污染的應(yīng)有之義。

為了實現(xiàn)生物質(zhì)資源化，國內(nèi)外學(xué)者針對生物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)特點，初步建立了通過生物煉制獲得高價值產(chǎn)品的技術(shù)體系，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)在許多重要領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用前景，體現(xiàn)出生物煉制替代石油煉制的潛力。近年來，隨著國家投入的持續(xù)加大，我國的生物質(zhì)資源化技術(shù)取得了一系列重要進展。因此，梳理國內(nèi)外生物質(zhì)的利用現(xiàn)狀、生物質(zhì)資源化技術(shù)研究前沿和發(fā)展趨勢，明確當前面臨的挑戰(zhàn)，對進一步加快生物質(zhì)資源化的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、推進生態(tài)文明和美麗中國建設(shè)具有重要意義。

生物質(zhì)制備新型材料

Zhu等將木材中的木質(zhì)素去除，向木材的微孔結(jié)構(gòu)中引入環(huán)氧樹脂，制得透光率高達90%、強度比天然木材高4～6倍的透明復(fù)合材料，這類材料有潛力在一些領(lǐng)域替代玻璃。Song等利用NaOH和Na2SO3溶液去除天然木材中的木質(zhì)素和半纖維素，然后通過熱壓實現(xiàn)纖維素納米纖維的完全致密化，從而獲得高性能結(jié)構(gòu)材料，這種材料具有比大多數(shù)結(jié)構(gòu)金屬和合金更高的比強度，有望作為低成本、高性能和輕量級的金屬替代品。然而，針對這些材料的研究仍處于基礎(chǔ)階段，還需要系統(tǒng)的研究來提升性能、降低成本并增加應(yīng)用途徑。

利用生物質(zhì)可以制備乳酸和2,5-呋喃二甲酸（FDCA）等聚合物單體。利用生物質(zhì)制備FDCA需要先制取HMF，再將HMF選擇性地氧化為FDCA。利用FDCA與乙二醇聚合成的新型聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）塑料，性能明顯優(yōu)于目前大量應(yīng)用的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料。采用乳酸作為單體制備的聚乳酸（PLA）是一類可生物降解材料，已經(jīng)被證明有潛力取代塑料應(yīng)用在一次性餐具、服裝和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。然而，目前的乳酸仍然是以淀粉類生物質(zhì)為原材料制備的，仍然存在著成本過高的問題，利用木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)制備乳酸仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。

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