【海川科技前沿】木质纤维素高效分离高值利用获突破

木质纤维素是自然界中储量最丰富的可再生原料，主要由纤维素、半纤维素和木质素这三素组成。如何高质量地分离三素并获取可规模化利用的原料，是木质纤维素用作可再生化工原料使用的关键难题。中国科学院大连化学物理研究所王峰研究员团队设计并开发了催化木质素芳基化的三素分离(CLAF)技术，在木质纤维素三素分离和高值化利用方面取得重要突破。相关成果于5月29日发表在《自然》杂志上。

　　高效利用的核心——打破“钢筋混凝土”缠绕结构

　　王峰介绍，生物质是兼具物质与能量属性的可再生资源，约占世界一次能源总供应量的十分之一，全球可利用的生物质约为1700亿吨。木质纤维素是生物质的重要组成部分，我国的年产生量约为11.8亿吨，包括林木资源、农副作物秸秆等。木质纤维素由3种组分构成，包括疏水性的木质素、亲水性的半纤维素和纤维素。

　　在电子显微镜下观察木质纤维素的微观结构，包含葡萄糖单元的纤维素、镶嵌着苯环的木质素、由五碳糖和六碳糖组成的半纤维素，分别扮演着钢筋、水泥和箍筋的角色。纤维素交织成束分散于半纤维素和木质素组分中，呈现出类似“钢筋混凝土”的缠绕结构。该结构在植物生长中发挥支撑和保护的作用，也导致三素难以通过物理方式进行分离。

　　三素分离的化学技术探索始于1900年，当时开发的两步酸水解法是使用最广泛的木质素定量方法。该方法可将纤维素和半纤维素完全水解成五碳糖和六碳糖，同时得到已经发生缩合反应的木质素。但受限于当时的检测技术水平，木质素的结构变化并没有被发现。到1957年，经二氧六环抽提的磨木木质素成为最接近原生结构的提取木质素，但提取得率仅为5%至10%。我国古代的制浆造纸技术采用石灰长时间蒸煮法，可分离木质纤维素中的纤维组分。近现代，烧碱法、硫酸盐法、亚硫酸盐法等化学法制浆工艺可以高效、低成本地脱除木质素，却还是一种“牺牲”木质素的分离技术。

　　“可以说，现在成熟制浆工艺体系通常仅聚焦于三素中的某一类组分。如打印纸，主要是对木质纤维素进行化学法处理，部分脱除木质素生产的。在制备过程中，木质素发生不可控缩合，导致催化反应活性大幅降低，通常作为附加值极低的工业废料直接烧掉了。”王峰惋惜地说，作为最具利用价值的可再生碳资源，木质纤维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，而要想实现木质纤维素多组分或全组分的利用，关键在于三素的高效、低成本分离。

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