一、意義
木質植物是指含有木質素、纖維素和半纖維素的一類植物。它是地球上最豐富的可再生的有機資源。綠色植物纖維原料再生速度快，每年約固定2×1011噸碳，內含3×1021J能量，相當於600億至800億噸石油，即全世界每年石油總產量的20至27倍。我國僅稻草、麥草、蔗渣、蘆葦、竹子等非木材纖維年產量就超過10億噸。這些非木材纖維以及大量的木材加工剩餘物，都是取之不盡的天然高分子化工原料倉庫和能源。
由於目前油氣資源的急劇減少，石油將會供不應求。因此到下世紀以農作物、樹木等有機質為主的有機能源佔地球總能源的比例將顯著提高。從能源和資源的角度來看，植物質是一種可再生的清潔能源和資源。開發利用這種能源和資源具有深遠的意義和現實價值。但目前木質植物作為能源材料主要是沿用古老方式，以固體形式直接燃燒。這樣做，一是燃燒不完全，熱值低；二是使用不方便，使用場合受限制；三是對環境造成污染。
液化是大規模利用木質纖維素的最有效方法之一。木質纖維素液化後，可以得到醇類、可燃性油及可燃性氣體，從而成為來作為一種新的能源可作為燃料使用，也可作為化工原料使用。液化的方法大體上可分為熱法、熱化學法、化學水解法和生物法。在這幾種方法中，最有前途的方法是熱化學法。其降解產物除了用作燃料外，還可用作化工產品的原料，同時，植物中的纖維素、木質素、半纖維素都能得到利用；生產週期短，生產過程可連續化。它是工業發達國家競相發展的新技術。
關於植物纖維原料液化的研究，既包括植物全材的液化，也包括纖維素、半纖維素、木素等單組分的液化。前者更具有實用價值，而後者則有助於我們弄清一系列有關植物纖維原料液化的基礎性問題。
二、國內外研究現狀
鑒於熱化學轉化最簡單，成本最低，這種方法成為近年各國發展的重點。據報道，美英等國將木質植物加工成液體燃料的技術已達到實用階段。美國俄勒岡州一家以木片為原料加工原油的工廠，每噸木片可製成300公斤木質石油，英國一家公司採用液化技術，用100公斤木材生產出24公斤木質石油、16公斤瀝青和15公斤蒸汽。據稱，這種木質石油與中東地區生產的石油質量相近；俄羅斯用鋸末制取石油，產率達70-92%。據報道，目前木質石油的成本仍很高，相當於原油的1.2-3.6倍。但隨著科學技術進步和未來石油缺乏時價格上漲，兩者的價格差距會減小。
一般來說，纖維素較容易液化，而木素因分子中有較多苯環，分子量大，熱解較困難。自70年代起，已有人在大約350℃和140~240atm條件下，用均相催化劑，和CO/H2混合氣將木片液化為重油。反應時間約1h,苯溶物（油）的產率可達40%~60%，原料轉化率可達95%~99%。
由於上述條件過於劇烈，後來人們一直在尋求在相對溫和的條件下進行植物的液化,此研究業已取得了一定的進展。在300℃、10MPa的壓縮熱水中，以碳酸鈉為催化劑，加入氫氣或一氧化碳等還原性氣體，可使植物原料液化。該方法不僅適用於多種植物原料，如木材、樹皮，還可用於污泥、藻煤、乙醇發酵釜餾物等的液化。當前，有關植物纖維原料液化的研究主要集中於反應催化劑的研究上。一種優良的催化劑，應當能使反應在相對溫和的條件下進行，同時得到較高產率的液化產物。然而這方面的研究還有待深化。另外，植物纖維液化反應的反應器距工業化應用的要求還有一定的差距。
目前，植物纖維原料熱化學液化的研究已列為中國科學院應用研究與發展重點項目。
三、總體研究目標和研究內容
木質植物資源的液化利用是一項資源高效利用的新技術。如果能實現植物資源的充分利用，不僅能解決未來的能源短缺問題，而且能減少燃燒石油煤炭帶來的環境污染問題。儘管該項技術能給人類帶來如此之多的好處，在世界範圍內，它都沒有實現工業化，其原因是還有許多重大的基礎科學和技術問題沒有解決。植物質催化液化熱研究的總體目標是利用催化和熱裂解反應相結合的方法將植物質的主要成分--纖維素、半纖維素及木質素--轉化成低分子化合物，作為能源或基本化工原料。
本課題將實現以下總體研究目標：
1．對木質植物催化熱裂解反應的機理有較深入的認識；
2．研製成功適合木質植物質催化熱裂解的催化劑；
3．實現木質植物質受控催化熱裂解；
4．提高木質植物催化熱裂解的轉化率和選擇性。
用熱化學法進行木質植物液化的重大基礎性問題應當包括以下內容：
1.木質植物熱化學反應熱力學和動力學；
2.木質植物熱化學催化反應過程和高效的催化劑；
3.不同木質植物熱化學反應產物結構與組成；
4.連續高效木質植物熱化學反應的技術及其反應器。
希望"十·五"期間國家自然科學基金能將這方面的研究列為重點支持的研究課題。 |
