木质纤维(wei)素是自然界中储量最(zui)丰富的可再生原料，广泛来源于木材(cai)、竹材(cai)、秸秆等，主要由纤维(wei)素、半(ban)纤维(wei)素和木质素（以(yi)下简称“三(san)素”）组成。要想(xiang)将(jiang)竹材(cai)、秸秆等物尽其用，分门别类地变成纸张、衣服、口香糖和胶黏剂等物品(pin)，首先(xian)要解决将(jiang)“三(san)素”高质量分离(li)的难题。
经过多年研(yan)究，中国科学院大连化学物理(li)研(yan)究所王(wang)峰研(yan)究团队(dui)在木质纤维(wei)素三(san)素分离(li)和高值化利用方向取得重要突破。这一研(yan)究成果在助力非石化资源高值化利用、助力实现“双碳”目(mu)标的同时，有望解决我国生物质原料利用不充分、生物质基材(cai)料进口依存度高等问题。相(xiang)关成果于5月29日发表在《自然》杂(za)志(zhi)上。
优势
利用木质纤维(wei)素可助力实现“双碳”目(mu)标
据中国科学院大连化学物理(li)研(yan)究所副所长(chang)、研(yan)究员王(wang)峰介绍(shao)，与风(feng)能(neng)、水能(neng)、太阳能(neng)等不同，生物质是兼(jian)具物质与能(neng)量属性的可再生资源。生物质是植物和藻类直(zhi)接或间(jian)接利用光，由水和二氧化碳转化得到的有机碳资源，具有天然碳汇属性。“开发利用好(hao)生物质，对于实现‘双碳’目(mu)标意义重大。”
在自然界中，生物质来源广泛，储量丰富，占一次能(neng)源总量的1/10，具有巨大的转化利用潜力。从广义上讲(jiang)，生物质是指通过光合作用形成的各种有机体，是自然界中可再生的有机物质，比如农副作物秸秆、林木资源、城市有机垃圾、藻类生物质等。狭义上的生物质是指目(mu)前可以(yi)使用的木质纤维(wei)素，即由植物产生的干物质，其具有非粮属性，我国每年约有11.8亿吨。
我国木质纤维(wei)素总量大，资源分布(bu)广。我国林业剩余物理(li)论资源量为每年3.5亿吨，集(ji)中在我国南方山区；秸秆理(li)论资源量为每年8.3亿吨，主要分布(bu)在东北、河南、四川等产粮大省。
难点
如何高质量分离(li)三(san)素是关键难题
木质纤维(wei)素由纤维(wei)素、半(ban)纤维(wei)素和木质素组成。要想(xiang)将(jiang)木质纤维(wei)素作为可再生化工原料使用，需要将(jiang)三(san)素分离(li)，从而获取规模化利用的原料，供下游转化使用。
纤维(wei)素主要来源于木材(cai)、竹材(cai)、秸秆、棉花等。纤维(wei)素的产品(pin)市场应用前景广阔，比如原生纸浆可以(yi)用来造纸，纤维(wei)素含量高的溶解浆可以(yi)用来制(zhi)衣，长(chang)丝、莱赛尔等面料就是以(yi)竹子、木材(cai)中的纤维(wei)素为原料。
半(ban)纤维(wei)素来源于玉米芯、木材(cai)、秸秆，其产品(pin)包括木糖及其衍(yan)生物。“大家熟悉(xi)的是木糖醇口香糖。另外一些饮料宣称不含糖，其实含有木糖醇等甜味剂。”王(wang)峰说。
木质素来源于木材(cai)、秸秆，可以(yi)制(zhi)成建筑领域的减水剂、分散剂、胶黏剂等。同时，木质素经催(cui)化解聚(ju)还可制(zhi)备绿色化学品(pin)、可再生材(cai)料和燃(ran)料，潜力巨大。
不过，如何将(jiang)三(san)素高质量地分离(li)，是摆在科学家面前的关键难题。据王(wang)峰介绍(shao)，从微观来看，木质纤维(wei)素的三(san)种组分为疏水性的木质素、亲(qin)水性的半(ban)纤维(wei)素和纤维(wei)素。纤维(wei)素分子交织成束(shu)，分散于半(ban)纤维(wei)素和木质素组分中，形成类似于“钢筋混凝土(tu)”的结构。这种结构在植物生长(chang)中发挥支撑和保护的作用，但也导(dao)致三(san)组分难以(yi)通过物理(li)方式分离(li)。
如果通过酸、碱、有机溶剂等化学处理(li)方式，可以(yi)实现木质素、半(ban)纤维(wei)素和纤维(wei)素组分的部分分离(li)，但通常只能(neng)利用其中的一种或两(liang)种组分，以(yi)纤维(wei)素为主，难以(yi)实现三(san)组分的高值化利用。
比如日常生活中常用的纸，主要是对木质纤维(wei)素进行化学法处理(li)，部分脱除木质素生产的。但在制(zhi)备过程(cheng)中，由于木质素组分易发生不可控的碳碳键缩合反应，难以(yi)完全(quan)与纸浆分离(li)，并导(dao)致木质素的催(cui)化反应活性大幅降(jiang)低，通常作为工业废料直(zhi)接燃(ran)烧。
“我们在研(yan)究中发现，木质纤维(wei)素利用不充分的重要原因是，木质素在反应过程(cheng)中容易发生自身缩合，即不可控地形成分子间(jian)和分子内的碳碳键交联。这是天然木质素的本征化学特(te)性。就像五六岁的小孩子，天生充满好(hao)奇，爱调皮。”论文的第一作者李宁说，对于木质纤维(wei)素，木质素在反应过程(cheng)中容易自缩合也是本性。
突破
因势利导(dao)解决木质素高值化有了新思路(lu)
针对三(san)素分离(li)难题，大多数研(yan)究团队(dui)选择了抑制(zhi)木质素自身发生碳碳键缩合的策略，通过化学改性、催(cui)化解聚(ju)等方式稳(wen)定木质素组分，减少自缩合反应的发生。大连化物所的研(yan)究团队(dui)重新思考了木质素缩合反应的“弊”和“利”，认(ren)为利弊是相(xiang)对的，不存在绝对有利的反应或者绝对有害的反应。
王(wang)峰说，木质素发生自缩合反应从化学上可归为芳基化反应，而芳基化反应本身并不是一件(jian)“坏事”，与其采(cai)用“堵(du)”的方法抑制(zhi)木质素缩合，不如利用木质素结构中存在自缩合反应位点的“优势”，解决芳基化反应选择性的问题。
因此，团队(dui)“因势利导(dao)”地引入与木质素结构类似且(qie)具有高亲(qin)核活性的酚类化合物，在分离(li)过程(cheng)中，酚与木质素发生选择性芳基化反应，阻止木质素无序自缩合过程(cheng)。木质素芳基化改性后，溶解性显著提高，可与纤维(wei)素、半(ban)纤维(wei)素组分高效分离(li)，同时保留了自身活性芳基醚结构，更有利于后续催(cui)化解聚(ju)。这一技术被称为催(cui)化木质素芳基化的三(san)素分离(li)（CLAF）技术。
王(wang)峰坦(tan)言，团队(dui)在科研(yan)过程(cheng)中没少走(zou)弯(wan)路(lu)，“双碳”目(mu)标的提出让他们的信心更加坚定。“分离(li)后得出的生物质组分对国家的可再生资源开发具有非常重要的意义。风(feng)、光、水、核等提供的都是能(neng)量，在煤、石油、天然气等化石能(neng)源减少使用的情(qing)况下，谁来提供物质？谁来提供我们穿的衣服？生物质可再生资源的利用将(jiang)大有可为。”科研(yan)人员一直(zhi)坚信，实验遇到的困难都是暂时的。
展望
原料筛选等方面还需创新突破
基于CLAF技术提取的芳基化木质素通过催(cui)化解聚(ju)，可制(zhi)备环境(jing)友好(hao)的可再生双酚及寡聚(ju)酚。联产的纤维(wei)素组分和半(ban)纤维(wei)素糖可分别转化为高纯溶解浆和木糖、糠醛(quan)。
王(wang)峰说，CLAF技术以(yi)木质纤维(wei)素为原料，以(yi)高品(pin)质溶解浆、半(ban)纤维(wei)素糖、木质素双酚和聚(ju)合材(cai)料等作为重要出口。溶解浆中纤维(wei)素纯度高达95%以(yi)上，可替代棉花，提供纺织原料、药辅原料等；半(ban)纤维(wei)素糖可用于功能(neng)性糖、糠醛(quan)及其衍(yan)生物等重要平台化合物的生产，将(jiang)有效拓宽半(ban)纤维(wei)素原料来源；木质素双酚及寡聚(ju)酚，虽暂无规模化应用，但现阶段的研(yan)究结果已经展现出其替代石化基双酚的巨大潜力。作为热固性聚(ju)合物和热塑性聚(ju)合物的重要前体，木质素基双酚有望在涂(tu)料、胶黏剂、通用塑料和工程(cheng)塑料领域提供可再生和环境(jing)友好(hao)的产品(pin)方案。
使用CLAF技术分离(li)三(san)素也具有经济性。秸秆、竹片、木片的价格为500-1000元/吨，分离(li)后，纤维(wei)素制(zhi)成的溶解浆售价可达6000-8000元/吨，半(ban)纤维(wei)素制(zhi)成的木糖、糠醛(quan)售价达9000-14000元/吨，木质素制(zhi)成的芳基化木质素价格为4000-10000元/吨。
“我国去年进口了300多万吨溶解浆，进口依存度接近90%；木糖和糠醛(quan)类产品(pin)的市场需求量有50多万吨；双酚的国内需求也在400万吨左右。木质纤维(wei)素下游产品(pin)市场是明(ming)确的，现在主要问题是如何经济、绿色地做好(hao)三(san)素分离(li)技术。在这条(tiao)路(lu)上我们需要做的还有很多，比如在木质纤维(wei)素原料的筛选、反应过程(cheng)减碳、催(cui)化剂和反应器的设计、产品(pin)纯化分离(li)等方面，还需要持续创新、不断突破。”王(wang)峰说。
新京报记者张璐