木质纤维素是自然(ran)界中储量最丰富(fu)的可再生原料，广泛来源于木材、竹材、秸秆等，主要由纤维素、半纤维素和木质素（以下简(jian)称(cheng)“三素”）组成。要想(xiang)将竹材、秸秆等物尽其用，分门别类地变(bian)成纸张、衣服、口香糖(tang)和胶黏剂等物品，首先要解决(jue)将“三素”高质量分离的难题。
经过多(duo)年研究，中国科学院大连化学物理研究所(suo)王峰研究团队在木质纤维素三素分离和高值化利用方向取得重要突(tu)破。这一研究成果在助力非石化资源高值化利用、助力实(shi)现(xian)“双碳”目标的同时，有望解决(jue)我国生物质原料利用不(bu)充分、生物质基材料进口依存度高等问(wen)题。相关成果于5月29日发表在《自然(ran)》杂志上。
优势
利用木质纤维素可助力实(shi)现(xian)“双碳”目标
据中国科学院大连化学物理研究所(suo)副所(suo)长、研究员王峰介绍，与风能、水能、太阳(yang)能等不(bu)同，生物质是兼具(ju)物质与能量属性的可再生资源。生物质是植物和藻类直接或(huo)间接利用光，由水和二氧化碳转(zhuan)化得到的有机碳资源，具(ju)有天然(ran)碳汇属性。“开发利用好生物质，对于实(shi)现(xian)‘双碳’目标意义(yi)重大。”
在自然(ran)界中，生物质来源广泛，储量丰富(fu)，占一次能源总量的1/10，具(ju)有巨大的转(zhuan)化利用潜力。从广义(yi)上讲，生物质是指通过光合作(zuo)用形成的各(ge)种有机体，是自然(ran)界中可再生的有机物质，比如农副作(zuo)物秸秆、林木资源、城市有机垃圾(ji)、藻类生物质等。狭义(yi)上的生物质是指目前可以使用的木质纤维素，即由植物产(chan)生的干物质，其具(ju)有非粮属性，我国每年约有11.8亿吨。
我国木质纤维素总量大，资源分布(bu)广。我国林业剩余(yu)物理论资源量为每年3.5亿吨，集中在我国南方山区；秸秆理论资源量为每年8.3亿吨，主要分布(bu)在东北、河南、四川(chuan)等产(chan)粮大省。
难点
如何高质量分离三素是关键难题
木质纤维素由纤维素、半纤维素和木质素组成。要想(xiang)将木质纤维素作(zuo)为可再生化工原料使用，需要将三素分离，从而获取规模化利用的原料，供下游转(zhuan)化使用。
纤维素主要来源于木材、竹材、秸秆、棉花等。纤维素的产(chan)品市场应用前景(jing)广阔，比如原生纸浆(jiang)可以用来造纸，纤维素含(han)量高的溶解浆(jiang)可以用来制衣，长丝、莱赛尔等面料就是以竹子、木材中的纤维素为原料。
半纤维素来源于玉米芯、木材、秸秆，其产(chan)品包括木糖(tang)及其衍生物。“大家熟悉的是木糖(tang)醇口香糖(tang)。另(ling)外一些饮料宣(xuan)称(cheng)不(bu)含(han)糖(tang)，其实(shi)含(han)有木糖(tang)醇等甜(tian)味剂。”王峰说。
木质素来源于木材、秸秆，可以制成建筑(zhu)领域的减水剂、分散剂、胶黏剂等。同时，木质素经催化解聚还可制备绿色化学品、可再生材料和燃料，潜力巨大。
不(bu)过，如何将三素高质量地分离，是摆在科学家面前的关键难题。据王峰介绍，从微观来看，木质纤维素的三种组分为疏水性的木质素、亲(qin)水性的半纤维素和纤维素。纤维素分子交织成束，分散于半纤维素和木质素组分中，形成类似于“钢筋混凝土”的结构。这种结构在植物生长中发挥支撑和保护(hu)的作(zuo)用，但也导致三组分难以通过物理方式分离。
如果通过酸、碱、有机溶剂等化学处理方式，可以实(shi)现(xian)木质素、半纤维素和纤维素组分的部分分离，但通常只能利用其中的一种或(huo)两(liang)种组分，以纤维素为主，难以实(shi)现(xian)三组分的高值化利用。
比如日常生活中常用的纸，主要是对木质纤维素进行化学法处理，部分脱除木质素生产(chan)的。但在制备过程中，由于木质素组分易发生不(bu)可控的碳碳键缩合反应，难以完全与纸浆(jiang)分离，并导致木质素的催化反应活性大幅降低(di)，通常作(zuo)为工业废料直接燃烧。
“我们在研究中发现(xian)，木质纤维素利用不(bu)充分的重要原因是，木质素在反应过程中容易发生自身缩合，即不(bu)可控地形成分子间和分子内的碳碳键交联。这是天然(ran)木质素的本征化学特性。就像五六岁的小孩子，天生充满好奇，爱(ai)调皮。”论文的第一作(zuo)者李宁说，对于木质纤维素，木质素在反应过程中容易自缩合也是本性。
突(tu)破
因势利导解决(jue)木质素高值化有了新思路(lu)
针对三素分离难题，大多(duo)数研究团队选(xuan)择了抑(yi)制木质素自身发生碳碳键缩合的策略，通过化学改(gai)性、催化解聚等方式稳定木质素组分，减少自缩合反应的发生。大连化物所(suo)的研究团队重新思考了木质素缩合反应的“弊”和“利”，认为利弊是相对的，不(bu)存在绝对有利的反应或(huo)者绝对有害的反应。
王峰说，木质素发生自缩合反应从化学上可归为芳(fang)基化反应，而芳(fang)基化反应本身并不(bu)是一件“坏事”，与其采用“堵”的方法抑(yi)制木质素缩合，不(bu)如利用木质素结构中存在自缩合反应位点的“优势”，解决(jue)芳(fang)基化反应选(xuan)择性的问(wen)题。
因此，团队“因势利导”地引(yin)入与木质素结构类似且具(ju)有高亲(qin)核活性的酚类化合物，在分离过程中，酚与木质素发生选(xuan)择性芳(fang)基化反应，阻止木质素无(wu)序自缩合过程。木质素芳(fang)基化改(gai)性后，溶解性显著提高，可与纤维素、半纤维素组分高效分离，同时保留了自身活性芳(fang)基醚结构，更有利于后续催化解聚。这一技术(shu)被称(cheng)为催化木质素芳(fang)基化的三素分离（CLAF）技术(shu)。
王峰坦言，团队在科研过程中没少走弯路(lu)，“双碳”目标的提出(chu)让他们的信(xin)心更加坚(jian)定。“分离后得出(chu)的生物质组分对国家的可再生资源开发具(ju)有非常重要的意义(yi)。风、光、水、核等提供的都是能量，在煤、石油、天然(ran)气等化石能源减少使用的情况下，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大有可为。”科研人员一直坚(jian)信(xin)，实(shi)验遇到的困难都是暂时的。
展(zhan)望
原料筛选(xuan)等方面还需创新突(tu)破
基于CLAF技术(shu)提取的芳(fang)基化木质素通过催化解聚，可制备环境友好的可再生双酚及寡(gua)聚酚。联产(chan)的纤维素组分和半纤维素糖(tang)可分别转(zhuan)化为高纯溶解浆(jiang)和木糖(tang)、糠醛。
王峰说，CLAF技术(shu)以木质纤维素为原料，以高品质溶解浆(jiang)、半纤维素糖(tang)、木质素双酚和聚合材料等作(zuo)为重要出(chu)口。溶解浆(jiang)中纤维素纯度高达95%以上，可替代棉花，提供纺织原料、药辅原料等；半纤维素糖(tang)可用于功能性糖(tang)、糠醛及其衍生物等重要平台化合物的生产(chan)，将有效拓宽半纤维素原料来源；木质素双酚及寡(gua)聚酚，虽暂无(wu)规模化应用，但现(xian)阶段的研究结果已经展(zhan)现(xian)出(chu)其替代石化基双酚的巨大潜力。作(zuo)为热固性聚合物和热塑性聚合物的重要前体，木质素基双酚有望在涂料、胶黏剂、通用塑料和工程塑料领域提供可再生和环境友好的产(chan)品方案。
使用CLAF技术(shu)分离三素也具(ju)有经济性。秸秆、竹片、木片的价格为500-1000元(yuan)/吨，分离后，纤维素制成的溶解浆(jiang)售价可达6000-8000元(yuan)/吨，半纤维素制成的木糖(tang)、糠醛售价达9000-14000元(yuan)/吨，木质素制成的芳(fang)基化木质素价格为4000-10000元(yuan)/吨。
“我国去年进口了300多(duo)万吨溶解浆(jiang)，进口依存度接近90%；木糖(tang)和糠醛类产(chan)品的市场需求量有50多(duo)万吨；双酚的国内需求也在400万吨左右。木质纤维素下游产(chan)品市场是明确的，现(xian)在主要问(wen)题是如何经济、绿色地做好三素分离技术(shu)。在这条路(lu)上我们需要做的还有很多(duo)，比如在木质纤维素原料的筛选(xuan)、反应过程减碳、催化剂和反应器的设计、产(chan)品纯化分离等方面，还需要持续创新、不(bu)断突(tu)破。”王峰说。
新京报记者张璐(lu)