木质素催化快速热解的解聚增值研究进展_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

木质素作为一种非晶态天然芳香聚合物，在将其转化为生物燃料替代传统化石能源方面展现出巨大潜力。本文系统总结了木质素的复杂结构，阐释了木质素不同阶段的主要热解机理，并进一步对常用催化剂在木质素催化提质方面的应用情况进行了深入分析，概述了不同种类催化剂的具体催化性能。最后，对木质素催化快速热解在解聚和增值方面的未来发展方向进行了展望。

作者简介

王爽教授

江苏大学能源与动力工程学院教授，博士生导师。主要从事生物质固碳负碳高值转化、能源微藻培养与应用、高性能吸附材料制备及有机污染物脱除等方面的研究工作。先后主持国家自然科学基金3项、江苏省杰出青年基金1项，入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、“333工程”和“六大人才高峰”等。研究成果获江苏省科学技术奖二等奖2项、江苏省能源研究会能源科学技术进步奖一等奖1项。以第一或通信作者发表SCI论文百余篇，第一发明人授权发明专利19件，入选全球2%顶尖科学家、全球前10万科学家榜单。现任Journal of Thermal Analysis and Calorimetry副主编、BioEnergy Research、Journal of Renewable Materials等期刊编委。

木质素催化快速热解的解聚增值研究进展

作者

沈炜炜，曹斌，何思蓉，蒋鼎，穆茂，王爽*

单位

江苏大学能源与动力工程学院

基金项目

国家自然科学基金资助项目（52176189、52306247）

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摘要

木质素是一种复杂的三维非晶态天然芳香聚合物，将其转化为生物燃料替代传统化石能源方面展现出巨大潜力。热解技术已被证实是将木质素转化为高值化学品的有效途径，然而，直接热解过程中普遍存在产物选择性低、产物稳定性差等难题，这些问题限制了木质素的高效转化及工艺经济性。目前，催化快速热解技术在克服上述挑战方面已经取得了显著进展。本文详细阐述了木质素的基本结构单元与其多样的连接模式，介绍了木质素的主要来源和不同种类。基于木质素的热解特性，对其热解过程的关键阶段（初始阶段、主要阶段和碳化阶段的演变）进行了深入阐述。本文还对催化快速热解的必要性进行了探讨，并对常用催化剂进行了全面介绍和综述。最后，对木质素催化快速热解在解聚和增值方面的未来发展方向进行了展望。

研究背景

数个世纪以来，源自化石能源的工业革命引发了人类社会的深刻变革。然而，过度依赖化石能源所导致的温室气体排放和水体污染等问题，已经超出了生态环境自我调节的能力范围，严重破坏了生态环境。目前形势下，除了对现有能源利用技术进行优化，减少对化石燃料的依赖，还迫切需要发展和利用可持续、可再生的生物质能源。木质纤维素生物质具有储量丰富、可再生性以及零二氧化碳排放等特点，在实现“碳达峰”“碳中和”目标方面扮演着重要的角色。木质纤维素生物质主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素和半纤维素已被广泛运用于生物乙醇、沼气工程等生物精炼领域，为可持续能源的开发做出了重要的贡献。然而，木质素作为木质纤维生物质的重要组成部分之一，其目前的固化利用率仅在3%左右，这一现状突显了亟需提升木质素价值的问题。此外，在作物生产、纸浆工程、生物精炼等领域，每年产生的大量木质素废弃物通常被视为劣质燃料，往往会引发严重的环境污染问题。因此，确保对木质素废弃物进行高价值利用对于推动生物质能源的可持续绿色发展具有至关重要的意义。

木质素所富含的芳香基团使其在热解领域呈现出广阔的应用前景，可用于制造芳香族燃料或高附加值化学品，诸如酚类化合物和芳烃等。然而，木质素是一种高度交联的大分子，其结构异常复杂。它的基本骨架是以苯基丙烷单元为基础，通过多种C—O和C—C键连接而成，从而形成天然的芳香聚合物。木质素的提取工艺因其多样性也增加了热解过程的复杂性，因此有必要深入探究木质素的复杂结构及其生产来源。木质素的热解过程经历三个主要阶段：首先是水分蒸发，然后是大分子的初级分解，接着是二次裂解反应和重聚阶段。木质素内部的醚键和碳碳键通常具有较高的键解离能，再加上热解过程中产物的自聚合反应，直接从生物质热解中获得的生物油存在一些制约性问题，这些问题包括高含氧量、低热值和较高的腐蚀性等。木质素的热解生物油产物也异常复杂，主要包括酚类、芳烃、酸类、酮类、醛类以及呋喃类等多种化合物。这使得木质素的热解产物在成分上具有挑战性，同时也面临着选择性较低的难题。因此，为了更进一步提升所需产物的选择性以及产物质量，在木质素热解过程中引入了多种优质催化剂，如沸石催化剂、金属氧化物催化剂、碳基催化剂等，以促进碳碳键的断裂、氢转移、侧链裂解、脱羧、脱羰以及脱水等反应的发生，大量氧元素以CO2、CO、H2O等形式被释放，从而增强了液相产物中目标产物的稳定性和富集程度，实现对木质素的高效资源化利用。

本文主要针对木质素催化热解增值的研究进展，系统介绍了木质素的基本结构及主要的木质素种类，回顾了木质素的基本热解机理，然后系统地介绍各类催化剂及其对木质素的催化作用，最后对木质素的催化热解进行了展望。

部分图片

图1 木质素热解机理

图2 沸石催化剂的催化作用

图3 木质素在金属氧化物催化剂下的可能反应路径

引文格式

沈炜炜,曹斌,何思蓉,蒋鼎,穆茂,王爽.木质素催化快速热解的解聚增值研究进展[J/OL].能源环境保护:1-15[2023-09-28].https://doi.org/10.20078/j.eep.20230910.

SHEN Weiwei,CAO Bin,HE Sirong,JIANG Ding,MU Mao,WANG Shuang.Advances in value-added depolymerization by catalytic fast pyrolysis of lignin[J/OL].Energy Environmental Protection: :1-15[2023-09-28].https://doi.org/10.20078/j.eep.20230910.

　　责任编辑：宫在芹

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