趙美霞^1,2，田新強¹，楊虎威¹

（1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇徐州221116；2.江蘇建筑節能與建造技術協同創新中心，江蘇徐州221116）

　　摘要：綜述了生物質轉化技術的研究進展，分析了各轉化技術存在的問題，提出了生物質逐級轉化技術獲取高附加值化學品的設想，并對以后的研究工作進行了展望。

　　生物質能源是將“能源”“環保”與“三農”高度融合的可再生能源，具有資源豐富、產能巨大和零碳排放等優點。我國是世界第二大能源消費國，同時又是人口眾多的農業大國，更加重視生物質能源的發展。相對于傳統化石能源，生物質在地球上儲量豐富，分布面積廣，種類多，通過開發生物質定向高效轉化技術，可產生高質量液體燃料和高值化學品，對形成生物質高附加值利用的產業鏈具有重大的現實意[1,2]。

　　本文系統綜述了國內外生物質轉化技術的研究進展，在此基礎上提出了逐級定向轉化來實現生物質不同組分的選擇性轉化，以期為生物質高附加值利用的產業鏈提供理論依據。

　　1生物質利用技術現狀

　　目前，對生物質資源的利用研究主要有生物轉化、熱化學轉化和催化轉化等。

　　1.1生物化學轉化

　　生物化學轉化是生物質降解轉化的過程，一般分為水解發酵和發酵，分別生產乙醇和甲烷。沼氣發酵是生物質在一定溫度、濕度和酸堿度條件下，在厭氧環境中，經過沼氣菌群發酵生成沼氣等的過程，可提供的能源形式為沼氣。利用生物發酵技術可以把生物質中纖維素與半纖維素成分轉化為乙醇，制取生物燃料，但該過程轉化條件苛刻，成本低，轉化率過不高[3]。

　　1.2熱化學轉化

　　熱化學轉化主要包括氣化、熱解和液化。氣化是熱解的一種形式，在高溫條件下將原料轉換成CO₂、CO、H₂、CH₄和N₂等氣體。研究表明[4,5]，生物質在500～600℃的熱解，產物中液體油收率高。生物質液化是生物質在高溫高壓等條件下將固態的有機大分子轉化為液態的小分子的過程，主要包括3個階段：①生物質的宏觀物理結構在高溫高壓下被溶劑破壞，分解為大分子化合物；②將大分子有機物液化，使之溶解于反應介質中；③大分子有機物在高溫高壓條件下解聚為小分子有機物。Antal等[6]研究發現木質素熱裂解可生成芳香族化合物和輕質氣體等，但產物收率較低。李建芬[7]將生物質通過快速熱解轉化成生物油，然后進行催化提質，但產物選擇性不高。

　　1.3催化轉化

　　催化劑在生物質轉化過程中可降低反應條件，并加快反應速率，縮短反應時間，同時提高轉化收率，改善生物油品質。生物質轉過程中常用的催化劑包括均相催化劑（酸和堿）和非均相催化劑（負載型催化劑）。王震亞[8]采用K₂CO₃對白松進行催化裂解，發現其對生物質主裂解及二次裂解均有顯著影響，可有效提高生物油中多環芳烴、苯酚類等的含量。Misson等[9]使用NaOH、Ca(OH)₂和H₂O₂對空棕櫚殼進行催化轉化。結果表明，三種堿液對空棕櫚殼中的木質素有較好的催化降解效果。上述均相堿催化劑具有催化效率高和催化劑易得等優點，但環境污染嚴重、回收困難，不利于工業化推廣。

　　酸性催化劑可以高收率和高選擇性地獲取含氧液體燃料和以苯酚衍生物為主的含氧有機化學品，因此酸性催化劑得到眾多研究者的關注。Frederick等[10]研究發現ZnCl₂對苯基芐基醚和二苯醚等生物質模型化合物具有較好的催化效果。王夢亮等[11]用濃硫酸、濃鹽酸、濃鹽酸/苯酚、濃硫酸/苯酚和磷酸/苯酚等催化劑分別對麥草秸稈纖維催化轉化，結果表明在濃硫酸/苯酚的混合催化體系中的催化效果最好。

　　上述均相酸性催化劑盡管具有催化效果好和活性高等優點，但對反應設備有很強的腐蝕性，因此在實際應用中受到限制。開發活性強、環境友好的負載型酸催化劑是當前生物質轉化技術的研究熱點之一。陳云平等[12]考察了負載型超強酸催化劑對木質素的催化解聚，發現該催化劑對木質素中橋鍵的斷裂有較好的催化活性。Wang等[13]用固體超強酸選擇性催化裂解纖維素制備左旋葡萄糖酮，在335℃，纖維素與固體超強酸質量比達到1∶1條件下，得到了最大產率的左旋葡萄糖酮。2018年，Yue等[14]在超聲輻射下通過浸漬法制備的負載型超強酸可以在300℃和H₂等條件下完全催化苯基芐基醚和二芐醚中碳氧橋鍵斷裂，選擇性地生成裂解產物。

　　綜上所述，國內外關于生物質轉化技術開展的研究，大多在高溫、高氫壓等苛刻條件下進行，且產物選擇性低；生物質催化轉化所用均相催化劑存在環境污染嚴重、回收困難等缺點；非均相催化劑反應后催化劑與固體殘渣混在一起，不利于回收使用。

　　2通過超臨界醇解和催化轉化實現生物質逐級轉化

　　超臨界轉化作為一直加壓液化方法在生物質轉化技術研究方面都有一定的應用。由于超臨界流體在反應體系中滲透性和溶解性更強，促進反應更徹底。甲醇、乙醇及異丙醇等溶劑在超臨界狀態下對生物質的可溶性劇增，有效提高生物質的解聚效率。此外，基于生物質有機大分子含有大量的碳-氧橋鍵等化學鍵的結構特點，在超臨界醇解過程中通過合適的催化反應選擇性地切斷生物質中的碳-氧橋鍵獲取高附加值含氧有機化學品對于生物質的定向解聚和后續的高效利用至關重要。

　　3展望

　　生物質作為一種重要的可再生資源，對其進行溫和定向高效轉化，盡可能將生物質中絕大部分有機質轉化為高值有機化合物，對發展我國生物質綠色高效的轉化工藝具有重要意義。當前采用生物質熱裂解技術，選擇合適的預處理方法和催化劑，將生物質資源向化學品方向轉化，已經取得一定的研究成果，但要達到工業化應用水平還需要解決如下幾個問題：生物質轉化條件苛刻，需要要高溫，高氫壓的反應條件；生物質轉化技術存在的另一難題是催化劑穩定性差，且反應后不易回收；生物質轉化產物選擇性不高，高值化學品產物收率低。