以生物質(zhì)為原材料的化學(xué)化工技術(shù)與展望

趙志培 河套學(xué)院

引言：生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化制備高品質(zhì)生物油和高附加值精細(xì)化工品是未來(lái)工業(yè)發(fā)展的重要方向，是解決能源短缺，實(shí)現(xiàn)碳的閉路循環(huán)的有效方式，如何提升生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化品質(zhì)和效率是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

一、概述

隨著化石能源的逐漸消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，發(fā)展清潔的可再生能源成為研究者們關(guān)注的主題，生物質(zhì)能作為重要的綠色可再生能源，成為解決當(dāng)前環(huán)境惡化、能源短缺的有效方式。關(guān)于生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為燃料和高附加值生物基化學(xué)品的研究早已開(kāi)展，主要包括微生物轉(zhuǎn)化、熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和化學(xué)轉(zhuǎn)化等方式，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化因其轉(zhuǎn)化成本低、轉(zhuǎn)化速度快、轉(zhuǎn)化品質(zhì)好，易于工業(yè)化應(yīng)用而成為生物質(zhì)最具開(kāi)發(fā)潛力的利用方式。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化主要包括燃燒、熱解、水熱轉(zhuǎn)化、化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化等，生物質(zhì)直接燃燒是最簡(jiǎn)便的能源利用方式之一，但因其利用率低、對(duì)環(huán)境污染大而逐漸不被人們推薦；生物質(zhì)熱解是在少氧或絕氧條件下加熱致其生物質(zhì)分子分解產(chǎn)生固體、液體和氣體的過(guò)程，根據(jù)反應(yīng)條件的不同分為熱解炭化、熱解液化和熱解氣化等，生物質(zhì)熱解是制備高品質(zhì)生物油和高附加值精細(xì)化工品的重要方式之一；水熱轉(zhuǎn)化是指在一定壓力和溫度下將生物質(zhì)與液體介質(zhì)混合發(fā)生反應(yīng)生成固體、液體和氣體的過(guò)程，水熱轉(zhuǎn)化利用亞臨界或超臨界水為反應(yīng)介質(zhì)，提高了反應(yīng)速率且無(wú)需干燥處理而成為研究熱點(diǎn)；化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化是指將一個(gè)化學(xué)反應(yīng)通過(guò)循環(huán)介質(zhì)作用分解為在不同時(shí)間或空間內(nèi)的系列反應(yīng)的過(guò)程，化學(xué)鏈轉(zhuǎn)化因其實(shí)現(xiàn)CO2內(nèi)分離，能量梯級(jí)利用等特點(diǎn)而得到研究者們廣泛研究。

二、以生物質(zhì)為原材料的化學(xué)化工技術(shù)與發(fā)展愿景

（一）以生物質(zhì)為原材料的化學(xué)化工技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

想要以生物質(zhì)為原材料的化學(xué)化工健康發(fā)展，保證生物質(zhì)化學(xué)化工的綠色性、情節(jié)性、經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)基于生命周期的概念，從產(chǎn)品的原材料開(kāi)始，到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、使用以及廢棄物等整個(gè)過(guò)程進(jìn)行綜合性的利用、經(jīng)濟(jì)以及影響分析，保證生物質(zhì)化學(xué)化工的發(fā)展過(guò)程中，生物質(zhì)能源化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。因此，生物質(zhì)化學(xué)化工將技術(shù)研究重點(diǎn)，定位在熱化學(xué)法改進(jìn)、生物技術(shù)應(yīng)用上，致力于將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可燃性氣體、醇類燃料、發(fā)電能源等，特別是生物質(zhì)氣化—聯(lián)產(chǎn)發(fā)電研究取得了階段性的突破，正在構(gòu)建相應(yīng)的發(fā)電站，還有些成果已經(jīng)在工業(yè)中推廣，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的工業(yè)發(fā)電以及廢棄物處理方法。有些城市已經(jīng)開(kāi)始將城市廢棄物進(jìn)行分類，通過(guò)分類將垃圾中的生物質(zhì)能集中起來(lái)，在各種轉(zhuǎn)化技術(shù)與加工工藝的支持下，為城市供電。一是生物質(zhì)是植物、動(dòng)物以及微生物生命體所合成得到的物質(zhì)，儲(chǔ)能豐富，可再生，將城市生物質(zhì)廢棄物、草類以及農(nóng)作物廢棄物作為原材料，制備燃料電池或是發(fā)電站等，就能合理實(shí)現(xiàn)能源的重新分配和利用，加快能源供應(yīng)體系的革新。二是生物質(zhì)資源是由生物直接或間接形成的有機(jī)物，其中95%都是可利用的碳水化合物，僅有3%～4%作為食物或者是非食物為人類所利用，新技術(shù)的研發(fā)有效提升生物質(zhì)的利用效率和開(kāi)發(fā)力度，制備碳基化學(xué)品或是燃料等，促進(jìn)化學(xué)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。三是現(xiàn)階段光催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的研究，進(jìn)入了新的階段，借助太陽(yáng)光光催化以及轉(zhuǎn)化生物質(zhì)制備成可利用的燃料或化學(xué)品，在保證能源清潔的同時(shí)，還能將綠色理念貫穿到整個(gè)工藝以及流程中，合理利用太陽(yáng)能與生物質(zhì)能。故而，以生物質(zhì)為原材料的化學(xué)化工技術(shù)研發(fā)，備受關(guān)注。特別是光催化生物轉(zhuǎn)化研究，現(xiàn)如今正在制備氫氣及化學(xué)品，通過(guò)三種途徑實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化，一是利用太陽(yáng)光催化重整制備氫氣，借助半導(dǎo)體催化劑將生物分子轉(zhuǎn)化成氫氣與二氧化碳;二是借助光催化氧化生物質(zhì)，在反應(yīng)在實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)部分氧化，制備中間產(chǎn)物;三是在催化生物質(zhì)的同時(shí)，同時(shí)制備氫氣與化學(xué)品，用負(fù)載貴金屬氧化物—二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋?，通過(guò)導(dǎo)帶上光生電子的遷移，進(jìn)行氫離子的還原反應(yīng)。這三種方式，是利用生物質(zhì)能的特點(diǎn)與催化物的特性，通過(guò)氧化還原反應(yīng)制備化學(xué)品或是氫氣。

（二）生物炭催化重整脫除焦油

生物質(zhì)熱解汽化生成的有機(jī)揮發(fā)分在冷卻過(guò)程中易形成焦油，這不僅降低汽化效率及氣體燃料產(chǎn)率，還會(huì)影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定性及后續(xù)利用。若能將具有較高能量的焦油高效重整轉(zhuǎn)化，便可較好地解決這一難題。用焦炭顆粒床對(duì)生物質(zhì)熱解焦油進(jìn)行重整，發(fā)現(xiàn)各溫度下生物炭催化產(chǎn)生焦油都比熱裂解少，其中800℃時(shí)焦油產(chǎn)率從24.8%降至13.7%。使用稻殼炭對(duì)稻殼熱解進(jìn)行原位焦油催化重整，發(fā)現(xiàn)稻殼炭對(duì)生物質(zhì)焦油脫除效率可達(dá)42%，且焦油脫除量與氫氣產(chǎn)率呈正相關(guān)關(guān)系。用生物炭催化甲苯轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)甲苯熱裂解所需活化能降至無(wú)生物炭時(shí)的1/4，甲苯轉(zhuǎn)化率從62%提高至94%。綜上所述，生物炭在生物油提質(zhì)、氣體燃料生產(chǎn)及焦油脫除等方面均表現(xiàn)出較好的催化性能，然而此過(guò)程的催化機(jī)理研究還不夠深入。

結(jié)語(yǔ)：綜上所述，新時(shí)代下以生物質(zhì)作為化學(xué)化工的原材料，旨在改變以往化學(xué)化工對(duì)石油、天然氣以及煤炭等依賴性，通過(guò)生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)、利用、化學(xué)品制備等，緩解環(huán)境污染問(wèn)題以及能源危機(jī)，替代非再生能源促進(jìn)工業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。