秸秆类生物质资源化技术研究前沿和发展趋势（三）

生物质制备高品质燃料

利用秸秆类生物质制备燃料乙醇一直是世界各国努力的方向。利用玉米、蔗渣和木薯等富含淀粉的材料制备乙醇已经实现大规模工业化，在许多国家得到了推广应用，然而真正意义上的纤维素乙醇，即以木质纤维素类生物质为原料制备乙醇仍然面临着效率偏低和成本偏高的问题，需要进一步研发廉价高效的预处理方法并降低纤维素酶的成本。目前，世界上有24个在运行的纤维素乙醇生产厂，主要分布在美国和欧盟，美国纤维素乙醇的最低可销售价格已经降低到了0.57美元/升，预计到2022年生产量将会超过第一代生物乙醇达到600亿升/年。

得益于国家的大力支持，我国的沼气产业迅速发展，但是沼气产业的经济效益仍然较低，需要依赖财政补贴。截至2015年，大型沼气设施的产量仅占沼气总产量的26.3%、小型设施的运行率偏低（60%）、秸秆类生物质制备沼气的收益仍然很低，沼气发电率（2.53%）也远低于德国等技术成熟国家（98.5%）。

利用生物质作为产氢的原料也是实现生物质资源化的有效途径。在KOH溶液中，CdS/CdOx量子点光催化剂能够在可见光作用下直接催化未经过预处理的生物质分解产氢（见图4），但目前产氢效率仍然很低。Zhang等构建了将生物质经由甲酸转化为氢气的新策略。第一步转化采用含有少量二甲基亚砜（DMSO，体积分数为1%）的稀硫酸溶液（0.7wt%）和NaVO3在高压氧气（3MPa）氛围将生物质转化为甲酸。第二步转化利用均相铱催化剂将甲酸分解为氢气。利用该策略转化小麦秸秆时，氢气的产率高达95%。

为了解决多步转化效率低和成本高的问题，国内外也开始尝试直接以纤维素和生物质为原料进行一锅法转化制备烃类燃料。联合使用Ir-ReOx/SiO2和HZSM-5作为催化剂时，纤维素经由山梨醇转化为液态烷烃（见图5）。在水/正癸烷二相体系中，杂多酸H4SiW12O40分散在水相中可以将纤维素转化为HMF等中间产物，而htTSA(2)Ru/C（H4SiW12O40水热处理的Ru/C）分散在正癸烷中将中间产物加氢脱氧转化为液态烷烃。Xia等采用多功能催化剂Pt/NbOPO4在正己烷体系中直接将木质纤维素类生物质催化转化为液态烷烃和烷基环己烷，采用Ru-RuO2/C作为催化剂在水相中可以将生物质通过一锅法转化为多元醇和烷基环己烷的混合物。此外，Liu等采用Ni-N-C单原子和钨酸作为催化剂，将纤维素加氢脱氧转化为乙二醇和丙酮醇。

开发可再生的秸秆类生物质资源对解决固体废物的污染问题和实现可持续发展具有重要意义。然而，现有的生物质利用方式面临产品价值较低、应用范围有限和易造成二次污染的问题，极大地制约了生物质资源的充分利用。本文在总结国内外秸秆类生物质利用现状的基础上，系统梳理了利用生物质生产高价值化学品、高品质液态燃料、氢气和新型材料的最新研究进展，提出要发展基于循环农业的秸秆综合利用模式、完善秸秆禁烧制度并加快研发秸秆资源化新技术。研究结果可为我国生物质资源化技术的进一步发展和大规模产业应用提供理论支撑。

石油等化石燃料的大量消耗引发了一系列的生态环境问题，资源短缺、能源危机和环境污染已经成为威胁人类发展的世界性难题。开发以秸秆类生物质为代表的可再生资源制备高价值的液态燃料、精细化学品和新型材料，替代当前广泛应用的石化产品，是实现可持续发展的有效途径。生物质兼具资源和固体废物的双重属性，秸秆类生物质的焚烧也是造成我国大气污染问题的关键因素之一。因此，实现秸秆类生物质的资源化也是治理环境污染的应有之义。

为了实现生物质资源化，国内外学者针对生物质的组成和结构特点，初步建立了通过生物炼制获得高价值产品的技术体系，相关产品已经在许多重要领域展现出应用前景，体现出生物炼制替代石油炼制的潜力。近年来，随着国家投入的持续加大，我国的生物质资源化技术取得了一系列重要进展。因此，梳理国内外生物质的利用现状、生物质资源化技术研究前沿和发展趋势，明确当前面临的挑战，对进一步加快生物质资源化的基础研究和产业应用、推进生态文明和美丽中国建设具有重要意义。

生物质制备新型材料

Zhu等将木材中的木质素去除，向木材的微孔结构中引入环氧树脂，制得透光率高达90%、强度比天然木材高4～6倍的透明复合材料，这类材料有潜力在一些领域替代玻璃。Song等利用NaOH和Na2SO3溶液去除天然木材中的木质素和半纤维素，然后通过热压实现纤维素纳米纤维的完全致密化，从而获得高性能结构材料，这种材料具有比大多数结构金属和合金更高的比强度，有望作为低成本、高性能和轻量级的金属替代品。然而，针对这些材料的研究仍处于基础阶段，还需要系统的研究来提升性能、降低成本并增加应用途径。

利用生物质可以制备乳酸和2,5-呋喃二甲酸（FDCA）等聚合物单体。利用生物质制备FDCA需要先制取HMF，再将HMF选择性地氧化为FDCA。利用FDCA与乙二醇聚合成的新型聚呋喃二甲酸乙二醇酯（PEF）塑料，性能明显优于目前大量应用的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料。采用乳酸作为单体制备的聚乳酸（PLA）是一类可生物降解材料，已经被证明有潜力取代塑料应用在一次性餐具、服装和医疗卫生等领域。然而，目前的乳酸仍然是以淀粉类生物质为原材料制备的，仍然存在着成本过高的问题，利用木质纤维素类生物质制备乳酸仍然面临较大的挑战。

声明：本文所用图片、文字来源于《资源与环境》，版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权等问题，请与本网联系。

相关链接：品质，二甲基亚砜，纤维素，乙二醇