中国科学院西双版纳热带植物园生物能源研究组研究员方真发现,将木材或纤维素置于碱性或酸性溶液中,然后再将得到的混合物与高温水溶液混合,并以一定的加热速率加热至一定的高温,则可以实现木材或纤维素的完全溶解和快速水解。以该实验结果为基础,方真发明的快速水解技术获得两项美国专利(专利号:US
patent#: 9115215;8268126)。

自然界中的木质纤维素生物质如木材和草类,大约是由50%的纤维素、25%的半纤维素和20%的木质素组成。纤维素经水解能够降解为糖类,进而用于发酵生产纤维素酒精。由于木质纤维素生物质不溶于水,现有的工业化生物质水解方法主要是以半连续式渗透反应器、在180~190℃和12~14
大气压下的0.4~0.8%稀硫酸水溶液中水解。未见使用高压连续反应器进行连续生产的报道。

中科院广州能源研究所马隆龙、王铁军等研究人员研究发明的一种木质纤维素类生物质水解重整制备生物汽油的方法,日前在美国获得专利授权。该方法能自动相分离得到高纯生物汽油,无需产品精馏提纯等工艺步骤,原料来源广泛而低廉,产品可直接应用于现有的汽车发动机,
该发明专利2010年通过PCT专利申请,2012年分别申请了美国、欧盟专利。该项专利公开了一种以木质纤维素类生物质为原料水解重整制备生物汽油的方法。该方法先让木质纤维素类生物质水解,得到的水解液直接进入水相催化重整系统,依次经低温加氢反应和中温水相催化重整反应,将水解液中的可溶性碳水化合物转化为生物汽油。生物汽油与水解液进行相分离,得到高纯生物汽油。

纤维素纳米纸具有质量轻、机械强度高、光学性能优异、热稳定性好、热延展性低、阻隔性高以及可生物降解等一系列优点,在电子器件、显示基板、太阳能电池、包装阻隔材料等领域有着巨大的应用潜力。然而,CNP对水敏感,大量的水或高湿度环境会使纤维素润胀,从而导致其失去原有的稳定性和机械强度,这大大限制了CNP在水中以及高湿条件下的应用。目前,国际上一般采用乙酰化、硅烷化或接枝改性等方法来改善CNP的抗水性能,这些方法在一定程度上能够改善CNP的耐水性,但复杂的化学改性方法也会不可避免地造成CNP机械性能的损失和制备成本的提高。
近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物基材料组群木质纤维素精炼课题组,采用了易回收的有机酸水解法从天然木质纤维中提取含木质素的纳米纤维素,然后通过机械力协同作用制得具有优异抗水性能的CNP。整个制备过程无需任何复杂的化学改性,直接通过一步法有机酸水解分级解离天然纤维原料,并得到含木质素的纳米纤维素;随后在二甲基乙酰胺中,通过机械力作用实现纳米纤维表面分子的部分溶解,溶解的纤维素分子在干燥成膜的过程中发生重结晶;重结晶的纤维素分子和具有天然疏水特性的木质素协同作用填补了CNP中纳米纤维素之间的缺陷,形成更为致密的纳米结构。该方法制得的CNP具有良好的机械性能(255
MPa, 19.7 MJ
m-3),不仅克服了CNP怕水的缺点(湿强可达83\ MPa,为现有文献报道的最高值),而且木质素的引入还赋予了CNP优异的紫外吸收性能。该研究开发的制备过程无需复杂工艺和昂贵试剂,所用溶剂均可回收,整个过程清洁,并可实现CNP强度和紫外屏蔽性能的可控制备,产品具有良好的应用前景。相关成果作为Back\ cover文章发表在*Journal\ of\ Materials\ Chemistry\ A*\ 杂志上(*JMCA*\ 2018,DOI:\ 10.1039/C8TA01986J)。

最近,方真进一步深入研究后发现:在高压热水中,不经任何预处理,不加任何催化剂,只需几秒钟时间,99%的木材可以快速溶解并水解。他设计并发明了一项装置,可连续、快速、大规模地水解木材,使得此项发现实现工业化生产成为可能。这一发现和发明,打破了常规催化水解的方法和观念,为快速、绿色和省能地水解木材,提供了一种全新的方法和思路。并将为生物质水解、生物冶炼为生物能源和化学品等下游产业提出一个新的研究方法。

中国科学院西双版纳热带植物园生物能源研究组研究员方真在深入研究后发现,在溶解和快速水解纤维素之前,先将其置于酸性或碱性溶液中,然后再将得到的混合物与高温稀酸或稀碱溶液混合,并以一定的加热速率加热至一定的温度,则可以实现纤维素的完全溶解和快速水解。

纳米纤维素因其独特的结构及优越的性能一直受到学术和企业界的关注和重视,日渐成为新材料和纤维素科学领域的研究热点。但是,从天然木质纤维素中提取纳米纤维素的工艺过程一直存在着能耗高、用水量大、化学药品不易回收等问题。为攻克上述难题,木质纤维精炼课题组长期致力于开发新型绿色高效的纳米纤维素制备方法,在国际上率先建立了基于易回收的固体酸和有机酸水解法制备纳米纤维素的方法体系,包括磷钨酸水解法制备纤维素纳米晶体CNC(Carbohydrate
Polymers
, 2014, 110:
415),甲酸水解-TEMPO氧化法制备高分散性CNC(Carbohydrate Polymers,
2015, 113: 605),氯化铁催化的甲酸水解法制备CNC(Cellulose, 2016, 23:
2389)和纤维素纳米纤丝CNF(Industrial Crops and Products, 2016, 94:
736),以及一步法从烟秆中提取具有高抗水特性的CNF(Journal of Materials
Chemistry A
,
2018),并先后申请一系列中国发明专利,目前已授权2项(ZL2013104830736;ZL201510680481.X)。课题组在纳米纤维素方面的相关系列研究为高效、低成本、绿色制备纳米纤维素以及相关高性能复合材料开发和产业化的应用提供了新的思路,相关成果综述发表在《化学进展》(http://www.tjqiancheng.comhttp://www.wsh0835.com ,Progress
in Chemistry
, 2018, 30, 448)杂志上,并被推荐为热点文章。

mgm娱乐登录地址,该发明“Method for the dissolving and rapid hydrolyzing of lignocellulose
biomass, device thereof and use of the same”获美国专利(专利号:US
patent#: 9243303; issue date:
01/26/2016)。这是方真自2007年初回国后,在中国获得的第三个关于快速水解的美国专利。

溶剂化的纤维素可以很方便地应用于低温的高压流动式的反应器,进一步降低了生产成本,连续水解生产糖类及别的生物燃料和产品。

相关系列研究获得了国家自然科学基金、国家十二五科技支撑计划、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等的资助。

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