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                元宇宙 碳中和 区块链 快讯 正文
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                说明木质素与纤维素化学结构有何不同(木质素的“自我介绍”)

                “我”的名字叫木质素,广泛存在于木本植物、草本植物以及所有的维管植物等木质化植物的细胞中,起到强化植物组织的作用。

                “我”的“植物骨架”

                在自然界中,“我”总是与纤维素、半纤维素共存,合力构筑植物骨架。人们把我分为三种:阔叶树木质素、针叶树木质素和草本木质素。一般来说,“我”在植物细胞中呈一定规律性分布,胞间层的“我”浓度最高,次生壁内层浓度次之,细胞内部浓度最少。作为自然界第三大有机资源,“我”虽然早在数千年前就被人类所使用,但至今没能被广泛开发。

                工业生产中的“我”

                在中国,“我”最早可以追溯到造纸术的发明,制浆造纸的目的在于保留纤维素和半纤维素,去除“我”。原料涉及麦草、稻草、芦苇、甘蔗等。中国传统造纸工业产生的“我”,大量存在于造纸废液中,直接排放将会导致严重的污染问题,且废水数量之大,已成为国内工业废水处理的一大重点难题。

                国外相关的工业主要有两方面,一方面来自木材水解分离出木材中的“我”;另一方面针对造纸工业的废水问题。国外研制出了一套木材造纸废液处理流程,首先将废液中的“我”进行碱回收,再将回收后的我用于燃烧供能,在解决了污染问题的基础上最大程度的实现了能源的节约。

                “我”的分离与提取

                为了提高“我”的有效利用,国内外科学家们积极地研究“我”的分离与提取。工业化生产中,一般是在利用纤维素时将我分离、提取出来的。从科研的角度来说,人们分离、提取“我”是为了获得纯度较高的样品,或者是具有特定结构、性质的样品。

                总的来说,“我”的分离有两大类:一类是将植物体中除我以外的成分溶解出去,再过滤分离出不溶的“我”,典型例子是在木材水解工业中,纤维素在酸的作用下水解为葡萄糖,“我”作为水解的残渣被分离;另一类则是将植物体中的“我”溶解,分离出其他成分再析出得到“我”。

                后一类分离常见于造纸的制浆过程,又细分为两类分离方法,前者是用含有钙、镁、钠、氨的酸性亚硫酸盐溶液,在130~140℃加热蒸煮碎木,将原本的“我”磺化为水溶性的木质素磺酸盐,再用石灰乳处理,即可沉析出“我”;后者是用浓烧碱液高温蒸煮碎木或切碎的稻草、麦秸,将“我”变为具有碱性的“我”,过滤出纤维素,剩下的溶液再进行酸处理,即可沉析出“我”。

                “我”的“三重人格”与诸多特长

                “我”是以苯丙烷为结构单元的聚酚类三维网状高分子化合物,共有三重人格(即三种基本结构):愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构,我的元素组成因植物品种和分离方法的差异而各不相同。

                “我”的结构中有许多官能团(芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、醛基、共轭双键等活性基团),使得“我”可以发生多种化学反应,诸如:氧化、还原、水解、醇解、酸解、光解、酰化、烷基化、硝化、醚化、磺化、缩聚或接枝共聚等。

                以“我”为原料合成的树脂在生产一般模塑零件的成本上比酚醛树脂低,具有一定的工业化价值。“我”与天然橡胶胶乳共沉的木质素乳胶,“我”起到了补强剂的作用,从而代替较贵的炭黑,降低橡胶制品的成本。“我”还可以用作生产油田化学品的原料,提高油田开采的采油率和油品质量。

                除此之外,“我”还可以用作表面活性剂、肥料添加剂、农药缓释剂、植物生长调节剂等。随着科学研究的不断深入,我将会有越来越多的机会大显身手。

                “我”的发展现状

                目前,中科院青岛能源所多相催化转化研究组,在李学兵研究员的带领下,对“我”做了大量的开发性研究工作,并取得了许多成果,其中效果显著的有:


                NbOx-Ni/ZnO-Al2O3催化氢解木质素示意图(图片来源:Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58, 7866?7875)

                王玉阳等人制备了一系列双组分的NbOx-Ni/ZnO-Al2O3催化剂,具有较大的比表面积和孔体积,在加氢反应中起到促进作用。

                在这个催化体系中,Ni和NbOx有效地打破了C-O键,ZnO-Al2O3则起到阻止加氢产品的再聚合,成功地将“我”解聚成芳香单体和低聚物。

                通过实验证明了“我”的氢解反应是金属催化反应,提出了“我”的氢解包括激活C-O键和打破C-O键两个过程。NbOx的引入促进了Ni组分的减少,提高了催化性能。


                木质素衍生碳镶嵌镍纳米颗粒催化剂的结构示意图(图片来源:Bioresource Technology 289 (2019) 121629)

                科研人员以“我”作为碳源,制备出了木质素镶嵌镍纳米颗粒催化剂,并通过一系列的表征技术研究了该催化剂的结构、电子性能及“我”的解聚效果。所得单体产物主要为芳香族化合物。同传统的碳负载镍催化剂相比,增强了断键能力,表现出了良好的解聚性能,最大限度地提高了产品的单体收率和生物油收率,实现了“我”的充分利用。

                这就是“我”——木质素的应用历程。

                来源:中国科学院青岛生物能源与过程研究所

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