如何「榨乾」木材、竹子的利用價值？科研人員提出新策略

木質纖維素是自然界中儲量最豐富的可再生原料，廣泛來源於木材、竹材、秸稈等，主要由纖維素、半纖維素和木質素（以下簡稱「三素」）組成。要想將竹材、秸稈等物盡其用，分門別類地變成紙張、衣服、香口膠和膠黏劑等物品，首先要解決將「三素」高質量分離的難題。

經過多年研究，中國科學院大連化學物理研究所王峰研究團隊在木質纖維素三素分離和高值化利用方向取得重要突破。這一研究成果在助力非石化資源高值化利用、助力「雙碳」目標的同時，有望解決我國生物質原料利用不充分、生物質基材料進口依存度高等問題。相關成果於5月29日發表在《自然》雜誌上。

利用木質纖維素可助力「雙碳」目標

據中國科學院大連化學物理研究所副所長、研究員王峰介紹，與風能、水能、太陽能等不同，生物質是兼具物質與能量屬性的可再生資源。生物質是植物和藻類直接或間接利用光，由水和二氧化碳轉化得到的有機碳資源，具有天然碳彙屬性。「開發利用好生物質，對於實現‘雙碳’目標意義重大。」

在自然界中，生物質來源廣泛，儲量豐富，佔一次能源總量的1/10，具有巨大的轉化利用潛力。從廣義上講，生物質是指通過光合作用形成的各種有機體，是自然界中可再生的有機物質，比如農副作物秸稈、林木資源、城市有機垃圾、藻類生物質等。狹義上的生物質是指目前可以使用的木質纖維素，即由植物產生的干物質，其具有非糧屬性，我國每年約有11.8億噸。

我國木質纖維素總量大，資源分佈廣。我國林業剩餘物理論資源量為每年3.5億噸，集中在我國南方山區；秸稈理論資源量為每年8.3億噸，主要分佈在東北、河南、四川等產糧大省。

高質量分離三素是關鍵難題

木質纖維素由纖維素、半纖維素和木質素（三素）組成。要想將木質纖維素作為可再生化工原料使用，需要將三素分離，從而獲取規模化利用的原料，供下遊轉化使用。

其中，纖維素主要來源於木材、竹材、秸稈、棉花等。舉例來說，1公斤木材中，約有350克-450克纖維素。纖維素的產品市場應用前景廣闊，比如原生紙漿可以用來造紙；纖維素含量高的溶解漿可以用來製衣，長絲、萊賽爾等面料就是以竹子、木材中的纖維素為原料。

半纖維素來源於玉米芯、木材、秸稈，其產品包括木糖及其衍生物，符合大健康的需求。「大家熟悉的是木糖醇香口膠。另外，一些飲料宣稱不含糖，其實是不含葡萄糖和蔗糖，但含有木糖醇等甜味劑。」王峰說。

木質素來源於木材、秸稈，可以製成建築領域的減水劑、分散劑、膠黏劑等，隨著我國快遞市場興起，包裝膠帶對膠黏劑的需求也將增大。同時，木質素經催化解聚還可製備綠色化學品、可再生材料和燃料，潛力巨大。

不過，如何將三素高質量地分離，是擺在科學家面前的關鍵難題。據王峰介紹，從微觀來看，木質纖維素的三種組分為疏水性的木質素、親水性的半纖維素和纖維素。纖維素分子交織成束，分散於半纖維素和木質素組分中，形成類似於「鋼筋混凝土」的結構。這種結構在植物生長中發揮支撐和保護的作用，但也導致三組分難以通過物理方式分離。

如果通過酸、堿、有機溶劑等化學處理方式，可以實現木質素、半纖維素和纖維素組分的部分分離，但通常只能利用其中的一種或兩種組分，以纖維素為主，難以實現三組分的高值化利用。

比如日常生活中常用的紙，主要是對木質纖維素進行化學法處理，部分脫除木質素生產的。但在製備過程中，由於木質素組分易發生不可控的碳碳鍵縮合反應，難以完全與紙漿分離，並導致木質素的催化反應活性大幅降低，通常作為工業廢料直接燃燒。

「我們在研究中發現，木質纖維素利用不充分的重要原因是，木質素在反應過程中容易發生自身縮合，即不可控地形成分子間和分子內的碳碳鍵交聯。這是天然木質素的本征化學特性。就像五六歲的小孩子，天生充滿好奇，愛調皮。」論文的第一作者李寧說，對於木質纖維素，木質素在反應過程中容易自縮合也是本性。

解決木質素高值化有了新思路

針對三素分離難題，大多數研究團隊選擇了抑制木質素自身發生碳碳鍵縮合的策略，通過化學改性、催化解聚等方式穩定木質素組分，減少自縮合反應的發生。大連化物所的研究團隊重新思考了木質素縮合反應的「弊」和「利」，認為利弊是相對的，不存在絕對有利的反應或者絕對有害的反應。

王峰說，木質素發生自縮合反應從化學上可歸為芳基化反應，而芳基化反應本身並不是一件「壞事」，與其採用「堵」的方法抑制木質素縮合，不如利用木質素結構中存在自縮合反應位點的「優勢」，解決芳基化反應選擇性的問題。

因此，團隊「因勢利導」地引入與木質素結構類似且具有高親核活性的酚類化合物，在分離過程中，酚與木質素發生選擇性芳基化反應，阻止木質素無序自縮合過程。木質素芳基化改性後，溶解性顯著提高，可與纖維素、半纖維素組分高效分離，同時保留了自身活性芳基醚結構，更有利於後續催化解聚。這一技術被稱為催化木質素芳基化的三素分離（CLAF）技術。

王峰坦言，團隊在科研過程中沒少走彎路，「雙碳」目標的提出讓他們的信心更加堅定。「分離後得出的生物質組分對國家的可再生資源開發具有非常重要的意義。風、光、水、核等提供的都是能量，在煤、石油、天然氣等化石能源減少使用的情況下，誰來提供物質？誰來提供我們穿的衣服？生物質可再生資源的利用將大有可為。」科研人員一直堅信，實驗遇到的困難都是暫時的。

有望解決我國生物質基材料進口依存度高等問題

基於CLAF技術提取的芳基化木質素通過催化解聚，可製備環境友好的可再生雙酚及寡聚酚。聯產的纖維素組分和半纖維素糖可分別轉化為高純溶解漿和木糖、糠醛。

王峰說，CLAF技術以木質纖維素為原料，以高品質溶解漿、半纖維素糖、木質素雙酚和聚合材料等作為重要出口。溶解漿中纖維素純度高達95%以上，可替代棉花，提供紡織原料、藥輔原料等；半纖維素糖可用於功能性糖、糠醛及其衍生物等重要平台化合物的生產，將有效拓寬半纖維素原料來源；木質素雙酚及寡聚酚，雖暫無規模化應用，但現階段的研究結果已經展現出其替代石化基雙酚的巨大潛力。作為熱固性聚合物和熱塑性聚合物的重要前體，木質素基雙酚有望在塗料、膠黏劑、通用塑料和工程塑料領域提供可再生和環境友好的產品方案。

使用CLAF技術分離三素也具有經濟性。秸稈、竹片、木片的價格為500-1000元/噸，分離後，纖維素製成的溶解漿售價可達6000-8000元/噸，半纖維素製成的木糖、糠醛售價達9000-14000元/噸，木質素製成的芳基化木質素價格為4000-10000元/噸。

「我國去年進口了300多萬噸溶解漿，進口依存度接近90%；木糖和糠醛類產品的市場需求量有50多萬噸；雙酚的國內需求也在400萬噸左右。木質纖維素下遊產品市場是明確的，現在主要問題是如何經濟、綠色地做好三素分離技術。在這條路上我們需要做的還有很多，比如在木質纖維素原料的篩選、反應過程減碳、催化劑和反應器的設計、產品純化分離等方面，還需要持續創新、不斷突破。」王峰說。

新京報記者 張璐

編輯 樊一婧 校對 劉軍