以生物质为原材料的化学化工技术与展望

赵志培 河套学院

引言：生物质通过热化学转化制备高品质生物油和高附加值精细化工品是未来工业发展的重要方向，是解决能源短缺，实现碳的闭路循环的有效方式，如何提升生物质热化学转化品质和效率是目前学术界和工业界关注的热点。

一、概述

随着化石能源的逐渐消耗和环境问题的日益严峻，发展清洁的可再生能源成为研究者们关注的主题，生物质能作为重要的绿色可再生能源，成为解决当前环境恶化、能源短缺的有效方式。关于生物质能转化为燃料和高附加值生物基化学品的研究早已开展，主要包括微生物转化、热化学转化和化学转化等方式，热化学转化因其转化成本低、转化速度快、转化品质好，易于工业化应用而成为生物质最具开发潜力的利用方式。热化学转化主要包括燃烧、热解、水热转化、化学链转化等，生物质直接燃烧是最简便的能源利用方式之一，但因其利用率低、对环境污染大而逐渐不被人们推荐；生物质热解是在少氧或绝氧条件下加热致其生物质分子分解产生固体、液体和气体的过程，根据反应条件的不同分为热解炭化、热解液化和热解气化等，生物质热解是制备高品质生物油和高附加值精细化工品的重要方式之一；水热转化是指在一定压力和温度下将生物质与液体介质混合发生反应生成固体、液体和气体的过程，水热转化利用亚临界或超临界水为反应介质，提高了反应速率且无需干燥处理而成为研究热点；化学链转化是指将一个化学反应通过循环介质作用分解为在不同时间或空间内的系列反应的过程，化学链转化因其实现CO2内分离，能量梯级利用等特点而得到研究者们广泛研究。

二、以生物质为原材料的化学化工技术与发展愿景

（一）以生物质为原材料的化学化工技术研发现状

想要以生物质为原材料的化学化工健康发展，保证生物质化学化工的绿色性、情节性、经济性，应基于生命周期的概念，从产品的原材料开始，到产品设计、使用以及废弃物等整个过程进行综合性的利用、经济以及影响分析，保证生物质化学化工的发展过程中，生物质能源化、产业化发展。因此，生物质化学化工将技术研究重点，定位在热化学法改进、生物技术应用上，致力于将生物质转化成可燃性气体、醇类燃料、发电能源等，特别是生物质气化—联产发电研究取得了阶段性的突破，正在构建相应的发电站，还有些成果已经在工业中推广，转变了传统的工业发电以及废弃物处理方法。有些城市已经开始将城市废弃物进行分类，通过分类将垃圾中的生物质能集中起来，在各种转化技术与加工工艺的支持下，为城市供电。一是生物质是植物、动物以及微生物生命体所合成得到的物质，储能丰富，可再生，将城市生物质废弃物、草类以及农作物废弃物作为原材料，制备燃料电池或是发电站等，就能合理实现能源的重新分配和利用，加快能源供应体系的革新。二是生物质资源是由生物直接或间接形成的有机物，其中95%都是可利用的碳水化合物，仅有3%～4%作为食物或者是非食物为人类所利用，新技术的研发有效提升生物质的利用效率和开发力度，制备碳基化学品或是燃料等，促进化学产业的转型升级。三是现阶段光催化生物质转化的研究，进入了新的阶段，借助太阳光光催化以及转化生物质制备成可利用的燃料或化学品，在保证能源清洁的同时，还能将绿色理念贯穿到整个工艺以及流程中，合理利用太阳能与生物质能。故而，以生物质为原材料的化学化工技术研发，备受关注。特别是光催化生物转化研究，现如今正在制备氢气及化学品，通过三种途径实现生物质能的转化，一是利用太阳光催化重整制备氢气，借助半导体催化剂将生物分子转化成氢气与二氧化碳;二是借助光催化氧化生物质，在反应在实现生物质部分氧化，制备中间产物;三是在催化生物质的同时，同时制备氢气与化学品，用负载贵金属氧化物—二氧化钛作为催化物，通过导带上光生电子的迁移，进行氢离子的还原反应。这三种方式，是利用生物质能的特点与催化物的特性，通过氧化还原反应制备化学品或是氢气。

（二）生物炭催化重整脱除焦油

生物质热解汽化生成的有机挥发分在冷却过程中易形成焦油，这不仅降低汽化效率及气体燃料产率，还会影响系统安全稳定性及后续利用。若能将具有较高能量的焦油高效重整转化，便可较好地解决这一难题。用焦炭颗粒床对生物质热解焦油进行重整，发现各温度下生物炭催化产生焦油都比热裂解少，其中800℃时焦油产率从24.8%降至13.7%。使用稻壳炭对稻壳热解进行原位焦油催化重整，发现稻壳炭对生物质焦油脱除效率可达42%，且焦油脱除量与氢气产率呈正相关关系。用生物炭催化甲苯转化，发现甲苯热裂解所需活化能降至无生物炭时的1/4，甲苯转化率从62%提高至94%。综上所述，生物炭在生物油提质、气体燃料生产及焦油脱除等方面均表现出较好的催化性能，然而此过程的催化机理研究还不够深入。

结语：综上所述，新时代下以生物质作为化学化工的原材料，旨在改变以往化学化工对石油、天然气以及煤炭等依赖性，通过生物质能的开发、利用、化学品制备等，缓解环境污染问题以及能源危机，替代非再生能源促进工业的现代化发展。