國外秸稈類生物質利用現狀

作為農業大國，秸秆究前美國的类生秸稈主要通過堆肥、製備飼料和建材三種方式進行資源化利用。物质美國的资源土地資源非常豐富，68%的化技秸稈經過粉碎後直接還田或者放置在空地上進行較長時間的堆肥後再進行還田。類似地，术研美國家庭產生的沿和園林綠化廢棄物也是通過在空地上堆肥進行資源化。在畜牧業中，发展秸稈可以通過簡單加工製成飼料，趋势也能用來搭建畜棚或者作為牲畜休息的秸秆究前墊料。在美國部分地區，类生秸稈通過擠壓提升強度後也被大量用作建築材料，物质包括木房子的资源牆壁和隔熱保溫層。俄亥俄州等部分地區允許按照規定焚燒秸稈，化技但違規焚燒會受到嚴格的术研處罰。與美國相似，日本農民在收割莊稼的同時利用打包機將稻、麥稈加工成卷狀或直接粉碎還田。農民會定期將這些秸稈平鋪到牛圈中作為墊料，經過一段時間再將秸稈與牛糞一起堆積發酵製備有機肥。德國在秸稈處理過程中特別注重種養一體化循環，農作物的種植規模與畜牧的養殖規模要相互配合，確保種植產生的秸稈量能夠滿足飼喂牲畜的需求和還田的需求，同時牲畜產生的糞汙滿足種植業對有機肥的需求。丹麥擁有先進的秸稈焚燒發電技術，阿維多電廠每年處理15萬噸秸稈，在為數十萬居民供熱和供電的同時，還將草木灰無償返還農民作為肥料，形成了良性循環。
秸稈類生物質資源化技術發展前沿

生物煉製的主要策略

將秸稈類生物質轉化為高價值產品需要複雜的分離和催化轉化過程，基本策略主要有三種（見圖1）：第一種是基於預處理的生物煉製策略；第二種是一鍋法轉化策略；第三種是木質素優先策略。基於預處理的生物質轉化過程如圖1(a)所示，預處理可以去除部分木質素，降低纖維素的結晶度，提高纖維素的可利用性，提升纖維素轉化為乙醇和5-羥甲基糠醛（HMF）等高價值產品的效率。基於預處理的生物煉製過程存在組分分離效率較低、木質素難以轉化為高價值芳香類化合物、反應條件苛刻以及損失部分半纖維素等不足。最常見的一鍋法轉化過程是生物質熱解（或氣化），通過熱解可以獲得氣、生物油和生物炭三類產品。近年來，國內外學者還開發出將生物質一鍋法轉化為多元醇或烴類混合物的新工藝[見圖1(b)]。然而，一鍋法轉化通常需要苛刻的反應條件，能耗高且副反應較多，產物主要是組成複雜、品質較低的混合物。

針對預處理策略和一鍋法轉化策略存在的不足，發展出了木質素優先的生物煉製策略[見圖1(c)]。該策略首先將生物質中的木質素解聚為木質素單體，從而實現木質素和其他組分的分離。相較於傳統的預處理過程，該策略對糖類物質的破壞比較少，有望顯著提升生物煉製過程的綠色性和經濟收益。

生物質製備高價值化學品

通過氫解將木質素轉化為單體是獲得芳香類化合物的有效途徑。然而，由於非均相催化劑和固態生物質的傳質效率較低，實現生物質中木質素的選擇性解聚需要苛刻的反應條件，包括較高的反應溫度（通常≥180℃）和高壓氫氣。通過把木質素中的Cα—OH氧化為酮，可以有效活化β-O-4醚鍵，將其還原斷裂的活化能從55kcal·mol-1降低到47kcal·mol-1，使得木質素解聚可以在溫和條件下（110℃）進行（見圖2）。

采用光催化技術替代熱催化，不僅有助於進一步提高木質素解聚為單體的反應效率和選擇性，還能夠減少能量消耗。利用光催化技術可以在室溫條件下將木質素模型化合物中的Cα—OH選擇性氧化為酮，從而顯著提升β-O-4醚鍵斷裂的效率。然而，由於傳質效率的限製，直接采用非均相光催化劑催化氧化生物質中的木質素仍然是非常困難的。Wu等研究發現，采用CdS量子點替代傳統的體相光催化劑（見圖3），能夠在可見光作用下直接將生物質中的木質素選擇性地解聚為木質素單體，芳香類化合物的產率達到了84%，而且實現了催化劑的回收。

纖維素和半纖維素都是由糖類物質構成的聚合物，通過水解和脫水過程將高度功能化的糖類物質轉化為呋喃類化合物，是進一步製備高價值產品的關鍵。葡萄糖在傳統的水相和水—有機溶劑雙相反應體係中轉化為HMF的效率較低，這是由其反應路徑決定的。為了解決這一問題，我們構建了一種由離子液體1-乙基-3-甲基咪唑溴化物（1-ethyl-3-methylimidazolium bromide，簡稱EMIMBr）和堿活化氧化鋁（Al2O3-b-0.05）組成的新型非均相反應體係，證明了在溴鹽離子液體中降低非均相催化劑中的布朗斯特酸能夠有效抑製副反應，利用路易斯酸和溴鹽離子液體的協同效應能夠大幅提高葡萄糖接力轉化為HMF的效率。采用大孔磷酸錫作為催化劑轉化高濃度葡萄糖（10wt%）時，HMF的產率可以達到58.3%，反應效率高於大多數非均相催化體係。

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