從原創(chuàng)技術(shù)到國際首套裝置 他們給秸稈轉(zhuǎn)化制乙二醇貼上“中國標(biāo)簽”

千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇裝置。大連化物所供圖

10月17日，在北京舉辦了一場由中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果評價(jià)會(huì)，由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡稱大連化物所)研究員張濤，研究員鄭明遠(yuǎn)和王愛琴的團(tuán)隊(duì)與中科柏易金(鄭州)新能源科技有限責(zé)任公司(以下簡稱中科柏易金公司)等合作開發(fā)的“千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇中試技術(shù)”通過成果評價(jià)。

評價(jià)委員會(huì)一致認(rèn)為，該技術(shù)首創(chuàng)了生物質(zhì)糖一步催化轉(zhuǎn)化制乙二醇新路線，開發(fā)出千噸級生物質(zhì)糖制乙二醇成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化高選擇性制乙二醇由基礎(chǔ)研究新發(fā)現(xiàn)到千噸級規(guī)模應(yīng)用的跨越，綜合技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

在一片掌聲中，張濤露出了欣慰的笑容。這項(xiàng)合作技術(shù)的開端要追溯到2008年，張濤團(tuán)隊(duì)在國際上首創(chuàng)了利用生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇技術(shù)，讓纖維素催化轉(zhuǎn)化制乙二醇“一步到位”。

十幾年彈指一揮間，原創(chuàng)技術(shù)變成了一片真實(shí)的“鋼鐵森林”。張濤笑著說：“我們給生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇貼上了‘中國標(biāo)簽’。”

秸稈帶來轉(zhuǎn)機(jī)

據(jù)了解，乙二醇又被稱為甘醇，是一種無色無臭、有甜味的液體，從人們身上穿的合成滌綸纖維衣物，到家里裝飲料的聚酯瓶片，再到汽車引擎中不可或缺的防凍液，都可以看到它的身影，是日常生活中不可缺少的一種有機(jī)化合物。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每年全世界乙二醇的消費(fèi)量超過3000萬噸。我國是乙二醇主要的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，每年消費(fèi)量超過2000萬噸。

乙二醇主要以石油乙烯或煤炭為原料。如此龐大的社會(huì)需求使得乙二醇的生產(chǎn)面臨著原料不可再生、二氧化碳排放量大、能耗高等問題，亟待發(fā)展更環(huán)保、高效的生產(chǎn)技術(shù)，以此減少輕化石能源資源的消耗。

纖維素在這個(gè)時(shí)候走進(jìn)了團(tuán)隊(duì)的視野。

作為自然界最豐富的生物質(zhì)資源，纖維素大量來源于農(nóng)林廢棄物，含量極其豐富。與玉米和淀粉不同，纖維素不能被人類消化、不可食用，其使用不會(huì)對食品供應(yīng)產(chǎn)生影響。這使得纖維素成為理想的可再生碳資源，可用來生產(chǎn)燃料和化學(xué)品。

由于纖維素降解所需催化劑中貴金屬資源有限，纖維素的轉(zhuǎn)化成本高昂。因此，在各種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)中用較便宜的碳化物替代貴金屬催化劑非常重要。

大連化物所的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)航天催化領(lǐng)域里的碳化鎢是一種更低成本的催化劑，可以替代貴金屬催化劑在纖維素中的作用。“因?yàn)槲覀儓F(tuán)隊(duì)從事航天領(lǐng)域的一些研究，所以發(fā)現(xiàn)了碳化鎢。為了進(jìn)一步提高催化劑的產(chǎn)物收率，我們在上述催化劑中加入了少量的鎳，以此促進(jìn)碳化鎢的形成。”王愛琴說道。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)在一次偶然的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)秸稈催化產(chǎn)物里乙二醇有很高的選擇性，能夠高效地將纖維素“一步”制成乙二醇，大大節(jié)省了反應(yīng)時(shí)間。

基于上述發(fā)現(xiàn)，2008年，張濤團(tuán)隊(duì)在國際上首創(chuàng)了利用秸稈等生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇技術(shù)，利用獨(dú)創(chuàng)的催化糖分子C-C選擇性斷鍵的鎢基催化劑體系，實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)一步法催化轉(zhuǎn)化制乙二醇新過程，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化提供了新途徑。

原創(chuàng)技術(shù)“走進(jìn)”工廠

技術(shù)成果發(fā)布后，大連化物所研究團(tuán)隊(duì)并沒有停止對生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇技術(shù)的探索。他們希望有朝一日能讓這項(xiàng)綠色技術(shù)真正走進(jìn)工廠、走進(jìn)人們生活中。

于是，研究團(tuán)隊(duì)從催化基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)工業(yè)應(yīng)用兩個(gè)維度開展了持續(xù)系統(tǒng)的研究工作，在催化劑創(chuàng)新、機(jī)理研究、原料拓展、過程放大等方面取得系列進(jìn)展。

“接下來最重要的就是與企業(yè)合作獲取一些大型裝置工業(yè)數(shù)據(jù)，來驗(yàn)證該技術(shù)的可行性。”鄭明遠(yuǎn)介紹道。

2019年，研究團(tuán)隊(duì)與中科柏易金公司等合作開展“千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇中試項(xiàng)目”，于2022年初在河南濮陽建成國際首套千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇裝置，并于同年6月首次投料，一次性打通工藝流程，獲得了工業(yè)級的生物質(zhì)乙二醇產(chǎn)品。隨后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對裝置流程進(jìn)行了技改升級。

據(jù)介紹，2023年10月16日，該裝置完成了72小時(shí)現(xiàn)場考核，反應(yīng)過程中，乙二醇產(chǎn)物選擇性接近80%，產(chǎn)品分離純度達(dá)到99.9%，紫外透光率達(dá)到聚酯級乙二醇國家標(biāo)準(zhǔn)。裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)路線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于現(xiàn)有的生物乙醇—生物乙烯—生物基乙二醇技術(shù)路線，同時(shí)產(chǎn)出的生物質(zhì)乙二醇產(chǎn)品經(jīng)用戶合成聚酯測試，品質(zhì)優(yōu)于煤炭基乙二醇，與石油基產(chǎn)品性能相當(dāng)。

與社會(huì)需求接軌

“傳統(tǒng)煤制乙二醇或者石油制乙二醇路線長、耗時(shí)長，而生物質(zhì)制乙二醇技術(shù)僅僅通過一個(gè)步驟就完成了復(fù)雜的反應(yīng)，在節(jié)省時(shí)間成本的同時(shí)高效獲得了乙二醇，推動(dòng)了生物質(zhì)利用的發(fā)展，屬于綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)路線。”本次科技成果評價(jià)會(huì)主任、中國科學(xué)院院士何鳴元表示。

生物質(zhì)乙二醇作為生物基聚酯材料不可替代的合成原料，發(fā)展前景廣闊。該項(xiàng)目生產(chǎn)出的乙二醇產(chǎn)品已經(jīng)推向市場，用于生產(chǎn)生物基滌綸(PET)、全生物基呋喃塑料(PEF)、香精香料等，獲得了一定的綠色溢價(jià)。

16年產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化歷程，讓大連化物所研究團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持下來的原因除了實(shí)現(xiàn)原創(chuàng)技術(shù)工業(yè)化的愿望，還有未來利用生物質(zhì)減少對石油、煤炭依賴的希望，這與“雙碳”背景下社會(huì)對于減碳、降碳的要求不謀而合。

截至目前，“生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇技術(shù)”已獲得40余項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，具有完善的自主知識產(chǎn)權(quán)，并獲得2022年遼寧省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。千噸級生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇中試技術(shù)有望為乙二醇產(chǎn)業(yè)鏈升級、生物基聚酯生產(chǎn)和我國綠色化工提供重要的技術(shù)解決方案，對實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

對于原創(chuàng)性技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工廠，何鳴元很興奮：“開展創(chuàng)新基礎(chǔ)研究要有重大發(fā)現(xiàn)，要轉(zhuǎn)化為可用的成果?？蒲袌F(tuán)隊(duì)要對現(xiàn)有技術(shù)背景有深入的理解，才能知道新技術(shù)的發(fā)展方向。真正的創(chuàng)新在于技術(shù)的創(chuàng)新。”

該中試運(yùn)行結(jié)果為生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化制乙二醇技術(shù)的萬噸級工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。“未來，通過發(fā)展生物質(zhì)應(yīng)用，我們希望推進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的發(fā)展，以此減少對化石資源的依賴。”張濤說。