木质纤维直接液化调控机制及其产物定向演变规律的基础研究

Lignocellulosic biomass is an important renewable resource, which can be directly converted into liquid products. Basic theoretic researches on the production of biofuels and chemicals can not only promote the large scale utilization of lignocellulosic materials, but also benefit for the energy security of the country. This research focuses on the fundamental mechanisms and methods for stabilization of the intermedium products and their predictable conversion mechanisms during the direct liquefaction of lignocellulosic biomass, accompanying with the liquid membrane properties during the fractionation and separation process of two novel platform chemicals, glycosides and depolymerized lignin. The formation pathway and mechanism of levulinic acid esters from methyl glycoside will be studied for the possible application as fuel additives. A new type mesoporous catalysts with higher activity and better thermostability will be created to establish the hydrodeoxygenation catalytic system for production of aromatic fuel from depolymerized lignin. The relations between the micro-structure of catalyst and catalytic properties, as well as the molecular structure and fuel properties will be investigated. Besides, by discovering the effect of liquefaction process on the yield of product and molecular distribution, the mechanism of the reaction will be illustrated. This project will develop an effective solution and provide solid scientific basis for predicable conversion of lignocellulosic biomass for high grade biofuels through thermochemical processes.

木质纤维生物质是能够直接转化为液体产品的可再生资源。开展生物质直接液化制取液体燃料和高附加值化学品的基础理论研究，对实现林木可再生资源的规模化应用、提高国家能源战略安全和节能减排均具有重要意义。本项目主要研究木质纤维生物质直接液化过程中各组分的稳定化调控机制与定向演化规律；探明纤维素与半纤维素降解产物混合糖苷、解离木质素的两种新型平台化合物分级分离过程中液膜形成特性；阐明糖苷平台化合物分子结构可控转化为乙酰丙酸酯类油品添加剂的形成机理；创制高活性和热稳定性的介孔催化材料，建立解离木素重整脱氧制备芳烃类燃油的催化体系，阐明芳烃燃油产物的组成、结构与燃料特性之间的构效关系；研究催化剂微观结构与解离木素在结构重整、定向演化过程中的内在规律，进而揭示耦合反应体系下多组分动力学模型。解决溶剂液化与精炼全过程可控性的基础科学问题，为木质纤维热化学定向转化制备高品质燃料开拓新技术提供理论支撑。

木质纤维的高效液化及产物的定向演变既是生物质高值化利用的重要科学问题，也是今后规模化高效利用面临的关键技术瓶颈。本项目以木质纤维为原料，（1）探讨了木质纤维加压液化过程分子结构定向调控机制，阐明了复合溶剂对所形成的糖苷中间体、解离木质素两类平台化合物的结构稳定化机理，在此基础上研究了两类平台化合物在反应过程中的结构变化规律；（2）基于混合糖苷、解离木质素平台化合物的水溶性差异，研究了混合糖苷、解离木质素液膜分级分离特性和产物富集效率，建立了解离木质素结构选择性透过的高效液膜体系；（3）根据混合糖苷在不同反应体系（质子型、非质子型酸碱环境）中的定向演化规律分析，解析了反应过程中过渡态分子模型，提出了混合糖苷定向演化为乙酰丙酸酯的过程机理；（4）根据模型化合物（苯酚、愈创木酚、香草醛等）重整脱氧过程中分子结构变化规律，研究解离木质素重整脱氧制得的富烃燃油分子的组成结构与物化特性，揭示燃油组成与燃料性能之间的关联性。基于上述研究内容，在国内外重要期刊发表论文36篇，SCI收录论文26篇，中文论文10篇，其中第一标注24篇，第二、第三标注12篇；申请13件发明专利（其中国际专利1项，国内专利12项），获得授权国家发明专利3件，国际发明专利1件；培养研究生9名，其中博士研究生4名，硕士研究生5名。本项目的研究成果将为生物质高效液化制备高附加值产品，特别是木质纤维定向液化制备乙酰丙酸酯以及芳烃燃油提供相关的理论基础和技术支撑。