試析木質(zhì)素作為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料的研究及應(yīng)用

楊積衡

摘 要：木質(zhì)素是一種可再生資源，在現(xiàn)代化工生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用。本文介紹了木質(zhì)素在各傳統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了木素作為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料的研究及應(yīng)用，并預(yù)測了木素的研究趨勢。

關(guān)鍵詞：木質(zhì)素 基礎(chǔ)原料 研究 應(yīng)用

除了纖維素外，木質(zhì)素是自然界第二大豐富的可再生資源，是天然最豐富的芳香高聚物。一般傳統(tǒng)的觀點(diǎn)都把木素視為廢棄物，它的利用是相當(dāng)有限的，據(jù)估計(jì)，來自于制漿廢液中的木質(zhì)素，僅有1%-2%被用作制造其它特殊產(chǎn)品，其它的都被排放掉了，并加劇了環(huán)境的污染。但隨著資源短缺和能源危機(jī)的加劇，資源危機(jī)和環(huán)境污染已成為人類社會(huì)面臨的兩大挑戰(zhàn)，木素由于其特殊的結(jié)構(gòu)，被作為化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料加以開發(fā)和利用。

一、木質(zhì)素在各領(lǐng)域的應(yīng)用

由于木質(zhì)素結(jié)構(gòu)中含有大量羥基、羧基、羰基等多種活性基團(tuán)，木素本身及其改性產(chǎn)物，已被應(yīng)用于各個(gè)方面。在水泥及建筑工程中，木質(zhì)素磺酸鹽可以有效地提高水泥的可流動(dòng)性，是最廣的混凝土普通減水劑，目前大約有一半左右由制漿造紙分離工藝所產(chǎn)生的木質(zhì)素磺酸鹽被應(yīng)用于水泥添加劑。

在石油開采中，先對木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行羥甲基化反應(yīng)，然后與聚丙烯酰胺接枝，制成聚合物驅(qū)油劑，比使用聚丙烯酰胺提高采收率25個(gè)百分點(diǎn)。

在橡膠及塑料工業(yè)中，木質(zhì)素分子或木質(zhì)素分子間羥甲基在硫化時(shí)進(jìn)一步縮合，形成木質(zhì)素樹脂網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的活性基團(tuán)與橡膠反應(yīng)，使木質(zhì)素樹脂網(wǎng)絡(luò)與橡膠網(wǎng)絡(luò)整合到一起，使橡膠得到改性。在丁腈橡膠中，當(dāng)木質(zhì)素的填充量達(dá)到200份（質(zhì)量）時(shí)，填充橡膠仍具有優(yōu)良的綜合性能。

在生物肥料方面，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)上可接有植物生長需要的元素，如氮磷鉀等，這些營養(yǎng)元素可隨木質(zhì)素本身的降解而緩慢釋放出來，因此可用于控釋功能肥料。木質(zhì)素還可以通過簡單的化學(xué)反應(yīng)與農(nóng)藥分子產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，可用作緩釋農(nóng)藥的載體，有利于延長施用農(nóng)藥的效果，使在較少用量條件下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)對蟲害的滅殺功用，從而實(shí)現(xiàn)削減農(nóng)藥不合理使用造成的環(huán)境污染并減少農(nóng)藥的投入成本。

木質(zhì)素中添加少量甲醛和少量短纖維增強(qiáng)其強(qiáng)度和成膜性，再添加一些表面活性劑和起泡劑，通過噴霧器噴到土壤表面，即可成為液體地膜，這種液體地膜在降解前，覆蓋土壤表面，具有保墑、防止水分蒸發(fā)和雜草生長的作用；被微生物降解變成腐殖酸，可以改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤通透性，防止板結(jié)。

二、作為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料的研究及應(yīng)用

隨著石油資源的短缺，石油價(jià)格的猛漲，木質(zhì)素作為自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油資源，代替目前石油工業(yè)原材料，作為化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)原料的給料，前景非常廣闊。

2.1制備液體燃料

木質(zhì)素的碳?xì)浔认鄬τ诶w維素和半纖維素來說，與天然石油的最為接近，將木質(zhì)素的苯丙烷為單體的天然高分子結(jié)構(gòu)直接液化可制備以苯類和長鏈烷烴為主的生物石油。

2.2制備化工產(chǎn)品

木質(zhì)素可以通過降解的方法，比如熱降解、生物降解的方法生產(chǎn)出有機(jī)化工產(chǎn)品，各種有用的苯酚類物質(zhì)，如苯酚、香草醛、丁香酸等。國內(nèi)外的研究者進(jìn)行了各種方法從木質(zhì)素中制取有用化工產(chǎn)品的研究。

（1）制備低分子量的化工產(chǎn)品

由于木素結(jié)構(gòu)的特殊性，具有芳烴和脂肪烴的雙重性質(zhì)，斷裂脂肪烴即可得到相應(yīng)的含苯環(huán)的酚類等物質(zhì)，因此從木素中獲得低分子質(zhì)量化工產(chǎn)品，尤其是酚和芳烴正變得越來越現(xiàn)實(shí)。

（2）制備高分子化工產(chǎn)品

木素由于其大量醚鍵易于斷裂成多酚的結(jié)構(gòu)可以作為酚的替代品以合成酚醛樹脂，由于其毒性遠(yuǎn)低于苯酚，有利于人員健康和保護(hù)環(huán)境。但由于木素化學(xué)成分的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)的非均一性都限制了在這方面的大規(guī)模的使用，采用5%-10%的木素的添加取代酚合成的樹脂，分子量將增加很多。解決此類問題的途徑主要是對木素改性。木質(zhì)素改性的方法主要有生物化學(xué)改性、羥甲基化改性、脫甲基化改性、酚化改性，此外還有磺化改性等。生物化學(xué)改性木質(zhì)素主要是通過酶的氧化使木質(zhì)素發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，比如木質(zhì)素可以通過氧化酶降解，降解后木質(zhì)素更易發(fā)生反應(yīng)。羥甲基化是木質(zhì)素在堿性條件下與甲醛反應(yīng)生成羥甲基，達(dá)到木素改性的目的。

另外，木質(zhì)素還能夠合成環(huán)氧樹脂。以木素為原料來合成的環(huán)氧樹脂，在某些性能上并不低

于其他類型的環(huán)氧樹脂，因此具有很大的潛力。在以前的對環(huán)氧樹脂的合成的研究中，主要是通過沒有改性或酚化改性的木素與環(huán)氧氯丙烷反應(yīng)而成，通過這種方法生成的環(huán)氧樹脂的溶解性差，因此阻礙了其商業(yè)應(yīng)用。

還有，木質(zhì)素還能夠制取聚烯烴。全球的聚烯烴市場非常大，以聚乙烯和聚丙烯為代表的聚烯烴就占據(jù)熱塑市場約60%的份額，由木素作原料生產(chǎn)聚烯烴應(yīng)是不錯(cuò)的選擇。單純的聚烯烴生產(chǎn)的塑料，在環(huán)境中很難生物降解，木素的參與則能提高生物降解率；木素的加入改善了聚烯烴的性能參數(shù)，如環(huán)氧樹脂改性的木素磺酸鹽以質(zhì)量百分比%2.5%-40加入70%聚丙烯和30聚乙烯的聚烯烴混合液，此聚烯烴仍舊表現(xiàn)出良好的熱力學(xué)特性，以及良好的機(jī)械性能。

（3）其它應(yīng)用

①制備活性炭。李密等以北方落葉松、楊木、樺木、浸提落葉松鋸屑和麥秸為原料，采用氫氧化鉀化學(xué)活化，在相同條件下制備高比表面積活性炭。用木素制備活性炭更多的研究是直接利用造紙黑液，制取活性炭的方法有物理活化法和化學(xué)活化法，化學(xué)活化法應(yīng)用較多。

②制備香蘭素。香蘭素是一種貴重香料，從天然植物中提取香蘭素不僅數(shù)量少且成本高，難以滿足市場需求，目前人們使用的香蘭素主要由化學(xué)合成法獲得。堿的硝基苯氧化方法可以把木素轉(zhuǎn)化成香草醛及其它類似物，這刺激了從技術(shù)木素制造香草醛的經(jīng)濟(jì)實(shí)用過程的研究。目前，挪威一家工廠采用針葉木磺酸鹽木素作原料，通過堿性空氣氧化制得香蘭素。大致過程如下：在110-117℃溫度下，無氧狀態(tài)，對純化的磺酸鹽木素溶液加熱。加熱后的混合物離心、酸化，溶劑提取制得香蘭素。

三、結(jié)語

目前，對木質(zhì)素的應(yīng)用絕大多數(shù)還處于研究及試驗(yàn)階段，對木質(zhì)素高附加值的利用也少之又少；以上綜述的對木質(zhì)素的利用也基本僅限于工業(yè)木質(zhì)素，即使這樣，工業(yè)木質(zhì)素的利用率仍不足10%，大部分作為廢物排放。究其原因是木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，至今尚未完全弄清。還有一個(gè)非常重要的原因就是，采用木素作為工業(yè)原料制取化學(xué)品，工藝較復(fù)雜，與傳統(tǒng)的石油作原料相比，制得的產(chǎn)品價(jià)格偏高，毫無價(jià)格優(yōu)勢可言。因此人們還是習(xí)慣上應(yīng)用石油作原料來制取化工制品。但隨著資源短缺和能源危機(jī)的加劇，隨著石油價(jià)格的節(jié)節(jié)攀升，從理論上及現(xiàn)實(shí)意義上木素都將被重新發(fā)掘和利用。隨著基礎(chǔ)理論研究的深入，木質(zhì)素作為自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油資源，而且它具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性，量大、易得、價(jià)廉，因此以木素為原料來合成化工產(chǎn)品將逐漸顯現(xiàn)其巨大的優(yōu)勢。未來木素作為制備化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品的基本原料必將得到更多的重視，開發(fā)及應(yīng)用。

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