来源/学校提供
我国是农业大国,农业生产每年都会产生大量的废弃物,其中大部分没有得到充分利用,且给生态环境造成了严重压力。如何通过高效的分离提纯、催化转化技术,将所谓的“农业废弃物”转化成高附加值的“生物质产品”,实现变废为宝?针对这一问题,华东理工大学化学学院郭勇副研究员领衔研发了“生物质转化制备塑料单体——呋喃二甲酸”项目。该项目在本届工博会高校展区展出。
经过广泛调研,项目团队发现,从生物质资源中提炼转化得到的2,5-呋喃二甲酸(FDCA)与传统的石油化工产品对苯二甲酸具有高度相似的结构组成。对苯二甲酸是一种塑料单体,通过聚合反应就可以得到生活中常见的PET材料。但是PET的合成主要是由不可再生的石油获取,整个过程会产生大量碳排放。相比之下,FDCA可以由可再生的生物质获取,由它合成的聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)材料对各种气体的阻隔性更强,比PET更轻便,且可促使塑料工业大量减少“碳足迹”,非常具有应用价值。
基于此,该项目围绕生物基材料开发、生物基平台化合物合成、连续化生产工艺优化三大科学技术问题,提出了玉米秸秆等生物质热解转化葡萄糖单体、单糖高效转化生产5-羟甲基糠醛(HMF)、HMF氧化制备FDCA等方法,创新了高纯度平台化合物HMF生产、FDCA连续化生产、催化材料和工艺优化等技术,研发了HMF生产及纯化一体式装置、连续式微反应器生产呋喃二甲酸工艺,提升了对生物质资源的利用率,降低了污染物及碳排放。
传统的葡萄糖脱水和HMF氧化反应是在釜式反应器中进行,生产效率低,产品分离困难,催化剂合成效率低。为扩大PEF市场、降低成本,项目团队创新开发了连续化生产的催化剂和工艺,打通了从葡萄糖到2,5-呋喃二甲酸的连续化合成路线。针对葡萄糖脱水反应,实现了合成和分离一体化连续生产,可以得到高纯度的5-羟甲基糠醛。后续的HMF氧化反应则是在微通道反应器中进行,既实现了连续化生产工艺,又解决了氧化反应危险性高的难题。
值得一提的是,在研究合成路线的过程中,项目团队发现,利用HMF作为平台化合物,在提高反应效率的同时并没有带来过于繁琐的合成步骤,而HMF不仅可以作为FDCA的合成原料,更可以合成其他众多高附加值的化学品,是一种优秀的生物质平台化合物。
自国家提出“双碳”政策后,生物基材料愈发受到重视,在聚酯生产中,FDCA被广泛用作生物基聚酯和各种其他聚合物合成的前体,是对苯二甲酸的可再生、绿色替代品,目前已被列入生物基工业产品生产的前10位生物精炼碳水化合物衍生物。据介绍,预计到2027年,FDCA市场规模可达百万吨级,市场潜力巨大。
截至目前,华东理工大学团队完成了从生物质出发经HMF转化生产FDCA关键技术的实验室开发。目前,FDCA的工业化发展仍处于起步阶段,行业内拥有成熟的生物基FDCA生产技术的企业并不多。“从当前研究成果来看,我们的项目水平居于行业前列,后续根据中试放大的结果,还有更进一步的空间。”郭勇说。