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只需两步,高密度航空燃料

中国的科学家已经开发出一种将农业和木材采伐中的植物废物转化为高密度航空燃料的方法。他们的研究,在杂志上发表3月21焦耳,可能有助于减少CO2从飞机和火箭发射。

近日,中科院大连化物所李宁研究员和张涛院士团队发现了一条高度集成转化的新途径,利用农林废弃物合成出高密度航空燃料,相关研究工作发表在3月21日在线出版的《焦耳》杂志上,该研究有望减少航空业造成的二氧化碳排放。

27日,记者从中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队获悉,他们研发出一种高度集成的新工艺流程,成功将农林废弃物中的纤维素转化为高密度航空燃料,为降低航空飞行器的二氧化碳排放开辟了新途径。相关研究刊登于最新一期美国《焦耳》杂志。

纤维素是生物燃料中的主要成分,是一种廉价,可再生,高丰度的聚合物,可形成植物的细胞壁。虽然链烷烃(如支链辛烷,十二烷和十六烷)以前来自纤维素用于喷气燃料,但研究人员认为这是第一个生产更复杂的多环烷烃化合物的研究,可用作高密度航空燃料。

目前,成本问题是国内外航空生物燃料研究中普遍面临的瓶颈。采用廉价易得、不可食用的原始生物质原料合成可再生航空生物燃料是解决这个问题的一个可行方案。纤维素作为农林废弃物的主要成分,是构成植物细胞壁的一种廉价、可再生且非常丰富的聚合物。虽然以纤维素为原料合成航空煤油链烷烃(如支链辛烷、十二烷、十六烷)在国际上已有报告,但存在工艺路线长、能耗成本高的问题。因此,发展高度集成的方法,在温和条件下合成生物燃料显得尤为重要。

论文通讯作者之一李宁研究员接受科技日报记者采访时说,作为农林废弃物的主要成分,木质纤维素(由纤维素、半纤维和木质素三部分构成,其中纤维素比例最大)是一种丰富的可再生资源,其原料成本低廉、来源广泛,是合成航空生物燃料的理想原料。但采用木质纤维素平台化合物生产常规航空煤油,生产过程繁琐。因此,发展高集成方法合成航空生物燃料尤为重要。

大连化学物理研究所的研究科学家,该研究的作者李宁认为,这种新的生物燃料可能有助于航空“走向绿色”。

该团队首次报道了以纤维素为原料合成更加复杂的多环烷烃,而这些多环烷烃可以被用作高密度先进航空燃料。科研人员首先将纤维素通过氢解反应选择性地转化为2,5-己二酮。接着,科研人员采用固定床双床催化剂体系,在氢气气氛下,将小麦秸秆纤维素制备的2,5-己二酮一步转化为一种碳链长度为12和18的多环烷烃的混合物。该混合物具有凝固点低、密度高的优势,既可以作为现有高密度航空燃料的替代品,也可以作为添加剂改善其他航空燃料的效率。

研究人员采用两步法,先将纤维素高效转化为2,5-己二酮,再将后者转化为具有支链结构的聚环烷烃燃料,这是先进航空燃料的主要成分。两步的碳产率均达到70%以上,且得到的燃料密度高、凝固点低。

“我们的生物燃料是用于减轻CO重要2排放量,因为它是衍生自生物质,它具有较高的密度(或体积热值)与传统的航空燃料相比,”李说。“众所周知,高密度航空燃料的使用可以显着增加飞机的航程和有效载荷,而不会改变油箱中的油量。”

据介绍,该燃料不但将废弃的生物质变废为宝,而且比传统的航空燃料具有更高的密度,使用该燃料可以在不改变飞机油箱体积的前提下,有效地提高飞行器的航程和载荷,飞机能够比使用常规航空燃料飞得更远,运送得更多。这样就可以减少飞机航班数,以及在飞机起飞和降落过程中造成的二氧化碳排放。

李宁说:“新工艺具有原料更便宜、反应条件温和、步骤更少的特点。得到的高密度航油可在相同油箱容量下显著增加飞行器航程和载荷,有助降低二氧化碳排放。”

为了生产这种生物燃料,Li和他的团队发现,使用化学反应氢解可以将纤维素选择性地转化为2,5-己二酮。然后,他们开发了一种通过将氢解产物中的5-甲基糠醛转化为2,5-己二酮来分离化合物2,5-己二酮的方法,同时保持产物中的2,5-己二酮不变。这导致71%的碳分离产率

在初始工作中产品产量增加了5%。最后,它们使氢与来自小麦草纤维素的2,5-己二酮反应,得到最终产物:C12和C18多环烷烃的混合物,其凝固点低,密度比常规喷气燃料高约10%。大部分生物燃料'

“使用这种燃料的飞机可以飞得更远并进行比使用常规的喷气燃料,这可以减少航班号和降低CO的那些更2的起飞(或启动)和着陆期间的排放量,”李说。

尽管研究人员在本研究中以实验室规模生产了生物燃料,但Li和他的团队认为该工艺“廉价,丰富的纤维素原料,更少的生产步骤,更低的能源成本和消耗意味着它很快就可以用于商业用途了。他们还预测,它将产生比传统航空燃料生产更高的利润,因为它需要更低的成本来生产更高密度的燃料。保持这一进程的最大问题是使用二氯甲烷将纤维素分解成2,5-己二酮;该化合物传统上用作脱漆剂中的溶剂,被认为是对环境和健康有害的。

“未来,我们将继续探索环保和可再生的有机溶剂,它可以取代纤维素氢解成2,5-己二酮的二氯甲烷,”Li说。“与此同时,我们将研究2,5-己二酮在合成其他燃料和增值化学品方面的应用。”

李宁对经济日报记者表示,该工艺的商业化还需要3年到5年时间,目前最大的问题是纤维素氢解反应需要使用对环境和健康有害的二氯甲烷,下一步他们将探索使用对环境友好的有机溶剂替代二氯甲烷。

不过,李宁也表示,该工艺的商业化还需要3年到5年时间,目前最大的问题是纤维素氢解反应需要使用对环境和健康有害的二氯甲烷,下一步他们将探索使用环境友好的有机溶剂替代二氯甲烷。

(原载于《经济日报》 2019-04-09 14版)

(原载于《科技日报》 2019-03-28 01版)