文睿 付时雨
摘要:木质素的降解可以产生多种产物,具有广泛的应用领域。本文综述了木质素催化氢化降解的不同条件,包括使用不同氢源和使用不同的催化剂,并比较了在使用不同催化剂或氢源的条件下,木质素催化氢化降解产物种类及产率的差别;展望了木质素催化氢化降解的未来发展方向,为木质素的高值化利用提供思路。
关键词:木质素降解;催化氢化;催化剂
中图分类号:TS721文献标识码:A DOI:10.11981/j. issn.1000?6842.2021.04.85
随着化石能源的不断消耗及环境问题日渐凸显,开发和利用生物质资源,成为社会发展的趋势。木质素是世界上含量最丰富的酚类化合物,在植物质量中占比达20%~30%,如何将木质素有效降解为小分子化合物是一项十分有意义的工作[1-3]。但木质素分子结构非常复杂,导致其利用率较低,目前大部分的木质素被用于燃烧,小部分木质素作为填充剂及胶黏剂被使用,而将木质素降解成小分子物质并用于能源和化学品的研究较少[4-6]。若能将木质素有效分解生产生物柴油、酚类、醛、酸等以替代石油煤炭产品,那在能源领域将是一个重大的突破[7-9]。从20世纪90年代开始,关于木质素分离和降解的研究越来越多。
木质素是由苯基丙烷的衍生物通过醚键和碳碳键连接而成的具有三维空间结构的天然芳香族高分子化合物[10-12]。木质素有3种不同的结构单元:愈创木基木质素、紫丁香基木质素和对羟基苯基木质素,不同植物纤维所含木质素的比例不同[13-15]。木质素单体之间会以不同的方式连接,其中,β-O-4键在天然木质素中含量最多。在实际工业生产中,木质素按其制备的工艺不同可分为木质素磺酸盐、硫酸盐木质素、碱木质素、有机溶膠木质素和生物质炼制木质素。要实现对木质素的降解就要设法断裂连接其基本结构单元的化学键[16]。木质素由于结构复杂,对其降解处理往往需要联合多种技术,涉及多个学科,从木质素出发得到小分子化合物的方法很多,大体可分成两大类:生物解聚法和化学降解法。尽管生物解聚法环保,但是由于其解聚速度太慢,所需时间太长,因而很难适应大规模加工处理木质素[17-18]。木质素的化学降解法包括热裂解、催化还原降解、催化氧化降解等方法,笔者将对木质素的催化氢化降解法进行综述。
1 木质素催化氢化降解
催化氢化降解法主要是通过氢原子攻击木质素上的甲基-芳基醚键、还原侧链上的不饱和含氧键等方法以降解木质素[19-21]。在木质素催化氢化的过程中,木质素会发生解聚,从而形成固体、液体和气体。产物各组分的比例及转化率与反应所用的催化剂、温度、反应时间相关。木质素加氢反应首先是木质素中的β-O-4醚键和不稳定的碳碳键断裂,随后加氢脱烃使得与芳环连接的烷基侧链基团脱落。相对于其他方法,催化氢化降解法具有最终产物的氧含量低、能明显抑制木质素自身缩合等优点,可制备得到含氧量低的化学品,能够在工业中得到广泛的应用[22-23]。加氢反应可以分成3种程度:一是部分还原木质素分子上的基团,如将醚键、羰基等还原成羟基,基本不破坏木质素的分子结构,加氢程度最低;二是通过加氢把大分子木质素降解为小分子酚类化合物和芳烃;三是通过加氢反应把解聚得到的小分子化合物进一步还原为烷烃,加氢程度最高。第一种程度产物的应用范围小,在实际应用中没有竞争力。第三种程度的产物可用作燃料,但所生产的燃料成本太高,能耗也大,在实际中的应用价值不大。目前,第二种程度的产物过于复杂,若想分离得到想要的精细产物,还需提高反应条件的选择性,以降低得到精纯化学品产物的难度和成本,因此选择合适的原料、选择具有高选择性及高稳定性的催化剂和调控合适的反应条件尤为重要。此外,目前关于木质素加氢解聚的反应介质的研究较少。
1.1在催化氢化反应过程中使用不同氢源
1.1.1以 H2作为氢源
Luo 等[24] 以 H2作为氢化反应的氢源,以 Ni/C 作为反应催化剂,在反应温度为350℃的条件下处理毛竹1 h ,得到固体、液体和气体产物,其中,液体产物主要含:乙酸、呋喃、酚类以及酮类。与直接热裂解相比,在 Ni/C 催化剂及 H2的作用下,毛竹的催化氢化能够有效减少残渣,且液体产物中的呋喃会与乙酸发生氢化反应而转化成酚类物质,从而导致酚类物质浓度上升。Ye 等[25]使用玉米秸秆木质素作为原料,以 H2作为氢源,以 Ru/C 、Pd/C 和 Pt/C 作为氢化反应的催化剂,反应溶剂为乙醇/水(体积比为65∶35)混合溶液,在高压釜中进行木质素氢解,以生产4-乙基酚类化合物。通过分析改变催化剂、反应温度、反应时间、起始 H2压力等反应条件对目标化合物收率的影响发现,当 H2压力为2 MPa 时,催化氢化反应可同时制得3.1%4-乙基苯酚和1.3%4-乙基愈创木酚。郝文月等[26] 以碱木质素为原料,以 H2为氢源(氢气压力为2 MPa),乙醇/水(体积比为1∶1) 为溶剂,对碱木质素进行氢化降解。未添加催化剂时,单酚收率为4.6%;以磷化镍为催化剂时,单酚收率翻倍;以磷化钼作为催化剂时,单酚收率与以磷化镍为催化剂时的相似,但产生苯甲醇类物质和大量的直链含氧有机物,导致产物复杂,因此磷化镍更加适合应用于该反应体系。Harris 等[27] 以 H2为氢源对木质素进行催化氢化反应,在高温高压条件下,木质素中的苯环被加氢还原,主要生成物是丙基环己醇和甲醇。Coscia等[28]在 240℃~260℃的条件下,以 H2为氢源,以氧化铜铬为催化剂,对桦木和栎木木质素进行催化氢化,反应产物主要为二氢化松柏醇、二氢化芥子醇及其衍生物。Yang 等[29] 使用硫化 Co-Mo/MgO 催化剂,超临界己烷溶剂,在反应温度为350℃~450℃、 H2压力为5 MPa 的条件下,催化氢化酚类化合物,其主要产物是苯和环己基烷烃。
1.1.2以甲酸作为氢源
在实际生产中 H2不但存在巨大的安全隐患,而且生产和压缩成本高,储存和运输困难。因此,采用其他供氢试剂以有效降解木质素也是另一种可行的选择。根据甲酸的热力学性质,甲酸在350℃~400℃条件下会完全分解,因此对后续的产物分离没有影响。而且甲酸可以从生物质中获得的单糖中经分解制得,因而来源广泛。Xu 等[30]使用甲酸作为氢源,以 Pt/C 为催化剂、以乙醇为溶剂,通过催化氢化对木质素进行解聚。结果表明,甲酸与 Pt/C 催化剂的结合可促进液态产物中低分子质量化合物的生成,反应20 h 后,大部分木质素解聚成液体产物。元素分析还表明,与柳枝木质素相比,生成的液体产物的 O/C 摩尔比降低了50%,H/C 摩尔比增加了10%,这也直接证明了反应体系是对木质素进行了加氢脱氧。甲酸作为氢源时的木质素降解过程如图1所示[30]。测定反应后生成物的分子质量发现,相比于原料,生成物的分子质量明显降低,且随着反应时间的延长,生成物的分子质量不断降低。
1.1.3以四氢化萘作为氢源
在木质素催化氢化反应过程中,以四氢化萘为氢源的优点是:四氢化萘沸点高,在催化氢化反应过程中可释放氢原子,形成萘,而萘较为稳定,不会对后续的分离处理产生影响。Thring 等[31] 以四氢化萘为氢源,以氧化铝硅搭载镍钨为催化剂,在 370℃~410℃的条件下对木质素进行催化氢化降解,并从分子动力学的角度出发,通过整合程度参数 R0(R0受反应时间和反应温度影响)来表征木质素催化氢化降解的反应程度。结果表明,在木质素催化氢化反应过程中,添加四氢化萘可提高酚类化合物的产率,而对气体产物的产率几乎不产生影响。Kudsy等[32]以硫酸盐木质素为原料,将四氢化萘加入到硫酸盐木质素的熔盐介质中从而进行催化氢化反应。四氢化萘的添加对 H2的产率没有影响,但酚类化合物的产率比纯热解时提高约80%,而且生成物中 CH4的产率略有提高。因此,可以判断酚类化合物和轻液体的形成消耗了四氢化萘产生的氢自由基。
1.1.4 以甲醇作为氢源
在木质素催化氢化反应中,使用甲醇作为氢源具有一定优势:从热力学的角度看,甲醇 C—H 键的离解能低于 H2的 H—H 键,因此甲醇比 H2更易转化为活性氢。且在反应体系中,甲醇以液相存在,更易于催化剂与反应原料接触。Barta等[33] 以杨木木质素为原料,在相对温和的温度(300℃)下,利用掺杂铜的多孔金属氧化物作为催化剂,在超临界甲醇中实现了木质素的催化氢化降解。氢从甲醇转移到有机溶剂中与木质素充分接触,导致苯基醚键完全氢化,并伴随着芳香环氢化。该反应的催化氢化产物主要是由单体环己基衍生物组成。Song 等[34] 以 Ni/C 为催化剂,通过使用不同氢源(试剂)进行木质素催化氢化反应。结果表明,使用甲醇作为氢源更有利于木质素催化氢化反应的进行。关于使用不同氢源以进行木质素的催化氢化反应,总结如表1所示。
在木质素催化氢化反应过程中,在主要生成物是醇类的催化反应体系中,氢源多采用 H2;在主要生成物是苯酚及其衍生物的催化反应体系中,H2、甲酸、甲醛、四氢化萘均可被作为氢源使用。而愈创木酚及对羟基苯酚这2种生成物在大多数催化反应体系中都存在。
1.2 在催化氢化反应过程中使用不同催化剂
1.2.1 使用过渡金属催化剂
Sergeev等[35]在可溶性镍络合物催化二芳醚氢化反应方面取得了很大进展。该催化体系由 Ni( COD)2和SIPr·HCl 作為催化剂(其中 COD 为1,5-环辛二烯,SIPr·HCl 为 N 杂环卡宾配体前体)和NaOtBu作为添加剂组成。催化氢化反应在100℃,0.1 MPa H2压力的条件下进行,酚类和芳烃的产率均达到了较高的水平。Sergeev等除了对二芳基醚进行研究之外,还对芳基醚进行了探究,并且证明这个催化体系适用于所有芳基醚的底物,但不同芳基醚之间的反应活性各不相同,裂解反应过程中醚键的活性为Ar-O-Ar?Ar-O- Me > ArCH2-OMe [35]。徐杰等[36]制备了 Ni 催化剂并将其用于木质素催化降解以制备芳香化合物,通过控制反应条件,可使木质素β-O-4键断裂,而苯环不发生加氢还原,降解产物主要为愈创木基和紫丁香基化合物。Centeno 等[37] 以 Al2O3、活性炭作为载体,使用金属 Ni 作为催化剂,对愈创木酚进行氢化催化反应,产物主要是苯酚和邻苯二酚。
1.2.2 使用贵金属催化剂
Shu 等[38] 以 Pd/C 为催化剂并对木质素进行催化氢化,探究催化氢化反应的最优条件;结果表明,在最优条件(Pd/C 为催化剂,280℃,5 h)下,油状物的产率可达85.6%。Bouxin等[39] 以 Pt/Al2O3为催化剂,以甲醇/水混合溶液(体积比为50∶50)为溶剂,在 H2压力2 MPa、温度300℃的反应条件下对木质素进行催化氢化反应;结果表明,在木质素结构中,β-O-4键的含量对催化氢化降解后产物的产量和分布影响显著。催化氢化过程中,若木质素结构的缩合度提高,单体的收率会降低,含烷基侧链的酚类单体的比例也会降低,而若木质素的缩合度降低,则含有烷基侧链的酚类单体比例会增大。因此,优化木质素的降解过程,需要更多的选择性裂解方法,以减少木质素缩合。Pepper 等[40]分别使用 Al2O3和 C 搭载 Pd、Rh、 Ru 等催化剂对软木木质素进行催化氢化,在较温和反应条件下,主要单体产物有4-丙基愈创木酚和二氢松柏醇。叶结旺等[41] 以 Pd/C 为催化剂,通过改变 H2 压力和 H2流速,对木质素催化氢化反应进行了优化,提高了产物中醇羟基和酚羟基的含量。Engel 等[42]分别使用 Ru 、Pd 催化剂,对愈创木酚进行催化氢化反应。当反应使用 Ru 催化剂并在150℃下进行催化氢化时,产物主要是甲氧基环己醇和环己二醇,而在200℃条件下反应,产物主要是环己醇;当以Pd 为催化剂并在150℃下反应时,产物主要是甲基环己醇,而在250℃下反应,产物主要是环己醇和环己烷。
1.2.3使用双金属催化剂
Li 等[43] 以 Ni-W2C 为催化剂,对木材进行了催化氢化降解,并对木材不同组分的最终转化产物和木材三大组分的催化氢化转化的机理进行了探究,发现木质素催化氢化转化的产物主要有4种 (如图2所示),而纤维素和半纤维素的产物相对比较单一,纤维素主要产物是乙二醇和1,2-丁二醇,半纤维素的主要产物是1,2-丙三醇、乙二醇、1,2-丁二醇。Zhang 等[44]开发出 Ni-Au 双金属催化剂并用于木质素催化氢化降解,以纯水为溶剂,在较为温和反应条件下可使单体收率达到14%,其收率是纯 Ni 催化剂的3倍,而当 Au 单独作为催化剂时,Au 对木质素的氢解不起作用。 Zhang 等认为,Au 的掺入可显著促进镍盐的还原,从而形成细小的核壳催化剂颗粒。关于使用不同催化剂进行木质素的催化氢化反应(氢源均为 H2),总结如表2所示。
从使用不同催化剂的角度来讨论,在主要生成物是醇类的催化体系中,催化剂更多地使用铂族金属。当在催化氢化反应中使用镍基催化剂时,木质素催化反应的主要生成物包含苯酚及其衍生物、邻苯二酚、愈创木酚和对羟基苯酚。部分报道没有直接使用木质素作为反应的原料,而选择了对木质素模型化以进行研究,因此对木质素催化氢化降解的研究仍非常有限,需要更深入地了解真實木质素的反应网络、反应动力学以及催化剂的作用,以指导催化剂的设计和控制产物的选择性。
2 结语
木质素催化氢化降解研究现正处于起步阶段,随着研究的深入和分析手段的进步,木质素的结构和降解机理将逐步清晰。但其中的一些问题也显而易见:首先,缺乏关于催化剂对木质素降解影响的深层次了解,这源于不同预处理对木质素结构的影响,以及从木质素降解中获得的化合物较多;此外,木质素可能含有蛋白质、无机盐、糖类和其他会使催化复杂化的潜在物质。为了满足当代社会生产的化学品和燃料需求,以及符合绿色发展的理念,还急需开发适当的催化技术,使生物质的木质素从低质量、低价值的废弃产品转变为高质量、高价值化学品原料。从长期应用的角度来看,不管是生物法降解还是化学法降解木质素,利用木质素制备芳香族化学品具有广阔的市场前景。目前,研究的主要方向是寻找一种可以提高木质素转化率而且能耗较低的高效催化剂。在前人研究的基础上,优化降解条件并进行催化剂的有效筛选,定能提高木质素的降解率,得到工业上难以合成或者合成成本较高的芳香族化合物。
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Research Progress in Lignin Degradation by Catalytic Hydrogenation WEN RuiFU Shiyu*
(State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(*E-mail :shyfu@scut. edu. cn)
Abstract: Lignin degradation can produce a variety of products,which have a wide range of applications. This paper reviewed the different conditions of catalytic hydrogenation of lignin degradation,including the use of different hydrogen sources and catalysts,compared the types and yields of lignin degradation products under the conditions of using different catalysts or hydrogen sources,and prospected the future de? velopment direction of lignin degradation by catalytic hydrogenation,so as to provide ideas for high-value utilization of lignin.
Keywords :lignin degradation;catalytic hydrogenation;catalyst