从原创技术到国际首套装置 他们给秸秆转化制乙二醇贴上“中国标签”

千吨级生物质催化转化制乙二醇装置。大连化物所供图

10月17日，在北京举办了一场由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果评价会，由中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所(以下简称大连化物所)研究员张涛，研究员郑明远和王爱琴的团队与中科柏易金(郑州)新能源科技有限责任公司(以下简称中科柏易金公司)等合作开发的“千吨级生物质催化转化制乙二醇中试技术”通过成果评价。

评价委员会一致认为，该技术首创了生物质糖一步催化转化制乙二醇新路线，开发出千吨级生物质糖制乙二醇成套技术，实现了生物质催化转化高选择性制乙二醇由基础研究新发现到千吨级规模应用的跨越，综合技术达到国际领先水平。

在一片掌声中，张涛露出了欣慰的笑容。这项合作技术的开端要追溯到2008年，张涛团队在国际上首创了利用生物质催化转化制乙二醇技术，让纤维素催化转化制乙二醇“一步到位”。

十几年弹指一挥间，原创技术变成了一片真实的“钢铁森林”。张涛笑着说：“我们给生物质催化转化制乙二醇贴上了‘中国标签’。”

秸秆带来转机

据了解，乙二醇又被称为甘醇，是一种无色无臭、有甜味的液体，从人们身上穿的合成涤纶纤维衣物，到家里装饮料的聚酯瓶片，再到汽车引擎中不可或缺的防冻液，都可以看到它的身影，是日常生活中不可缺少的一种有机化合物。

相关数据显示，每年全世界乙二醇的消费量超过3000万吨。我国是乙二醇主要的生产和消费大国，每年消费量超过2000万吨。

乙二醇主要以石油乙烯或煤炭为原料。如此庞大的社会需求使得乙二醇的生产面临着原料不可再生、二氧化碳排放量大、能耗高等问题，亟待发展更环保、高效的生产技术，以此减少轻化石能源资源的消耗。

纤维素在这个时候走进了团队的视野。

作为自然界最丰富的生物质资源，纤维素大量来源于农林废弃物，含量极其丰富。与玉米和淀粉不同，纤维素不能被人类消化、不可食用，其使用不会对食品供应产生影响。这使得纤维素成为理想的可再生碳资源，可用来生产燃料和化学品。

由于纤维素降解所需催化剂中贵金属资源有限，纤维素的转化成本高昂。因此，在各种生物质转化反应中用较便宜的碳化物替代贵金属催化剂非常重要。

大连化物所的研究团队发现航天催化领域里的碳化钨是一种更低成本的催化剂，可以替代贵金属催化剂在纤维素中的作用。“因为我们团队从事航天领域的一些研究，所以发现了碳化钨。为了进一步提高催化剂的产物收率，我们在上述催化剂中加入了少量的镍，以此促进碳化钨的形成。”王爱琴说道。

随后，研究团队在一次偶然的实验中，发现秸秆催化产物里乙二醇有很高的选择性，能够高效地将纤维素“一步”制成乙二醇，大大节省了反应时间。

基于上述发现，2008年，张涛团队在国际上首创了利用秸秆等生物质催化转化制乙二醇技术，利用独创的催化糖分子C-C选择性断键的钨基催化剂体系，实现了生物质一步法催化转化制乙二醇新过程，为生物质转化提供了新途径。

原创技术“走进”工厂

技术成果发布后，大连化物所研究团队并没有停止对生物质催化转化制乙二醇技术的探索。他们希望有朝一日能让这项绿色技术真正走进工厂、走进人们生活中。

于是，研究团队从催化基础科学和技术工业应用两个维度开展了持续系统的研究工作，在催化剂创新、机理研究、原料拓展、过程放大等方面取得系列进展。

“接下来最重要的就是与企业合作获取一些大型装置工业数据，来验证该技术的可行性。”郑明远介绍道。

2019年，研究团队与中科柏易金公司等合作开展“千吨级生物质催化转化制乙二醇中试项目”，于2022年初在河南濮阳建成国际首套千吨级生物质催化转化制乙二醇装置，并于同年6月首次投料，一次性打通工艺流程，获得了工业级的生物质乙二醇产品。随后，项目团队对装置流程进行了技改升级。

据介绍，2023年10月16日，该装置完成了72小时现场考核，反应过程中，乙二醇产物选择性接近80%，产品分离纯度达到99.9%，紫外透光率达到聚酯级乙二醇国家标准。装置运行数据表明，该技术路线的技术经济性优于现有的生物乙醇—生物乙烯—生物基乙二醇技术路线，同时产出的生物质乙二醇产品经用户合成聚酯测试，品质优于煤炭基乙二醇，与石油基产品性能相当。

与社会需求接轨

“传统煤制乙二醇或者石油制乙二醇路线长、耗时长，而生物质制乙二醇技术仅仅通过一个步骤就完成了复杂的反应，在节省时间成本的同时高效获得了乙二醇，推动了生物质利用的发展，属于绿色低碳循环经济路线。”本次科技成果评价会主任、中国科学院院士何鸣元表示。

生物质乙二醇作为生物基聚酯材料不可替代的合成原料，发展前景广阔。该项目生产出的乙二醇产品已经推向市场，用于生产生物基涤纶(PET)、全生物基呋喃塑料(PEF)、香精香料等，获得了一定的绿色溢价。

16年产业转化历程，让大连化物所研究团队坚持下来的原因除了实现原创技术工业化的愿望，还有未来利用生物质减少对石油、煤炭依赖的希望，这与“双碳”背景下社会对于减碳、降碳的要求不谋而合。

截至目前，“生物质催化转化制乙二醇技术”已获得40余项授权发明专利，具有完善的自主知识产权，并获得2022年辽宁省科学技术奖一等奖。千吨级生物质催化转化制乙二醇中试技术有望为乙二醇产业链升级、生物基聚酯生产和我国绿色化工提供重要的技术解决方案，对实现我国“双碳”目标和经济可持续发展具有重要意义。

对于原创性技术从实验室走向工厂，何鸣元很兴奋：“开展创新基础研究要有重大发现，要转化为可用的成果。科研团队要对现有技术背景有深入的理解，才能知道新技术的发展方向。真正的创新在于技术的创新。”

该中试运行结果为生物质催化转化制乙二醇技术的万吨级工业应用奠定了基础。“未来，通过发展生物质应用，我们希望推进生态环境保护的发展，以此减少对化石资源的依赖。”张涛说。