973項目申報書：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題

項目名稱：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的基礎(chǔ)科學(xué)問題首席科學(xué)家：孫潤倉北京林業(yè)大學(xué)起止年限：2010年1月-2014年8月依托部門：教育部一、研究內(nèi)容生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的關(guān)鍵過程是組分分離和分離后組分轉(zhuǎn)化。分離是首要的和必要的，要從分子超微結(jié)構(gòu)研究作為切入點，提出組分分離和轉(zhuǎn)化為高值化材料的新途徑。然而，目前的各種分離技術(shù)尚不能經(jīng)濟、高效、清潔地將生物質(zhì)三大組分以較完整分子結(jié)構(gòu)形式分離出來，在分離提取一種組分時，其它組分分子結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，不能實現(xiàn)全組分清潔高效的分離，得到的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組分結(jié)構(gòu)不完整，化學(xué)或生物反應(yīng)活性低，不能有效利用；分離過程中能耗高、對環(huán)境污染嚴(yán)重。生物質(zhì)組分難以有效分離的根本原因是由生物質(zhì)細胞壁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定的?，F(xiàn)有研究顯示，生物質(zhì)細胞壁結(jié)構(gòu)是以纖維素微纖的形式作為“骨架”，其周圍是由半纖維素和具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素大分子結(jié)合形成的天然復(fù)合物。國內(nèi)外研究提示，要解決由于生物質(zhì)細胞壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜性所導(dǎo)致的組分有效分離困難這一難點，不能只停留在工藝技術(shù)摸索上，須以分子超微結(jié)構(gòu)研究作為切入點，提出分離的新途徑；進而根椐分離組分的構(gòu)效關(guān)系，尋找新的途徑轉(zhuǎn)化合成高值化材料。生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題（圖1）和研究內(nèi)容（圖2）如下：1.擬解決的關(guān)鍵問題科學(xué)問題一：生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯是組分分離和組分轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯科學(xué)問題包括生物質(zhì)木質(zhì)素、纖維素和半纖維素之間的化學(xué)鍵結(jié)合機制，生物質(zhì)組分相互結(jié)合的空間構(gòu)型，分子間結(jié)合鍵對物理、化學(xué)和生物因子的敏感性斷裂機制等方面，對這一科學(xué)問題的深入研究有助于建立生物質(zhì)組分的清潔高效分離體系?？茖W(xué)問題二：生物質(zhì)清潔溫和分離機制這一科學(xué)問題包含不同介質(zhì)環(huán)境下木質(zhì)素、纖維素和半纖維素分子內(nèi)結(jié)合鍵作用相互影響與調(diào)控機制，生物質(zhì)組分分子的清潔溫和分離途徑，木質(zhì)素、纖維素和半纖維素在不同反應(yīng)系統(tǒng)分離后的結(jié)構(gòu)與化學(xué)表征，分離組分在氫鍵力、靜

電力、離子鍵力等體系中的介觀行為與綠色組裝等內(nèi)容，對其深入的研究可為生物質(zhì)分離高活性組分用于制漿造紙工業(yè)以及后續(xù)材料構(gòu)建提供理論依據(jù)。科學(xué)問題三：生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)高值化材料構(gòu)建的分子機制是本項目的核心科學(xué)問題。它包括纖維素的高效溶解與均相反應(yīng)，半纖維素和木質(zhì)素純化、均化與改性，木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與分子活化等方面；此外，還涉及在高值化材料構(gòu)建過程中低分子量生物質(zhì)組分的綠色單體化與定向轉(zhuǎn)化、生物質(zhì)高值化伴生產(chǎn)物的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化機理與CO2利用和減排機制等。這一科學(xué)問題的研究將直接為合成多樣化的生物質(zhì)高值化材料提供圖1.生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵科學(xué)問題及其之間的關(guān)系圍繞生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯、生物質(zhì)清潔溫和分離機制、生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建等3個關(guān)鍵科學(xué)問題，本項目擬主要進行以下5個方面的研究（圖2）：科學(xué)問題研究內(nèi)容生物質(zhì)組分的化學(xué)結(jié)構(gòu);與空間結(jié)構(gòu)■苒T生物質(zhì)解離低分子片段綠色單^化與轉(zhuǎn)化（聚乳酸、木糖醇、生物質(zhì)解離組^轉(zhuǎn)化為高值化材料（漿紙、再生纖維黑季胺基化半纖維素和生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)

的分子解譯生物質(zhì)清潔^和生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系

與高值化材料構(gòu)建生物質(zhì)高值化利用過

程節(jié)能與CO2利用研究對象生物質(zhì)體質(zhì)纖維復(fù)合體）生物質(zhì)組分在不同介質(zhì)環(huán)科學(xué)問題研究內(nèi)容生物質(zhì)組分的化學(xué)結(jié)構(gòu);與空間結(jié)構(gòu)■苒T生物質(zhì)解離低分子片段綠色單^化與轉(zhuǎn)化（聚乳酸、木糖醇、生物質(zhì)解離組^轉(zhuǎn)化為高值化材料（漿紙、再生纖維黑季胺基化半纖維素和生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)

的分子解譯生物質(zhì)清潔^和生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系

與高值化材料構(gòu)建生物質(zhì)高值化利用過

程節(jié)能與CO2利用研究對象生物質(zhì)體質(zhì)纖維復(fù)合體）生物質(zhì)組分在不同介質(zhì)環(huán)木質(zhì)素」纖維素半纖維素構(gòu)建生物質(zhì)高值化材料理論體系、形成低碳經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)新模式圖2.項目研究內(nèi)容及其之間的關(guān)系1）生物質(zhì)組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)研究生物質(zhì)組分纖維素0-1,4苷鍵結(jié)合的葡萄糖單元的C-2、C-3、C-6位上羥基、半纖維素0-1,4苷鍵結(jié)合的木聚糖的C-2和C-3位上的羥基和木質(zhì)素苯丙烷單元C-4或a-、0-、y-位的酚羥基或脂肪族羥基的相互結(jié)合鍵類型；研究生物質(zhì)組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在細胞壁的空間分布位置及不同部位的差異性；研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素存在的空間構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特征。弄清生物質(zhì)組分的超微結(jié)構(gòu)與分子間的不同鍵合機制，為生物質(zhì)分離途徑提供基礎(chǔ)。2）生物質(zhì)組分在不同介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)答機理與調(diào)控研究生物質(zhì)組分間結(jié)合鍵在不同介質(zhì)環(huán)境如酸、堿、溫度、壓力、超聲場、磁場等環(huán)境中的敏感性、斷裂與分離機制及調(diào)控途徑；研究連續(xù)性差異介質(zhì)環(huán)境中組分結(jié)合鍵的敏感性、斷裂與分離機制及調(diào)控途徑；研究生物質(zhì)清潔溫和分離機制與調(diào)控；研究生物質(zhì)氧基化學(xué)制漿新機理；研究離子液體環(huán)境中生物質(zhì)組分的分離途徑；研究木質(zhì)纖維低強度蒸汽爆破反應(yīng)動力學(xué)模型與調(diào)控途徑，探索制漿分離組分通過濕部化學(xué)過程合成高質(zhì)量紙張和特種紙的技術(shù)原理；研究在不同介質(zhì)環(huán)境中組分分離的產(chǎn)物類型、結(jié)構(gòu)完整性與表面化學(xué)性質(zhì)。3）生物質(zhì)分離組分轉(zhuǎn)化為高值化材料研究纖維素分子通過自組裝溶解機理并建立新的溶解理論；研究新型再生纖維素材料的綠色合成技術(shù)和成型理論；同時進行新型纖維素高值化材料（光、電、磁材料等）設(shè)計及其構(gòu)效關(guān)系；纖維素生物醫(yī)用材料的分子設(shè)計與合成、纖維素新均相衍生化介質(zhì)構(gòu)建及新衍生物合成。研究半纖維素的分級純化與均化獲得高分子量半纖維素的途徑；研究半纖維素聚合物中單糖間的鍵合機制；研究半纖維素和木質(zhì)素之間的化學(xué)結(jié)合鍵類型及結(jié)合位置；研究半纖維素在不同溶劑體系中的溶解機理與流變特性；研究半纖維素的酯化或醚化途徑合成半纖維素高值化材料，探索其分子聚集體結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。研究木質(zhì)素在不同介質(zhì)中的聚集體結(jié)構(gòu)與活化途徑；研究木質(zhì)素與聚合物共混相溶性的機制及其構(gòu)效關(guān)系；研究木質(zhì)素基高分子表面活性劑的分子設(shè)計及其構(gòu)效關(guān)系；研究木質(zhì)素基高分子表面活性劑在固體表面的吸附及對分散體系的作用機理。4）生物質(zhì)分離低分子片段綠色單體化與轉(zhuǎn)化探討生物質(zhì)組分分離過程中產(chǎn)生的低分子片段，如低分子量半纖維素、纖維素低聚糖及木質(zhì)素二聚體等，它們不適合作為材料合成單元，但可經(jīng)綠色單體化后轉(zhuǎn)化成工業(yè)平臺化合物，這是生物質(zhì)全組分利用過程的重要一環(huán)。研究低分子量半纖維素與纖維素高效清潔溫和分離產(chǎn)生可發(fā)酵單糖；可發(fā)酵單糖高濃度發(fā)酵生產(chǎn)乳酸轉(zhuǎn)化合成聚乳酸材料；此外，還研究低分子木聚糖水解產(chǎn)生木糖、阿拉伯糖、甘露糖的機制；研究阿拉伯糖、甘露糖等高值化轉(zhuǎn)化功能藥物的路線；研究木糖轉(zhuǎn)化產(chǎn)生醇、醛工業(yè)平臺化合物的途徑；研究低分子木質(zhì)素分子結(jié)合鍵在不同介質(zhì)中的降解過程與產(chǎn)物穩(wěn)定機理；反應(yīng)體系中酚類化合物分解過程和中間產(chǎn)物的相互作用及其抑制機理；目標(biāo)產(chǎn)物的定向調(diào)控機制與表征。5）生物質(zhì)高值化利用過程節(jié)能與CO2利用和減排生物質(zhì)分離、水解、自組裝和表面改性過程中會有伴生產(chǎn)物產(chǎn)生，如果不加以利用，不僅浪費資源，而且伴生產(chǎn)物自然分解會產(chǎn)生CO2排放；因此，將伴生產(chǎn)物進行熱化學(xué)轉(zhuǎn)化，可實現(xiàn)生物質(zhì)高值化過程中的節(jié)能；同時，對熱化學(xué)過程產(chǎn)生的CO2高效捕獲會減少CO2的排放。研究生物質(zhì)的低溫?zé)峤鈿饣蛠喤R界水水解；生物質(zhì)伴生產(chǎn)物產(chǎn)能過程的CO2高效吸附機制；研究生物質(zhì)利用過程中的生命周期評價理論，探討生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的CO2及其它污染物的排放清單；研究生物質(zhì)利用過程中產(chǎn)生CO2吸附技術(shù)與合成碳酸酯材料途徑；研究全球碳循環(huán)背景下生物質(zhì)利用CO2利用和減排貢獻機制與調(diào)控。二、預(yù)期目標(biāo).總體目標(biāo)通過本項目的研究，提出組分分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的新理論，揭示生物質(zhì)組分的清潔溫和分離途徑，構(gòu)建纖維素的新溶解體系、生物質(zhì)功能化材料合成共性平臺和生物質(zhì)高值化過程節(jié)能與CO2利用和減排系統(tǒng)集成理論，使我國生物質(zhì)資源利用和轉(zhuǎn)化為高值化材料的方法與技術(shù)體系上一個新臺階，進而推動我國現(xiàn)有生物質(zhì)材料工業(yè)的跨越式發(fā)展，逐步替代化石基合成材料，為建立大規(guī)?，F(xiàn)代化生物質(zhì)材料工業(yè)體系提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，使我國進入并引領(lǐng)生物質(zhì)材料領(lǐng)域的國際科技前沿，保證國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。.五年預(yù)期目標(biāo)1）取得的有重要科學(xué)價解譯生物質(zhì)超微化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，提出組分分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的新理論。揭示生物質(zhì)組分分子間結(jié)合鍵在不同微差異介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)答機制與規(guī)律，提出生物質(zhì)組分的清潔溫和分離途徑，揭示分離機制，建立生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系新理論。建立纖維素的高效新溶解體系，闡明水體系均相合成纖維素衍生物的過程控制及反應(yīng)動力學(xué)；清潔高效分離與純化半纖維素，揭示半纖維素均相改性機制；闡明木質(zhì)素分子的活化途徑，構(gòu)建生物質(zhì)功能化材料反應(yīng)平臺。揭示生物質(zhì)轉(zhuǎn)化伴生產(chǎn)物（廢液）熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中多相流體動力學(xué)、多相傳熱傳質(zhì)規(guī)律與機理和反應(yīng)動力學(xué)及機理，建立伴生產(chǎn)物熱化學(xué)高效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)集成理論；揭示高效低成本CO2吸附機理，實現(xiàn)生物質(zhì)高值化過程中的節(jié)能與CO2利用和減排。2）預(yù)期取得的有重要科學(xué)價值的新方法與關(guān)鍵技術(shù)建立生物質(zhì)組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的清潔高效制漿分離方法與技術(shù)，將制漿分離纖維組分通過濕部化學(xué)途徑合成高質(zhì)量紙張和特種紙材料（主要針對高質(zhì)量漿紙和特種紙等，國內(nèi)年總需求量超過8000萬噸）。提出生物質(zhì)氧基化學(xué)制漿新方法，建立非木材纖維5000噸/年以上的新型清潔制漿/漂白中試生產(chǎn)線及500噸/年以上的特種紙中試生產(chǎn)線。主要針對新型粘膠纖維、醋酸纖維和銅氨纖維（國內(nèi)年總需求量超過300萬噸），以及纖維素光電磁材料、氣凝膠、生物醫(yī)用纖維素復(fù)合物等，建立低溫溶解纖維素的綠色新方法和新技術(shù)體系，建成1000噸/年新型纖維素絲與膜材料中試生產(chǎn)線；同時研制出2-3種具有實用價值的典型纖維素納米復(fù)合材料、光電材料或生物醫(yī)用材料；建立可闡明纖維素微觀結(jié)構(gòu)與本征性能的表征方法；創(chuàng)建纖維素再生成形、拉伸取向、結(jié)晶的成套新技術(shù)，實現(xiàn)新溶劑體系中纖維素纖維的清潔再生及均相反應(yīng)。主要針對季胺化半纖維素材料等（國內(nèi)年總需求量超過400萬噸），提出H2O2/OH-、有機溶劑和離子液體全溶體系分離與純化半纖維素的關(guān)鍵技術(shù)原理。建立分級分離和純化半纖維素的新方法，并合成3-5種典型的半纖維素酯化/醚化高值化材料；提出低分子半纖維素水解制備木糖的清潔技術(shù)，木糖得率不低于理論產(chǎn)率的80%。提出低分子量半纖維素綠色單體化的技術(shù)路線，獲得具有高生物活性的甘露糖、半乳糖，純度不低于98%，具有工業(yè)化應(yīng)用前景。提出木質(zhì)素分子活化和功能化技術(shù)路線。合成2-3種典型木質(zhì)素高值化材料，實現(xiàn)2-3種有工業(yè)化前景的木質(zhì)素基功能高分子精細化學(xué)品的合成，木質(zhì)素的分子轉(zhuǎn)化率不低于90%；建成木質(zhì)素材料與高分子精細化學(xué)品中試生產(chǎn)線。建立生物質(zhì)高值化伴生產(chǎn)物低溫?zé)峤鈿饣蛠喤R界水水解的方法體系；建立生物質(zhì)CO2合成碳酸酯材料途徑。建立伴生產(chǎn)物的高值化利用示范系統(tǒng)，伴生產(chǎn)物氣化能量轉(zhuǎn)化效率在95%以上，CO2捕獲效率在90%以上;研制出新型高效、低成本、長壽命CO2吸附劑。3）優(yōu)秀人才培養(yǎng)和基地建設(shè)形成一支本領(lǐng)域具有國際前沿水平的研究隊伍，力爭進入基金委創(chuàng)新群體。加強國際交流，進一步提高國際影響。在研究期間有2-3名杰出的學(xué)者能當(dāng)選國際性學(xué)術(shù)組織或委員會成員，5-7名杰出的學(xué)者能擔(dān)任國際性會議特邀報告人、組委會成員或國際性刊物編委，2-3名年輕學(xué)者能獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助或成為“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授。每年培養(yǎng)約40名左右高水平的博士研究生，力爭有2-3名優(yōu)秀博士獲全國優(yōu)秀百篇博士論文獎。通過研究團隊的創(chuàng)新性研究，使團隊成員所在的相關(guān)國家重點實驗室與省部級研究基地學(xué)術(shù)水平有大幅度的提升，力爭達到該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。4）考核指標(biāo)提出生物質(zhì)組分高效清潔分離及生物質(zhì)高值化材料合成新理論和工藝機理，形成有自主知識產(chǎn)權(quán)的集成技術(shù)體系。發(fā)表SCI源期刊文章200篇以上，其中進入IF2.0以上的論文不少于80篇；出版專著5部以上。申請或獲授權(quán)發(fā)明專利40-50項；申請或獲授權(quán)國外發(fā)明專利1-2項。獲得國家級科技獎勵1-2項。

三、研究方案1.項目總體思路與技術(shù)路線及可行性1）總體思路：本項目從建立生物質(zhì)高值化材料合成理論體系出發(fā)，圍繞生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯、生物質(zhì)清潔溫和分離機制、生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建等三個關(guān)鍵科學(xué)問題，根椐研究內(nèi)容，設(shè)置以下6個研究課題：1）生物質(zhì)細胞壁組分結(jié)構(gòu)解譯與組分鍵合機制；2）生物質(zhì)分離與低分子片段綠色單體化及轉(zhuǎn)化；3）綠色新溶劑與纖維素高值化材料構(gòu)建；4）半纖維素分子純化均化與高值化材料合成；5）木質(zhì)素分子活化與功能芳基材料合成；6）生物質(zhì)高值化利用過程的節(jié)能與CO2利用和減排。項目的總體學(xué)術(shù)思路如圖3。提出科學(xué)問題——>設(shè)置研究課題 >突破點一研究目標(biāo)科學(xué)問題一生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯科學(xué)問題二生物質(zhì)清潔溫和分離1機制科學(xué)問題三生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建課題科學(xué)問題一生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯科學(xué)問題二生物質(zhì)清潔溫和分離1機制科學(xué)問題三生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建課題1生物質(zhì)細胞壁組分課題2生物質(zhì)分離與低分子

片段綠色單體化及轉(zhuǎn)化

（針對高質(zhì)量漿紙、課題3綠色新溶劑與纖維素

高值化材料構(gòu)建課題4半纖維素分子純化均

化與高值化材料合成

（針對聚乳酸及季胺化半纖二維素材料等）課題5木質(zhì)素分子活化與功

能芳基材料合成（針對木質(zhì)素樹脂等）課題6生物質(zhì)高值化利用過

程的節(jié)能與co2利用和減排形成生物質(zhì)高值化構(gòu)建生物質(zhì)>高值化材料圖3.本項目的總體學(xué)術(shù)思路生物質(zhì)科學(xué)問題研究：生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯；生物質(zhì)清潔溫和分離機制；生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建建立清潔溫和^離

反應(yīng)體系建立清潔溫和^離

反應(yīng)體系圖4.項目研究的技術(shù)路線2）技術(shù)路線：著重對生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯、生物質(zhì)清潔溫和分離機制和生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料的構(gòu)建等關(guān)鍵科學(xué)問題進行深入研究，建立氧基體系（H2O2/OH-）、低壓爆破、有機溶劑和離子液體等制漿分離方法及其組合方法，實現(xiàn)生物質(zhì)組分的清潔高效分離；并在纖維素溶解與轉(zhuǎn)化、半纖維素分子純化與均化、木質(zhì)素分子活化與轉(zhuǎn)化等難點與障礙上取得突破，構(gòu)建生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的共性平臺；同時，在生物質(zhì)組分分離產(chǎn)生的低分子片段綠色單體化及轉(zhuǎn)化和高值化利用過程的節(jié)能與CO2利用和減排等方面取得進展，最終形成生物質(zhì)高值化材料合成的集成理論體系與技術(shù)基礎(chǔ)。技術(shù)路線如圖4。3）可行性分析a）研究方法與技術(shù)路線可行性研究方法是項目取得重大突破的前提。本項目從研究生物質(zhì)組分超微結(jié)構(gòu)著手，在已有研究基礎(chǔ)上，探索氧基分離（H2O2/OH-）、低壓爆破、有機溶劑和離子液體分離等新方法，探討不同條件下對生物質(zhì)組分結(jié)合鍵的選擇性反應(yīng)與分離機制，在纖維素溶解與溶解體系、半纖維素分子純化與均化、木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與分子活化等關(guān)鍵性問題上取得突破，建立生物質(zhì)高值化材料的合成共性平臺，這在理論上是可行的。本項目組成員長期從事生物質(zhì)組分分離、結(jié)構(gòu)鑒定及轉(zhuǎn)化利用等方面的研究，在分離生物質(zhì)組分方面已取得了突出的研究成果，在生物質(zhì)組分應(yīng)用前景探索，纖維素溶解與溶解體系、半纖維素分子純化與均化、木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與分子活化等領(lǐng)域形成了一套有特色的研究方法與技術(shù)體系，本方案是在這些前期研究基礎(chǔ)上提出的，具有明確可行的研究方法和技術(shù)路線，能夠確保本項目研究工作的順利開展。b）學(xué)科基礎(chǔ)的可行性學(xué)科基礎(chǔ)是項目研究取得重大突破的基本保證。本項目組成員來自生物質(zhì)科學(xué)、材料學(xué)、生物化學(xué)、農(nóng)學(xué)、林學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程等學(xué)科。學(xué)科結(jié)構(gòu)合理；項目組成員有深厚的學(xué)術(shù)背景，學(xué)科交叉與滲透特色明顯，能夠?qū)椖績?nèi)容進行多學(xué)科、全方位、深層次的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，保證項目研究的順利實施。c）資源與環(huán)境可行性項目研究能否有重大突破與項目預(yù)期進展是否能有足夠的資源支撐，是否對資源充分利用以及所采用的方法是否環(huán)境友好有十分重要的關(guān)系。我國生物質(zhì)特別是草類生物質(zhì)如農(nóng)業(yè)秸稈等可再生資源量大，再生周期短，目前相當(dāng)數(shù)量的生物質(zhì)資源沒有得到充分利用，或被焚燒或自然腐爛，造成環(huán)境污染。對生物質(zhì)高值化材料重大基礎(chǔ)問題的深入研究不僅可以實現(xiàn)對生物質(zhì)資源的充分利用，而且能推動我國早日建成生物質(zhì)材料新工業(yè)體系，逐步替代石油基合成材料，這具有重要的意義，特別是在世界各國努力搶占生物質(zhì)材料研究創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的制高點時，其意義尤為突出。本項目的整體方案是提出和合成新型的、環(huán)境友好的高值化材料，一方面是為了提高資源的利用率，另一方面是為了減少或避免循環(huán)鏈污染物質(zhì)的產(chǎn)生與排放；并且，將生物質(zhì)高值化材料的轉(zhuǎn)化方法與技術(shù)基礎(chǔ)置于全球碳循環(huán)背景下的節(jié)能減排框架內(nèi)進行。因此，本項目的實施對我國資源安全和生態(tài)環(huán)境安全是十分有益的。d）經(jīng)濟可行性項目研究能否具有經(jīng)濟可行性對項目關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用前景有十分重要的作用。生物質(zhì)組分分離后對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種組分實現(xiàn)全生物量利用，克服現(xiàn)有技術(shù)體系中只從生物質(zhì)原料提取一種組分轉(zhuǎn)化利用，而將其余組分作為污染物直接排放到環(huán)境中（如制漿造紙工業(yè)、糠醛工業(yè)、木糖醇工業(yè)、粘膠纖維工業(yè)、木質(zhì)素化學(xué)品工業(yè)）的根本性缺陷，轉(zhuǎn)化新型材料，具有較好的市場前景，符合社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。隨著我國社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展以及化石資源貯藏量的不斷減少，對生物質(zhì)等天然可再生資源轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的需求將會不斷增加，從纖維素、半纖維素和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化獲得高值化材料具有高附加值，這是一種高效利用生物質(zhì)的技術(shù)途徑。因此，本項目提出的技術(shù)路線在經(jīng)濟上是可行的。.創(chuàng)新點1）研究思路的創(chuàng)新與特色在生物質(zhì)利用轉(zhuǎn)化方面，目前的研究大多數(shù)集中于將生物質(zhì)水解產(chǎn)生單糖轉(zhuǎn)化能源乙醇方面，一般需要6噸纖維素原料產(chǎn)生1噸乙醇；而且水解耗能高，產(chǎn)生二次污染，其余組分由于分離過程中分子結(jié)構(gòu)的破壞不能利用被廢棄，造成資源浪費和環(huán)境污染。而本項目提出的新思路是利用環(huán)境友好的化學(xué)品如H2O2、O2等替代傳統(tǒng)制漿工業(yè)的Na2s分離方法，實現(xiàn)清潔制漿分離生物質(zhì)組分，對分離的高分子量纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素轉(zhuǎn)化合成高附加值材料，對低分子量半纖維素與纖維素通過生物化學(xué)途徑產(chǎn)生乳酸合成聚乳酸，6噸原料可產(chǎn)生3噸高質(zhì)量漿紙或新型粘膠纖維、醋酸纖維等，1.5噸左右木質(zhì)素聚氨酯和1.5噸左右的季胺化半纖維素材料與聚乳酸材料，不僅可實現(xiàn)全生物量的高值化綜合利用，也能實現(xiàn)生物質(zhì)利用過程中的節(jié)能和CO2利用和減排，并極大提升現(xiàn)有制漿造紙工業(yè)、纖維素等生物質(zhì)工業(yè)技術(shù)的水平，構(gòu)建低碳經(jīng)濟的工業(yè)新模式。這是一種新的創(chuàng)新研究思路，即是在生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)解譯、組分清潔溫和分離的基礎(chǔ)上探索生物質(zhì)高值化材料合成途徑，在纖維素溶解與溶解體系、半纖維素分子純化與均化、木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與分子活化等關(guān)鍵問題與障礙上取得突破后，構(gòu)建生物質(zhì)高值化材料的共性平臺，這是本項目研究思路的創(chuàng)新與特色之處。通過進一步解譯生物質(zhì)超微化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，特別是在組分結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系方面提出新理論；揭示生物質(zhì)組分分子間結(jié)合鍵對不同介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)答機制與規(guī)律，闡明纖維素綠色溶劑合成、半纖維素分子均化機制、木質(zhì)素聚集態(tài)與分子活化調(diào)控規(guī)律，與以往從物理性質(zhì)入手的傳統(tǒng)生物質(zhì)材料合成路線相比，是一種全新的思路。2）研究方法的創(chuàng)新與特色由于生物質(zhì)組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者之間連接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致至今尚沒有找到一種將三種組分同時清潔分離的方法。本項目在前期研究和探索的基礎(chǔ)上，提出氧基分離、低壓爆破、有機溶劑、離子液體分離等新方法及其組合體系，有望將生物質(zhì)組分清潔高效地分離，獲得高反應(yīng)活性的纖維素、木質(zhì)素和半纖維素，然后轉(zhuǎn)化成高值化材料，亦即是“組分清潔分離一建立轉(zhuǎn)化平臺一合成新材料”的方法體系（具有綠色、分離組分結(jié)構(gòu)完整并且反應(yīng)活性高、全組分利用、轉(zhuǎn)化效率高的特點），與傳統(tǒng)的“提取一種組分-物性特點-合成材料”的方法相比（具有污染嚴(yán)重、提取組分結(jié)構(gòu)不完整并且反應(yīng)活性低、單組分利用、轉(zhuǎn)化效率低的缺點），具有根本性的區(qū)別，即本項目的研究方法是先探索生物質(zhì)組分的清潔分離，然后對分離組分進行轉(zhuǎn)化利用，這是一種全新的研究方法。研究方法的創(chuàng)新主要表現(xiàn)為：在生物質(zhì)結(jié)構(gòu)上，將采用本項目長期以來逐步形成的生物質(zhì)鍵合機制研究方法，包括三維P31NMR探針方法、激光拉曼與激光共聚焦顯微鏡細胞壁觀察方法等，推動生物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究方面取得突破性進展；在生物質(zhì)分離上，將在以前OH-作用木質(zhì)素的研究基礎(chǔ)上，研究氧基體系（H2O2/OH-）、全溶解體系和離子液體體系等分離生物質(zhì)組分的新方法；在生物質(zhì)高值化轉(zhuǎn)化方面，將發(fā)展纖維素新溶解體系、半纖維素分級-純化、木質(zhì)素分子活化等新方法，這些新方法為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的理論突破和新技術(shù)體系的形成提供了良好的基礎(chǔ)。3）研究目標(biāo)的創(chuàng)新與特色本項目的研究目標(biāo)不僅著重于生物質(zhì)高值化材料的轉(zhuǎn)化，也探索生物質(zhì)利用過程中的節(jié)能與CO2利用和減排途徑，將生物質(zhì)利用置于全球碳循環(huán)背景中的節(jié)能減排框架內(nèi)進行，在整體方案的設(shè)計上是基于“過程綠色，產(chǎn)物與環(huán)境友好”這一前提，并著重于有我國特色的禾草類生物質(zhì)的分離與組分轉(zhuǎn)化，建立生物質(zhì)組分清潔高效分離與轉(zhuǎn)化的新技術(shù)集成體系，這是本項目在研究目標(biāo)上的創(chuàng)新與特色之處。.課題設(shè)置本項目圍繞生物質(zhì)超微結(jié)構(gòu)的分子解譯、生物質(zhì)清潔溫和分離機制、生物質(zhì)組分構(gòu)效關(guān)系與高值化材料構(gòu)建等三個關(guān)鍵科學(xué)問題，設(shè)置以下6個課題。課題1、生物質(zhì)細胞壁組分結(jié)構(gòu)解譯與組分鍵合機制主要研究內(nèi)容：1）生物質(zhì)組分的空間結(jié)構(gòu)研究生物質(zhì)組分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在細胞壁的空間分布位置及不同部位的差異性；研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素存在的空間構(gòu)型，如木質(zhì)素在細胞壁各層的存在形式、化合鍵連接類型；研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的三維立體模型，結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，探討纖維微晶區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)的超分子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如羥基間氫鍵的定向排列、結(jié)晶區(qū)超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、弱鍵對空間結(jié)構(gòu)的影響。2）生物質(zhì)組分間的不同鍵合機制主要研究生物質(zhì)組分纖維素0-1,4苷鍵結(jié)合的葡萄糖單元C-2、C-3、C-6位上羥基、半纖維素0-1,4苷鍵結(jié)合的木聚糖的C-2和C-3位上的羥基和木質(zhì)素苯丙烷單元的C-4或a-、0-、y-位的酚羥基或脂肪族羥基的相互結(jié)合鍵類型；研究纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在不同介質(zhì)中的分離規(guī)律；探討纖維素、半纖維素和木質(zhì)素結(jié)構(gòu)生物學(xué)或化學(xué)、物理性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的關(guān)系。主要研究目標(biāo)：針對生物質(zhì)組分難清潔高效分離的關(guān)鍵障礙，本課題主要研究目標(biāo)是進一步揭示生物質(zhì)組分的超微結(jié)構(gòu)，弄清生物質(zhì)組分的鍵合機制，了解生物質(zhì)組分的清潔分離的可能性及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。經(jīng)費比例：16.5%承擔(dān)單位：華南理工大學(xué)、廈門大學(xué)課題負責(zé)人：林鹿學(xué)術(shù)參加人員：肖惠寧、劉世界、呂發(fā)創(chuàng)、葉君、劉傳富、龍敏南、陳秉輝、陳清西課題2、生物質(zhì)解離與低分子片段綠色單體化及轉(zhuǎn)化主要研究內(nèi)容：1）生物質(zhì)組分的清潔分離探討氧基分離（h2o2/oh-）、低壓爆破、有機溶劑和離子液體等分離新方法及其組合方法，將生物質(zhì)組分清潔地分離，獲得高反應(yīng)活性的纖維素、木質(zhì)素和半纖維素；研究生物質(zhì)氧基化學(xué)制漿新機理，開發(fā)相關(guān)功能性助劑，建立5000噸/年新型清潔制漿/漂白和500噸/年特種紙合成的中試生產(chǎn)線，為獲得高活性生物質(zhì)組分打下基礎(chǔ)。2)生物質(zhì)組分分離過程產(chǎn)生的低分子量半纖維素與纖維素的單體化與定向轉(zhuǎn)化生物質(zhì)組分分離過程中會產(chǎn)生一些低分子量片段如低聚半纖維素與纖維素分子，它們是低聚體化合物，不適于合成高值化材料，但對其的充分利用是生物質(zhì)資源綜合開發(fā)非常重要的環(huán)節(jié)。本課題將研究纖維素和半纖維素低分子片段通過微生物降解和水解產(chǎn)生木糖、阿拉伯糖、甘露糖、葡萄糖等單體的機制，在此基礎(chǔ)上研究定向轉(zhuǎn)化途徑。建立發(fā)酵法轉(zhuǎn)化木糖醇中試生產(chǎn)線；研究低分子量半纖維素和纖維素片段高效清潔水解產(chǎn)生木糖和葡萄糖，高濃度發(fā)酵產(chǎn)生乳酸合成聚乳酸材料；研究阿拉伯糖、甘露糖等非結(jié)構(gòu)糖高值化轉(zhuǎn)化合成功能藥物的新途徑。主要研究目標(biāo)：本課題主要研究目標(biāo)是提出生物質(zhì)組分的清潔溫和分離途徑，獲得高反應(yīng)性能的分離組分；同時掌握生物質(zhì)組分分離過程中產(chǎn)生的低分子片段的清潔單體化及其進一步轉(zhuǎn)化為工業(yè)平臺化合物的方法與途徑。經(jīng)費比例：10%承擔(dān)單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所課題負責(zé)人：王賀祥學(xué)術(shù)參加人員：劉慶洪、王乃興、黃慶斌、安靜儀課題3、綠色新溶劑與纖維素高值化材料構(gòu)主要研究內(nèi)容：1）纖維素溶解與新型溶解體系建立及大宗纖維素材料綠色合成方法進一步研究建立堿-尿素水體系、無機-有機體系、離子液體等新型纖維素溶劑體系；研究纖維素的溶解規(guī)律與調(diào)控機制；研究纖維素分子間氫鍵及其破壞規(guī)律，建立聚集態(tài)結(jié)構(gòu)新的表征方法；建立大宗纖維素材料包括新型粘膠纖維、醋酸纖維、銅氨纖維等纖維素材料的新型綠色合成方法。2）新型纖維素高值化材料合成機理A）纖維素功能化微球材料主要探索纖維素微球的制備技術(shù)，通過工藝參數(shù)控制微球的粒徑和孔徑大小，制備各種功能化（磁性和熒光）纖維素微球。B）纖維素半導(dǎo)體金屬氧化物材料（纖維素納米材料）研究纖維素膜多孔結(jié)構(gòu)，通過改變纖維素濃度、凝固浴溫度和組分來控制其孔徑的大小及分布和形狀；制備3-5種高強度、高比表面積的纖維素納米復(fù)合新材料；通過各種方式如共價鍵、氫鍵、靜電力等方式構(gòu)建高分子/無機納米雜化材料，使產(chǎn)物具有功能化。C）纖維素氣凝膠及水凝膠材料研究氣凝膠力學(xué)性能、生物醫(yī)用性質(zhì)及光電性質(zhì)，纖維素納米復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)－性能關(guān)系的尺度效應(yīng)；研究纖維素及其凝膠的表面化學(xué)、修飾（官能團的接枝）以及環(huán)境敏感性；研究酸性天然高分子多糖制備超高吸水性纖維素水凝膠的途徑，通過互穿、半互穿以及雙層網(wǎng)絡(luò)等方法制備高強度及環(huán)境敏感性水凝膠。D)纖維素醫(yī)用生物材料解決纖維素/蛋白質(zhì)復(fù)合材料對肝素的有效結(jié)合和長效釋放問題，弄清肝素化纖維素/大豆蛋白質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與功能之間的關(guān)系。研制具有促進細胞生長的纖維素基新材料；利用纖維素分別與絲蛋白、殼聚糖及其衍生物、海藻酸鹽等共混或復(fù)合制備新生物材料，并研究其結(jié)構(gòu)、生物降解途徑和生物相溶性。E)微納纖維素與聚砜類復(fù)合膜材料研究微納纖維素與聚砜類高分子材料體系的共混過程、聚合物結(jié)構(gòu)特性、組成、形態(tài)與相溶性的關(guān)系；研究微納纖維素特性與聚砜體系共混過程的影響規(guī)律；解譯微納纖維素在共混體系中的氫鍵作用機制、聚合物界面結(jié)合強度、相界面效應(yīng)對復(fù)合膜材料性能的影響規(guī)律；探索復(fù)合膜材料共混過程和共混相溶性機理與調(diào)控。主要研究目標(biāo)：主要研究目標(biāo)是發(fā)展纖維素的新型高效溶解體系，掌握生物質(zhì)基纖維素材料的綠色合成方法，獲得高性能纖維素材料，以替代化石基合成纖維材料。經(jīng)費比例：18.5%承擔(dān)單位：武漢大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)課題負責(zé)人：張俐娜學(xué)術(shù)參加人員：周金平、程功臻、周曉海、蔡杰、翁小成、宋先亮、張學(xué)銘課題4、半纖維素分子純化均化與高值化材料合成主要研究內(nèi)容：1）高分子量半纖維素分離與純化闡明堿性條件下羥基游離基（HO-）和過氧游離基（。2，）降解生物質(zhì)（主要研究非木材生物質(zhì)如秸稈、蔗渣等）細胞壁中木質(zhì)素和溶解半纖維素的機理；揭示生物質(zhì)細胞壁中主要組分在不同溶劑及離子液體中的全溶機理及分離途徑；通過對生物質(zhì)在離子液體中溶解性能的研究，建立新型環(huán)境友好且分離效果好的分離體系，以分離出高分子量的半纖維素；研究不同半纖維素的純化方法及機理，建立一種或幾種組合純化體系，以獲得不同分子量和組成的半纖維素聚合物。2）半纖維素結(jié)構(gòu)解析及流變特性利用現(xiàn)代分析技術(shù)，解析分離和純化后的半纖維素化學(xué)結(jié)構(gòu)，揭示半纖維素大分子量木聚糖單元上羥基被取代的位置及官能團，闡明半纖維素與木質(zhì)素之間的結(jié)合鍵類型及位置或半纖維素與阿魏酸或?qū)ο愣顾嶂g的化學(xué)鍵類型，建立半纖維素與木質(zhì)素鍵合模型；研究半纖維素在不同體系中的溶解形態(tài)和流變特性；研究不同濃度、不同溫度下半纖維素溶劑體系中的穩(wěn)態(tài)流變行為及在不同體系中的動態(tài)流變行為。3）高分子量半纖維素衍生物新材料研究半纖維素烷基化/季胺化高值化材料以及半纖維素羧甲基化和磷酸化衍生物定向制備及其結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；揭示新型催化劑分子碘的催化機理。探索工業(yè)化制備酯化半纖維素作為可降解新材料的理論機制；闡明均相改性半纖維素的反應(yīng)歷程及半纖維素在離子液體中的溶解機理和反應(yīng)機理。4）高分子量半纖維素復(fù)合材料研究半纖維素與殼聚糖衍生物的Mailard反應(yīng)，研制醫(yī)用植皮敷料、激活表皮生長因子和抗菌消炎性材料；研制半纖維素/殼聚糖功能納米纖維醫(yī)療與保健織物高值化材料；探索半纖維素與殼聚糖接枝復(fù)合物造紙助劑的作用機理及界面行為；研究半纖維素與水溶性殼聚糖共混復(fù)合膜的低透氧性、抗菌性和優(yōu)良力學(xué)機理。主要研究目標(biāo)：主要研究目標(biāo)是將半纖維素分級利用，低分子半纖維素通過課題2水解產(chǎn)生單糖通過生物化學(xué)途徑轉(zhuǎn)化乳酸合成聚乳酸材料，高分子量半纖維素轉(zhuǎn)化合成具有獨特性質(zhì)與良好應(yīng)用前景的高值化材料。本研究要發(fā)展新型的高分子量半纖維素分離純化方法體系，在充分利用低聚體半纖纖維素的同時，提出高分子量半纖維材料綠色轉(zhuǎn)化途徑，合成高性能半纖維素高值化材料。經(jīng)費比例：20%承擔(dān)單位：北京林業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)課題負責(zé)人：孫潤倉學(xué)術(shù)參加人員：張詢立、張力平、何靜、王波、杜予民、肖玲課題5、木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)活化與功能芳基材料合成主要研究內(nèi)容：1）木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)解析研究不同分離反應(yīng)體系如低壓爆破、氧基分離、離子液體反應(yīng)等新方法及其組合得到的木質(zhì)素超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律；研究木質(zhì)素超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)方法選定、原生木質(zhì)素與分離木質(zhì)素的超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其模型、分離木質(zhì)素在不同介質(zhì)（pH值、離子溶液）中及相變過程中聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的演變、分離木質(zhì)素的超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的解聚途徑與調(diào)控。2）木質(zhì)素分子活化途徑研究木質(zhì)素的主要功能特性表達及功能化途徑；木質(zhì)素功能化的反應(yīng)位點與調(diào)控機制；研究木質(zhì)素在稀溶液中鏈段與分子的聚集行為；建立木質(zhì)素在溶液中的聚集體結(jié)構(gòu)模型；探索木質(zhì)素聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的表面分子包括氧化及羥甲基化、磺化、接枝、縮聚反應(yīng)等有選擇性地引入磺酸基團、縮醛基團、羧基基團；探索苯丙烷單元上酚羥基的取代與氧化，脂肪族側(cè)鏈的a-、0-和y-C的氧化、還原，以提高木質(zhì)素分子的活化性能；研究氧化及羥甲基化、磺化、接枝、縮聚反應(yīng)等化學(xué)改性方法對目標(biāo)產(chǎn)物在固體懸浮體系中分散能力的影響規(guī)律。3）木質(zhì)素水凝膠材料合成研究堿性條件下木質(zhì)素和間苯二酚反應(yīng)生成木素-苯酚-間苯二酚類水凝膠的方法與途徑；研究不同交聯(lián)方法對此類接枝共聚物化學(xué)結(jié)構(gòu)、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)以及性能的影響，為智能水凝膠的制備以及結(jié)構(gòu)性能調(diào)控奠定基礎(chǔ)；研究新型水凝膠的結(jié)構(gòu)特性與刺激響應(yīng)（溫度、pH值等）的關(guān)系，探索該類水凝膠的響應(yīng)機制；研究LCC分離組分中殘留的木質(zhì)素對其自組裝行為以及納米顆粒形態(tài)的影響，探索兩親性納米顆粒對外界刺激的響應(yīng)機理。4）木質(zhì)素基塑料合成研究木質(zhì)素分子裂解產(chǎn)生苯酚，由苯酚合成雙酚A與酚醛材料。研究木質(zhì)素（酚解，氫解和熱解）裂解產(chǎn)生苯酚的途徑與方法及其應(yīng)答機理；研究木質(zhì)素可控性催化加氫化學(xué)降解生成更純的一苯酚類物質(zhì)的方法；研究催化劑的選擇與催化反應(yīng)的調(diào)控與酚類化合物在反應(yīng)體系中的穩(wěn)定機理；研究木質(zhì)素基苯酚和醛合成的丁醇間醛縮合生成酚醛材料的方法及其調(diào)控;研究木質(zhì)素基苯酚合成雙酚A及進一步合成聚碳酸酯的途徑與調(diào)控機制。5）木質(zhì)素表面活性劑合成研究分離木質(zhì)素的氧化、羥甲基、磺化、接枝、縮聚反應(yīng)機理與制備木質(zhì)素基高分子表面活性劑；研究不同的磺化縮聚工藝對磺化木質(zhì)素的分散降粘性能的影響規(guī)律；研究木質(zhì)素氧化、羥甲基、磺化、接枝、縮聚反應(yīng)產(chǎn)物在溶液中構(gòu)型的模型及其聚集體結(jié)構(gòu)模型，掌握聚集體結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律；揭示聚集體結(jié)構(gòu)對吸附的影響規(guī)律；研究固體顆粒顆粒表面產(chǎn)生的Zeta電位、空間位阻的受控因素，建立在不同懸浮體系中的分散模型。主要研究目標(biāo)：主要研究木質(zhì)素分子的活化途徑，并針對目前三大合成材料（纖維、樹脂和塑料）中的樹脂和塑料，研究典型生物質(zhì)基木質(zhì)素樹脂和塑料的合成方法與調(diào)控機理；研究木質(zhì)素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生高值化化學(xué)品表面活性劑的途徑及其機理。經(jīng)費比例：20%承擔(dān)單位：華南理工大學(xué)、南京林業(yè)大學(xué)課題負責(zé)人：常杰學(xué)術(shù)參加人員：陳克復(fù)、楊東杰、胡健、孫勇、張齊生、李忠正、翟華敏、金永燦、曹云峰課題6、生物質(zhì)高值化利用過程中節(jié)能與CO2利用和減排主要研究內(nèi)容：1）生物質(zhì)伴生產(chǎn)物的低溫?zé)峤鈿饣緩窖芯堪樯a(chǎn)物在600℃左右條件下的低溫?zé)峤鈿饣到y(tǒng)中多相流動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)規(guī)律與化學(xué)反應(yīng)機理；研究廢液中堿性金屬殘余物等與反應(yīng)介質(zhì)作用機理與調(diào)控機制；研究生物質(zhì)伴生產(chǎn)物在低溫氣化過程中污染物如氮、硫定向脫除；研究磁場誘導(dǎo)下生物質(zhì)焦炭高溫催化炭化制備高性能電磁屏蔽材料；研究炭化溫度、化學(xué)催化與磁場誘導(dǎo)對電阻率影響的協(xié)同機制。2）生物質(zhì)伴生產(chǎn)物的亞臨界水體系分解途徑研究亞臨界水體系下生物質(zhì)轉(zhuǎn)化伴生產(chǎn)物的催化氧化反應(yīng)特性催化劑及有機產(chǎn)物分解反應(yīng)控制的機理；研究亞臨界水體系中無機物溶解特性及控制規(guī)律；研究亞臨界水體系中自苛化堿回收機理。3）生物質(zhì)伴生產(chǎn)物產(chǎn)能過程的CO2高效吸附與利用機制研究新型低成本無機吸附劑如鈣基吸附劑的合成；研究鈣基吸附劑的改性以提高其循環(huán)反應(yīng)性能和其它性能；研究新型吸附劑在CO2分離過程中的吸附/解吸機理，優(yōu)化吸附劑的孔結(jié)構(gòu)分布和分離/再生過程，建立高效低成本的新型吸附劑設(shè)計、制備、表征和調(diào)控理論，實現(xiàn)轉(zhuǎn)化過程CO2近零排放；研究CO2合成聚碳酸酯的途徑及其調(diào)控。4）生物質(zhì)利用過程中的生命周期評價研究基于全系統(tǒng)的過程能量綜合、優(yōu)化與集成方法及模型；研究基于生物質(zhì)材料的全生命周期評價理論；研究全球碳循環(huán)背景下生物質(zhì)利用過程中的002利用和減排貢獻機制與調(diào)控。主要研究目標(biāo)：生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中必然產(chǎn)生一些伴生產(chǎn)物，特別是生物質(zhì)分離過程產(chǎn)生的木質(zhì)素分子量差異特別大，只有利用分子量相近的木質(zhì)素進行轉(zhuǎn)化，才對合成高值化材料是有意義的。本課題的設(shè)置主要是對木質(zhì)素轉(zhuǎn)化的伴生產(chǎn)物進行熱化學(xué)處理，尤其關(guān)注熱化學(xué)過程的CO2利用和減排途徑，這是實現(xiàn)全球碳循環(huán)背景下生物質(zhì)利用過程CO2利用和減排的關(guān)鍵所在。主要研究目標(biāo)是提出生物質(zhì)高值化過程的伴生產(chǎn)物的低溫?zé)峤鈿饣?、亞臨界條件熱解及產(chǎn)能與CO2吸附途徑，掌握生物質(zhì)高值化利用過程中CO2合成聚碳酸酯（國內(nèi)2008年總需求量超過500萬噸）的途徑及其調(diào)控。經(jīng)費比例：15%承擔(dān)單位：東南大學(xué)、華南理工大學(xué)課題負責(zé)人：肖睿學(xué)術(shù)參加人員：肖剛、鐘文琪、宋敏、汪雙鳳、陳元彩、唐愛民、戚朝榮4.課題間相互關(guān)系項目以生物質(zhì)組分清潔分離和高效轉(zhuǎn)化為目標(biāo)，以對國民經(jīng)濟具有重要影響的高值化生物質(zhì)材料為研究對象，從生物質(zhì)組分清潔分離和高值化轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵科學(xué)問題出發(fā)，設(shè)置以下6個研究課題：1）生物質(zhì)細胞壁組分結(jié)構(gòu)解譯與組分鍵合機制；2）生物質(zhì)分離與低分子片段綠色單體化及轉(zhuǎn)化；3）綠色新溶劑與纖維素高值化材料構(gòu)建；4）半纖維素分子純化均化與高值化材料合成；5）木質(zhì)素分子活化與功能芳基材料合成；6）生物質(zhì)高值化利用過程的節(jié)能與CO2利用和減排。各課題相互之間的關(guān)系如圖5所示，并緊密圍繞解決三個關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究，是一個有機整體，相互聯(lián)系、相互促進。課題1是整個項目研究的切入點和課題2、3、4、5研究的基礎(chǔ)，通過課題1的研究，以實現(xiàn)生物質(zhì)超微化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)的解譯和揭示生物質(zhì)組分分子間鍵合機制；課題2是本項目創(chuàng)新與特色思想“組分清潔分離—建立轉(zhuǎn)化平臺—合成新材料”的第一步，在課題1的基礎(chǔ)上展開研究，為解決課題3、4、5研究瓶頸而設(shè)置的，以實現(xiàn)生物質(zhì)組分清潔溫和分離體系以及組分構(gòu)效關(guān)系理論的建立。課題3以課題1、2為基礎(chǔ)，建立纖維素的溶解體系和構(gòu)建纖維素高值化材料。課題4以課題1、2為基礎(chǔ)，建立高分子半纖維素分離體系和制備半纖維素高值化材料。課題5以課題1、2為基礎(chǔ)，闡明木質(zhì)素分子活化途徑，合成木質(zhì)素高值化材料。課題6是對課題1、2、3、4和5實施過程中伴生產(chǎn)物的研究，以揭示伴生物熱化學(xué)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中多相流體動力學(xué)、多相傳熱傳質(zhì)規(guī)律，促進項目實施過程中低碳經(jīng)濟模式的建立。通過各個課題的研究，實現(xiàn)五年預(yù)期目標(biāo)，形成生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高值化材料的理論基礎(chǔ)與技術(shù)體系，使我國生物質(zhì)資源利用和轉(zhuǎn)化為高值化材料的方法與技術(shù)體系上一個新臺階，進而推動我國現(xiàn)有生物質(zhì)材料工業(yè)的跨越式發(fā)展，逐步替代化石基合成材料，為建立大規(guī)模現(xiàn)代化生物質(zhì)材料工業(yè)體系提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐，使我國進入并引領(lǐng)生物質(zhì)材料領(lǐng)域的國際科技前沿，保證國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。圖5各課題相互關(guān)系及各課題對解決科學(xué)問題的貢獻

四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年(1)完成生物質(zhì)細胞壁超微結(jié)構(gòu)及纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在細胞壁的空間分布位置及不同音5位差異性的研究。⑵完成生物質(zhì)組分間結(jié)合鍵在不同介質(zhì)環(huán)境如酸、堿、溫度、壓力、超時場、磁場及連續(xù)性差異介質(zhì)等環(huán)境中的敏感性、斷裂與分離機制及調(diào)控途徑的研究。(3)完成堿一尿素水體系、無機-有機體系、離子液體等新型纖維素溶劑體系及溶解規(guī)律與調(diào)控機制的研究完成纖維素分子間氫鍵及其破壞規(guī)律建立聚集態(tài)結(jié)構(gòu)新的表征方法的研究完成大宗纖維素材料的新型綠色合成方法的研究。⑷完成環(huán)境友好型、溫和條件下H2O2/OH-分離半纖維素機制及半纖維素在不同離子液體/溶劑中的全溶機理；完成不同濃度的硫酸銨溶⑴解析生物質(zhì)細胞壁超微結(jié)構(gòu)，闡明纖維素、半纖維和木質(zhì)素在細胞壁的空間分布；⑵掌握生物質(zhì)組分間結(jié)合鍵在不同介質(zhì)環(huán)境中的敏感性、斷裂與分離規(guī)律及調(diào)控途徑；⑶建立新型纖維素溶劑體系并掌握其溶解規(guī)律和調(diào)控機制闡明纖維素分子間氫鍵鍵合及其聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)建立大宗纖維素材料新型綠色合成方法；(4)闡明H2O2/OH-X有機溶劑與離子液體分離半纖維素機理及建立半纖維素純化均化體系；⑸掌握木質(zhì)素超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，闡明木質(zhì)素功能性表達及功能化調(diào)控機制，揭示木質(zhì)素氧化、羥甲基、磺化反應(yīng)機理及建立產(chǎn)物在溶液中構(gòu)型模型；⑹揭示伴生產(chǎn)物低溫?zé)峤膺^程

研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)液、醇溶液、I2-KI溶液和DEAE-纖維素柱分級純化均化半纖維素的研究。(5)完成課題2所建立的分離體系得到的木質(zhì)素超分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律完成木質(zhì)素的主要功能特性表達及功能化途徑、反應(yīng)位點與調(diào)控機制；完成木質(zhì)素氧化、羥甲基、磺化反應(yīng)機理及產(chǎn)物在溶液中構(gòu)型模型的研究。⑹完成伴生產(chǎn)物低溫?zé)峤膺^程中多相流動力學(xué)、傳質(zhì)傳熱規(guī)律與化學(xué)反應(yīng)機理的研究完成廢液中殘余物及低溫氣化過程中污染物的調(diào)控和脫除。中傳熱、傳質(zhì)、多相流動力學(xué)規(guī)律，探索出廢液中殘余物及低溫氣化過程中污染物的調(diào)控和脫出途徑。⑺發(fā)表SCI收錄論文40篇以上，申請專利5-8項。

研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第年⑴完成纖維素、半纖維素和木質(zhì)素空間構(gòu)型研究如木質(zhì)素在細胞壁各層的存在形式以及分布規(guī)律、各組分內(nèi)化合鍵的連接類型等。(2)完成氧基(H2O2/OH-)、低壓爆破、有機溶劑和離子液體等分離體系清潔溫和分離機制和調(diào)控途徑的研究完成生物質(zhì)氧基化學(xué)制漿機理研究。⑶完成纖維素溶解度和溶液穩(wěn)定性的因素調(diào)控及纖維素溶液流變行為的研究完成纖維素在新溶劑體系下與其它高分子共混制備再生纖維素復(fù)合微球、膜、纖維材料的研究及纖維素納米復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的尺度效應(yīng)的研究。(4)完成各種分離方法得到的半纖維素結(jié)構(gòu)鑒定及半纖維素與木質(zhì)素之間的鍵合機制的研究，完成不同溫度、濃度下半纖維素溶劑體系的溶解形態(tài)和流變特性的研究。(1)闡明纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的空間構(gòu)型。⑵建立生物質(zhì)清潔溫和分離體系。(3)揭示纖維素溶劑體系的流變行為和穩(wěn)定性及調(diào)控途徑，制備出1-2種纖維素復(fù)合/納米材料并闡明其構(gòu)效關(guān)系。⑷鑒定出分離出的半纖維素結(jié)構(gòu)并闡明與木質(zhì)素之間的鍵合機制，掌握半纖維素溶劑體系的流變特性及調(diào)控途徑。⑸揭示不同交聯(lián)法對接聚物化學(xué)、凝膠態(tài)結(jié)構(gòu)以及性能影響規(guī)律，探索出木質(zhì)素水熱催化裂解產(chǎn)生苯酚的途徑與方法，闡明生物質(zhì)轉(zhuǎn)化伴生產(chǎn)物的催化氧化反應(yīng)特性及建立選擇性制氫的催化劑體系掌握木質(zhì)素基高分子表面活性劑對水泥漿體系分散降粘性能的影響規(guī)律。⑹在磁場誘導(dǎo)下生物質(zhì)焦炭高

研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)⑸完成不同交聯(lián)法對接枝共聚物化學(xué)、凝膠態(tài)結(jié)構(gòu)以及性能影響的研究完成木質(zhì)素水熱催化裂解產(chǎn)生苯酚的途徑與方法的研究完成生物質(zhì)轉(zhuǎn)化伴生產(chǎn)物的催化氧化反應(yīng)特性及選擇性制氫的催化劑體系的研究完成木質(zhì)素基高分子表面活性劑對水泥漿體系分散降粘性能的影響規(guī)律的研究。⑹完成磁場誘導(dǎo)下生物