树木替代石油?可再生资源的进一步利用

我们生活的世界,空间和资源都非常有限。随着人口的不断增长,资源的消耗也随之增加。相信最近大家也感受到了,由于受「新冠病毒」疫情的影响,像「口罩」、「医用酒精」、「消毒液」等物资一度面临供不应求的局面。这个时候,我们才真正体会到了资源丰富与否给我们生活带来的影响有多大。

不论是口罩还是医用酒精,这些商品都是由不同的原材料加工制造的。原材料可以来自「石油」、「植物」或是「矿石」等。这些原材料经过一系列加工、处理,变成货架上的商品,供人们使用。

树木替代石油?可再生资源的进一步利用
石油开采。图源: Pixabay

有些原材料,经过漫长的岁月沉淀,最终才为人类所用,例如「石油」。我们一般认为它属于「不可再生资源」。这就意味着,从人类的时间尺度上来讲,一旦石油消耗殆尽,便再也无法开采到它们了。

可喜的是,有一类原材料,即使人们不断地取用,它们也可以进行自然或人工干预地更新,这样的资源就属于「可再生资源」,比如说制造纸张和木器的原材料——树木。虽说树木被砍伐之后,可以再种植新苗,但是如果我们不注意环境保护,亦或是砍伐的数量远超过种植,那么总有一天树木也会被人类耗尽。到那时,或许纸质书籍只会出现在博物馆中了。

树木替代石油?可再生资源的进一步利用
树木属于可再生资源。图源: Pixabay

其实,人们早已预料到了有限的资源带给我们的未来很可能不堪入目,所以科学家们早已行动起来,去探索如何将「可再生资源」的利用做到最大限度。

机遇与挑战并存。

开发「可再生资源」,需要用微观的视角去理解组成这些资源的各类物质,对这些物质进行必要的「解构」与「重构」,让它们变成我们心目中的样子。

就拿树木来说,如果我们希望它们不仅仅是纸张、桌椅的原材料,而是其他更多产品的原材料。其中一种可行的途径,就是对其中的「木质素」进行「解构」与「重构」。

木质素,是一种由四种醇单体(对香豆素、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物,与纤维素、半纤维素一起,形成植物骨架的主要成分,起抗压作用。在木本植物中,木质素占25%,储量仅次于纤维素。——《化学辞典》周公度 主编

上面所说的对香豆素、松柏醇等物质均由微观的分子组成,相应的分子由一个或几个原子通过化学键结合在一起。对这些物质进行「重构」,从化学的角度来讲,就是要从组成这些物质的分子中「提取」有用的部分,重新结合成新的分子,而这些新的分子将会组成新的产品。

对分子进行这些操作,会同时面临两种主要的挑战——如何获取足够的能量切断化学键,以及如何精确地切断或连接目标化学键。

打个比方,想象在飞镖运动中,最理想的结果就是让飞镖扎入飞镖盘的红心区。这不仅需要有足够且刚刚好的力度使飞镖扎进飞镖盘,同时还要完美地控制飞镖的方向。

树木替代石油?可再生资源的进一步利用
力度与精度的完美协同。图中右方是一种木脂素(Lignan)的化学结构式,其中每一条短直线都代表一根化学键。原图来源: Pixabay;图片创意: SciTeller

由于木质素结构复杂,且其中的化学键相对稳定,精确打断目标化学键具有一定的难度。这正是以木材为原材料,来加工制造其他产品的难点所在。

令人振奋的是,这种情况有了很大的改善。一个比利时的科学家团队近期在《科学》期刊上发表研究论文,讨论了他们建立的一种新化学工艺。该工艺不仅可以分解木质素,还可以从桦树中生产苯酚、丙烯。而这两种物质,则都是石油化学产品。

树木替代石油?可再生资源的进一步利用
新开发的化学工艺流程示意图。原图来源:《科学》;图片翻译: SciTeller

当前,该团队科学家们正在尝试实现该工艺的工业化生产。换句话说,他们的这项进展,或许能够让我们在不久的将来,使用树木替代石油,生产出石油化学产品。

这项工艺所带来的另一个好处是,二氧化碳的排放量相较于使用石油的工艺来说大大降低了,从而对减缓全球气候变暖具有重要意义。

小知识:

原子 (Atom)

由一个原子核和若干个核外电子形成的体系,是构成化学元素的基本单元,是化学变化中的最小微粒。

分子 (Molecule)

物质中独立地、相对稳定地存在并保持其组成和特性的最小微粒,是参与化学反应的基本单元。分子由一个或几个原子通过化学键结合而成。

化学键 (Chemical Bond)

广义地说,化学键是将原子结合成物质世界的作用力。狭义地说,化学键是指分子或晶体中两个或多个原子之间的强相互作用。

参考文献:

    1. Yuhe Liao et al. A sustainable wood biorefinery for low–carbon footprint chemicals production. Science, 2020, 367, 1385-1390.
    2. Tom Renders et al. Reductive catalytic fractionation: state of the art of the lignin-first biorefiner. Current Opinion in Biotechnology, 2019, 56, 193-201.
    3. IUPAC-Gold Book
    4. 《化学辞典》 周公度 主编

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