美国国家再生能源实验室尝试利用玉米秸秆生产碳纤维

    “上世纪初,人类还未曾像今日一般大规模使用化工原料,”Karp解释说,“那时,石化行业还未发展起来。科学家们不得不从那些更易于到手的材料中寻求方法和道路,这其中当然包括天然作物。”

       然而,当石化行业开始走上发展的快车道之后,很多先前提出的技术和思路都被迅速抛之脑后。特别是在上世纪四五十年代,石化行业基本发展成熟之后,之前的技术思路也差不多被忘干净了。现如今,直到再生技术重新回到人们的视野,那些尘封的旧案才得以重见天日。

       正是借鉴了前人的著述,Karp和他的团队成功地从生物资源中提取出50克丙烯腈,完成了这个由美国能源部赞助项目的第一阶段。根据项目第二阶段的要求,该团队将尝试提取50千克丙烯腈,将其转化成碳纤维,并进行测试。

       “碳纤维是一种神奇的轻质材料。”Karp表示说,“想想吧,如果把一辆车中所有钢铁和铝料都换成碳纤维,在现有发动机技术条件下,一加仑汽油便可以跑足60公里。”

       新工艺的开发

       如今,全球丙烯腈年产量达到7千万吨,其中大多数被加工成丙烯腈纤维,用于生产服装面料和地毯。然而,利用石油资源制备丙烯腈的方法能耗极大,而且会产生有毒的副产品氢氰酸。美国能源部一直在寻找一种更加清洁的替代方法,一种不受石油价格波动影响、而且成本低到可以实现规模量产的新工艺(小于1美元/磅)。

       “我们一共提出了六种利用生物资源制备丙烯腈的工艺。”国家再生能源实验室高级研究人员Gregg Beckham在提交给国家能源部申请资金支持的报告中写到。他还提议设立由国家再生能源实验室领导的再生碳纤维联盟。他们对六种工艺中的三种进行了测试,包括一种他们称之为”Nitrilation“的新催化工艺。

       这种新工艺的丙烯腈产出率达到98%,而通常的石化炼制法只能达到80%-83%。据此,国家能源部建议暂时将余下的三种工艺技术束之高阁,留与后人。

       据称,Nitrilation工艺可以配合不同的生物资源使用。在项目第一阶段,国家再生能源实验室采用的是玉米秸秆。玉米秸秆中所含的糖分经微生物作用生成3-羟基丙酸,再经过后续步骤转化成丙烯腈。

       “这个过程中,我们替换了所用菌株的个别基因。因为在自然条件下,它们原本并不会生产3-羟基丙酸,”负责该项目生物部分研究员Sànchez i Nogué表示说。在项目进行的第二阶段,Cargill公司将介入并完成碳纤维的大量制备。因为他们掌握着工业量产级别的菌株,生产3-羟基丙酸的效率比我们实验室中的高多了。”

       作为再生碳纤维联盟的成员单位,Cargill和其他公司在项目继续推进的过程中扮演着至关重要的角色。西弗吉尼亚州非盈利研究机构MATRIC负责将Cargill生产的3-羟基丙酸转化成丙烯腈。接着,一家葡萄牙公司将丙烯腈转化为碳纤维并交付给福特汽车。福特汽车负责生产碳纤维复合材料部件,并将其与通过传统工艺生产的部件进行对比。

       “我非常期待看到这种新工艺最终付诸工业生产的那一天。”Karp表示说。

        严格的进度表

       “这个项目实施起来并不容易,”Karp补充说道,“我们制定了严格的进度表。我们必须在项目启动的六个月之内还原百年前论文中阐述的方法,我们已经做到了。接下来,我们将要向世人展示我们的新工艺。”

       “与传统石化炼制法大相径庭的是,新的Nitrilation工艺在生成丙烯腈的同时,还会生成副产品水和乙醇,乙醇可以回收利用。”另外,Nitrilation工艺使用的催化剂更加简单,可以将生产成本降低三分之二。

       通过这种生物资源方法制备的丙烯腈是否能够最终满足工业量产的要求,还要看福特公司最终的测试结果。“但是,如果我们将其用来制造飞机,还足够安全吗?如果用来生产汽车,足够安全吗?如果仅仅是用来生产高尔夫球杆,那么我们还花精力去研究工业量产技术做什么?”

       随着进度表的推进,相信不久我们便会找到这些问题的答案。