生物質(zhì)能的概念在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的滲透

彭志遠(yuǎn)

(吉首大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

生物質(zhì)能的概念在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的滲透

彭志遠(yuǎn)

(吉首大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首 416000)

隨著化石資源的枯竭，環(huán)境問(wèn)題變得日益嚴(yán)重，生物質(zhì)替代化石資源發(fā)展化學(xué)工業(yè)是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中，有意識(shí)地導(dǎo)入生物質(zhì)能源的概念，使學(xué)生及早接受生物質(zhì)能源的觀(guān)念和知識(shí)，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。

生物質(zhì)能；教學(xué)；有機(jī)化學(xué)

化石資源不可再生, 加上化石產(chǎn)品會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染鑒于資源與環(huán)境的壓力迫使人們尋找新型的可再生資源。生物質(zhì)能，又稱(chēng)“綠色能源”，是指通過(guò)綠色植物的光合作用將太陽(yáng)輻射的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并貯存在生物質(zhì)內(nèi)的能源。它具有分布廣泛、可再生性強(qiáng)、低污染等特點(diǎn)，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，是唯一可再生的碳源。目前，生物質(zhì)資源被認(rèn)為是替代化石資源的最佳選擇，以生物質(zhì)替代化石資源發(fā)展化學(xué)工業(yè)是人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)主要有液化，氣化、熱解等物理化學(xué)技術(shù)[1]。在教學(xué)中，圍繞生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化及可持續(xù)發(fā)展的理念，有意識(shí)地在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中導(dǎo)入生物質(zhì)能源的概念，使學(xué)生在潛移默化中接受生物質(zhì)能源的觀(guān)念和知識(shí)，了解環(huán)境日益惡化的現(xiàn)狀和探討相應(yīng)的解決措施，具有十分重要的意義。

1 生物質(zhì)能與烷烴的教學(xué)

甲烷是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的碳?xì)浠衔铩V泛存在于天然氣、沼氣、煤礦坑井氣之中，是優(yōu)質(zhì)氣體燃料，也是制造合成氣和許多化工產(chǎn)品的重要原料。生物質(zhì)是產(chǎn)生生物甲烷，替代天然氣的寶貴資源。將生物質(zhì)質(zhì)放入沼氣池中，控制好溫度和濕度，甲烷菌迅速繁殖，將有機(jī)質(zhì)分解成甲烷、二氧化碳、氫、硫化氫、一氧化碳等，其中甲烷占60%～70%。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的提純過(guò)程，包括H2S 除雜、CO2分離和壓縮等階段，能達(dá)到天然氣質(zhì)量要求注入管網(wǎng)。長(zhǎng)鏈烷烴組成的航空燃油是當(dāng)今能源的重要組成部分，其生產(chǎn)主要依賴(lài)于不可再生的化石能源。以纖維素類(lèi)生物質(zhì)為原料，經(jīng)水解/脫水制取生物質(zhì)平臺(tái)化合物、再經(jīng)過(guò)碳鏈增長(zhǎng)、低溫加氫和高溫加氫脫氧4 步可制備出航空燃油碳鏈范圍的長(zhǎng)鏈烷烴[2]。

2 生物質(zhì)能與芳烴的教學(xué)

芳香烴簡(jiǎn)稱(chēng)芳烴，為苯及其衍生物的總稱(chēng)，是指分子結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)或者多個(gè)苯環(huán)的烴類(lèi)化合物。最簡(jiǎn)單和最重要的芳香烴是苯及其同系物甲苯、二甲苯、乙苯等。輕質(zhì)芳烴苯、甲苯、二甲苯和萘(BTXN)是有機(jī)化工的基本原料, 廣泛應(yīng)用于塑料、農(nóng)藥、醫(yī)藥和燃料等行業(yè)。目前BTXN 的主要來(lái)源為煤和石油等化石燃料, 但是煤和石油儲(chǔ)量有限, 而且在使用過(guò)程中產(chǎn)生的大量SOx和NOx等氣體會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境,日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題已使人們認(rèn)識(shí)到開(kāi)發(fā)可再生替代能源的重要性和緊迫性。以固態(tài)生物質(zhì)(如木質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品、海洋植物、代謝廢料、纖維廢料等)為起始原料，將其加熱分解產(chǎn)生熱解產(chǎn)品(揮發(fā)有機(jī)物)，在催化劑的作用下，經(jīng)脫氫、脫羰、脫羧、異構(gòu)化、聚合等一系列復(fù)雜反應(yīng)，可獲得苯、甲苯、萘、二甲苯、烯烴等產(chǎn)品[3]。

3 生物質(zhì)能與醛的教學(xué)

醛是醛基(-CHO)和烴基(或氫原子)連接而成的化合物。糠醛是一種工業(yè)用化學(xué)制品，可由各種農(nóng)副產(chǎn)品中萃取，包括玉米穗軸、燕麥與小麥的麥麩和鋸木屑。用作有機(jī)合成的原料，也用于合成樹(shù)脂、清漆、農(nóng)藥、醫(yī)藥、橡膠和涂料等。目前為止，糠醛只能通過(guò)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)，生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成，其中半纖維素是生產(chǎn)糠醛的直接原料。生產(chǎn)糠醛的基本原理是半纖維素在酸和水的作用下發(fā)生水解生成戊糖，而后木糖經(jīng)過(guò)異構(gòu)化作用和連續(xù)三步脫水反應(yīng)生成糠醛；5-羥甲基糠醛作為一種很好的平臺(tái)化合物，可以廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、合成樹(shù)脂類(lèi)塑料和柴油燃料添加物。生物質(zhì)(多糖)在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化為己糖(葡萄糖或果糖)。其中，葡萄糖可以通過(guò)異構(gòu)作用轉(zhuǎn)化成果糖，進(jìn)一步，果糖在酸性催化劑的作用下生成特定的中間體，中間體通過(guò)多步脫水生成5-羥甲基糠醛[4]。

4 生物質(zhì)能與醇的教學(xué)

醇是脂肪烴、脂環(huán)烴或芳香烴側(cè)鏈中的氫原子被羥基取代而成的化合物。

甲醇是一類(lèi)非常重要的化工原材料, 它既可作為燃料直接燃燒, 也可作為基本化學(xué)原料來(lái)合成其他的化合物如表面活性劑、酯、醚、醛、酸、醇及聚合物。生物質(zhì)通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程可以大量地得到小分子有機(jī)化合物如甲烷、一氧化碳、氫氣及烯烴等。如果通過(guò)轉(zhuǎn)化條件的控制, 如生物質(zhì)的定向轉(zhuǎn)化, 則可以得到組成主要是一氧化碳與氫氣的合成氣, 合成氣在一定的條件下通過(guò)重整反應(yīng)可以轉(zhuǎn)化為甲醇。

乙醇(俗稱(chēng)酒精) 是一種重要的工業(yè)原料, 廣泛應(yīng)用于化工、食品、飲料工業(yè)、軍工、日用化工和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域, 并且乙醇作為一種優(yōu)良的燃料,可以提高燃油品質(zhì)。生物質(zhì)如糖、淀粉和纖維素可以通過(guò)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇。醇可以根據(jù)分子中所含羥基的數(shù)目來(lái)分類(lèi)。含一個(gè)羥基的稱(chēng)為一元醇，含兩個(gè)羥基的稱(chēng)為二元醇，二元以上的醇統(tǒng)稱(chēng)為多元醇。淀粉含有大量的極性基團(tuán)-OH，理論上可制備多元醇[5]。黃元波等用玉米淀粉為原料，聚乙醇400為溶解，在硫酸催化下制備了羥值為447.00 mg·g-1的多元醇[6]。植物纖維最主要的化學(xué)成分是纖維素和半纖維素, 其中纖維素分子鏈上存在大量高反應(yīng)性的羥基, 具有多種化學(xué)反應(yīng)性能, 可作為制備生物質(zhì)多元醇的原料。劉娟娟等在硫酸的催化作用下, 甘蔗渣在聚乙二醇和甘油的混合溶劑中能被液化成生物質(zhì)多元醇,可以作為制備聚氨酯硬泡的多元醇組分[7]。

目前，生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化的精細(xì)化工產(chǎn)品可達(dá)100 多種，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)可轉(zhuǎn)化的精細(xì)化工產(chǎn)品將會(huì)越來(lái)越多。在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中,圍繞生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化及可持續(xù)發(fā)展的理念，有意識(shí)地在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中導(dǎo)入生物質(zhì)能源的概念，對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有十分重要的意義。

[1] 雷學(xué)軍，羅梅健.生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)及資源綜合開(kāi)發(fā)利用研究[J].中國(guó)能源,2010,32(1):22-28.

[2] 蔡熾柳,劉琪英,王鐵軍,等.木質(zhì)生物質(zhì)平臺(tái)化合物催化轉(zhuǎn)化制備長(zhǎng)鏈烷烴的反應(yīng)路徑與催化劑研究進(jìn)展[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2015,35(6):153-162.

[3] 王 昶,郝慶蘭,盧定強(qiáng),等.生物質(zhì)催化熱解制取輕質(zhì)芳烴[J].催化學(xué)報(bào),2008,29(9):907-912.

[4] 歐陽(yáng)洪生,肖竹錢(qián),蔣成君,等.生物質(zhì)基平臺(tái)化合物糠醛的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2014,10(10):1903-1907.

[5] 傅真慧,羅發(fā)興,羅志剛.生物質(zhì)多元醇的研究進(jìn)展[J].化學(xué)與生物工程，2008,25(11):4-7.

[6] 黃元波,鄭云武,鄭志鋒,等.玉米淀粉多元醇液化工藝研究[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(1):72-73.

[7] 劉娟娟,諶凡更.由甘蔗渣制備用于聚氨酯生產(chǎn)的多元醇的研究[J].造紙科學(xué)與技術(shù),2009,28(6):94-98.

(本文文獻(xiàn)格式：彭志遠(yuǎn).生物質(zhì)能的概念在有機(jī)化學(xué)教學(xué)中的滲透[J].山東化工,2017,46(3):111,114.)

Penetration of the Concept of Biomass Energy in Organic Chemistry Education

PengZhiyuan

(College of Chemical Engineering,Jishou University,Jishou,416000,China)

It is the path to the sustainable development of human that biomass replace fossil resources for the development of chemical industry with the exhaustion of fossil resources and the serious environmental problem. In the organic chemistry education,it is of great significance to enhance students' learning interest and cultivate the innovative talents that the concept of biomass energy and knowledge are accepted by the student when the concept of biomass energy is consciously imported into class.

biomass energy;teaching;organic chemistry

2016-12-19

吉首大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目

彭志遠(yuǎn)(1973—)，男, 湖南雙峰人, 博士, 副教授, 主要從事有機(jī)化學(xué)的教學(xué)與研究工作。

G642. 0

B

1008-021X(2017)03-0111-01