生物质化工与生物质材料复习重点

生物质化工与生物质材料
复习资料
第一章 生物质化工及材料概述
1、资源定义:微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
狭义的资源：仅指自然资源
 联合国环境规划署（UNEP）的资源定义：“所谓自然资源，是指在一
定时间、地点的条件下能够产生经济价值的、以提高人类当前和将来福利的自然环境因素和条件的总称”。
 包括太阳能、土地、水、大气、岩石、矿物、森林、草地、矿产、
海洋、生态系统的环境机能、地球物理化学的循环机能等。
2、自然资源分类：可耗竭资源、可更新/可再生资源
1）可耗竭资源分为：可回收的可耗竭资源、不可回收的可耗竭资源。
2）可更新/可再生资源分为：可更新商品性资源、可更新公共物品资源。
3、公共物品的可更新资源的非专有性：
 属于公共物品的可更新资源是非专有的，非专有性是财产权的一种减弱，它将导致低效率。
 这种配制的结果是可更新资源过度开发，以及在管理、保护和提高生产能力方面投资不足 。
4、自然资源蕴藏量的几个概念
1）已探明储量：已探明储量是利用现有的技术条件、资源位置、数量和质量可以得到明确证实的储量。分为：（1）采储量；（2）待开采储量：
2）未探明储量：未探明储量是指目前尚未探明但可以根据科学理论推测其存在或应当存在的资源，分为：（1）推测存在的储量；（2）应当存在的资源。
3）资源蕴藏量：资源蕴藏量等于已探明储量与未探明储量之和，是指地球上所有资源储量的总和。
5、自然界物质循环中，碳循环、氮循环、氧循环是三个最重要的循环。
 在自然环境内，碳的循环主要是通过二氧化碳来进行的。
 氮的循环是通过各种价态氮化合物组成复杂的途径。
 由于氧在自然界中有巨大的含量及其活泼性的特征，致使环境中无处无氧（游离态或化合态），所以氧在自然界中的循环是非常复杂的。
6、材料定义： 指具有一定结构、组分和性能，具有一定用途的物质。
7、生物质定义：由光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物、林产废弃物、海产物 (各种海草 )和城市废弃物 (报纸、天然纤维 )等。
生物质资源的特点：
① 无毒、价廉；微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
② 可收获又能再生、永不枯竭；
③ 具有生物可降解特性；
④ 污染小，符合环境保护及人身安全等法规。
8、生物质化学化工：以生物质资源为原材料发展起来的化学化工。
生物质转化为各种化学品的几大途径：
 生物质热化学转化，如直接液化、热解、气化等。
 通过热解或液化得到的生物质油为原料合成化学品和燃料等。
 生物质制氢，如生物法、热化学法等。
 生物质化学水解得木质素及糖类，再进一步化学转化成各种有机化合物。
9、生物质材料定义：指由动物、植物及微生物等生命体衍生得到的材料，主要由有机高分子物质组成，在化学成分上生物质材料主要由碳、氢和氧三种元素组成。
生物质材料分类：
 按来源分
①植物基生物质材料 ：纤维素、木质素、半纤维素、淀粉、植物蛋白、果胶、木聚糖、魔芋葡甘聚糖、果阿胶、鹿角菜胶等
②动物基生物质材料 ：甲壳素、壳聚糖、动物蛋白、透明质酸、紫虫胶、丝素蛋白、核酸、磷脂等
③微生物基生物基材料：出芽霉聚糖、凝胶多糖、黄原胶、聚羟基烷酸酯、聚氨基酸等
 按组分分
①均质生物质材料 ：所谓的均质指每个生物质材料分子都具有相同或者相似的化学结构组分
②复合生物质材料：所谓复合指材料中同时含有两种以上结构单元组成不同的分子，它是一种混合物或者复合体，例如木材、作物秸秆、树皮、皮、毛等。
均质生物质材料生物质材料共聚型生物质材料：半纤维素、海藻酸钠、黄胶原、魔芋葡甘聚糖等
复合生物质材料：木材、作物秸秆、树皮、皮、毛等 均聚型生物质材料：纤维素、木聚糖、淀粉、甲壳素、壳聚糖等
 按照所含的化学结构单元分类：①多糖类；②蛋白质类；③核酸；④脂类；⑤酚类；⑥聚氨基酸；⑦综合类。
10、生物质材料的特征：
1）都含有碳、氢和氧三种元素，部分生物质材料还可能含有氮、硫或者钠等元素，因此生物质材料归属于有机高分子材料，具有有机物和高分子的一般特性特征微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
2）种类多、分布广、储量丰富。
3）与合成高分子材料相比，都具有较好的生物降解性.
4）资源丰富，可再生。
5）生物质材料能够进行与功能基相关的聚合物化学反应。
6）水分对生物质材料的性能影响明显
7）通常是多组分伴生
8）结构和性能变异大
11、生物质材料的应用途径：
1）将自然界的生物质直接利用制成材料；
2）对生物质原料进行化学改性，主要包括衍生化、接枝、交联等，以提高生物质材料的性能；
3）复合或共混以提高材料的综合性能和降低成本；
4）将生物质资源转化成小分子化工原料，建立生物质材料的原料平台。
第二章生物质化工技术
12、生物质的热化学能转化形式：直接燃烧、热解、液化和气化。
13、生物质燃烧过程分两个独立阶段：
 挥发分的析出、燃烧
 残余焦炭的燃烧、燃尽
14、生物质热解（裂解或热裂解）：是指在隔绝空气或通入少量空气的条件下，利用热能切断生物质大分子中的化学键，使之转变为低分子物质的过程。 生物质热解的主要产物：液态生物油、可燃气体、固体生物质炭
 低温慢速热裂解（小于500℃），产物以木炭为主；
 中温热裂解（500-650℃），产物以生物油为主；
 高温闪速热裂解（700-1100℃），产物以可燃气体为主微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
15、生物质的热裂解过程可分为三个阶段：
 脱水阶段：室温-100℃，仅发生物理变化，失去水分。
 裂解阶段：100 -380℃，生物质在缺氧条件下受热分解，并温度的不断升高，各种挥发物相继析出，生物质原料大部分质量损失。
 炭化阶段：>400℃，分解过程缓慢，产生的质量损失比裂解阶段小得多，常认为是C-C键和C-H键的进一步裂解。
16、生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物及一些可溶于极性或弱极性溶剂的提取物组成。
生物质的三种主要组成物常被假设为独立进行热分解的：
 纤维素：325-375℃分解，主要产生挥发性物质
 半纤维素： 225-350℃分解，主要产生挥发性物质
 木质素： 250-500℃分解，主要分解为炭
17、根据生物质热解时的加热速率和完成反应所用的时间，生物质热解一般分为慢速热解、常规热解、快速热解三种类型。
 慢速热解又称干馏工艺，是一种以生成木炭为目的的炭化过程。
 常规热解又称传统热解，是指生物质在低于700℃、较低加热速率（10-100 ℃ /min）、停留时间（0.5-5s）条件下的裂解过程。裂解产物多为原料重量20%-25%的生物炭，10%-20%的生物油和一定量的气体产物。
 快速热解，是采用中等反应温度（400-550℃）、较短停留时间（1s内），无氧条件下高速升温（103-104℃/s）对生物质进行瞬间气化，然后快速凝结成液体，可获得最大限度的液体产率（>85%），仅有少量的气体和炭生成。
18、生物质液化技术类型：微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
 生物化学液化法
主要采用水解、发酵等手段将生物质转化成一些液体燃料，现主要用于燃料乙醇的生产。
 热化学液化法
主要采用热解转化、高压催化转化等化学方法将生物质转化成液体产品。 根据液化原理不同，可分为:快速裂解液化、高压液化
19、生物质气化是指生物质原料压制成型或经简单的破碎加工处理后，送入气化炉中，在高温条件下进行气化裂解，得到小分子可燃气体，并进行净化处理而获得产品气的过程。
20、生物质气化基本原理：在一定的热力学条件下，生物质原料在气化炉中与气化剂（空气、氧气和水蒸气）作用，使生物质中的高聚物发生热解、氧化、还原、重整等反应，其中热解产生的焦油和炭进一步热裂解或催化裂解，生成小分子碳氢化合物，得到CO、H2、CH4等气体。
21、生物质气化技术分类
 根据燃气生产机理可分为：热解气化、反应性气化
反应性气化可用的气化剂有空气、水蒸汽、氧气、氢气、和这些混合气体等。
22、生物质气化工艺主要有四大系统组成：进料系统、气化反应系统、气体净化系统和气体处理系统。
主要的气化工艺：固定床气化工艺、流化床气化工艺
第三章 生物质制氢及相关技术
23、生物质制氢方法：生物法、热化学转化法
24、生物质热转化制氢是指将生物质通过加热化学反应转化为富氢气体。
传统的热化学制氢过程包括：生物质原料的裂解、热解产物的气化、焦油等大分子烃类物质的催化裂解。
25、生物质气化制氢的产品气组成为：H2、CO、CO2和CH4等，同时产生焦油、炭
等。
以氢气或富氢气体为目的的生物质气化工艺较多以水蒸汽为气化剂微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top。
26、生物质催化气化制氢是指将预处理过的生物质在气化剂（空气、纯氧、水蒸汽或其混合气）中加热至700℃以上，将生物质分解转化为富含氢气的合成气，再进行催化转化得到含更多氢气的新合成气，再经分离获得氢气。
生物质催化气化制氢分三个过程：生物质气化过程、合成气催化变换过程、氢气分离和净化过程。
27、生物质热裂解制氢是对生物质进行间接加热，使其分解为可燃气体和烃类物质（焦油），然后对热解产物进行第二次催化裂解，使烃类物质继续裂解以增加气体中的氢含量，再经变换反应产生更多的氢气，再进行气体的分离提纯。 技术优点：
 过程中不加入空气，避免了氮气的稀释，提高了气体能流密度，降低了分离难度，减少了设备体积和造价；
 生物质在常压下热解和二次裂解，避免了苛刻条件；
 以生物质原料自身能量平衡为基础，不需额外的工艺热量；
 较广的原料适应性。
28、光催化：是一种在催化剂存在下的光化学反应,是光化学与催化剂的有机结合。
 常见的光催化剂多为金属氧化物和硫化物半导体，如TiO2, ZnO,CdS,WO3等，其中TiO2的综合性能最好，应用最广。
光催化重整生物质制氢技术中，重整反应是指在水中加入甲醇、乙醇、葡萄糖等有机物，使其参与到光催化反应中。重整反应可极大地提高光催化产氢的效率。
第四章 生物质新能源的制备
29、生物质能被公认为最重要的一种替代能源，可转化成常规的固体、液态和
气态燃料，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。
30、乙醇汽油：是指在不添加含氧化合物的液体烃类中加入一定量变性燃料乙醇后用作点燃式内燃机的燃料。
 根据乙醇加入的体积，标识为“E体积量”（汽油牌号），如添加10%
乙醇的90号汽油，称为E10(90)
31、乙醇汽油的缺点：
 汽车冷启动困难，因醇类蒸发潜热大，低温时蒸发性差；
 变性燃料乙醇对有色金属材料有腐蚀性，需研发金属腐蚀抑制剂；  乙醇汽油与邮箱底水互溶，易打不着火；
 乙醛、甲醛排放有所增加。微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
32、乙醇的生产方法：发酵法、化学合成法
33、乙醇发酵法主要包括糖质作物和淀粉质作物的直接发酵，及木质素纤维原料的水解/发酵等。生物质发酵制取燃料乙醇的原料有三种：糖原料、淀粉原料和纤维原料。
木质纤维素类生物质的主要组分半纤维素和纤维素，分别是由杂多糖和葡萄糖组成的多糖，以发酵法制乙醇一般包括三步：
 可发酵糖的生成；
 糖发酵成乙醇
 乙醇的分离提纯

34、乙醇发酵法中生物质水解是指在一定温度和催化剂作用下，使木质纤维素类生物质中的纤维素和半纤维素加水分解（糖化）成为单糖（己糖和戊糖）的过程。
生物质水解常用的催化剂：无机酸和纤维素酶。常用的无机酸有硫酸或盐酸。
35、生物质合成燃料甲醇技术总体分为两部分：
1、生物质热气化制生物质气及合成气；
2、合成气在一定压力换热温度下催化合成燃料甲醇。
36、生物质合成甲醇的技术路线主要有三种：
 利用氧气/水蒸汽为气化剂，采用加压流化床气化炉将生物质气化制生物质气及合成气，经净化、CO转化、CO/H2的比例调整，及CO2
和H2S等的脱除，再合成甲醇；
 生物质在加氢气化炉中气化，再经水蒸汽变换过程形成CO和H2，
作为甲醇的原料。
 生物质气化后的气体不经过水蒸汽变化而直接合成甲醇，未反应
的气体进行联合循环发电。
37、解决生物质气化合成甲醇气中碳过剩和氢不足不能满足合成甲醇的要求，有两种技术路线：
 调节气体比例：向系统供应蒸汽或从外部供应氢气。
 降低甲醇的转化率，以生物质气化为核心的多联产能源系统——利用气化炉产生的原料进行甲醇、燃气、热能和电能的联合生产。
38、甲醇合成方法：低压法、中压法和高压法
39、生物柴油：凡是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、废餐饮油等为原料，通过特定的生产工艺制成的甲酯或乙酯燃料。
40、生物油：生物质经过热裂解析出的挥发组分被快速冷凝后可得到易储存、易运输、能量密度高且使用方便的液体燃料。
41、生物油的主要元素组成：C、H、O及少量的N、S和金属元素。
42、生物油催化裂解：在催化剂的作用下，将生物油进一步裂解成较小的分子，其中氧元素以H2O、CO、CO2的形式除去。采用的催化剂有沸石类催化剂（主要为微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
ZSM-5）；介孔类催化剂。
43、生物油催化加氢：在一定氢压（7-20MPa）或存在供氢溶剂的条件下，对生物油进行加氢处理，其中氧元素以H2O的形式除去。
与催化裂解相比：
 催化加氢运行费用高；
 但产物产率较高，产物的H/C较高，品质较好。
44、生物油添加助剂：在生物油中添加与生物油互溶的助剂是目前改善生物油品质最为简单和有效的方法。常用的助剂：甲醇、乙醇。
第五章 生物质制备平台化合物
45、平台化合物：是指那些来源丰富、价格低廉、用途众多的一类基本有机化合物，如：甲烷、乙烯、苯等。
第六章 生物合成聚合物及应用
46、生物聚合物除具有化学合成的高分子相似的性质外，更具有生物兼容性和生物可降解特性等生物学特性。
目前研究较全面的两大类生物合成聚合物：聚羟基脂肪酸酯和聚氨基酸
47、聚羟基脂肪酸酯在生物学特征是作为碳源储存物质；蓝细菌肽（ ε- PL）在生物学特征是作为氮源储存物质。
第七章 聚乳酸合成工艺及应用
48、聚乳酸（PLA）：是一种以通过光合作用形成的生物质资源为主要起始原料生产的生物可降解高分子材料，使用后可通过微生物降解为乳酸并最终分解成二氧化碳和水。
 无毒、无害，具有优良的生物相容性、生物吸收性、生物可降解性
 具有优良的物理、力学性能，可采用传统的方法成型加工，具有良好的应用前景
49、聚乳酸合成工艺：
 缩聚法/一步法：乳酸直接在适当条件下脱水缩合成聚乳酸
 两步法：乳酸先缩合成二聚体——丙交酯（LA），然后在开环聚合
制得聚乳酸
50、乳酸直接缩聚反应生成聚乳酸存在的问题：制得的聚乳酸分子量数千，为低聚乳酸，无实用价值。
原因:乳酸缩聚体系中存在游离乳酸、水、聚合物和丙交酯之间的复杂平衡，且随着反应程度的增加，体系黏度升高，小分子脱除困难，副反应加剧。
51、乳酸是一种具有光学活性的化合物，有L-型和D-型;
丙交酯有三种形式：L-丙交酯（LLA）、 D-丙交酯（DLA）、 内消旋丙交酯（MLA）
聚乳酸的结构：聚右旋乳酸（PDLA）、聚左旋乳酸（PLLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）三种立体构型
 PDLA 和PLLA为热塑性结晶高分子聚合物，结晶度高达40%；但性质硬而脆，不利于加工；
 PLLA是半结晶性聚合物， PDLA 和PLLA的外消旋体是结晶聚合物， PDLLA是无定形的透明材料。
52、聚乳酸的扩链：通过扩链剂与聚乳酸低聚物的端基反应而将他们串联起来，达到提高聚乳酸分子量的目的。
53、聚乳酸熔体属于假塑性非牛顿流体。
54、生物降解聚合物材料的降解分为：本体降解（均相降解）、表面降解（异相降解）
 本体降解是在材料内外同时发生；
 表面降解是从表面发生，由表及里；微信公众号：考研云分享，官网kaoyany.top
 聚合物材料的本体降解涉及反应有水解、酶解、氧化等；
55、大多数生物降解聚合物的降解过程是水解反应，主要表现为三种形式：主链内不稳定键断裂生成低聚物和单体、侧链水解生成可溶性聚合物链、网络内不稳定交联链的断裂生成可溶性线型聚合物；
56、聚乳酸的降解主要分为高聚物的吸水、酯键的水解断裂、可溶性低聚物的扩散溶解三个过程。
内、外部分降解不均匀是聚乳酸降解的普遍现象。
57、聚乳酸共聚改性主要是与聚乙醇酸、聚乙二醇及药物通透性好的聚己内酯
等链段形成线型共聚物及与聚多糖类化合物形成接枝共聚物。
共聚改性的目的：是将聚乳酸与其他聚合物链段的优势结合起来，并通过控制聚乳酸与其他聚合物链段的分子量及配比调控结晶度、亲水/疏水性等性质，进而影响到力学性能和降解周期等；同时，共聚改性也是扩展聚乳酸应用范围的有利工具。