可持续材料：科学家从废物中创造有价值的塑料和化学品

在Thomas H. Epps, III 教授的领导下，特拉华大学的一个研究小组和CanmetENERGY的合作者在寻找将生物质升级为新产品的方法时，正是考虑到了这种类型的经济学。以木质素为例。木质素是植物和树木的一种成分，它提供强度和硬度，帮助植物群落抵御大自然的袭击。

然而，在纸浆和造纸工业中，木质素是制造纸制品时留下的废物。这种类型的木质素，被称为技术木质素，被认为是最肮脏的东西，是不能使用的--也许除了燃烧取暖或添加到轮胎中作为填充物。

特拉华大学的研究人员说，这种广泛可用的资源--全世界的纸浆和造纸厂每年产生约1亿吨技术木质素废物--可以变得更有价值。

该团队已经证明，有可能将工业加工的木质素有效地转化为高性能塑料，如生物基3D打印树脂，以及有价值的化学品。一项经济和生命周期分析显示，这种方法也可以与类似的石油产品竞争。

一篇描述这种新方法的论文于2022年1月19日发表在《科学进展》上。这项工作主要由美国国家科学基金会成长融合研究（NSF GCR）项目提供资金支持，该项目旨在通过多方位的跨学科合作解决问题。

Epps说：“像技术木质素这样的东西，不仅能够将其分解并转化为有用的产品，而且能够以低于石油材料的成本和环境影响做到这一点，这是以前没有人能够真正展示出来的，”他领导UD的NSF GCR工作，是Allan and Myra Ferguson化学和生物分子工程杰出教授。他还在材料科学与工程系担任联合职务。

提升木质素的主要问题之一是，大多数提升木质素的过程都是在非常高的压力下进行的，而且价格昂贵，难以扩展。目前工业技术的主要缺点包括安全问题、资本成本以及与工艺中使用的传统溶剂、温度或压力有关的能源消耗。为了克服这些挑战，研究小组用甘油取代了木质素解构过程中使用的传统溶剂--甲醇，因此该过程可以在正常（环境）大气压下进行。

甘油是一种廉价的成分，用于液体化妆品、肥皂、洗发水和乳液，具有保湿功能。但在这里，甘油有助于将木质素分解成化学构件，可用于制造广泛的生物基产品，从3D打印树脂到不同类型的塑料、香料和香精化合物、抗氧化剂等等。

使用甘油提供了与甲醇相同的化学功能，但蒸汽压力要低得多，这就消除了对封闭系统的需要。这一变化使研究人员能够同时进行反应和分离步骤，从而形成一个更具成本效益的系统。在大气压下操作更安全。同样重要的是，它还提供了一个直接的途径，可以超越小批量的规模，连续运行该过程，以更少的劳动力创造出更多的材料，而且过程更便宜、更快速。

开发这个过程，使其具有可重复性和一致性，花了大约一年的时间，其中包括本科生的贡献，包括论文的共同第一作者、2021年UD荣誉毕业生Paula Pranda。

Pranda现在是科罗拉多大学博尔德分校的博士生，她帮助优化了这个过程。她还研究了该团队可以创造哪些类型产品的现有数据集，并估计了这些材料的物理特性。这使得共同作者Marianthi Ierapetritou教授小组的化学工程博士生罗玉清（音译）能够对该系统进行建模，看看它在经济上是否可行。

研究工作表明，UD团队的低压方法与高压工艺相比，可以将从软木卡夫木质素生产生物基压敏胶的成本降低60%。对于研究中使用的其他类型的工业木质素来说，成本优势并不明显，但软木卡夫木质素是制浆和造纸业产生的最丰富的工业木质素类型之一。

对于实验主义者Pranda来说，与像罗玉清这样在她的专业领域之外的学生同行合作是很有启发性的，罗玉清的工作重点是对化学过程进行建模以了解其成本。

Pranda说：“我以前从未参加过合作，我对化学工程的其他领域如何工作有了深入的了解。”

据埃普斯实验室的博士生、该论文的第一作者Robert O'Dea说，罗玉清的经济模型贡献是知道是否继续这一研究方向的关键。

“我们知道我们可以在物理上做到这一点，但我们需要知道在化工厂的规模上做到这一点是否真的有任何经济意义。玉清的分析表明它有意义，”O'Dea说。

从项目合作者加拿大CanmetENERGY公司获得的对不同类型制浆工艺的木质素废料的评估，使罗玉清能够考虑上游成本，如原料价格或产量将如何影响工艺下游的经济性。

虽然分析表明产量在工厂经济中起着主要作用，但由于资本成本降低和产生有价值的副产品，在所有情况下，新的低压工艺的运营成本明显低于传统工艺。参与开发该工艺的研究人员，来自Epps小组和UD教授Dionisios Vlachos研究小组的同事，目前正在申请环境压力工艺的专利。

罗玉清还进行了生命周期评估，以了解材料生产导致的温室气体（例如，二氧化碳）排放情况。掌握好每一步的成本，可以帮助研究人员探索优化工艺和材料供应链基础设施的方法。

罗玉清说：“我们试图捕捉更大的画面，不仅仅是工艺的成本，还有整个操作的环境影响。”学生的合作来自于参与UD的材料生命周期管理工作的教师和学生之间的会议，在NSF GCR项目下。

“它创造了自然的高影响力的工作，因为国家科学基金会的GCR项目鼓励我们同时解决材料科学和环境影响等方面的问题。因此，我们正在通过跨学科合作同时克服多个瓶颈和障碍，”Epps说。

那么UD开发的方法在将废物转化为有价值的产品方面的潜力如何？“它表明，利用可再生资源制造不同类型的塑料有很大的潜力。你不必使用化石燃料，来自可再生资源的塑料在经济上也是可行的，” Pranda说。

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