简述纤维素的化工利用
纤维素的化工利用
纤维素在自然界中分布很广，是地球上蕴藏十分丰富的可再生资源。几乎所有的植物都含有纤维素和半纤维素，棉花、大麻、木材等植物中均含有较高的纤维素，其中棉花中的含量高达92%-95%。许多农作物的秸秆、皮、壳都含纤维素，如稻麦、棉花、高粱、玉米的秸秆，玉米芯、棉籽壳、花生壳、稻壳等；木材采伐和加工过程的下脚料，如木屑、碎木、枝丫等，制糖厂的甘蔗渣、甜菜渣等也都含纤维素。
纤维素经化学加工可制得羟甲基纤维素、羟乙基纤维素以及援甲基纤维素等，这些纤维素的衍生物可作为增稠剂、黏合剂和污垢悬浮剂；纤维素经乙酰化和部分水解制得的醋酸纤维是感光胶片的基材；纤维素经硝化得到的硝化纤维是早期的炸药、塑料。
木材加工业的下脚料，在隔绝空气的密闭设备中加热分解，所得产品有活性炭、木焦油、 甲酵、醋酸和丙酮等，同时获得气体燃料（如一氧化碳和甲烷）。
纤维素和半纤维素是多糖类碳水化合物，水解可以得到葡萄糖和戊糖。葡萄糖用酵母菌发酵可得到乙醇；戊糖在酸性介质中脱水可得到糠醛：
糠醛是一种无色透明的油状液体，其分于结构中含有羰基、双烯和环醚的官能团，化 学性质活泼，主要用于生产糠醇树脂、糠醛树脂、顺丁烯二酸酐、医药、农药、合成纤维等。工业上利用玉米芯、棉籽壳、花生壳、甘蔗渣等含植物纤维的物质生产糠醛，其工艺过程如下图所示。
以玉米芯、棉籽壳、花生壳、甘蔗渣等为原料生产糠醛所用的硫酸含量为6%，水解以直接蒸汽加热，温度控制在180℃左右，压力为0 6～1.0 MPa，水解时间为5～8 h。
不同原料制取糠醛的理论产率不同，见下图
木质纤维素由于分子间与分子内氢键的大量存在，纤维素结晶度较高，不溶于水和普通有机溶剂，限制了纤维素的基础研究和工业应用，形成了目前这一地球上最丰富的可再生资源与开发利用程度低的窘境。随着纤维素酶高产菌株、戊糖己糖发酵菌株构建的发酵技术，室温离子液体及中国科大的聚乙二醇碱水溶液等绿色溶剂技术的出现，将解开纤维素难以深度开发的瓶颈。特别是室温离子液体有效地溶解纤维素后，可将纤维素水解高转化率的控制在单糖、5-羟甲基糠醛等反应阶段，遵循了绿色化学中开发环境友好溶剂和利用生物可再生资源为原料这两个基本原则，大大拓展了纤维素的工业应用前景，为纤维素资源的绿色应用提供了一个崭新的平台。纤维素必将成为未来最重要的工业原料之一，其最重要的转化利用方式包括制备再生纤维素材料、纤维素衍生物、糠醛类衍生物、呋喃类衍生物以及纤维素乙醇。在离子液体中制备再生纤维素材料。可以得到不同形态的再生纤维素，如纤维素纤维、纤维素薄膜、纤维素粉末、纤维素珠体等，这些再生纤维素材料在制膜、纺丝、生产无纺布等工业领域具有广阔应用前景。通过在离子液体中的溶解与再生可以在纤维素中加入功能性添加剂、高分子材料制备具有特殊性能的纤维素新材料，这些纤维素新材料的制备大大拓展了纤维素的应用范围。在离子液体中制备纤维素衍生物材料。既可以引入活性相对较低的取代基，也可以设计合成结构新颖的纤维素衍生物，甚至通过一些基团保护技术，制备具有某些指定取代基分布方式的产物，从而能够赋予纤维素材料以崭新的性能，将极大丰富纤维素的应用和研究范围。就目前而言，可方便地在均相溶液中经过酯化、醚化、接枝、共聚等手段，生成比异相反应更加均
一、性能更优良的功能性纤维素衍生物作材料，如纤维素乙酸及长链脂肪酸酯、乙基纤维素、羟丙基纤维素等具有热塑性能，开辟纤维素衍生物熔融注塑、熔融吹塑和熔融纺丝的新阶段，在涂料、制膜、纺织、
制药等工业领域具有广泛的应用。在离子液体中制备糠醛、呋喃类衍生物。该二类物质是一种由可再生的生物质合成的重要的平台化合物，能够作为高分子材料合成的单体、药物制备的中间体、大环化合物合成的原料、生物燃料的中间体和燃料添加剂等，具有部分替代矿物资源的潜力。在离子液体中制备纤维素乙醇。由于离子液体破坏了纤维素的结晶结构，变为无定形纤维素，使酶解、水解速度可提高几十倍。若把水解控制在解晶、多糖、单糖等阶段，将大大提高纤维素的原位酶解、多糖酶解、单糖发酵等速度，可为纤维素乙醇的制备提供了一种快捷、经济的新方法。这一纤维素乙醇生产方法的出现，不仅可以生产燃料乙醇，还可以通过乙醇脱水生产化工原料之母乙烯，将打破主要由石油生产乙烯、燃油的格局，改变目前的能源化工原料的来源。有理由相信，随着科技的发展和研究工作的不断深入，藉离子液体技术由纤维素高效溶解，高收率转化为还原单糖、糠醛类衍生物、呋喃类衍生物、乙醇甚至是乙烯，纤维素基能源、化工将迎来大发展。愿“十二五”规划中为纤维素基能源化工划上一笔。