美國再生能源實驗室嘗試利用玉米秸稈生產碳纖維

   “上世紀初,人類還未曾像今日一般大規模使用化工原料,”Karp解釋說,“那時,石化行業還未發展起來。科學家們不得不從那些更易于到手的材料中尋求方法和道路,這其中當然包括天然作物。”
  然而,當石化行業開始走上發展的快車道之后,很多先前提出的技術和思路都被迅速拋之腦后。特別是在上世紀四五十年代,石化行業基本發展成熟之后,之前的技術思路也差不多被忘干凈了?,F如今,直到再生技術重新回到人們的視野,那些塵封的舊案才得以重見天日。
  正是借鑒了前人的著述,Karp和他的團隊成功地從生物資源中提取出50克丙烯腈,完成了這個由美國能源部贊助項目的階段。根據項目第二階段的要求,該團隊將嘗試提取50千克丙烯腈,將其轉化成碳纖維,并進行測試。
  “碳纖維是一種神奇的輕質材料。”Karp表示說,“想想吧,如果把一輛車中所有鋼鐵和鋁料都換成碳纖維,在現有發動機技術條件下,一加侖汽油便可以跑足60公里。”
  新工藝的開發
  如今,丙烯腈年產量達到7千萬噸,其中大多數被加工成丙烯腈纖維,用于生產服裝面料和地毯。然而,利用石油資源制備丙烯腈的方法能耗極大,而且會產生有毒的副產品氫氰酸。美國能源部一直在尋找一種更加清潔的替代方法,一種不受石油價格波動影響、而且成本低到可以實現規模量產的新工藝(小于1美元/磅)。
  “我們一共提出了六種利用生物資源制備丙烯腈的工藝。”再生能源實驗室高級研究人員Gregg Beckham在提交給能源部申請資金支持的報告中寫到。他還提議設立由再生能源實驗室領導的再生碳纖維聯盟。他們對六種工藝中的三種進行了測試,包括一種他們稱之為”Nitrilation“的新催化工藝。
  這種新工藝的丙烯腈產出率達到98%,而通常的石化煉制法只能達到80%-83%。據此,能源部建議暫時將余下的三種工藝技術束之高閣,留與后人。
  據稱,Nitrilation工藝可以配合不同的生物資源使用。在項目階段,再生能源實驗室采用的是玉米秸稈。玉米秸稈中所含的糖分經微生物作用生成3-羥基丙酸,再經過后續步驟轉化成丙烯腈。
  “這個過程中,我們替換了所用菌株的個別基因。因為在自然條件下,它們原本并不會生產3-羥基丙酸,”負責該項目生物部分研究員Sànchez i Nogué表示說。在項目進行的第二階段,Cargill公司將介入并完成碳纖維的大量制備。因為他們掌握著工業量產級別的菌株,生產3-羥基丙酸的效率比我們實驗室中的高多了。”
  作為再生碳纖維聯盟的成員單位,Cargill和其他公司在項目繼續推進的過程中扮演著至關重要的角色。西弗吉尼亞州非盈利研究機構MATRIC負責將Cargill生產的3-羥基丙酸轉化成丙烯腈。接著,一家葡萄牙公司將丙烯腈轉化為碳纖維并交付給福特汽車。福特汽車負責生產碳纖維復合材料部件,并將其與通過傳統工藝生產的部件進行對比。
  “我非常期待看到這種新工藝終付諸工業生產的那一天。”Karp表示說。
  嚴格的進度表
  “這個項目實施起來并不容易,”Karp補充說道,“我們制定了嚴格的進度表。我們必須在項目啟動的六個月之內還原百年前論文中闡述的方法,我們已經做到了。接下來,我們將要向世人展示我們的新工藝。”
  “與傳統石化煉制法大相徑庭的是,新的Nitrilation工藝在生成丙烯腈的同時,還會生成副產品水和乙醇,乙醇可以回收利用。”另外,Nitrilation工藝使用的催化劑更加簡單,可以將生產成本降低三分之二。
  通過這種生物資源方法制備的丙烯腈是否能夠終滿足工業量產的要求,還要看福特公司終的測試結果。“但是,如果我們將其用來制造飛機,還足夠安全嗎?如果用來生產汽車,足夠安全嗎?如果僅僅是用來生產高爾夫球桿,那么我們還花精力去研究工業量產技術做什么?”
  隨著進度表的推進,相信不久我們便會找到這些問題的答案。