DES:造纸新溶剂有望使造纸业能耗降低40%

诸平

Softwood dissolved in DES. The lignine in the last bottle has been separated (the remaining pulp is at the bottom of the bottle). Credit: Eindhoven University of Technology

近年来,一种名为低共熔物(Deep Eutectic Solvent,常缩写为DES,也称低共熔溶剂)的无毒液体受到广泛重视。其实DES是2003年在英国首次发现，国内已经有许多相关研究报道，如“低共熔溶剂的热化学研究”、以苯甲酸/氯化胆碱形成的离子型低共熔混合溶剂(DES)作为反应介质,采用离子热合成方法研究了磷酸铝骨架材料的合成规律等。但是据物理学家组织网（phys.org）2014年2月12日报道，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology简称EUT）的研究人员开发出一种新工艺，可以使造纸行业的能耗降低40%。EUT在2014年2月初已经与14个欧洲造纸生产商签署了一项突破性的新溶剂的进一步开发协议。这种新溶剂是由EUT的迈克·克朗（Maaike Kroon）教授开发研制的，可能会使造纸行业的高能耗生产的局面大为改观，同时也会使原材料的利用效率大大提高。欧洲造纸行业对此抱有很高的期望值。荷兰皇家纸和纸板协会VNP主席（chairman of VNP, the Royal Netherlands' paper and board association）Henk van Houtum说：“这是一次博弈，意味着造纸工业从现在开始，可能会出现不同寻常的20年。

克朗发现木纤维容易溶解在特定的DES之中。在造纸生产过程中,基本原材料实际上就是木质纤维素,如木屑或其他生物质必须分离出木质素（lignine）和纤维素（cellulose），然后纤维素被用来造纸。问题是木质素和纤维素的分离并非易事,分离过程需要在高压和高温度条件下进行,需要消耗大量能源，造成操作费用昂贵。到目前为止，还没有一种更有效的使木屑轻而易举地溶解方法可供选择,因为木质素通常是不溶性的。但是，克朗已经申请专利（WO/2013/153203A：Pretreatment Of Lignocellulosic Biomass And Recovery Of Substituents Using Natural DeepEutectic Solvents/Compound Mixtures With Low Transition Temperatures ）的新溶剂可以使木屑溶解成为可能。这种新溶剂完全是植物类的溶剂而且可以被生物降解。另一个优势就是新工艺可以产生非常纯净的木质素,造纸业可以用来开发新的应用和新市场，如制作生物可降解塑料等。

造纸业是一个能源密集型的产业,这就是为什么在2004年，荷兰造纸行业启动“能源转型造纸链2004- 2020”计划的原因所在，该计划旨在减少能源消耗50%。欧洲报纸产业联合会(The Confederation of European Paper industries简称CEPI)也同样采取积极措施进行配合,打算在2050年之前减少80%的CO₂排放量。因此, 多年来造纸行业对于技术创新的关注度很高, 在一个高科技的工艺中使用天然原材料是他们的追求目标。在寻找突破技术中,CEPI在2013年组织了一次最好新构想的竞争活动，获胜者就是克朗已经研究多年的“低共熔溶剂（DES）”。VNP的Henk van Houtum期待由克朗开发的DES将对实现造纸业的节能目标做出实质性贡献，他希望DES的使用至少使造纸能耗下降40%，CO₂排放量减少20%。

EUT与14家欧洲造纸生产商签署了意向书,其中包括荷兰的7家造纸生产商,其目的是继续开发该溶剂。克朗用从这些公司得到的研发经费招募两名博士，在EUT进一步进行为期四年的研究，为在荷兰建一个试验厂做准备。克朗强调,这是一个非常特殊的协议,因为它已经直接与工业企业达成协议,并且不依靠政府的财政支持。其突显出特点就在于多家公司瞄准EUT化学教授的开发研究,而且他们准备快速在实践中来验证其重要性。大规模应用预计可能在15年左右完成，因为该实验室研究还需要再花费五到十年时间,半工业化放大优化试验也大致需要同样的时间。

两种化合物混合在一起形成DES,如下图所示，从左到右的瓶子里所盛的物质。中间的溶液是将其混合得到较低熔点的溶液,这也是DES的基本特征。

The two compounts that together form DES, at the left and right in the bottle. At the center they have been mixed which gives them a lower melting point, the essential characteristic of a DES. Credit: Eindhoven University of Technology.

2003年在英国首先发现了DES类溶剂。它们是由两种化合物的混合物而成,一旦它们结合在一起,就会形成一种比其单组份熔点更低的化合物。克朗相信DES将能够使生物质溶解，这也是她多年来一种坚持研究的初衷和最终目标，而且它确实导致了用不同的混合物可以使特定类型木头的木质素溶解。作为一类新型的绿色溶剂,DES类溶剂具有蒸汽压低、无毒性、可生物降解、溶解性和导电性优良、电化学稳定窗口宽等独特的物理化学性质,并且可以通过选择合适的组成和配比来调节其性能,在很多领域中有着诱人的应用前景。更多信息请浏览

WO/2013/153203A1：Pretreatment Of LignocellulosicBiomass And Recovery Of Substituents Using Natural Deep EutecticSolvents/Compound Mixtures With Low Transition Temperatures；  

http://pubs.acs.org/doi/pdfplus/10.1021/np400051w；

http://phys.org/news/2014-02-energy-consumption-paper-industry-percent.html#nwlt