彭志远

(吉首大学 化学化工学院，湖南 吉首 416000)

生物质能的概念在有机化学教学中的渗透

彭志远

(吉首大学 化学化工学院，湖南 吉首 416000)

随着化石资源的枯竭，环境问题变得日益严重，生物质替代化石资源发展化学工业是人类可持续发展的必经之路。在有机化学教学中，有意识地导入生物质能源的概念，使学生及早接受生物质能源的观念和知识，对于增强学生学习兴趣，培养创新人才具有重要意义。

生物质能；教学；有机化学

化石资源不可再生, 加上化石产品会造成严重的环境污染鉴于资源与环境的压力迫使人们寻找新型的可再生资源。生物质能，又称“绿色能源”，是指通过绿色植物的光合作用将太阳辐射的能量转化为化学能并贮存在生物质内的能源。它具有分布广泛、可再生性强、低污染等特点，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，是唯一可再生的碳源。目前，生物质资源被认为是替代化石资源的最佳选择，以生物质替代化石资源发展化学工业是人类可持续发展的必经之路。生物质能源转化技术主要有液化，气化、热解等物理化学技术[1]。在教学中，围绕生物质能源转化及可持续发展的理念，有意识地在有机化学教学中导入生物质能源的概念，使学生在潜移默化中接受生物质能源的观念和知识，了解环境日益恶化的现状和探讨相应的解决措施，具有十分重要的意义。

1 生物质能与烷烃的教学

甲烷是结构最简单的碳氢化合物。广泛存在于天然气、沼气、煤矿坑井气之中，是优质气体燃料，也是制造合成气和许多化工产品的重要原料。生物质是产生生物甲烷，替代天然气的宝贵资源。将生物质质放入沼气池中，控制好温度和湿度，甲烷菌迅速繁殖，将有机质分解成甲烷、二氧化碳、氢、硫化氢、一氧化碳等，其中甲烷占60%～70%。发酵产生的沼气，经过复杂的提纯过程，包括H2S 除杂、CO2分离和压缩等阶段，能达到天然气质量要求注入管网。长链烷烃组成的航空燃油是当今能源的重要组成部分，其生产主要依赖于不可再生的化石能源。以纤维素类生物质为原料，经水解/脱水制取生物质平台化合物、再经过碳链增长、低温加氢和高温加氢脱氧4 步可制备出航空燃油碳链范围的长链烷烃[2]。

2 生物质能与芳烃的教学

芳香烃简称芳烃，为苯及其衍生物的总称，是指分子结构中含有一个或者多个苯环的烃类化合物。最简单和最重要的芳香烃是苯及其同系物甲苯、二甲苯、乙苯等。轻质芳烃苯、甲苯、二甲苯和萘(BTXN)是有机化工的基本原料, 广泛应用于塑料、农药、医药和燃料等行业。目前BTXN 的主要来源为煤和石油等化石燃料, 但是煤和石油储量有限, 而且在使用过程中产生的大量SOx和NOx等气体会严重污染环境,日益严重的环境问题已使人们认识到开发可再生替代能源的重要性和紧迫性。以固态生物质(如木质、农产品、海洋植物、代谢废料、纤维废料等)为起始原料，将其加热分解产生热解产品(挥发有机物)，在催化剂的作用下，经脱氢、脱羰、脱羧、异构化、聚合等一系列复杂反应，可获得苯、甲苯、萘、二甲苯、烯烃等产品[3]。

3 生物质能与醛的教学

醛是醛基(-CHO)和烃基(或氢原子)连接而成的化合物。糠醛是一种工业用化学制品，可由各种农副产品中萃取，包括玉米穗轴、燕麦与小麦的麦麸和锯木屑。用作有机合成的原料，也用于合成树脂、清漆、农药、医药、橡胶和涂料等。目前为止，糠醛只能通过生物质转化而来，生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素组成，其中半纤维素是生产糠醛的直接原料。生产糠醛的基本原理是半纤维素在酸和水的作用下发生水解生成戊糖，而后木糖经过异构化作用和连续三步脱水反应生成糠醛；5-羟甲基糠醛作为一种很好的平台化合物，可以广泛地应用于医药、合成树脂类塑料和柴油燃料添加物。生物质(多糖)在催化剂的作用下转化为己糖(葡萄糖或果糖)。其中，葡萄糖可以通过异构作用转化成果糖，进一步，果糖在酸性催化剂的作用下生成特定的中间体，中间体通过多步脱水生成5-羟甲基糠醛[4]。

4 生物质能与醇的教学

醇是脂肪烃、脂环烃或芳香烃侧链中的氢原子被羟基取代而成的化合物。

甲醇是一类非常重要的化工原材料, 它既可作为燃料直接燃烧, 也可作为基本化学原料来合成其他的化合物如表面活性剂、酯、醚、醛、酸、醇及聚合物。生物质通过热化学转化过程可以大量地得到小分子有机化合物如甲烷、一氧化碳、氢气及烯烃等。如果通过转化条件的控制, 如生物质的定向转化, 则可以得到组成主要是一氧化碳与氢气的合成气, 合成气在一定的条件下通过重整反应可以转化为甲醇。

乙醇(俗称酒精) 是一种重要的工业原料, 广泛应用于化工、食品、饮料工业、军工、日用化工和医药卫生等领域, 并且乙醇作为一种优良的燃料,可以提高燃油品质。生物质如糖、淀粉和纤维素可以通过发酵生产乙醇。醇可以根据分子中所含羟基的数目来分类。含一个羟基的称为一元醇，含两个羟基的称为二元醇，二元以上的醇统称为多元醇。淀粉含有大量的极性基团-OH，理论上可制备多元醇[5]。黄元波等用玉米淀粉为原料，聚乙醇400为溶解，在硫酸催化下制备了羟值为447.00 mg·g-1的多元醇[6]。植物纤维最主要的化学成分是纤维素和半纤维素, 其中纤维素分子链上存在大量高反应性的羟基, 具有多种化学反应性能, 可作为制备生物质多元醇的原料。刘娟娟等在硫酸的催化作用下, 甘蔗渣在聚乙二醇和甘油的混合溶剂中能被液化成生物质多元醇,可以作为制备聚氨酯硬泡的多元醇组分[7]。

目前，生物质可转化的精细化工产品可达100 多种，随着科学技术的不断发展，生物质可转化的精细化工产品将会越来越多。在有机化学教学中,围绕生物质能源转化及可持续发展的理念，有意识地在有机化学教学中导入生物质能源的概念，对培养创新型人才具有十分重要的意义。

[1] 雷学军，罗梅健.生物质能转化技术及资源综合开发利用研究[J].中国能源,2010,32(1):22-28.

[2] 蔡炽柳,刘琪英,王铁军,等.木质生物质平台化合物催化转化制备长链烷烃的反应路径与催化剂研究进展[J].林产化学与工业,2015,35(6):153-162.

[3] 王 昶,郝庆兰,卢定强,等.生物质催化热解制取轻质芳烃[J].催化学报,2008,29(9):907-912.

[4] 欧阳洪生,肖竹钱,蒋成君,等.生物质基平台化合物糠醛的研究进展[J].应用化工,2014,10(10):1903-1907.

[5] 傅真慧,罗发兴,罗志刚.生物质多元醇的研究进展[J].化学与生物工程，2008,25(11):4-7.

[6] 黄元波,郑云武,郑志锋,等.玉米淀粉多元醇液化工艺研究[J].西南林业大学学报,2011,31(1):72-73.

[7] 刘娟娟,谌凡更.由甘蔗渣制备用于聚氨酯生产的多元醇的研究[J].造纸科学与技术,2009,28(6):94-98.

(本文文献格式：彭志远.生物质能的概念在有机化学教学中的渗透[J].山东化工,2017,46(3):111,114.)

Penetration of the Concept of Biomass Energy in Organic Chemistry Education

PengZhiyuan

(College of Chemical Engineering,Jishou University,Jishou,416000,China)

It is the path to the sustainable development of human that biomass replace fossil resources for the development of chemical industry with the exhaustion of fossil resources and the serious environmental problem. In the organic chemistry education,it is of great significance to enhance students' learning interest and cultivate the innovative talents that the concept of biomass energy and knowledge are accepted by the student when the concept of biomass energy is consciously imported into class.

biomass energy;teaching;organic chemistry

2016-12-19

吉首大学教学改革研究项目

彭志远(1973—)，男, 湖南双峰人, 博士, 副教授, 主要从事有机化学的教学与研究工作。

G642. 0

B

1008-021X(2017)03-0111-01