生物质材料是我国战略性新兴材料产业和生物质产业发展的重要领域，利 用丰富的生物质资源开发环境友好和可循环利用的生物基材料，最大限度地利用纸包装废弃物和农业废弃物，制备的材料用以替代木材和黏土等材料，对于 发展循环经济、建设资源节约型和环境友好型社会具有重大意义。 本课题利用废纸、黏合剂和生物质纤维原料（各类农作物秸秆粉末等）采 用挤出法加工一种一定截面形状的型材，可进行多种后期加工，可制成包装构 件、包装型材和轻质墙体材料等，生产工艺先进，技术方案新颖，生产效率 高。 2 关键技术 项目成果突破的关键技术包括： （1）基于挤出工艺的原材料配方研究。通过配方和工艺参数研究，解决了 一般生物质材料难以挤出加工的瓶颈，实现了连续挤出加工。形成配方方案一 套； （2）基于废纸和生物质材料的型材制备技术方案研究。开发完成主要技术 装备方案，设计了实验室条件下的成型模具一套，可较好实现材料制备。相关 设备方案经细化和放大即可实现工业化生产； （3）为满足挤出制品后期加工的要求，开发了一种复配表面施胶剂，可用 于制品的表面处理以及覆面材料的粘合，以利于加工制造外观美观、综合性能 优越的型材成品。形成专利配方一套。 3 知识产权及项目获奖情况； 获得发明专利 3 项： ZL 201410097780.6，环保生物质材料及其制备方法； ZL 2012105235432，植物纤维发泡包装板材及其加工工艺和模具； ZL 201310583602.x，复配表面施胶剂及其制备方法和应用。 4 项目成熟度 该项目已完成实验室成果，成熟度 85%。 5 投资期望及应用情况 该项目期望以技术转让、合作开发方式进行进一步转化，预期投资额 500- 700 万元（不含厂房）。其项目成果、技术方案在国内包装废弃物综合利用、农 作物秸秆高效利用方面属领先地位。 项目产品属材料制备基础技术；可用于不同生物质原料的连续式挤出加工 处理，后续跟进各种最终加工工艺以制备不同生物质基型材。预期应用领域包 括包装辅材、建材、家具

一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 生物质能是指从生物质获得的能量，具有分布广、可再生、可存储、储量大和碳平衡等优点。生物质热解液化技术是生物质能的有效利用途径之一，具有广泛的应用前景。本技术研究工作和成效如下：1）采用低温预裂解和中温重整的两段式重整制备富氢气体和碳纳米管共产物的新方法，通过强化热裂解阶段重质组分定向转化与重整段聚合反应调变，实现碳纳米管产量增加，氢产量同步提高；2）引入电催化体系用于生物油全组分精制提质，提出了抑制析氢、直接还原等副反应的传质传荷协同强化方法，开发了原理样机；3）提出动态适应生物油组分特性的高值化转化技术匹配策略，指导制定实现生物油产业化应用的最佳技术路线。

一、项目分类 显著效益成果转化 二、成果简介 南开大学（天津市生物质类固废资源化技术工程中心）的“生物质固废资源化技术研发及应用”项目属于生物质固体废弃物处理处置领域（环境保护专业）。该项目成果经天津市科学技术评价中心组织的以院士为主任的鉴定委员会鉴定，结论是“该项目达到国际领先水平”。 1、主要研究内容 （1）开发了可降解生物质固废（园林绿化垃圾、秸秆、禽畜粪便等）的微生物菌剂和除臭技术，可将生物质固废在5-10天内快速转化为复合微生物有机肥，其各项指标均达到或优于国家农业部标准（NY525-2012、NY884-2012）。 （2）研发的酵母菌剂能有效利用玉米芯、秸秆等农业固废，通过生物发酵技术提高了饲料中蛋白含量并改善饲料适口性。 （3）开发了能在6小时内将厨余垃圾减量化80%以上的无臭降解技术，该技术达到国际领先水平。 （4）开发了新型设施化蚯蚓养殖技术及装置，有效提高蚯蚓养殖效率，提高蚯蚓品质，降低人力成本。 （5）设计功能化离子液体用于提取秸秆、园林绿化垃圾等生物质固废中纤维素，以及离子液体催化水解纤维素生产化工基础原料5-羟甲基糠醛。 （6）研发了多种基于生物质的防结焦、防结渣添加剂和清洁燃料，开发了生物质锅炉系统，有效降低 SO2的排放。 （7）根据微生物降解菌群及酵母菌群的生长、代谢特征，开发了基于太阳能技术的生物反应装置，大幅提升了资源利用效率。 2、经济社会效益 本项目以生物质固废为原料，开发了有机肥生产技术、饲料生产技术、高效纤维素提取技术、绿色5-羟甲基糠醛合成技术。本项目的核心技术已被天津、山东、江苏、深圳等省市14家企业应用，近三年累计销售收入1.03亿元。 本项目的实施，对区域的循环经济产业示范和节能减排起到了积极的推动作用。

糠醛来源于自然界的C5糖，是已大规模工业化生产的生物质基化工产品，其原料来源是农业和林业的废料，包括玉米芯、稻壳、木材废料等。由于这些可再生资源数量非常庞大，且其综合利用不与人类竞争粮食，通过它们生产糠醛，进而发展生物质糠醛基化工产品具有非常大的潜力。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 随着碳中和概念的提出，生物基材料，乃至生物基可降解材料，凭借其良好的环保特性而受到人们的广泛关注。糠醛来源于自然界的C5糖，是已大规模工业化生产的生物质基化工产品，其原料来源是农业和林业的废料，包括玉米芯、稻壳、木材废料等。由于这些可再生资源数量非常庞大，且其综合利用不与人类竞争粮食，通过它们生产糠醛，进而发展生物质糠醛基化工产品具有非常大的潜力。关键挑战在于糠醛是单官能团化的化合物，在聚合物工业中难以发挥重要作用，因此尽管其生产原料广泛、工业生产技术成熟，但市场容量非常有限，严重限制了以糠醛为基础原料的聚合物工业应用。

人类在发展过程中目前面临能源危机和环境污染双重压力。在能源消费方面，目前世界能源消耗91%的是一次性矿物燃料能源，但矿物燃料是有限的，不可能成为人类的永久性能源。因此寻找可替代化石能源的新能源是人类可持续发展的必由之路。 据估计，全世界每年由光合作用而固定的碳达2×1011 吨，含能量达3×1018 千焦，可开发的能源约相当于全世界每年耗能量的10 倍；生成的可利用干生物质约为1700 亿吨，而目前将其作为能源来利用的仅为13 亿吨，约占其总产量的0.76％，生物质资源开发利用潜力巨大。据测算，我国拥有的生物质能资源为50 亿吨左右，是我国目前总能耗的4 倍左右[5]。生物质资源虽然丰富，但由于保存和转化的技术落后导致生物质资源浪费严重，如秸秆等农业废弃物在田间焚烧，林业产品加工产生的木屑、锯末等被直接丢弃，食品加工的壳、皮等被当作垃圾填埋，这不仅污染了环境，还造成了生物质资源的巨大浪费 利用生物质制备炭材料，在能源领域利用可以直接作为燃料使用，可以避免生物质原料本身能量密度低、体积庞大难于运输等弊端，同时相对于燃煤可以减少硫排放，从而减少对环境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的场合才使用，目前生物质炭在能源方面主要作为高端的燃料电池正极材料。另一方面生物质炭本身的多孔性致使它具有巨大的比表面积、发达的孔隙结构以及较好的化学稳定性和机械强度，在环保领域对重金属良好的吸附性能，因此对重金属废水处理及土壤恢复与改良具有巨大的应用潜力[8-14]。 由于传统工艺制造活性炭成本高，因此限制了其应用范围。如何最大限度降低制造成本是科研工作必须努力的方向。 生物质炭的制备方法主要分为：热分解法，微波炭化法，水热炭化法。热分解炭化法是目前制备生物质炭的主要方法，热分解制备生物质炭是在隔绝空气条件下生物质的高温裂解成炭，一般需要炭化与活化两个过程且二者可分步或同步进行。首先炭化过程是在300 –1000 0C下使生物质中分子链中C-O、C-C键断裂成炭，随着温度的升高, 生物质炭的产量降低, 含碳量逐渐增加。活化的目的是利用气体或化学物质改变炭化料的内部结构, 扩大孔体积, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸气、空气、CO2进行活化；化学活化则采用化学物质如NaOH，ZnCl2，KOH, K2CO3等在600~11000C下活化，得到活性生物质炭产品。热分解法的缺点在于反应时间长，反应耗能大，传热效率低和反应原料加热不均匀等。微波炭化法则是通过被加热体内部偶极分子的高频往复运动，使分子间相互碰撞产生大量摩擦热量，继而使物料内外部同时快速均匀升温从而达到裂解及炭化的目的。微波加热具有操作简单、升温速率快、反应效率高、可选择性均匀加热等优点。生物质通过微波炭化处理其活性炭得率较高(一般达到40%左右)且表面积大。但微波炭化的不足在于物料的反应温度不能精确控制，过量的微波辐射将对人体健康有损害且工业化放大过程比较困难。水热炭化法是在一定温度(一般200 ℃)和压强（下将水热反应釜内的生物质( 碳水化合物、有机分子和废弃生物质等) 、催化剂和水进行加热，实现对生物质炭化的过程。水热炭化一般制得的生物质表面积小一般500m2/g以下，同时反应时间长，因此生产成本较高。 总之制备生物质炭材料具有丰富的原料来源，同时在能源及环境方面具有广阔的应用前景，尤其在重金属污染治理及土壤恢复及改良前景更为广阔。但目前生物质转化为炭流程长，分解温度高，造成生产成本高而致使生物质的利用率低。如何更高效、成本更低廉实现生物质的炭转化，无论对于人类能源结构优化及环境保护均有十分重要的现实意义。 本项目提出了一种酸催化裂解炭化生物质原料的方法，采用酸催化直接将生物质分解及炭化，并在低温下(2000C左右)加速炭化及活化(6000C以下) 过程，吸收炭化及活化过程蒸发的酸及液态有机物，酸进行循环利用，实现生物质炭材料绿色制备。由此可以制备出生物质炭材料比表面在1000m2/g以上，得率达到50%以上，从而降低生物质炭的制造成本，拓宽其应用范围。二．技术路线酸催化生产技术路线见下图，生物质粉碎后，采用一定酸浸湿润，干燥后进行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷却，炭化活化过程进行酸回收并返回使用，炭化完全后冷却，加粘结剂压块便得到生物质炭。  图1 酸催化制备生物质炭工艺流程三．技术开发内容及指标技术开发内容生物质原料的筛选及酸种类的筛选温度、时间工艺参数的优化；粘结剂的选择与添加工艺确定日处理1吨中试放大设备选择与设计；技术指标生物质炭得率大于50%；生物质炭的碳含量高于80%；生物质炭燃烧后的灰分小于5%；生物质炭材料比表面在1000m2/g以上。四．经济效益初步分析生物质炭售价按3000元/吨计算，原材料及处理成本约1500元/吨；按年生产1万吨计算，年效益为=（3000-1500）x10000=1500万元。 本项目作为生物质炭新工艺相对于传统工艺，大幅度提高了生物质炭的转化效率及降低了生产成本，因此经济效益非常显著，如果作为活性炭使用效益更加显著。同时具有很好的推广前景。

①基于海洋微藻多糖筛选，建立了海洋微藻多糖的分离纯化工艺 从10种海藻微藻中，筛选到多糖含量较高的四爿藻4种海洋微藻。进一步，建立了它们多糖的热水浸提法和微波萃取法工艺，初次发现2种提取方法在它们多糖提取中的优劣。在此基础上，测定多糖结构、硫酸基和糖醛酸等活性基团含量，筛选到球等鞭金藻和小球藻多糖。随后，初次建立了它们多糖的分离纯化工艺，制备到5种新的纯多糖。这些纯多糖具有中等强度的体外抗氧化和抗菌活性，填补了国内外研究空白。 ②建立了抑藻活性物质的筛选方法，建立了7种大型海藻抑藻活性物质的分离纯化工艺 从40种大型海藻中筛选目标物，获得浒苔等7种大型海藻。在此基础上，建立了它们抑藻活性物质的分离纯化工艺，填补了国内外研究空白，并制备到52种，其中50种是初次从大型海藻中分离得到。进一步，研究了42种抑藻活性物质对7种赤潮微藻的抑藻活性。针对每种赤潮微藻，获得了1种以上的比重铬酸钾更有抑藻优势的活性物质。

癌症、冠心病、糖尿病等疾病严重威胁人类健康。世界卫生组织的2008最致命疾病分析报告，到2010年，癌症将取代心脏病成为最大杀手。到2030年，每年的癌症新发病患者将达到2700万，死亡达1700万。与激素代谢相关的癌症乳腺癌、前列腺癌发病率逐年增加。世界卫生组织1990年公布的资料：美国总死亡人数中，有24.7%死于冠心病。1995年，全球1.35亿糖尿病患者；而到2025年，这个数字将会达到3亿；中国目前有4000万。 而日常生活中，某些常见食品中有效成分疾病的预防及治疗有显著的作用。例如：西洋芜荽、甘草和甘橘类水果中所含的香豆素是天然的“血液稀薄剂”，可预防血栓；十字花科蔬菜：吲哚(莱菔硫烷)可阻碍雌激素引发肿瘤生长的效用，预防乳腺癌；樱桃、葡萄及草莓内的鞣花酸可以使致癌物失去作用；五谷中的植酸可以使促进肿瘤生长的类固醇化合物失去作用；苹果和葡萄柚中的可溶性纤维――果胶有助于降低于胆固醇并预防糖尿病；黄豆类食物中所含有的大豆异黄酮，能够阻止肿瘤附近长出新的微血管。2010年美国保健品及健康食品市场总销售额达800亿美元。其中，植物来源的天然保健品约占80％的市场份额。我国植物提取物行业年出口近百亿元，健康产业产品可达万亿元（中粮数据）。 针对天然活性成分原料含量低，产品质量要求高的问题，该课题组采取生物合成、高效分离、工程化研究的策略，高效提取或合成天然活性成分。

近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过深入解析生物质微观结构，提出了一种利用生物质天然纳米结构的全新的生物质表面纳米化策略，基于这种策略构筑了一种可持续新型各向同性仿生木材（“RGI-wood”）。该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材。运用这种策略所制备的人造木材在各方向上具有相同的力学强度，且超越了实木材和传统人造板。这种新型人造木材自下而上的制备方式使其在尺寸上将不受限制，可以克服大块实木材料的稀缺性，大大拓宽了这类木质材料的应用范围。另外，其还表现出优异的阻燃性性和防水性。在这种高性能人造木材中，微米级木屑颗粒的暴露着大量的纳米尺度的纤维素纤维，这些纳米纤维通过离子键、氢键、范德华力以及物理纠缠等相互作用结合在一起，微米级的木屑颗粒也被这些互相缠绕的纳米纤维网络紧密地结合一起形成高强度的致密结构，而无需添加任何粘结剂。这种结构特征带来了高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，远超天然实木的力学强度。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性，极限抗压强度，硬度，抗冲击性，尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不仅不含任何粘结剂，还具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景。 此外，这种由纳米纤维构成的网络也为制备木基纳米复合材料提供了一种新途径。通过将碳纳米管（CNT）掺入木屑颗粒间的纳米网络当中，可以获得导电智能人造木材，因碳纳米管能够在其中形成连续的三维网络，因此其具有比传统聚合物/碳纳米管复合材料更好的导电网络和更高电导率。基于这种智能人造木材的高导电性，它可以实现传感、自发热以及电磁屏蔽等多种应用。这种智能人造木材表现出了出色的电磁屏蔽性能（X波段超过90 dB），可以满足精密电子仪器屏蔽标准的要求。这种智能人造木材还可以在1.75 V低电压下（约等于两节五号电池的电压）实现自发热，可在5分钟内升至60摄氏度，这种在低电压下即可自发热木材可有效地确保自加热设备的安全性，同时减少能耗。 这项研究提出了一种生物质颗粒表面纳米化方法和策略，可用于构筑全生物质，不含任何粘结剂，具有优异的力学性能，可复合的新型人造木材。同时，这种全新的生物质表面纳米化策略也可以扩展到其他生物质（例如，树叶、稻草和秸秆等），并可以实现多功能化，有望用于制造一系列绿色全生物质的可持续结构材料，将进一步推动人造板行业向绿色、环保和低碳方向发展。

项目成果/简介:近日，中国科学技术大学俞书宏院士团队通过深入解析生物质微观结构，提出了一种利用生物质天然纳米结构的全新的生物质表面纳米化策略，基于这种策略构筑了一种可持续新型各向同性仿生木材（“RGI-wood”）。该策略巧妙地利用了木屑等生物质中天然的纤维素纳米纤维，将其暴露在木屑颗粒表面，并使其互相交联从而构筑无需任何粘合剂的高性能人造木材。运用这种策略所制备的人造木材在各方向上具有相同的力学强度，且超越了实木材和传统人造板。这种新型人造木材自下而上的制备方式使其在尺寸上将不受限制，可以克服大块实木材料的稀缺性，大大拓宽了这类木质材料的应用范围。另外，其还表现出优异的阻燃性性和防水性。在这种高性能人造木材中，微米级木屑颗粒的暴露着大量的纳米尺度的纤维素纤维，这些纳米纤维通过离子键、氢键、范德华力以及物理纠缠等相互作用结合在一起，微米级的木屑颗粒也被这些互相缠绕的纳米纤维网络紧密地结合一起形成高强度的致密结构，而无需添加任何粘结剂。这种结构特征带来了高达170 MPa的各向同性抗弯强度和约10 GPa的弯曲模量，远超天然实木的力学强度。此外，新型人造木材还显示出优异的断裂韧性，极限抗压强度，硬度，抗冲击性，尺寸稳定性以及优于天然木材的阻燃性。作为一种全生物基的环保材料，新型人造木材不仅不含任何粘结剂，还具有远超树脂基材料和传统塑料的力学性能，因此具有非常广泛的应用前景。 此外，这种由纳米纤维构成的网络也为制备木基纳米复合材料提供了一种新途径。通过将碳纳米管（CNT）掺入木屑颗粒间的纳米网络当中，可以获得导电智能人造木材，因碳纳米管能够在其中形成连续的三维网络，因此其具有比传统聚合物/碳纳米管复合材料更好的导电网络和更高电导率。基于这种智能人造木材的高导电性，它可以实现传感、自发热以及电磁屏蔽等多种应用。这种智能人造木材表现出了出色的电磁屏蔽性能（X波段超过90 dB），可以满足精密电子仪器屏蔽标准的要求。这种智能人造木材还可以在1.75 V低电压下（约等于两节五号电池的电压）实现自发热，可在5分钟内升至60摄氏度，这种在低电压下即可自发热木材可有效地确保自加热设备的安全性，同时减少能耗。 这项研究提出了一种生物质颗粒表面纳米化方法和策略，可用于构筑全生物质，不含任何粘结剂，具有优异的力学性能，可复合的新型人造木材。同时，这种全新的生物质表面纳米化策略也可以扩展到其他生物质（例如，树叶、稻草和秸秆等），并可以实现多功能化，有望用于制造一系列绿色全生物质的可持续结构材料，将进一步推动人造板行业向绿色、环保和低碳方向发展。

项目研究的背景及用途:本项目的出发点是将我国大量的生物质及城市有 机废物资源(如农作物废弃物、林业废弃物、城市垃圾中丰富的有机物、造纸造 浆中的废物、酒精生产厂的废液废渣、动物粪便、食品加工中的废弃物、家庭中 有机垃圾、草类废弃物，产量约每年 30 亿吨)高效转化为清洁的电力。我国当前 的生物质及城市有机废物资源没有得到合理的利用。 利用生物质作为能源，不仅仅是解决了长期的能源供给问题，更重要的是 大大缓解了环境保护的压力。本项目的技术路线所排放的其他污染物如硫化物、 粉尘粒子的浓度也大大低于现有的燃煤发电厂。此外，高效、清洁的气化发电技 术可以克服现有的城市垃圾处理处置方式的缺点。与现有垃圾焚烧炉技术相比， 本项目的技术路线具有以下优点:(1)发电效率高;(2)炭转化率高、能量利用率高;(3) 排放的二次污染物少;(4)初投资和远行费用低。 本项目的目的是有效地利用生物质及城市有机废物，通过流化床气化的方式 将其转变为电力。确保生产电力的成本可以与现有的燃煤电厂竞争，同时确保生 产过程符合环境友好性要求，没有明显的二次污染。 成果水平及主要技术指标:本技术水平处于国内领先水平,在国际上也是领先 的。目前正在申报发明专利 2 项。天津大学科技成果选编 所需厂房占地面积:需要稳定的生物质或生活垃圾原料供应(年需要量为 8000 吨左右);设备相对比较简单，但需要由相关的厂家定制生厂;厂房面积约为 15000～20000 平方米;投资规模在 500 万左右。 市场分析及效益预测:本项目的市场前景很大。以天津市为例，天津市 每年约有 600 万吨生物质资源，可发出功率为 90～100 万千瓦的电。若考虑大量 种植能源作物，则可以发出更多的电，而且随着发电规模的扩大，可以显著降低 成本。如果单座发电厂的规模在 2000～4000 kW，该发电成本与燃煤电厂相当。 为天津市大量的生物质废物找到一条合理的利用途径，同时解决了因城市有机垃 圾堆置而带来的环境污染问题。 以 2000 千瓦的发电能力为例，投资回收期为 2.2 年，年盈利为 220 万 左右。 6 海洋生物质能源技术与装备 7 生物质催化转化制备生物燃料及高值化学品检测平台