原料普适性木质素脱氧技术实现航空生物燃料的"即插即用"突破

本研究通过连续还原催化分馏(RCF)和加氢脱氧(HDO)技术，将多种木质生物质转化为芳烃含量高达理论碳收率93%的可持续航空燃料(SAF)调和组分。与常规合成石蜡烃(SPK)混合后，所得燃料表现出与石油基航空燃料相当的弹性体溶胀性能，且工艺具有原料普适性，为100%即用型(drop-in)SAF开发提供了可扩展路径。

　　

航空业作为难以电气化的高能耗领域，其碳中和进程高度依赖可持续航空燃料(SAF)的发展。然而现有SAF面临关键瓶颈——芳香烃含量不足导致必须与石油基燃料混合使用，这严重制约了减排潜力。木质素作为植物细胞壁中含量第二丰富的天然芳香聚合物，理论上可弥补这一缺口，但其结构复杂性和反应活性使得高效转化面临巨大挑战。传统生物炼制过程中，木质素往往被直接燃烧处理，造成宝贵芳香碳资源的严重浪费。

针对这一难题，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)联合华盛顿州立大学、国家可再生能源实验室的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表创新成果。研究人员开发出原料普适性的连续化木质素脱氧工艺，通过两步法将木质素转化为航空燃料所需的芳香烃组分。该技术突破不仅实现了93%的理论碳收率，更重要的是证明不同来源的木质素原料经处理后，其蒸馏产物的燃料性能表现出高度一致性，为生物炼制厂处理混合林业残余物提供了重要技术支撑。

研究采用三项核心技术方法：(1)在7.5L规模反应器中实施还原催化分馏(RCF)，使用5wt% Ru/C催化剂在225°C、30bar H₂条件下处理多种木质生物质；(2)构建1/2英寸直径的连续流动反应器，采用钼碳化物(Mo₂C)催化剂进行两级加氢脱氧(HDO)，第一级350°C部分脱氧，第二级375°C完全脱氧；(3)通过模拟蒸馏(SIMDIST)和旋转带蒸馏分离148-189°C航空燃料馏分，结合GC-FID/MS、核磁共振等技术进行产物表征。

【生产脱氧木质素油用于Tierβ性能测试】
研究团队首先放大制备流程，通过双程HDO反应将300g杨树木质素油转化为130g脱氧产物，碳收率达80C-mol%，相当于理论最大值的93%。模拟蒸馏显示49wt%产物处于航空燃料理想馏程(148-189°C)，其余轻质和重组分可分别用于汽油和船用燃料。该规模化制备为后续燃料性能的全面测试提供了足够样品量。

【木质素衍生芳烃赋予即用型SAF关键特性】
经蒸馏提纯的芳香烃馏分中，C₉芳烃(主要是丙苯)占主导。与HEFA和ETJ两种合成石蜡烃以25:75比例混合后，燃料密度、黏度、闪点等指标均满足ASTM D7566标准。特别值得注意的是，混合燃料的弹性体溶胀性能(13.1-17.0vol%)与石油基航空燃料相当，解决了传统SAF因缺乏芳烃导致的密封材料兼容性问题。燃烧性能测试显示，混合燃料具有更高热值(43.3MJ/kg)和更低颗粒物生成趋势，展现出环境友好特性。

【木质素来源与脱氧产物分布的相互依赖】
研究选取松木(针叶木)、杨木和桦木(阔叶木)三种典型木质生物质进行比较。虽然原料的β-O-4键含量和甲氧基/醚基比例存在显著差异，但HDO处理后均获得69-75C-mol%的碳收率。通过校正甲氧基损失的碳平衡计算，所有原料的理论碳收率均达83-84%。31P-NMR等分析证实产物氧含量<0.5wt%，完全符合SAF标准。松木因二萜类衍生物较多导致航空馏分选择性(40-43%)略低于桦木(50-52%)，但整体热值保留率(70%)最高。

【脱氧芳香馏分具有一致的焓值和燃料特性】
能量平衡分析显示，不同原料的航空馏分热值保留率高度接近(松木30%，硬木32%)。尽管原料来源不同，蒸馏后的航空馏分碳数分布惊人相似，C₉烷基苯含量稳定在63-71%之间。这种原料适应性使该工艺可处理混合林业残余物，有效应对生物质供应的季节性和地域性波动。

该研究通过原料普适的RCF-HDO技术路线，成功将木质素——这一长期被低值化利用的可再生资源转化为高附加值航空燃料组分。工艺放大验证证实其具备工业化应用潜力，而燃料性能测试则证明木质素芳烃能有效突破现有SAF的50%掺混限制。特别值得关注的是，该技术对木质素原料差异表现出罕见宽容度，这对降低生物炼制厂的原料采购和储存成本具有重要意义。从更宏观视角看，这项研究为航空业实现完全可再生燃料提供了关键技术支撑，同时为木质素高值化利用开辟了新途径，对推进交通领域深度脱碳具有重要战略价值。