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当前社会经济的发展对化石能源的需求日益增大,而化石资源的使用和开采对生态环境造成了不可逆的破坏。另外,化石资源的不可再生性成为社会经济发展的最大隐患。因此,开发和利用可再生能源成为世界各国所关注的焦点。生物质是地球上唯一一种可再生的碳源,可完全或者部分替代化石能源,其绿色高效转化技术的研发,是广大研究者的关注热点。生物质通过水热解聚制备还原糖,是其生物炼制的一个重要方向,如何实现生物质解聚过程的绿色高效是关键所在。相比于广泛使用的液体酸催化剂,固体酸具有可重复使用、选择性高、环境友好等优点。而由生物质原料制备的碳基固体酸更具有来源广、价格低廉等特点,对开发绿色安全有效的预处理工艺具有重要意义。本文以微晶纤维素和氯化铁作为原料,通过浸渍-碳化-磺化的方法合成了磁性碳基固体酸催化剂(MCSA)。采用FT-IR、XPS、TEM、VSM、元素分析和酸碱滴定等方法表征了 MCSA的官能团种类及数量、表面特性、磁性Fe3O4颗粒负载情况等,以制备的MCSA为催化剂开展如下研究:(1)MCSA预处理玉米芯水解技术研究。对预处理工艺参数进行了优化,最佳预处理条件为:2.5g玉米芯、2.5g催化剂、50mLH2O、反应温度160℃和反应时间20min,在此条件下木糖收率高达88.77%,半纤维素和木质素去除率分别高达91.22%和41.72%,纤维素保留率为90.92%。预处理后利用磁铁将MCSA从物料中分离并重复使用,五次循环使用之后MCSA仍保持较高的催化活性。将预处理后的玉米芯残渣进行酶水解,在40FPU/g的酶载量反应72h后玉米芯残渣的酶消化率可达94.33%。(2)原位酶水解技术研究。预处理反应后将反应体系进行冷却并调节pH至4.8,在20 FPU/g加酶量的情况下,仅24h就可获得超过90%的酶解率。反应后,利用磁铁对失活的MCSA进行分离回收并进行再生。再生的MCSA仍然表现出高催化活性,五次循环使用后其酶解率仅从91.71%下降至85.27%。(3)MCSA催化甘蔗渣水解的工艺条件优化。利用响应面法对甘蔗渣水解条件进行了优化,通过回归模型预测MCSA催化甘蔗渣水解的最佳工艺条件为:反应温度170℃、催化剂加入量2g、水的加入量50mL,在此条件下,水解10min木糖收率达到91.62%,与模型预测值基本一致。将在最佳工艺条件下获得的甘蔗渣残渣进行酶水解,在40FPU/g的酶载量下反应72h后甘蔗渣残渣中的纤维素几乎全部被水解。综上所述,本文制备的催化剂MCSA在水热催化玉米芯和甘蔗渣解聚中具有良好的催化活性、选择性以及重复使用性,并且经过MCSA预处理后的玉米芯和甘蔗渣具有良好的酶解特性。本研究所开发的磁性碳基固体酸预处理耦合酶水解生物质技术,可实现生物质原料中半纤维素和纤维素的绿色高效转化,大幅度降低了用水量及后续废水处理压力,为大规模商业化应用提供了一定的实践基础。