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农作物秸秆由于其生长周期短、产量巨大、可再生、可生物降解等优点,其主要成分纤维素、木质素、半纤维素可作为绿色材料和环保化学品,在纺织纤维、食品包装、环境保护等领域具有广阔的市场需求,并在目前受到广泛关注的生物质纳米材料（如纤维素纳米晶、纳米纤维素纤维、生物质基电子材料等）领域表现出良好的应用前景。现阶段,在我国农作物秸秆小部分被用作饲料、基料、肥料,大部分直接露天焚烧或者遗弃,未得到充分利用,造成了严重的资源浪费及环境污染。农作物秸秆被公认为是一种可再生生物质资源,其应用水平低的主要原因在于转化应用技术水平低,高值化材料和产品少。本文作者所在课题组前期研发了秸秆组分分离新工艺,得到了可用于纺丝的秸秆纤维素（溶解浆）,但获得纤维素聚合度分散性大,灰分含量高,纺丝工艺性有待提高。为此,本论文提出通过设计多物理场辅助蒸爆技术,在保持纤维素聚合度的前提下,提高工艺效率。我们以小麦秸秆为研究对象,提出通过多物理场辅助蒸爆预处理,并结合选择性溶解,提升秸秆纤维素的分离提取效率和产品品质;在此基础上,探讨秸秆纤维素中杂质去除方法,并优化各工艺过程废水处理工艺。探索了以秸秆生物质为原料,制备生物质基高值化新材料（如超级电容器及电磁波吸材料）及功能调控机制。主要研究结果如下:（1）研制了多物理场辅助蒸爆系统。设计研发了超声波-微波耦合辅助蒸爆装置,攻克了微波、超声波等物理场与蒸爆腔等设备系统之间的连接、密封、功率匹配等系列技术,形成了多物理场辅助蒸爆预处理秸秆生物质的研究平台。利用超声波-微波辅助蒸爆系统,通过正交试验优化出超声波-微波辅助蒸爆处理小麦秸秆的工艺条件,即蒸煮压力为1.8 MPa,维压时间30 min,超声波功率300 W,微波功率1500 W,半纤维素去除率达到78.4%。相比单纯蒸爆系统相比,可显著降低蒸煮阶段物料仓压力（从2.6降为1.8 MPa）,大大减少蒸爆对纤维素分子链的降聚,经后继分离得到的纤维素聚合度为423,而单纯蒸爆系统这一值仅为320;同时,与仅施加超声波或仅施加微波辅助蒸爆预处理,其半纤维素去除率均有一定程度提高。分析认为多物理场耦合作用,有利于解离半纤维素与纤维素之间的氢键结合。（2）研发了秸秆纤维素中灰分去除新工艺。以蒸爆预处理秸秆料为基础,经N,N-二甲基甲酰胺-水-NaOH混合溶剂脱木质素、NaOH/H2O2漂白工艺分离得到纤维素,研发了针对秸秆纤维素中灰分去除新工艺,研究发现KOH/H2O2和HCOOH水溶液分别对秸秆纤维素中的含硅杂质（Si O2等）和金属离子(Mg2+、Fe3+等)的去除表现出良好效果;进一步通过正交试验优化出秸秆纤维素浆粕中灰分去除的最佳工艺条件,即KOH浓度、H2O2浓度、HCOOH浓度分别为8.0 wt%、2.0 wt%、2.0 wt%时,秸秆纤维素的总灰分含量从2.1 wt%降低至0.11 wt%。（3）优化了过程废水处理工艺。提出利用厌氧发酵技术处理秸秆组分分离中产生的废水（蒸爆废水-废水Ⅰ、脱木质素废水-废水Ⅱ、漂白废水-废水Ⅲ）,结果显示,各阶段废水产甲烷的潜力（甲烷体积/废液体积）顺序为:废水Ⅲ>废水Ⅰ>废水Ⅱ。分析认为其主要原因是:废水Ⅰ中主要含有蒸爆过程中溶于水的半纤维素及其水解产物,有机物含量较低,因此产沼气潜力和产甲烷潜力较小。废水Ⅱ经浓缩后仍含有少量N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等不利于微生物活性的化学物质而影响效率。废水Ⅲ,一方面含有少量H2O2可帮助氧化有机物,而残留的CH3CH2OH作为可生物降解有机小分子为微生物提了供原料;另一方面,相比于其他两种液体,废水Ⅲ中含有纤维素、半纤维素水解片段,有机物含量高（COD值）,因此产甲烷潜力最大。研究还发现,废水Ⅱ中DMF含量>10 wt%时,会抑制细菌的生化反应;而当DMF含量≤10 wt%时,无明显影响。进一步研究结果表明,将废水Ⅱ、废水Ⅰ、废水Ⅲ以1:2:2的比例混合（体积比）,通过铁碳材料预处理后,再进行发酵处理,可显著降低废水的COD值。（4）研制了秸秆生物质基多孔超级电容器材料。采用蒸爆小麦秸秆为原料,通过四丁基氢氧化铵-二甲基亚砜-水混合溶剂体系溶解、凝胶法制备生物质基多孔材料,然后经过400℃预碳化后,用KOH在不同温度下活化,制备得到了生物质多层次多孔碳材料（Biomass-derived Hierarchical Porous Carbon,BHPC）。通过控制蒸爆秸秆在溶液中的含量（1、3和7 wt%）、活化温度（500、600和700℃）,调控了生物质基多孔碳的结构,即当蒸爆秸秆浓度分别1、3和7 wt%时制备的多孔碳可分别呈现蜂窝、石墨烯、堆叠状。此外,活化阶段温度升高,有利于介孔的形成,因而提出调控介孔与微孔比例的方法。蒸爆秸秆浓度为3 wt%,活化温度为600℃时,得到具有最高比电容的电极材料BHPC-3,其比表面积为772 m2·g-1,介孔体积为0.41 cm3·g-1（占总孔体积的62.1%）,微孔体积0.25 cm3·g-1（占总孔体积的37.9%）。在0.5 A·g-1的电流密度下,其质量比电容226.2 F·g-1;在10 A·g-1时,其质量比电容为176.0 F·g-1。合成的多孔碳材料BHPC-3表现出较高的面积比电容(29.3μF·cm-2),即该电极材料能够充分有效地利用材料比表面积;分析其主要原因是由于适宜的大孔形貌以及介孔-微孔之间合适的配比,可减小电解质离子的传输距离并有利于离子的快速传输。（5）研制了秸秆生物质多孔碳吸波材料。采用蒸爆小麦秸秆为原料,通过原位杂化技术制备磁性多孔碳泡沫（Magnetic Lignocellulose-based Porous Carbon,MLPC）,并通过调控碳化温度（500、600和700℃）及FeCl3·6H2O添加量（0、44、55和66 wt%）调控材料结构,并研究材料的电磁学性能。结果表明,通过对碳化温度的调控,可以实现对铁纳米粒子的良好分散以及直径的调控,进而调控多孔碳材料的电磁波吸收性能。当FeCl3·6H2O添加量55 wt%时,经过600℃碳化制备得到磁性碳泡沫（MLPC-600-1.0）,该材料的电磁波损耗强度最高,其最佳反射损耗（Reflection loss,RL）值可以达到-43.6 d B（7.1 GHz）,d B值小于-10的有效吸波频率宽度达到11.5 GHz。研究还发现,多孔材料的微波吸收性能主要来源于其特殊结构带来的多重损耗机制:多重界面损耗、电-磁耦合损耗、多重反射损耗以及磁损耗等。