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木质纤维素类生物质是能源界公认的唯一一种可固定碳的可再生能源,开展以其为碳基材料,通过对其表面活化处理,制备出生物质基磁性固体酸催化剂成为目前催化剂领域最热的研究课题和前沿技术。生物质基磁性固体酸催化剂的制备对发展新能源、保障国家能源安全、减轻环境污染等方面具有极为重要的意义。(1)通过对不同生物质原料进行分析,选取以玉米秸秆为原料制备生物质基固体酸催化剂,采用Design-Expert8.0.6软件设计,Box-Behnken模型,然后以碳化时间、碳化温度、磺化时间及磺化温度设计四因素三水平响应面实验,初步以催化水解玉米秸秆所得还原糖含量论证催化剂的性能。优化生物质基固体酸催化剂(即生物质基前驱体)制备的最佳工艺条件:碳化温度549℃、碳化时间13h、磺化温度121℃、磺化时间6h,利用生物质基前驱体水解玉米秸秆,玉米秸秆的转化率为8.82%,还原糖得率为7.97%,预测值为7.98%,与预测值相差0.01%,重复性好。(2)生物质基磁性固体酸催化剂制备的最佳工艺条件:煅烧温度500℃,煅烧时间3h,生物质基前驱体与磁性Fe3O4颗粒量的比例1:2。利用该催化剂催化纤维素水解,所得还原糖得率58.8%,纤维素的转化率为65%。利用X射线衍射(XRD)、电子显微镜(SEM/TEM)、红外光谱(FTIR)、元素分析(EA)、比表面积检测(BET)对催化剂的性能分析表明:磁性Fe3O4成功负载在生物质前驱体上,得到无序碳结构的生物质基磁性固体酸催化剂。该催化剂结构中有大量的磺酸基团,增强了催化剂的催化活性和稳定性;该催化剂有较大的比表面积,提高了催化剂在水解反应中的分散度,使其与纤维素分子充分接触。循环利用该催化剂水解纤维素3次之后,由于催化剂结构中的磺酸基团丢失导致其活性下降,可以通过再次磺化的方法使其活性再生;同时,该催化剂由于磁性颗粒的存在很容易回收。本论文还初步研究了微波辅助生物质基磁性固体酸催化剂催化纤维素水解,以水解时间、水解温度、纤维素与催化剂量的比例、微波功率为影响因素,优化最佳工艺条件:水解时间为25min,水解温度80℃,纤维素与催化剂量的比例1:2.5,微波功率450W,四个因素对纤维素水解影响的主次顺序为:微波功率>催化剂量>水解时间>水解温度。在最佳工艺条件下,得到还原糖得率为57.4%。这不仅解决了纤维素在水中的难溶性问题,有效地提高了纤维素水解效果,起到了节约了资源的作用,得到了高收率的还原糖;同时,由于微波加热具有选择性,加热后能使纤维素能水解完全,避免了因温度、压力过高造成的不安全性问题。