发展可再生能源是应对能源危机、环境污染,实现人类社会可持续性发展的有效措施。将木质纤维素进行酶水解制备可发酵糖进而生成燃料乙醇,是开发可再生生物质能源的重要途径。木质纤维素具有天然的抗降解屏障,为破坏其致密结构,提高纤维素酶水解糖收率,本文采用高温液态水、超临界CO2(scCO2)和离子液体三种绿色溶剂对秸秆类木质纤维素进行预处理,对工艺参数进行系统考察和优化,并以此为基础改进和强化工艺过程、对预处理机理进行研究和阐述。主要研究内容如下:(1)高温液态水预处理。分别采用N2和CO2加压高温液态水,以高粱秆和玉米芯为原料,以总糖(半纤维素还原糖与纤维素的酶水解糖之和)收率为目标,考察不同预处理温度(180-220℃)、时间(0-30 min),气氛(N2或 CO2)和压力(4-9 MPa)下所得总糖收率,优化预处理工艺。为研究CO2加压产生弱酸的影响、高温液态水预处理木质纤维素的机理,对水解液的pH值和半纤维素还原糖成分进行研究和分析,通过SEM和XRD对预处理前后的样品进行微观结构和结晶度分析。在此基础上,对CO2加压高温液态水中两种原料的半纤维素水解动力学进行研究,获得指前因子与活化能,求解半纤维素水解动力学方程,并与实验值进行对照。(2)ScCO2预处理。为降低以往scCO2预处理木质纤维素的高温条件(150-170℃),从而减少能耗、避免原料碳化,同时为深入研究scCO2预处理中水的作用,避免与水蒸汽爆破作用相混淆,本文在低温下对高粱秆、玉米芯和向日葵秆进行scCO2预处理。固定含水量为75 wt%,考察预处理温度(40-80℃)、压力(15-25 MPa)和时间(6-48 h)对预处理效果的影响。在此基础上,采用超声强化scCO2预处理工艺,极大缩短预处理时间。通过酶水解糖收率并结合SEM、XRD等微观结构分析,对比高、低温scCO2预处理工艺,阐述水在预处理过程中的浸润—软化—溶胀作用,以及CO2分子对木质纤维素的渗透和爆破作用。(3)离子液体预处理。采用1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIM]Ac)为溶剂对玉米芯进行预处理,考察预处理温度(30-90℃)、时间(0.5-3 h)和固液比(1:1-1:10)对酶水解糖收率的影响,并对离子液体循环使用次数进行考察。为降低成本、减少[EMIM]Ac用量,分别添加CO2、水和乙醇三种共溶剂预处理玉米芯,考察预处理时间、温度以及离子液体含量,对预处理后的残渣进行成分分析,研究离子液体预处理机理。最后,通过分析纯离子液体及其混合溶剂体系中Kamlet-Taft参数的β值,进一步探究预处理机理并给出选择溶剂体系的基本原则。(4)分子动力学模拟。为研究[EMIM]Ac以及[EMIM]Ac-H2O/C2H5OH预处理木质纤维素机理,采用Gaussian 09建立木质素长链模型,在b31yp/6-311++g(d,p)基组水平上进行构型优化,通过Gromacs软件进行分子动力学模拟,研究木质素在[EMIM]Ac-H2O/C2H5OH体系中的溶解过程。通过计算溶剂中阴、阳离子在木质素周围的径向分布函数、与木质素形成的平均氢键数,研究溶剂中阴、阳离子与木质素的相互作用,并与离子液体预处理实验和相关的β值进行对照,阐述纯离子液体及其混合体系预处理的内在机理。