磷是人类生产生活中必不可少的元素,磷素的获取必须经过磷酸盐的溶解。现行磷酸盐的溶解大都通过湿法磷酸工艺,但是湿法磷酸存在高能耗、高污染以及资源浪费等严重问题,开发一种清洁高效的溶磷新工艺迫在眉睫。酸碱再生循环理论是基于磷化工产业湿法磷酸过程提出的,并衍生出“隐性酸”和“隐性碱”的概念,以期将其用于普适的农业及工业生产过程中,最终实现清洁生产与酸碱循环。玉米秸秆蒸汽爆破后,能够产生小分子有机酸并暴露出很多的酸性基团,因此汽爆玉米秸秆是一种典型的“隐性酸”。如果能利用汽爆玉米秸秆对磷矿粉进行溶解,将对磷素的提取具有重大意义。本论文首先利用汽爆玉米秸秆溶解磷矿粉,探索了磷矿粉的溶解新工艺,并制备了秸秆腐植酸肥料,其次探究了固态发酵巨大芽孢杆菌溶解磷矿粉的新工艺,并对比分析了固态发酵与液态发酵的溶磷效果,然后将酸碱再生循环理论用于造纸碱回收,将磷酸用于木质素的提取,上清液苛化得到可以循环利用的氢氧化钠溶液。最后基于两个关键技术对生物质炼制进行了系统集成,并对其中的能量与物质流进行分析,规划了产品集成体系,主要研究结果如下:(1)玉米秸秆经蒸汽爆破后,半纤维素降解,木质素软化,细胞壁表面破裂暴露出大量活性基团,其中羟基、羧基等活性基团在高压反应釜中表现出有机酸的性质,对磷矿粉有一定的溶解效果;加入氯化钙和硫酸钙等无机盐可以加速汽爆秸秆的降解,从而增强对磷矿粉的溶解作用。研究发现,加入20%的氯化钙对溶磷效果最好,加入硫酸氢钠在180℃下反应5h时,溶磷率最大。溶磷后的秸秆形成腐植酸用于小麦盆栽实验,结果发现施加0.2%的腐植酸液小麦的株高、根长、可溶性糖含量、叶绿素含量和相对电导率达到最大值。(2)利用汽爆秸秆作为固态发酵的培养基培养巨大芽孢杆菌,结果发现,固态发酵第8天时,基质中有机酸含量达到最大值,其最大的溶磷率可达0.1%,是液态发酵溶磷率的5倍。对发酵后磷矿粉的表观形貌和微观尺寸表征后发现,随着发酵时间的延长,磷矿粉表面出现了凹凸不平的溶解孔洞,且磷矿粉颗粒粒径由375.43 μm逐渐减小到49.73 μm,说明固态发酵巨大芽孢杆菌很好地溶解了磷矿粉。(3)酸碱再生循环的理念用于造纸碱回收工艺,木质素的提取率可达90%,生成的循环碱液中氢氧化钠浓度可达10 g/L,补加一定质量的氢氧化钠重新用于循环蒸煮,分析了碱液循环次数对生物质组分拆分的影响,发现在五次循环中,纤维的卡伯值几乎不变,但是纤维素的得率急剧下降。(4)基于酸碱再生循环的生物质炼制系统集成中,所选的最佳技术路线节省了约42%的能耗,新的碱回收工艺节省了 60%的能耗,通过物质流分析发现,可节省80%的用水量,同时形成了以造纸、木质素碳纳米管、木质素复合膜、低聚木糖和腐植酸五种产品体系,极大地提高了玉米秸秆的经济利用价值。研究结果表明,汽爆秸秆溶解磷矿粉具有一定的可行性,这种新型清洁溶磷工艺,虽然其溶磷率有限,但是溶磷后的秸秆形成了腐植酸,可以作为土壤肥料施用。固态发酵很好地发挥了节水节能的优势,利用磷酸酸化工艺不仅可以高效回收木质素,还节约了处理污水的能耗,形成了蒸煮碱液的循环。对生物质炼制过程进行系统集成,延长了产业链,提高了原料的利用率,为磷化工清洁生产和农业废弃物的利用都提供了新思路。