近年来,生物质资源的合理化利用越来越受到人们的关注,不仅因为生物质来源广种类多,而且能够替代化石资源从而缓解环境问题。加快推进生物质秸秆资源的综合利用,对于稳定农业生态平衡、改善能源结构、减轻环境压力都具有十分重要的意义。糠醛是一种具有广阔应用前景的生物质基平台化合物,也是生物燃料的前驱体,因此开发糠醛生产的绿色工艺技术具有重要的现实意义。为了解决糠醛传统“一步法”生产工艺收率低、能耗高、污染严重的问题,推进糠醛行业的进一步发展,本文采用创新性“两步法”工艺技术,即半纤维水解、固定床催化脱水环化、气相中和技术研究糠醛的连续生产工艺（第二章、第三章和第四章）。以糠醛为平台化合物,合成了苯酚-糠醛树脂、苯酚-葡萄糖树脂和苯酚-木糖树脂,开发了糠醛的应用领域（第五章）。生物质原料水解后的残渣（这里指稻壳水解残渣）经过炭化、硅炭分离后,炭和硅分别制成电容炭和硅酸钙晶须,达到资源化高效综合利用的目的（第六章）。本论文具体的研究内容如下:1、生物质的半纤维素水解。根据玉米芯、玉米秸秆和稻壳中半纤维素含量不同,玉米芯采用一次水解法,玉米秸秆和稻壳采用三次水解法,通过优化水解条件获得:（1）玉米芯水解的最佳条件为:酸浓度9.0 wt%、固液比1:5、反应时间2.0 h、反应温度100℃,获得的木糖浓度9.5 wt%;（2）玉米秸秆三次水解的最佳工艺条件为:酸浓度7.0 wt%、固液比1:8、反应时间2.5 h,获得的木糖浓度9.0 wt%;（3）稻壳三次水解的最佳工艺条件为:酸浓度7.0 wt%、固液比1:8、反应时间2.0 h,获得的木糖浓度9.0 wt%。此外,玉米芯半纤维素水解的动力学的研究结果表明,酸水解玉米芯半纤维素活化能为27.90 kJ/mol,木糖降解的活化能为5.19 kJ/mol。2、固定床催化脱水环化。采用固定床酸催化法研究了木糖脱水环化转化为糠醛的过程。主要研究了催化剂酸浓度、反应温度、木糖浓度、助催化剂种类及用量对糠醛收率的影响,其中助催化剂种类对糠醛收率的影响从小到大的顺序为:Na₂SO₄<MgSO₄<无助催化剂<FeCl₃·6H₂O<ZnCl₂<MgCl₂·6H₂O<NaCl,糠醛收率可达到74.1%。实验结果表明:在本反应体系中,高浓度的H⁺抑制了路易斯酸（强酸弱碱盐）的水解作用,所以对提高糠醛的收率没有明显的促进作用。通过正交实验优化了木糖脱水制备糠醛的最佳工艺条件为:酸浓度2.5 mol/L,反应温度170℃,木糖浓度10.0 wt%,氯化钠70.0 g。分别以木糖液、玉米芯水解液、玉米秸秆水解液及稻壳水解液为原料,糠醛收率分别为74.3%、73.7%、73.1%、73.1%。N₂分离糠醛的研究表明:N₂有助于糠醛蒸汽从反应体系中逸出。3、醛汽气相中和。本工艺解决了糠醛蒸汽的酸度问题,研究了中和剂种类、浓度、中和温度对糠醛的收率和酸度的影响,同时也对酸进行回收再利用。结果表明,不同的金属阳离子的中和剂对糠醛的收率影响不大;不同阴离子的中和剂对糠醛收率和糠醛酸度的影响顺序为:SO₄^2->Cl^->CO₃^2->OH^-。考虑到成本及回收再利用问题,本文采用硫酸钠为中和剂,吸收了酸的硫酸钠溶液经调整酸度和氯化钠含量,作为催化剂在固定床催化木糖脱水转化为糠醛的工艺中,糠醛的收率可以达到72.6%。4、糠醛的应用。以糠醛为平台化合物研究了其在合成树脂中的应用,通过正交实验确定了苯酚-糠醛树脂的最佳工艺参数为:酚醛摩尔比1:1,碱用量为苯酚的28 wt%,碱浓度20 wt%,反应温度70℃,反应时间2.5 h。采用葡萄糖、木糖替代糠醛合成了苯酚-糠醛-葡萄糖树脂、苯酚-葡萄糖树脂和苯酚-木糖树脂,并对其进行了表征,提出了树脂形成的一种可能的机理。树脂用作木材胶黏剂时,当葡萄糖替代率为50%时苯酚-糠醛-葡萄糖树脂胶黏剂具有最大的胶合强度为0.85 MPa。5、木糖渣的高效利用。以稻壳水解后的残渣（主要是纤维素、木质素和SiO₂）为原料,经过炭化、硅炭分离、活化等工艺制备电容炭,对电容炭的比表面积、孔结构以及电化学性能进行了研究。结果表明:15 mL 8.0 wt%NaOH溶液活化制得的电容炭C2具有最大的比电容为77.3 F/g,经过5000次循环恒流充放电后电容保留率在99.0%以上,比表面积为950 m²/g,孔容为0.72 cm³/g。分离的硅通过水热法合成了硅酸钙晶须,结果表明:硅酸钙晶须为扫帚状的针钠钙石晶体,具有较好的热稳定性。综上,本论文以生物质为原料,采用创新性技术,如“三次水解法”、固定床催化脱水环化、醛汽气相中和法等技术制备糠醛,将木糖渣综合利用制备电容炭和硅酸钙晶须。这为糠醛的洁净生产工艺提供了一个新的方法和思路,是一条技术性、环保性、经济性都可行的新型工艺路线。