半纤维素作为木质纤维生物质第二大组分,由于其基本结构单元多样性,可转化为多种平台化合物,半纤维素的高效转化是实现木质纤维生物质分级资源化利用的关键技术。半纤维素中戊糖能够通过脱水反应生成糠醛,由于糠醛的性质和化石能源降解产物相类似,因此糠醛能够部分替代化石基产品应用于燃料、化工、医药等多个行业。由木质纤维原料制备糠醛主要包含两个步骤即半纤维素的水解和戊糖脱水成糠醛,根据这两个步骤是否在同一反应罐中进行,糠醛的生产可分一步法和两步法。两步法糠醛得率高、木质纤维原料能够得到充分利用。另外,催化戊糖转化为糠醛所采用的催化剂可分为均相催化剂和异相催化剂。固体酸具备酸强度大、热稳定性高、回收工艺简单等优点,作为异相催化剂的一种受到研究人士的高度关注。催化戊糖转化为糠醛的溶剂体系分为单相溶剂体系和两相溶剂体系,由于两相溶剂体系能够抑制消耗糠醛的副反应,被广泛应用到糠醛制备的研究。基于此研究背景,本论文提出玉米芯高效的两步法制备糠醛的方法。第一步玉米芯水热预处理制备富含戊糖的水解液;第二步利用异相催化剂固体酸催化富含戊糖水解液制备糠醛,具体内容如下:(1)采用自催化水热预处理和固体酸催化水解液两步法转化玉米芯制备糠醛,考察水热预处理反应条件对水解液中木糖得率的影响,基于糠醛产率优化水热预处理条件,探讨固体酸催化剂的循环使用性能。研究结果表明,第一步水热预处理,随着反应温度的升高反应时间的延长,玉米芯细胞壁中半纤维素的降解程度以及水解液中木糖得率逐渐增大,当水热预处理的反应条件为190 oC-60 min时,水解液中木糖总量得率达7.01 g/L。第二步固体酸催化剂SO42-/SiO2-Al2O3/La3+于150 oC-2.5 h条件下催化水解液制备糠醛,当固体酸催化剂催化玉米芯在190 oC-60 min水热预处理条件下获得的水解液,糠醛得率最高,达21%。固体酸催化剂SO42-/SiO2-Al2O3/La3+回收后再生,其重复回收利用效果良好,经过4次使用后,糠醛得率仅下降5.28%。(2)提出玉米芯和微量草酸混合球磨结合温和的微波反应条件制备富含戊糖水解液的方法。考察球磨和微波水热预处理条件对水解液成分以及预处理后固体残渣组分的影响,优化反应条件,通过SEM、XRD和FTIR等手段对固体残渣进行表征。结果显示,1g玉米芯和15 mM草酸(对应于水解液中的浓度)混合球磨60 min后,在反应温度为130 oC,反应时间为30 min,微波功率为400W的条件下进行微波水热预处理,此时获得的水解液中木糖类戊糖(木糖和低聚木糖)得率最高,达86.10%。此外还发现,玉米芯经过球磨和微波水热预处理后酶解效率大幅提高,经过130 oC-40 min的微波反应得到的固体残渣在酶解48 h后,葡萄糖得率达80%。(3)以水热预处理玉米芯残渣为原料,经炭化和磺酸化后制备新型的碳基固体酸催化剂(SCC),提出新型高效用于糠醛制备的两相催化体系即浓缩水解液-二氯甲烷(CPHL-NaCl/DCM),利用碳基固体酸催化剂SCC在该两相体系中催化富含戊糖水解液制备糠醛。通过硫元素分析、BET、SEM、XRD、TG、XPS和FTIR等检测手段对碳基固体酸催化剂进行表征,重点探究催化条件对糠醛产率的影响,同时考察固体酸催化剂的回收利用性能。当CPHL与SCC的比值为100:1 m L/g,水相和有机相的体积比为1:2v/v,催化反应条件为170 oC,60 min时,糠醛总得率达81.4%其中有机相80.7%,水相0.7%,对应的糠醛选择性为83.0%,戊糖转化率接近100%。对回收后的催化剂重新进行磺酸化反应,再生后的催化剂回收利用性能稳定,固体酸SCC经过四次回收再生使用,相应的糠醛总产率下降率仅为16%。本论文提出了两步法高效转化玉米芯制备糠醛的新工艺。玉米芯和微量草酸混合球磨处理后再进行微波水热预处理,可获得富含木糖的水解液和富含纤维素和木素的固体残渣,固体残渣部分经过炭化和磺酸化后制备碳基固体酸催化剂,其余部分酶解制备葡萄糖。制备的碳基固体酸催化剂在由富含木糖的水解液和二氯甲烷组成两相体系中催化木糖制备糠醛。本论文提及的两步法不仅糠醛产率高,而且玉米芯各重要组分通过分级定向转化实现高效利用。