固体酸作为一种绿色环境友好型催化剂,对多种反应具有较高催化活性,选择性好,回收方便且可重复使用,为解决传统液体酸催化剂(如硫酸、盐酸、磷酸等)使用过程中存在的腐蚀设备、催化剂不易回收和废液污染等问题提供了一个有效可行的解决方案,已成为催化领域的一个研究热点。而生物质资源具有可再生、来源丰富、绿色环保等优点。以生物质资源尤其是废弃的生物质例如竹木加工过程中的废料、果壳等为原料制备炭材料固体酸催化剂不仅可以提高生物质资源的综合利用,而且可以降低固体酸的制备成本,有利于固体酸催化剂在工业应用上的推广。本文以竹材加工的废弃竹粉为主要原料,对甲苯磺酸一水合物为磺化剂,通过一锅法同时完成碳化和磺化两个过程,制备获得磺化竹炭材料,并对制备条件进行了系统的考察。并与以木质素、纤维素为原料制备所得的炭材料进行了性能对比,研究了两者与竹材在同时碳化磺化过程中的差异。另外,还将磺化竹炭固体酸与其他催化剂进行比较。最后,考察了炭材料在多种酯化反应以及果糖脱水制备5-羟甲基糠醛反应中的催化效果。具体包括以下内容：(1)以废弃的竹粉为原料,对甲苯磺酸一水合物为磺化剂,通过一锅法同时完成碳化和磺化两个过程,制备得到炭材料固体酸催化剂。以乙酸和正丁醇的酯化反应作为探针反应,对催化剂的性能进行评价。结合各种表征手段,对制备条件包括对甲苯磺酸一水合物/竹粉质量比、碳化磺化反应温度、反应时间、空气热处理等对催化剂性能的影响进行了系统地考察和分析。得到适宜的催化剂制备条件为：对甲苯磺酸一水合物/竹粉质量比为0.8,碳化磺化反应温度180℃,反应时间18h,180℃空气热处理6 h。其中,空气热处理步骤对于催化剂表面活性基团如羧基、羟基等的进一步生成具有重要作用,而这些表面基团有助于在制备过程中稳定催化剂的强酸中心(磺酸基团),从而提高催化剂的活性。此外,将在适宜的制备条件下获得的催化剂SBC(0.8/180/18)与以木质素和纤维素为原料,相同制备条件下得到的磺化木质素炭材料SLiC(0.8/180/18)和磺化纤维素炭材料SCeC (0.8/180/18)进行对比研究发现：在碳化磺化反应过程中,木质素更容易碳化,而不容易磺化,制备得到的催化剂碳化程度高,而引入的磺酸基团密度小；相反,纤维素不容易碳化,而更容易磺化,制备得到的催化剂碳化程度相对较低,而引入的磺酸基团密度大；而竹材中既含有木质素又含有纤维素,其碳化程度接近于纤维素的碳化程度,而磺化程度介于两者之间；竹材本身为中空多孔结构,虽然在制备过程强烈的碳化磺化作用下竹材的结构基本被破坏,SBC(0.8/180/18)仍然具有一定比表面积(1.2m2·分1)；而纤维素和木质素在碳化磺化过程中形成致密的结构,因而催化剂SCeC (0.8/180/18)和SLiC (0.8/180/18)比表面积均低于仪器检测下限；综合上述原因,催化剂SBC(0.8/180/18)、SCeC (0.8/180/18)和SLiC(0.8/180/18)应用于催化乙酸和正丁醇酯化反应体系中,所得正丁醇转化率分别为61.8%、61.3%和29.1%,而选择性均大于99.5%。催化活性的大小顺序为SBC(0.8/180/18)略大于SCeC (0.8/180/18),远大于SLiC (0.8/180/18)。此外,将SBC(0.8/180/18)与传统先碳化后磺化方法制备的磺化竹炭催化剂TSBC以及以浓硫酸为磺化剂一锅法制备得到的磺化竹炭催化剂SulBC进行对比研究。结果表明：TSBC虽然能够较完好地保存竹材的中空多孔结构,从而具有较高的比表面积(93.5m2·g-1),且碳化程度接近于SBC(0.8/180/18),但其磺酸基团密度远低于SBC(0.8/180/18)；而催化剂SulBC由于制备过程中在浓硫酸强烈作用下导致竹材的结构完全坍塌,比表面积更小(0.3m2·g-1),且碳化程度低于SBC(0.8/180/18),磺酸基团密度也是三者中最低的。综合上述原因,三者用于乙酸和正丁醇酯化反应中的催化活性大小顺序为SBC (0.8/180/18)>TSBC>SulBC。另外,总结了磺化竹炭催化剂的制备机理,即竹材在高温和对甲苯磺酸的作用下发生碳化,在形成无定型碳的同时,引入了磺酸基团,所得炭材料经空气处理后增加了表面活性基团(羧基和羟基)之后,最终得到磺化竹炭催化剂；其中对甲苯磺酸不仅是有效的磺化剂,而且是碳化过程中不可或缺的物质。(2)为了进一步研究制备得到的磺化竹炭材料SBC(0.8/180/18)的催化性能,先将其用于催化乙酸和正丁醇的酯化反应。考察了反应温度、反应时间、催化剂用量和酸醇摩尔比等对乙酸丁酯合成的影响。结果表明,在反应温度80℃,反应时间4h,乙酸／正丁醇的酸醇摩尔比为3.5/1,催化剂用量为正丁醇质量分数10%的适宜条件下,正丁醇转化率达到91.8%,选择性99.5%。催化剂经过5次重复使用后,正丁醇转化率仍可达80%以上。对重复使用过程中催化剂活性组分的分析结果表明,催化剂在第一次使用过程中活性组分有所流失,而在后续使用过程中,活性组分无明显流失,表明其催化活性较为稳定。此外,该催化剂催化其它酯化反应体系的实验结果表明,其催化活性接近或优于商品离子交换树脂Amberlyst-15,说明该磺化竹炭催化剂在酯化反应中具有良好的工业应用前景。(3)为了深入了解磺化竹炭材料SBC(0.8/180/18)在乙酸丁酯合成中的催化性能,获得乙酸丁酯合成反应的动力学数据,本文在消除内扩散和外扩散对反应影响的条件下,在适宜的催化剂浓度(46.95 g.L-1,反应物总质量分数的5.5%)和反应温度范围内(323.2-363.2 K),对正丁醇和乙酸的酯化反应动力学进行了研究,获得动力学模型参数。其中指前因子k0为8.84×108 L·mol-1·min-1,活化能Ea为79.01 kJ-mol-1。此外,对获得的动力学方程在实验温度范围内进行了验证,相对偏差的绝对值最大为9.6%,各温度下平均相对偏差均小于或等于3.9%。(4)为了进一步拓宽磺化竹炭材料SBC(0.8/180/18)的应用范围,将其用于催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛(5-HMF)的反应体系,系统地考察了溶剂种类、反应时间、反应温度和催化剂用量等对5-HMF收率的影响。结果表明,在反应温度为140℃,以二甲基亚砜(DMSO)与四氢呋喃(THF)体积比7/3的混合液为溶剂,果糖浓度0.08 g·mL-1,催化剂用量为果糖质量分数的10%,反应时间1h的适宜反应条件下,5-HMF收率可达92.1%。高于相同条件下,商品离子交换树脂Amberlyst-15的催化活性(5-HMF收率81.6%),并且催化剂经过5次重复使用之后,仍保持较高活性,5-HMF收率依然可达84.3%。对重复使用过程中催化剂活性组分的分析结果表明,催化剂在第一次使用过程中活性组分有所流失,而在后续使用过程中,活性组分含量基本保持不变,催化活性较为稳定。同时,按照一级反应动力学原理对SBC(0.8/180/18)作用下果糖脱水制备5-HMF反应进行了研究,结果表明该反应符合一级反应动力学原理,其反应的活化能Ea为43.57 kJ·mol-1,指前因子k0为1.40×106h-1。进一步证明磺化竹炭材料SBC(0.8/180/18)在催化果糖脱水制备5-羟甲基糠醛的反应体系中能够有效地降低反应的活化能,从而提高反应速率。因此该催化剂具有活性高、稳定性好的优点,具有潜在的工业应用价值。