糠醛是非常重要的呋喃类化合物,可由戊糖（木糖和阿拉伯糖）或含有戊糖的生物质转化而来。糠醛化学性质活泼,可以进一步合成多种化学品和生物燃料,广泛应用于塑料、医药、农药、能源等行业。当前工业大规模制备糠醛仍旧存在使用液体酸引起的设备腐蚀、污染严重、糠醛得率低以及糠醛渣低效利用等问题。生物质联产技术是构筑稳定、经济、清洁的生物质炼制体系的关键,是突破资源和环境制约的重要途径。基于此,本论文利用催化、制浆或碳化联产技术构建了糠醛清洁高效制备及糠醛渣高值化利用策略。通过固体催化剂水热诱导效应,一步或两步法将蔗渣中的半纤维素高效转化为糠醛,再进一步利用催化技术、制浆或碳化技术将糠醛渣转化为重要平台化合物、溶解浆、纳米材料及碳基催化剂等多元产品,进而实现原料资源利用价值最大化和经济效益最优化。具体内容如下:1、固体酸连续诱导水热催化蔗渣联产糠醛和乙酰丙酸针对生物质催化过程中固体酸与固体原料难以有效分离的难点,本论文利用固体酸诱导水热催化技术,发展了基于硫酸根/锡-蒙脱土(SO₄^2-/Sn-MMT)固体酸连续催化蔗渣高效制备糠醛和乙酰丙酸的新方法。研究了响应面拟合各单因素以及各因素之间的相互作用与糠醛得率的关系,发现固体酸催化剂(SO₄^2-/Sn-MMT)起了关键作用,在氯化钠/二氯甲烷（NaCl/DCM）固体酸协同水热预处理的两相体系中,获得高达88.1%的糠醛。固体酸继续协同水热预处理固体残渣（糠醛渣）,在180 ^oC下反应3 h,获得62.1%的乙酰丙酸（LA）。此外,对蔗渣以及两步处理前后固体残渣进行红外（FTIR）、X-衍射（XRD）、热重（TGA）和扫描电镜（SEM）的对比分析,结果证实了蔗渣中半纤维素和纤维素在固体酸诱导的水热反应中被逐级转化为了糠醛和乙酰丙酸。该研究为蔗渣中半纤维素和纤维素的分级资源化提供了新思路。2、蔗渣两步法绿色高效制备糠醛及联产溶解浆基于催化和制浆联产技术,发展了蔗渣制备糠醛联产溶解浆的策略。首先采用对半纤维素具有高选择性溶出和水解能力的草酸,预处理蔗渣制备富含戊糖的水解液,接着采用不溶于低温水的磷酸铁固体催化剂催化水解液制备糠醛;获得的糠醛渣通过绿色可回收的对苯甲磺酸处理和过氧化氢漂白处理后,制得富含α-纤维素的原料,用于溶解浆的制备。重点研究了有机酸预处理蔗渣以及磷酸铁催化戊糖水解液对戊糖得率和糠醛得率的影响,探讨了磷酸铁的催化机理以及循环性能。通过国家可再生能源实验室分析法（NREL）、FTIR、XRD、TGA和SEM对比分析了对苯甲磺酸处理和过氧化氢漂白对反应前后残渣物料的组分以及化学性质的影响。结果表明,0.15 M的草酸于140 ^oC下处理蔗渣120 min,获得82.6%的木糖水解液,磷酸铁于190 ^oC–120 min下催化木糖水解液,最高获得88.7%的糠醛,经过5次循环后,磷酸铁仍表现出高效的催化性能。糠醛渣于90 ^oC–20 min下经过对甲苯磺酸处理后,残渣中木质素的含量降低至9.9%,α-纤维素的含量升高至82.3%,再经过氧化氢漂白后,木质素含量降低至2%,α-纤维素的含量升高至94.7%。该研究利用预处理和催化技术耦合制浆技术,将蔗渣中半纤维素和纤维素分别转化为糠醛和溶解浆,为半纤维素优先转化的木质纤维生物质炼制提供了新思路。3、糠醛渣碱蒸煮提取木质素针对工业糠醛渣难以高效利用的现状,利用碱蒸煮技术提取工业糠醛渣中的木质素,重点研究了不同碱处理条件对抽提分离得到的木质素化学结构的影响。另外,通过NREL、¹³C NMR和红外反射（ATR）等技术探讨了不同碱处理条件对残渣中组分和化学性质的影响。结果表明,碱抽提糠醛渣获得的木质素含有丰富的愈创木基（G）、紫丁香基（S）和对羟苯基（H）结构单元。此外,碱抽提的木质素样品中富含丰富的酚羟基,碱蒸煮（135 ^oC–0.35 M）条件下提取的木质素羟基含量最高为4.02 mM/g。还发现所获得的木质素具有良好的抗氧化性能。处理后的固体残渣中纤维素的相对含量降低,木质素的相对含量明显升高。碱抽提对固体残渣中纤维素的化学结构有较大影响,使其发生了副反应,产生了不溶于水的固体物质。该研究将为糠醛渣中木质素的利用提供重要理论依据,同时为糠醛联产现代制浆造纸工业提供参考依据。4、糠醛渣制备纳米材料工业糠醛渣因酸化程度高难以制备高附加值产品。受制浆技术启发,本论文提出甲酸—过氧化氢混合体系高效处理糠醛渣的方法,实现纤维素和木质素的高效分离,通过超声、稀释和高速离心等技术,制备出纳米纤维素、纳米木质素和木质素三种产品。研究了甲酸—过氧化氢预处理条件对木质素和纤维素制备生物质基纳米材料的影响,并对获得的三种产品进行了结构表征和分析。结果表明,该体系对糠醛渣中木质素的提取非常有效,在糠醛渣、甲酸和过氧化氢用量分别为5 g–40 mL–16 mL时,所获得残渣中木质素的含量最低为0.8%,相应的纤维素含量为88.0%。反应液稀释沉淀获得的木质素主要以对羟苯基结构为主,分子量最低为1093 g/moL。上清液通过高速离心获得不规则的纳米木质素颗粒,其横向尺寸在332 nm⁵11 nm之间,厚度在2¹0nm之间。残渣经细胞粉碎机超声处理获得纳米纤维素,宽20⁵0 nm,长500¹000 nm,长径比为2.5⁵0,Zeta电势为-35 mV^-45 mV,透过率在65%⁸5%之间。该研究为糠醛渣在纳米材料领域的应用提供了重要理论基础和技术支持。5、糠醛渣制备碳基催化剂工业糠醛渣主要含纤维素和木质素,利用糠醛渣碳元素含量高的特性,本论文提出糠醛渣经过活化和碳化高效制备碳基催化剂用于微晶纤维素水解的策略。主要研究了活化和碳化对碳基催化剂活性位点、性质以及对微晶纤维素水解为葡萄糖的影响。研究发现,制备的糠醛渣基催化剂是一种含有弱酸性官能团（羧基和酚羟基）的介孔材料。该碳基催化剂与微晶纤维素混合球磨后,分别于200°C的水和0.012 wt%的稀盐酸体系中反应50 min,分别获得了高达65.2%和83.9%的葡萄糖。此外,混合球磨（催化剂与微晶纤维素混合球磨）水解纤维素的活化能为59.0 kJ/mol,低于水解单一球磨（89.7 kJ/mol）和不球磨（158.7 kJ/mol）纤维素的活化能,间接说明了混合球磨能够显著降低纤维素水解的反应活化能,这对于固体酸水解纤维素制备葡萄糖具有重要参考价值。本论文提出了半纤维素优先转化为糠醛的木质纤维生物质炼制新模式。通过多种联产技术,将木质纤维中的半纤维素一步或两步高效催化转化为糠醛,反应后的残渣作为原料被进一步转化为化学品、材料等,如乙酰丙酸、溶解浆、纳米纤维素、纳米木质素、木质素和碳基催化剂等,从而实现木质纤维生物质的高效利用,该研究将为糠醛工业的可持续发展提供重要技术支撑。