随着全球经济和社会的快速发展,人类对能源及化学品的需求数量将越来越多,因此也加大了煤炭、石油等一次能源的需求,由于这些能源为不可再生能源,其过度使用对环境造成了一定的污染,能源危机与环境污染已经成为人类目前所面临的重要问题之一,迫使人类去寻找新型的可再生能源代替煤炭、石油等一次能源。而木质素纤维素资源,在组成上含有大量的碳元素与氢元素,同时由于资源量大、成本低廉、可再生,目前受到人类越来越多的关注,在未来,被认为是取代石化资源生产燃料和化学品的重要替代品之一。通过木质纤维素炼制获得能源和化学品的众多方式中,纤维素平台化学品转化炼制被认为是一种最有前景的方式之一,即先将木质纤维素转化为平台化合物糠醛、乙酰丙酸,再利用两种化学品转化为其他的化学品及燃料。本文以木质纤维素为原料,通过一定的技术手段将其中的半纤维素及纤维素组分分别高效转化成平台化学品糠醛和乙酰丙酸,木质素组分被加氢解聚成木质素芳香单体,实现木质纤维素的综合应用,同时研究了两种平台化学品在燃料及合成润滑油领域的应用。具体结果如下:1、通过联合水解因子控制木质纤维素转化制备平台化学品糠醛。联合水解因子(CHF)指的是将转化过程中影响反应的重要参数如反应温度、时间、催化剂浓度转化为一个可以评价反应强度的一个参数。实验以玉米芯为原料,对甲基苯磺酸为催化剂,利用实验室自主设计带有蒸馏装置的反应器转化制备糠醛。首先建立了一个能够综合考虑糠醛副反应发生的动力学模型并预测糠醛的浓度,实验值与预测值具有较好的相关性R2=0.8334,表明利用这个模型可以很准确地预测糠醛的转化情况。当CHF=1665时糠醛的转化率最大,达到了理论转化率的76.4±2.4%。考查了催化剂回收利用情况,对催化剂回收重复利用了3次,糠醛的转化率基本未受到影响,平均的转化率在75%以上。同时将本文的研究结果与近期发表文献结果进行比较,本文所获得的糠醛产率,目前在糠醛转化产业中属于较高的水平。2、“梯度升温法”综合转化木质纤维素制备平台化学品糠醛和乙酰丙酸。针对纤维素和半纤维素分别转化成乙酰丙酸和糠醛的转化温度不同,以及糠醛在转化过程中容易发生副反应等特点,开发了“梯度升温法”综合转化糠醛和乙酰丙酸,即在低温下通过反应蒸馏分离获得糠醛,然后继续升高温度实现乙酰丙酸的转化及分离。在低温条件下采用了 CHF优化转化糠醛产率,最终获得了 61.6%的转化率。继续升高温度进行乙酰丙酸转化,最大转化率可达到61.3±7.8%,与传统的“一锅法”相比较,梯度升温法在反应过程中糠醛得到及时有效的分离,糠醛得率明显提高,乙酰丙酸的产率较“一锅法”也明显提高,同时以正辛醇为提取剂实现了乙酰丙酸的有效分离和催化剂的重复利用。“梯度升温法”实现了纤维素与半纤维素组分的综合利用,提高了糠醛和乙酰丙酸的产率。3、利用联合水解因子控制预处理强度综合转化木质纤维素制备糠醛、乙酰丙酸及木质素解聚产品。本研究成功建立一种木质纤维素预处理方法,即利用一种可回收的有机酸(对甲基苯磺酸)对木质纤维素进行预处理。同时在预处理过程中利用CHF去控制预处理强度实现纤维素的高效酶解与高值木质素的获得。根据预处理效果、酶解效率以及木质素的FT-IR、31PNMR、GPC、2D-HSQC、NMR表征结果综合确定了最佳的预处理条件为CHF3.90,在最佳的条件下,半纤维素的去除率达到90%,去除的半纤维素及降解物被成功转化成了糠醛;纤维素的酶解效率达到了 76%,酶解后产生的葡萄糖被转化成乙酰丙酸;所获得的木质素具有分子量小(5783 g/mol)、分子量分布窄(PDI 1.10)、羟基含量高(3.702 mmol/g)等特点,获得高值木素被加氢解聚转化成了木质素解聚产品,液体收率为72.56%,从而实现了木质纤维素原料的综合炼制。4、分级转化木质纤维素综合定向制备糠醛、木质素解聚产品及乙醇。本研究建立了一种新的生物炼制工艺可以实现木质素纤维素三种组分的分级综合利用,第一步利用对甲基苯磺酸进行预处理去除半纤维素组分,产生的木糖进一步转化为化学品糠醛,糠醛的最大转化为68.09%;第二步利用Y-戊内酯对木质素进行提取并通过FT-IR、31p-NMR、TGA、GPC、2D-HSQC表征揭示不同预处理温度对木质素的影响,最终确定110℃为最佳的预处理条件,此条件下获得的木质素具有分子量小(13223g·mol-1)、分子量分布窄(2.26)和羟基含量大(2.7178mmol·g-1)等特点,木质素经过进一步加氢解聚获得木质素芳香单体,单体收率为84.75%;第三步纤维素组分经酶解发酵后获得高浓度乙醇,乙醇最大浓度为41g·L-1。5、“木质素优先”综合转化:木质纤维素定向制备木质素解聚产品及烃类燃料。本研究建立一个“木质素优先”综合炼制工艺,即首先利用对甲基苯磺酸对木质素进行脱除,获得的木质素分别经过FT-IR、31P-NMR、TGA、GPC、2D-HSQC表征后,确定了脱除木质素的最佳条件为CHF122,在此条件下,脱除率达到85.5%,木质素聚合程度较小,重均分子量较小(9824g.mol-1),分散度指数较小(1.45),α位的羟基数大量(4.688mmol·g-1),木质素通过加氢解聚进一步获得了木质素解聚产品,液体收率为76.9%。同时,半纤维素组分、纤维素组分及其降解产物通过“梯度升温法”分别转化为平台化学品糠醛和乙酰丙酸。木质素的脱除大大提高了糠醛的转化率,当CHF=14031时糠醛的产率最大可达72.56%。在反应温度170℃,反应时间80min,乙酰丙酸的转化率达到最大值为理论转化率的69.68%。最后糠醛与乙酰丙酸进行缩合获得缩合产物β,δ-FDLA,经过进一步氢化后,成功制备了可以作为高品质生物柴油油料的C14和C15烷烃。6、乙酰丙酸多元醇酯类合成润滑油的制备及摩擦性能测试。乙酰丙酸分别与NPG、TMP以及PE三种多元醇经过酯化合成三种多元醇酯。样品经过分子精馏后分别获得了纯度为95%以上的产品。产品分别经过核磁共振1H和质谱表征,结构表明所获得的产品的结构式和分子量均与实际相符。同时对三种多元醇酯的各项润滑油指标进行测试,其中TMP-乙酰丙酸多元醇酯展现了较好的润滑油特性如40和100℃的运动粘度分别为8.43和87.28mm2·s-1、粘度指数为48、闪点为238℃、倾点为25℃、浊点为-4℃、铜片腐蚀等级为1a、120℃挥发性为0.41%。将TMP-乙酰丙酸多元醇酯与矿物基润滑油按不同比例混合后进行高频往复试验和四球摩擦试验测定,高频往复试验结果表明,多元醇酯的添加显著改善了润滑油的润滑性能,降低了摩擦系数,100%的样品的摩擦系数最小仅为0.09。四球摩擦试验表明,当多元醇酯的添加量为10%时磨斑直径最小为0.78mm,说明TMP-乙酰丙酸多元醇酯可以作为一种良好的润滑油基础油。7、乙酰丙酸多元醇酯类水基润滑油的制备及摩擦性能测试。以木质纤维素基乙酰丙酸为原料,分别与乙二醇和丙三醇酯化成功制得两种水溶性较好的乙酰丙酸多元醇酯。产品经过分子精馏装置提纯后,利用1HNMR和质谱进行表征,所获得产品的结构及分子量与目标分子完全一致。两种产品经过润滑油理化性能、水解安定性和HFRR摩擦测试后,结果表明,丙三醇乙酰丙酸酯展现出了较好的润滑油理化性能指标例如40和100℃的运动粘度分别为73.02,7.31mm2/s,倾点为-17℃,闪点为205℃等;较稳的水解安定性和优异的防摩擦性能,其中75%丙三醇乙酰丙酸酯均相溶液的摩擦系数仅为0.11,磨斑直径仅为315μm。说明丙三醇乙酰丙酸酯可以作为一种良好的水基润滑油。