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竹材是中国典型的一种可再生农林类生物质资源,具有一次成林、生长周期短、产量高等优点。(1)烘焙预处理可有效降低生物质原料的含水率和O/C比,提高能量密度、可磨性和疏水性,但烘焙预处理过程氧元素迁移路径尚未清晰,因此采用程序控温管式炉、热重红外联用仪(TG-FTIR)和快速热解气质联用仪(PY-GCMS)等开展毛竹粉烘焙实验研究,阐明氧元素脱除转化路径。结果表明,随烘焙温度升高,固体产物中碳元素含量由46.12%升高至61.23%,氧元素含量则显著从47.47%降低到33.93%,烘焙后固体产物能量密度显著提升;烘焙液体产物主要由酸类、酚类、呋喃类和醛类等有机物构成,其中酸类、酚类和呋喃类物质含量最高可达20.34%、22.05%和31.42%,醛类和酮类含量较少,分别为8.26%和10.43%;烘焙气体产物主要为H2O、CO2、CH4和CO,其中CO2气体含量最高,其次为H2O、CH4、CO,气体产物含量均随烘焙温度升高而增加;针对烘焙气、固、液三相产物的研究分析可知,烘焙过程竹材氧元素主要以H2O、CO2、CO和含氧有机物等形式脱除。(2)热解作为一种成熟的热化学转化技术,被广泛应用于各个领域,热解液体产物中因含有大量水分(40-50%)和含氧有机物(45-50%)导致热解产物品质差,而烘焙预处理可有效改善热解产物的品质,但烘焙预处理对热解产物成型机理尚未清晰,因此采用上述仪器开展毛竹氮气气氛烘焙和热解实验,探究烘焙温度对热解气、固、液三相产物的影响。结果表明,氮气气氛下随烘焙温度的升高,碳元素含量由46.12%升高至61.23%,氧元素含量由47.47%降低至33.93%;热解气体产物主要由H2O、CO2、CH4、CO和H2组成,其中CO2气体含量最高,随烘焙程度加深,CO2、CO、H2O、CH4产量减少,H2产量增加;热解液体产物主要有酸类、酚类、呋喃类和醛类等,酸类、酚类和呋喃类相对含量较高,分别为12.69%、34.72%和29.80%,酮类和醛类含量为9.32%和11.87%。(3)氨气(NH3)是一种高氮/氢比的气氛,通过氨气热化学转化方法制备富氮生物质进而生产含氮化学品受到广泛关注。采用上述仪器开展氨气气氛烘焙和热解实验,结果表明,氨气气氛下随烘焙温度升高,氮元素含量从0.05%显著增加至7.59%,固体产物官能团以季胺-N、吡咯-N和吡啶-N构成;热解气体主要由H2O、CO2、CH4、CO、NH3、HCN、HCNO和NO等组成,其中CO2气体产量最高,常规热解小分子气体随热解温度升高含量逐渐减少,而含N小分子气体趋势相反。热解液体产物主要由酸类、酚类、呋喃类、酮类、酯类和含N物质组成。热解油中含N物质相对含量最高可达19.89%;基于上述结果可知氨气作为一种烘焙气氛可有效优化生物质氮元素分布,进而开发一种全新制取含氮化学品方法。(4)利用沸石分子筛的择形催化能力,研究竹材在氧气气氛下(9%O2)烘焙温度、催化剂比例和热解温度对催化热解产物的影响,探究三苯最佳制备工艺。当烘焙预处理载气气氛为9%O2时,催化热解产物中BTX选择性产率最高,三苯选择性产率最高可达76.32%,主要归因于半纤维素、纤维素热解后含氧有机物在分子筛孔道内脱羰、脱羧和脱水反应,以及木质素热解产生的酚类物质在沸石催化剂表面发生脱氧和裂解反应。由PY-GCMS分析结果可知,9%O2气氛下经300℃烘焙后在催化比为1:5,热解温度为850℃时制备三苯具有最佳收益。该结果可为竹材能源化、工业化利用,以及制备竹材高品质附加品提供参考与借鉴。本文以毛竹(Phyllostachys edulis)粉为原料,通过烘焙预处理、快速热解和催化热解等技术,将其转化为炭材料及高附加值产品,为竹材的能源化利用提供理论依据。