摘要
木质纤维素中的碳水聚合物水解成简单的可发酵糖，可用于生物制氢和生物乙醇等生物质资源化利用的原料。有效的生物质预处理策略，对提高产品收率和生物精炼体系的整体效率至关重要。本文提出一种光催化与碱性H2O2协同的碱光催化预处理方法。主要研究了基于H2O2光催化的碱光催化预处理方法(U-AHP)，对玉米秸秆酶解及预处理后固体残渣的成分和成分质量损失变化的影响，通过对预处理前后玉米秸秆残渣结构表征，推测U-AHP预处理玉米秸秆中存在的协同机制。针对H2O2参与光催化无法回收问题，筛选多种半导体光催化剂，用于光催化预处理；而后将TiO2基光催化剂用于U-AHP光催化预处理中形成新的预处理方法，即基于TiO2基光催化剂的碱光催化预处理方法，简称UT-AHP，研究了对玉米秸秆酶解及预处理后固体残渣的成分的影响，并对预处理前后玉米秸秆残渣结构表征。主要结果如下： （1）研究了基于H2O2光催化的碱光催化预处理方法(U-AHP)对玉米秸秆主要成分的变化，及后续酶水解糖化效果的影响。研究表明：U-AHP预处理的最优工艺参数为1%NaOH、2%H2O2和8h照射时间条件时，此时还原糖转化率88.3%，糖化率为94.7%，木质素脱除率为88.2%。相较于AHP预处理，U-AHP预处理玉米秸秆的木质素去除效果更好，空间结构被严重破坏，酶解还原糖含量更高。酶解过程采用响应面法优化在pH=5，时间为46h，温度为50℃，酶负荷为2.6FPU/g最佳，此时还原糖转化率为83.1%。U-AHP反应过程中机理可能存在三种协同机制分别为碱预处理过程中木质素溶解和微原纤维形态变化存在协同机制、碱预处理与H2O2协同机制、紫外光和AHP的协同机制，U-AHP预处理是通过多个协同作用的复杂预处理，相较AHP预处理减少了NaOH，H2O2的使用，缩短了反应时间，是一种有效的预处理玉米秸秆的手段。 （2）针对H2O2参与光催化无法回收问题，筛选多种固体光催化剂。结果显示，从ZnO、TiO2、ZrO2、CdS、SiC和g-C3N4等多种基础光催化剂中筛选出TiO2光催化剂更适合玉米秸秆光催化预处理。制备以TiO2为基础的F-TiO2，Cu-TiO2，ZnO-TiO2、g-C3N4-TiO2和自掺杂的R-TiO2等改性光催化剂，以光催化预处理玉米秸秆后，酶解还原糖含量为催化剂活性的评价指标，结果表明以g-C3N4-TiO2和R-TiO2为光催化剂时，酶解后还原糖含量更高。通过XRD、UV-VisDRS、XPS和SEM方法表征进行分析，制备的光催化剂晶型为锐钛矿和少量金红石构成，晶型良好，掺杂改性后的光催化剂的可见光吸光性能有了很大的改变。对筛选出的g-C3N4-TiO2和R-TiO2进行XPS表征，光催化剂的所有主元素的存在，R-TiO2中有Ti3+物种生成，O/Ti=0.59，明显低于2，存在氧空位（Ov）。 （3）基于TiO2基光催化剂的碱光催化预处理方法对玉米秸秆主要成分的变化，及后续酶水解糖化效果的影响。结果表明，UT-AHP体系预处理能有效地去除木质素和部分纤维素，破坏玉米秸秆空间结构，从而促进酶解效率的提高。相较R-TiO2，H2O2浓度对g-C3N4-TiO2反应影响较大。在相同条件下，R-TiO2光催化剂的添加量较少。g-C3N4-TiO2和R-TiO2预处理后，酶解还原糖含量两者差距较小，因此R-TiO2有可能实现可见光下光催化预处理秸秆。在U-AHP体系中添加固体催化剂能有效地较少H2O2的使用，UT-AHP体系预处理是一种有前景的预处理方法。
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