随着全球对可持续资源利用和环境保护意识的提高，优化和转型能源系统已成为世界各国优先考虑的事项（Chen等人，2025a）。木质纤维素生物质是一种代表性且丰富的可再生资源，全球年产量达数十亿吨。在中国，木质纤维素生物质的年产量已达34.9亿吨，相当于约4.6亿吨标准煤，显示出其作为化石资源替代品的巨大潜力（Deng等人，2023）。在各种纤维素衍生物中，纳米结晶纤维素（NCC）因其独特的纳米尺度（直径≤100 nm）、介孔结构、优异的机械性能、高结晶度和良好的生物降解性而受到关注（Benini等人，2018；Sriwong等人，2026）。这些特性使其在生物医学领域（Du等人，2019；Fate等人，2024）、新能源材料（Xu等人，2023）、纳米智能包装（Wang等人，2024）和智能传感器（Zhang等人，2021）中得到广泛应用。纳米结晶纤维素可分为三种主要类型：纤维素纳米纤维（CNF）、细菌纳米纤维素（BNC）和结晶纳米纤维素（CNC）（Kim等人，2019；Lv等人，2025）。然而，CNF的工业化生产受到原材料成本高、制造过程能耗大以及废液造成的环境污染等挑战的阻碍。
近年来，CNF生产方法取得了显著进展。已建立了多种CNF制备技术，包括酸水解、TEMPO介导的氧化、酶促水解、深共晶溶剂（DES）法、机械处理（Jiao等人，2025）和美国增值制浆（AVAP）工艺（Yang等人，2024a）。其中，酸水解仍然是主要的工业化方法，因为它技术成熟、产量高且产品性能优异。Wang等人（2021）证明，使用75 wt%的甲酸和10 wt%的硫酸催化进行CNC水解时，CNC的产量比传统硫酸水解法高出54.22%。此外，1 wt%的CNC水悬浮液在室温下放置30天后没有明显沉淀。与无机酸方法相比，有机酸水解具有更温和的反应条件、更容易回收酸，并通过引入羧基改善了CNF的水分散性。然而，仍需系统研究以优化有机酸的回收和再利用技术，这对于实现有机酸水解法的大规模生产至关重要。甲酸成本低廉且在工业应用中容易获得。同时，Zhang等人（2023）证实，从生物质中生产的生物基甲酸的最大产量可达91%。这使得甲酸成为更环保的原料，使其成为制备CNF的理想有机酸选择。
同时，微波加热通过电磁波直接作用于分子，使材料内部温度快速均匀升高，显著缩短了反应时间并提高了生产效率。此外，选择性加热是微波加热的优势之一，因为它优先作用于极性分子（如水和酸），从而能够精确控制反应条件，减少副反应，降低对酸强度的依赖（He等人，2024）。与传统方法相比，微波加热还具有能耗低和操作简便的特点。因此，微波辅助甲酸法制备CNF具有重要的研究价值。
目前，CNF的生产通常需要高纤维素含量的原材料，如漂白纸浆和棉花。这些原材料的有限可用性不仅导致成本高昂，还与纺织工业的原材料竞争，从而限制了CNF的大规模生产。因此，利用成本较低的木质纤维素生物质作为更经济可行的CNF生产原料已成为研究和工业的重点。Jirathampinyo等人（2023）成功地从稻草中制备出了粒径为105∼825 nm、ζ电位为-34.5 mV的CNF，尽管其结晶度相对较低（仅为15.68%）。值得注意的是，木糖通常是通过酸催化的高温水解木质纤维素材料（如玉米芯）获得的。在木糖生产过程中会产生大量木糖残渣。具体来说，每生产1吨木糖会产生7吨木糖残渣（Zhang等人，2024b）。木糖残渣含有超过60%的纤维素，因为大部分半纤维素在加工过程中被消耗——这实际上是玉米芯的一种预处理形式。因此，富含纤维素的木糖残渣在CNF生产中具有巨大潜力，既能提高资源利用率又能降低制造成本。
木质纤维素生物质的复杂结构和非纤维素成分的存在阻碍了CNF的生产。因此，通过物理、化学或生物预处理方法去除非纤维素成分，以最大限度地暴露纤维素的无定形区域，是酸水解制备CNF的必要步骤。有机酸和木质素的相似溶解度参数使得酸能够有效溶解木质素，有利于其分离。在此过程中，有机酸的亲水性和疏水性部分可能形成胶束，这对木质素的去除起着关键作用（Huang等人，2025）。温和的碱处理可以减少细胞壁的厚度，松解和分层细胞壁结构，并部分去除木质素。所有这些都有助于后续的纤维化过程（Liu等人，2021）。因此，甲酸-碱过氧化氢两步预处理方法具有很高的前景。另一方面，Milox工艺基于原位生成的过氧甲酸，是最重要的有机溶剂预处理方法之一，已应用于多种生物质材料（Tofani等人，2023）。在甲酸体系中，加入少量H2O2可以促进过氧甲酸的生成，该过程会产生亲电基团（HO+）。HO+可以显著促进木质素的降解，但对纤维素和其他多糖的水解作用较弱。它不仅可以有效防止木质素缩合，还可以避免纤维素聚合物的水解断裂（Bu等人，2021）。
据作者所知，此前没有研究将有机酸和过氧化氢预处理系统与微波辅助甲酸处理结合用于CNF制备：前者解决了传统酸基过程中酸回收困难的问题以及含氯系统造成的污染，而后者克服了传统加热方法的局限性。此外，现有工艺忽略了从提取到转化整个过程中的技术和经济相关性，缺乏可扩展性的评估。本文旨在通过构建一个集成工艺来填补这些空白，该工艺包括使用可回收的无氯氧化法提取粗纤维素，以及通过微波辅助甲酸处理制备CNF。研究目标如下：（i）验证可回收酸和无氯系统的脱木质素效果，确保提取阶段的环境友好性和显著效果；（ii）量化微波辅助甲酸技术对CNF产量和结晶度的提升效果，并阐明其高效率的机制；（iii）通过技术经济评估确定工艺的成本构成和可扩展性潜力，为CNF的工业化提供可复制的解决方案。
