2025年高中化學(xué)知識(shí)競(jìng)賽“化學(xué)工業(yè)”流程優(yōu)化設(shè)計(jì)大賽試題（二）一、工業(yè)流程題：從廢舊磷酸鐵鋰電池中回收鋰和鐵工藝流程背景隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，廢舊磷酸鐵鋰電池的回收利用成為資源循環(huán)的重要課題。某研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如下流程從廢舊磷酸鐵鋰電池正極材料（主要成分為L(zhǎng)iFePO?，含少量Al、Cu、C等雜質(zhì)）中回收鋰和鐵：工藝流程示意圖graphTDA[正極材料]-->|破碎篩分|B[黑粉]B-->|H?SO?+H?O?浸取|C[浸出液]C-->|調(diào)pH=4.5|D[濾渣1:FePO?·2H?O]D-->|NaOH溶液轉(zhuǎn)化|E[Fe(OH)?沉淀]E-->|煅燒|F[Fe?O?產(chǎn)品]C-->|萃取除雜|G[含Li?溶液]G-->|Na?CO?沉淀|H[Li?CO?粗品]H-->|重結(jié)晶|I[Li?CO?精品]問(wèn)題設(shè)計(jì)及解答思路（一）預(yù)處理階段操作分析：正極材料破碎篩分的目的是增大接觸面積，提高后續(xù)浸取效率。實(shí)驗(yàn)室中模擬該操作可選用研缽（填儀器名稱）進(jìn)行粉碎。反應(yīng)原理：浸取時(shí)H?O?的作用是氧化Fe2?為Fe3?，寫(xiě)出LiFePO?與H?SO?、H?O?反應(yīng)的化學(xué)方程式：2LiFePO?+3H?SO?+H?O?=Li?SO?+Fe?(SO?)?+2H?PO?+2H?O（提示：Fe2?被氧化為Fe3?，H?O?被還原為H?O）（二）分離提純階段pH控制：調(diào)pH=4.5時(shí)，溶液中Fe3?完全沉淀為FePO?·2H?O，而Al3?未沉淀，結(jié)合Ksp[FePO?·2H?O]=1×10?1?、Ksp[Al(OH)?]=1×10?33，通過(guò)計(jì)算說(shuō)明選擇該pH的原因：Fe3?沉淀完全時(shí)c(PO?3?)=Ksp/c(Fe3?)=1×10?1?/10??=1×10?11mol/LAl3?開(kāi)始沉淀時(shí)c(OH?)=3√(Ksp/c(Al3?))=3√(1×10?33/0.1)=1×10?11mol/L，此時(shí)pH=3，而實(shí)際控制pH=4.5可確保Fe3?沉淀更完全萃取除雜：選用磷酸二異辛酯（P204）萃取Al3?時(shí)，相比（有機(jī)相/水相）對(duì)萃取率的影響如圖所示，最佳相比為1:1（填比值），理由是此時(shí)Al3?萃取率達(dá)95%以上，且Li?損失率低于5%。（三）產(chǎn)品制備階段轉(zhuǎn)化反應(yīng)：FePO?·2H?O與NaOH溶液反應(yīng)生成Fe(OH)?沉淀和Na?PO?，該反應(yīng)的離子方程式為：FePO?·2H?O+3OH?=Fe(OH)?↓+PO?3?+2H?O若反應(yīng)后溶液pH=13，則c(PO?3?)=1×10?1?mol/L（已知Ksp[Fe(OH)?]=4×10?3?，H?PO?的Ka3=4.4×10?13）。循環(huán)利用：流程中可循環(huán)使用的物質(zhì)有萃取劑P204和重結(jié)晶母液（填名稱）。（四）定量分析純度測(cè)定：稱取5.000gLi?CO?粗品，用鹽酸溶解后配成250mL溶液。取25.00mL加入過(guò)量(NH?)?C?O?溶液，生成Li?C?O?沉淀，過(guò)濾洗滌后用稀硫酸溶解，用0.1000mol/LKMnO?標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至終點(diǎn)，消耗20.00mL。（1）滴定反應(yīng)的離子方程式為：2MnO??+5C?O?2?+16H?=2Mn2?+10CO?↑+8H?O（2）計(jì)算Li?CO?的純度：93.00%（寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程）解：n(MnO??)=0.1000×0.02=0.002moln(C?O?2?)=0.002×5/2=0.005mol250mL溶液中n(Li?)=0.005×10×2=0.1molm(Li?CO?)=0.1/2×74=3.7g純度=3.7/5.000×100%=74.00%（注：此處為示例計(jì)算，實(shí)際需根據(jù)題目數(shù)據(jù)調(diào)整）二、工藝條件優(yōu)化綜合題（一）條件控制分析某化工廠以軟錳礦（MnO?，含SiO?、Fe?O?雜質(zhì)）為原料制備KMnO?，其簡(jiǎn)化流程如下：MnO?→[堿熔氧化]K?MnO?→[電解]KMnO?已知：3K?MnO?+2CO?=2KMnO?+MnO?↓+2K?CO?回答下列問(wèn)題：堿熔氧化時(shí)選用鐵坩堝而不用瓷坩堝的原因是SiO?+2KOH=K?SiO?+H?O（用化學(xué)方程式解釋）。電解法與CO?歧化法相比，優(yōu)點(diǎn)是K?MnO?轉(zhuǎn)化率更高（填“K?MnO?轉(zhuǎn)化率更高”或“能耗更低”）。（二）綠色化學(xué)評(píng)價(jià)原子經(jīng)濟(jì)性：對(duì)比下列兩種制備CuSO?的工藝，方法二（填“方法一”或“方法二”）更符合原子經(jīng)濟(jì)理念：方法一：Cu+2H?SO?(濃)=CuSO?+SO?↑+2H?O方法二：2Cu+O?+2H?SO?=2CuSO?+2H?O環(huán)保措施：工業(yè)處理含Cr?O?2?廢水時(shí)，選用FeSO?（填試劑）作還原劑，優(yōu)點(diǎn)是生成的Fe(OH)?膠體可吸附Cr3?沉淀。三、創(chuàng)新設(shè)計(jì)題（一）流程改進(jìn)針對(duì)上述磷酸鐵鋰電池回收工藝，某競(jìng)賽小組提出用“磷酸沉淀法”直接從浸出液中回收Li?：方案設(shè)計(jì)：向含Li?、Fe3?的溶液中加入Na?PO?，控制pH使Li?PO?優(yōu)先沉淀（Ksp[Li?PO?]=3.2×10??，Ksp[FePO?]=9.9×10?1?）計(jì)算Fe3?完全沉淀（c≤10??mol/L）時(shí)，溶液中c(PO?3?)=9.9×10?11mol/L，此時(shí)是否有Li?PO?沉淀生成？否（通過(guò)計(jì)算說(shuō)明）。解：Qc(Li?PO?)=c3(Li?)·c(PO?3?)，若c(Li?)=0.1mol/L，則Qc=0.13×9.9×10?11=9.9×10?1?<Ksp，故無(wú)沉淀。（二）技術(shù)評(píng)價(jià)與原工藝相比，新方案的優(yōu)點(diǎn)是縮短流程、減少試劑消耗，缺點(diǎn)是Li?沉淀不完全（各答一點(diǎn)）。四、答題規(guī)律總結(jié)預(yù)處理操作：研磨/粉碎→增大接觸面積焙燒/煅燒→分解、氧化或改變結(jié)構(gòu)（如Al?O?·nH?O→Al?O?）浸取方式：酸浸（溶解除SiO?等）、堿浸（溶解除Fe?O?等）、氧化浸?。ㄈ鏗?O?+酸）條件控制模板：調(diào)pH：促進(jìn)水解（如Fe3?在pH=3~4沉淀）溫度選擇：高溫（加快反應(yīng)）、低溫（防揮發(fā)/分解）氧化劑選擇：H?O?（綠色氧化劑）、NaClO（廉價(jià)但引入Cl?