2025年高中化學(xué)知識競賽“化學(xué)工業(yè)”流程優(yōu)化設(shè)計大賽試題（一）一、工業(yè)背景與流程設(shè)計隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高純度硫酸鎳（NiSO?·6H?O）作為鋰電池正極材料的關(guān)鍵原料，其生產(chǎn)工藝優(yōu)化成為化工領(lǐng)域的研究熱點。某化工廠以廢鎳催化劑（主要成分為Ni、Al、Fe及其氧化物，含少量不溶性雜質(zhì)）為原料，采用“堿浸-酸溶-凈化-結(jié)晶”的工藝路線制備硫酸鎳晶體，其簡化流程如下：工藝流程示意圖graphTDA[廢鎳催化劑]-->|粉碎|B[堿浸:80℃NaOH溶液]B-->|過濾|C[濾渣①:Ni/Fe氧化物]B-->|濾液①:NaAlO?溶液|D[回收Al(OH)?]C-->|酸溶:H?SO?(pH=1.5)|E[溶液:Ni2?/Fe2?/Fe3?]E-->|氧化:H?O?(pH=2.0)|F[溶液:Ni2?/Fe3?]F-->|調(diào)pH:NiO粉末|G[過濾:Fe(OH)?沉淀]G-->|濾液②:NiSO?溶液|H[蒸發(fā)濃縮-冷卻結(jié)晶]H-->|過濾洗滌|I[NiSO?·6H?O晶體]二、問題與解答（一）原料預(yù)處理與反應(yīng)原理堿浸工序分析（1）廢鎳催化劑在堿浸前需粉碎至粒徑≤0.1mm，其目的是增大固體與溶液的接觸面積，提高Al元素的浸出速率和浸出率。實驗測得，當(dāng)粒徑從0.5mm降至0.1mm時，Al的浸出率從68%提升至92%。（2）堿浸時發(fā)生的主要反應(yīng)化學(xué)方程式為：2Al+2NaOH+2H?O=2NaAlO?+3H?↑Al?O?+2NaOH=2NaAlO?+H?O（3）若堿浸溫度升高至100℃，會導(dǎo)致局部溶液過飽和并析出NaAlO?晶體，堵塞過濾設(shè)備。請從平衡移動角度解釋：NaAlO?(aq)?Na?(aq)+AlO??(aq)，溫度升高使NaAlO?溶解度降低，平衡向左移動。酸溶工序條件控制（1）酸溶時需控制H?SO?濃度為2mol/L，pH=1.5。若pH過低（如pH=0.5），會導(dǎo)致Ni2?水解被抑制，但Fe3?提前沉淀不完全；若pH過高（如pH=3.0），則NiO溶解速率顯著減慢。（2）酸溶后溶液中Fe2?的氧化需在酸性條件下進(jìn)行，H?O?作氧化劑時發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為：2Fe2?+H?O?+2H?=2Fe3?+2H?O實驗測得，當(dāng)H?O?投加量為理論量的1.2倍時，F(xiàn)e2?氧化率可達(dá)99.5%。（二）雜質(zhì)去除與工藝優(yōu)化Fe3?沉淀分離（1）氧化后溶液中Fe3?濃度為0.1mol/L，需通過加入NiO粉末調(diào)節(jié)pH，使Fe3?完全沉淀（離子濃度≤10??mol/L）。已知Ksp[Fe(OH)?]=4.0×10?3?，計算沉淀完全時的最小pH值：解：Fe(OH)?(s)?Fe3?(aq)+3OH?(aq)Ksp=[Fe3?][OH?]3→[OH?]=√[Ksp/[Fe3?]]3=√[4.0×10?3?/10??]3=1.58×10?11mol/LpOH=10.8，故pH=3.2。（2）實際生產(chǎn)中調(diào)節(jié)pH至4.0，此時溶液中Ni2?是否開始沉淀？（已知Ksp[Ni(OH)?]=2.0×10?1?，Ni2?濃度為1.0mol/L）解：[OH?]=10?1?mol/L，Qc=[Ni2?][OH?]2=1.0×(10?1?)2=10?2?<Ksp，故未沉淀。綠色工藝改進(jìn)（1）傳統(tǒng)工藝中使用NaClO作為氧化劑，會產(chǎn)生Cl?氣體。改用30%H?O?后，具有氧化效率高、無有害氣體排放、還原產(chǎn)物為H?O等優(yōu)勢。（2）濾液①中NaAlO?的回收工藝為：向溶液中通入CO?氣體，反應(yīng)的離子方程式為AlO??+CO?+2H?O=Al(OH)?↓+HCO??（已知Ka?(H?CO?)=4.3×10??，Ka?=5.6×10?11；Ksp[Al(OH)?]=1.3×10?33）。（三）參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)計算結(jié)晶工藝條件優(yōu)化某研究小組探究了不同結(jié)晶溫度對硫酸鎳晶體產(chǎn)率和純度的影響，實驗數(shù)據(jù)如下表：結(jié)晶溫度/℃產(chǎn)率/%晶體中Fe含量/(mg·kg?1)晶體形貌2085.64.2針狀，易結(jié)塊1092.32.8片狀，流動性好094.18.5粉末狀，含雜質(zhì)（1）根據(jù)數(shù)據(jù)，最適宜的結(jié)晶溫度為10℃，理由是此時產(chǎn)率較高（92.3%），且Fe雜質(zhì)含量低（2.8mg/kg），晶體形貌便于過濾洗滌。（2）若將濾液②（NiSO?濃度2.0mol/L）蒸發(fā)至體積為原體積的1/3，冷卻至10℃后析出晶體。已知10℃時NiSO?的溶解度為37.7g/100g水，計算1L原濾液理論上可獲得晶體的質(zhì)量（寫出計算過程）。解：設(shè)原濾液體積為1L，含NiSO?物質(zhì)的量=2.0mol，質(zhì)量=2.0×155=310g（NiSO?摩爾質(zhì)量155g/mol）；蒸發(fā)后溶液體積=1/3L，設(shè)析出晶體xmol（NiSO?·6H?O摩爾質(zhì)量263g/mol），則：剩余溶液中NiSO?質(zhì)量=310-155x剩余溶液中水的質(zhì)量=1000g（假設(shè)原溶液密度1g/mL）-108x（晶體中結(jié)晶水質(zhì)量，6×18x=108x）由溶解度得：(310-155x)/(1000-108x)=37.7/100→x≈1.2mol晶體質(zhì)量=1.2×263=315.6g能耗與環(huán)保評估該工藝中，酸溶工序需將溶液加熱至80℃，若采用蒸汽間接加熱，蒸汽消耗量為0.5t/t晶體?，F(xiàn)計劃改用“堿浸余熱回收”技術(shù)，利用堿浸后80℃的濾液①預(yù)熱酸溶原料，可使蒸汽消耗量降至0.3t/t晶體。若工廠年產(chǎn)能為1000t晶體，蒸汽價格為200元/t，則每年可節(jié)約成本40,000元（計算式：1000t×(0.5-0.3)t/t×200元/t=40,000元）。（四）拓展與創(chuàng)新AI技術(shù)在工藝優(yōu)化中的應(yīng)用山東能源集團(tuán)開發(fā)的“甲醇精餾AI優(yōu)化系統(tǒng)”通過實時采集溫度、壓力等128個工藝參數(shù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型動態(tài)調(diào)整回流比，使能耗降低18%。借鑒此技術(shù)，提出硫酸鎳生產(chǎn)中的AI優(yōu)化方案：數(shù)據(jù)采集：在線監(jiān)測酸溶pH、氧化電位（ORP）、結(jié)晶溫度等關(guān)鍵參數(shù)；模型訓(xùn)練：以Ni2?收率和Fe雜質(zhì)含量為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建多變量優(yōu)化模型；實時調(diào)控：通過PID控制器自動調(diào)節(jié)NiO投加量和結(jié)晶冷卻速率，實現(xiàn)閉環(huán)控制。三、實驗設(shè)計與安全規(guī)范實驗室模擬“調(diào)pH除鐵”實驗（1）實驗步驟：取250mL酸溶后溶液（含F(xiàn)e3?0.1mol/L），用恒壓滴液漏斗逐滴加入1.0mol/LNiO懸濁液，同時用磁力攪拌器攪拌，用pH計實時監(jiān)測溶液pH，當(dāng)pH達(dá)到3.2時停止滴加，靜置30min后過濾，測定濾液中Fe3?濃度。（2）誤差分析：若滴加NiO懸濁液過快，會導(dǎo)致局部pH過高，可能生成Ni(OH)?共沉淀，使Ni2?損失。安全生產(chǎn)注意事項（1）堿浸時需在通風(fēng)櫥中進(jìn)行，防止H?氣體積累引發(fā)爆炸（H?爆炸極限4.0%-75.6%體積分?jǐn)?shù)）。（2）H?O?儲存時應(yīng)避免與金屬離子接觸，其分解反應(yīng)方程式為2H