2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——海水淡化技術(shù)的中性電解原理考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.在電化學(xué)中性電解過(guò)程中，電極反應(yīng)的發(fā)生基于（）。A.離子濃度梯度B.電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)C.活化能的改變D.法拉第常數(shù)2.根據(jù)法拉第電解定律，在相同電流強(qiáng)度和時(shí)間內(nèi)，通過(guò)電解質(zhì)溶液的電量與（）成正比。A.電極材料種類B.陰陽(yáng)極間距C.電解液濃度D.參與反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量3.在電滲析海水淡化過(guò)程中，離子交換膜主要允許（）通過(guò)。A.水分子B.與膜帶相反電荷的離子C.與膜帶相同電荷的離子D.中性分子4.電滲析過(guò)程中出現(xiàn)濃差極化的主要原因是（）。A.電流過(guò)大導(dǎo)致電極發(fā)熱B.離子交換膜的選擇透過(guò)性不完美C.陰陽(yáng)離子在遷移過(guò)程中遇到阻礙D.電解液導(dǎo)電性較差5.電去離子（EDI）技術(shù)相較于電滲析的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.無(wú)需外加直流電源B.能在較高溫度下運(yùn)行C.具有自再生能力，無(wú)需頻繁更換化學(xué)品D.對(duì)進(jìn)水鹽度要求較低6.對(duì)于電化學(xué)中性電解海水淡化，降低能耗的主要途徑不包括（）。A.提高電極材料的催化活性B.增大電極與溶液的接觸面積C.減小離子交換膜的電阻D.提高水的粘度7.在電滲析或EDI過(guò)程中，電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體通常位于（）。A.離子交換膜表面B.電解液內(nèi)部C.陰極區(qū)域D.陽(yáng)極區(qū)域8.影響電滲析海水淡化電流效率的關(guān)鍵因素之一是（）。A.膜的機(jī)械強(qiáng)度B.離子在膜中的遷移速率C.膜的離子交換容量D.電解液的pH值9.中性電解海水淡化技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是（）。A.投資成本過(guò)高B.操作簡(jiǎn)單易維護(hù)C.能耗普遍較低D.對(duì)預(yù)處理要求不嚴(yán)格10.選擇電滲析或EDI用離子交換膜時(shí)，首要考慮的因素是（）。A.膜的色澤B.膜的選擇透過(guò)性（離子選擇性）C.膜的厚度D.膜的耐壓性能二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.電解池中，與電源正極相連的電極稱為_(kāi)_____極，發(fā)生______反應(yīng)；與電源負(fù)極相連的電極稱為_(kāi)_____極，發(fā)生______反應(yīng)。2.法拉第電解定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為m=Q×(M/nF)，其中Q代表______，M代表______，n代表______。3.電滲析技術(shù)利用______膜和______膜的組合，在外加直流電場(chǎng)作用下，實(shí)現(xiàn)海水中陽(yáng)離子和陰離子的選擇性遷移，從而達(dá)到脫鹽的目的。4.電去離子（EDI）過(guò)程通常包含______、______和______三個(gè)基本單元。5.濃差極化現(xiàn)象是指離子在通過(guò)膜時(shí)，由于______與______的濃度差異而導(dǎo)致的膜兩側(cè)離子分布不均勻的現(xiàn)象。6.提高電化學(xué)中性電解海水淡化效率，可以降低______，或提高_(dá)_____。7.中性電解海水淡化技術(shù)的核心在于利用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子的定向遷移，實(shí)現(xiàn)水的脫鹽過(guò)程，其電化學(xué)基礎(chǔ)是______和______。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述中性電解海水淡化技術(shù)的原理及其主要組成部分。2.解釋電滲析過(guò)程中濃差極化現(xiàn)象的產(chǎn)生，并簡(jiǎn)述其對(duì)淡化效率的影響。3.與傳統(tǒng)熱法海水淡化相比，中性電解海水淡化技術(shù)（如電滲析、EDI）在能耗和環(huán)境友好性方面有何優(yōu)勢(shì)？四、計(jì)算題（共25分）1.（10分）某電滲析裝置處理海水，流量為100m3/h，進(jìn)水鹽度為35,000mg/L（以NaCl計(jì)），電滲析脫鹽率為90%。若在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電解池的總電流為200A，計(jì)算該裝置的電流效率（假設(shè)法拉第常數(shù)F=96485C/mol，NaCl摩爾質(zhì)量為58.5g/mol）。2.（15分）在電去離子（EDI）過(guò)程中，某段樹(shù)脂床層在24小時(shí)內(nèi)，通過(guò)的總電量Q=500F。已知該段樹(shù)脂床層主要用于去除Ca2?和Mg2?，假設(shè)Ca2?和Mg2?的去除量相等，且Ca2?的摩爾質(zhì)量為40g/mol。計(jì)算這24小時(shí)內(nèi)，該樹(shù)脂床層共去除了多少摩爾的Ca2?？（忽略其他因素對(duì)計(jì)算的影響）試卷答案一、選擇題1.B2.D3.B4.C5.C6.D7.D8.B9.A10.B二、填空題1.陽(yáng)極；氧化；陰極；還原2.電量；參與反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；電極反應(yīng)的電荷數(shù)3.陽(yáng)離子交換；陰離子交換4.陽(yáng)極室；離子交換膜；陰極室5.進(jìn)水側(cè)；濃水側(cè)6.能耗；電流效率7.法拉第電解定律；電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)離子遷移三、簡(jiǎn)答題1.原理：利用直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子交換膜兩側(cè)的陽(yáng)離子和陰離子分別向異性電極遷移，實(shí)現(xiàn)海水中鹽分與水的分離。主要組成部分包括：直流電源、電極、離子交換膜（陽(yáng)膜和陰膜）、隔板、濃水室和淡水室。2.產(chǎn)生：在電滲析過(guò)程中，由于膜的選擇透過(guò)性和離子的電遷移率差異，以及水流速度等因素，導(dǎo)致進(jìn)入膜表面的鹽分濃度與膜另一側(cè)的鹽分濃度產(chǎn)生差異，形成濃度梯度。這種濃度差異導(dǎo)致離子遷移速率減慢，尤其在膜表面附近，形成濃差極化層。影響：濃差極化會(huì)導(dǎo)致實(shí)際遷移的離子量減少，降低電流效率，增加濃水室鹽濃度，從而影響淡水產(chǎn)量和脫鹽率。3.能耗優(yōu)勢(shì)：中性電解技術(shù)（特別是EDI）具有自再生能力，通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子遷移脫鹽，無(wú)需像反滲透那樣高壓泵送和頻繁更換藥劑，通常能耗較低（電滲析約1-3kWh/m3，EDI更低）。環(huán)境友好性優(yōu)勢(shì)：過(guò)程不產(chǎn)生相變，無(wú)熱污染；不消耗或少量消耗化學(xué)藥劑，減少化學(xué)品排放和廢水處理負(fù)擔(dān)。四、計(jì)算題1.解：*進(jìn)水鹽度(C_in)=35,000mg/L=35g/m3=0.035kg/m3*脫鹽率=90%=0.90*總電流(I)=200A*時(shí)間(t)=1小時(shí)=3600秒*法拉第常數(shù)(F)=96485C/mol*NaCl摩爾質(zhì)量(M)=58.5g/mol=0.0585kg/mol*海水流量(Q)=100m3/h*24小時(shí)水量(V)=100m3/h×24h=2400m3*進(jìn)水NaCl總質(zhì)量(M_total_in)=C_in×V=35g/m3×2400m3=84,000g=84kg*進(jìn)水NaCl總摩爾數(shù)(n_in)=M_total_in/M=84kg/0.0585kg/mol≈1435.1mol*實(shí)際脫除NaCl摩爾數(shù)(n_deionized)=n_in×脫鹽率=1435.1mol×0.90≈1291.6mol*通過(guò)的電荷量(Q_total)=I×t=200A×3600s=720,000C*理論上需去離子數(shù)(n_theoretical)=Q_total/(F×nfactor)其中nfactor為NaCl電解時(shí)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)，NaCl->Na?+Cl?，nfactor=1*n_theoretical=720,000C/(96485C/mol)≈7.45mol*實(shí)際去離子數(shù)遠(yuǎn)大于理論值，說(shuō)明計(jì)算假設(shè)不成立或題目條件不匹配。通常電滲析電流效率不高，需按實(shí)際去離子數(shù)反推效率。*電流效率(η)=n_deionized/n_theoretical=1291.6mol/7.45mol≈172.7%(此結(jié)果不合理，表明計(jì)算模型或題設(shè)需修正。更合理的模型應(yīng)考慮電流效率本身。)*修正思路：電流效率η=(實(shí)際去離子數(shù)/理論可去離子數(shù))*100%。理論可去離子數(shù)與通過(guò)電量直接相關(guān)。假設(shè)電流效率為η%，則實(shí)際去離子數(shù)=(Q/F)×(nfactor)×η%/100。將已知量代入計(jì)算η。*η=(n_deionized/(Q/(F×nfactor)))×100%*η=(1291.6mol/(720,000C/(96485C/mol×1mol)))×100%*η=(1291.6mol/(720,000/96485))×100%*η=(1291.6mol/7.45mol)×100%*η≈173.0%(此修正結(jié)果仍不合理，說(shuō)明題目給定的數(shù)據(jù)組合本身在標(biāo)準(zhǔn)電滲析模型下無(wú)法直接得出合理解。實(shí)際應(yīng)用中電流效率通常在50%-80%。此題設(shè)計(jì)存在缺陷。若按標(biāo)準(zhǔn)模型，需假設(shè)一個(gè)η值進(jìn)行反推或調(diào)整題設(shè)數(shù)據(jù)。例如，若假設(shè)η=70%，則理論可去離子數(shù)=7.45mol/0.7≈10.64mol，實(shí)際去離子數(shù)=10.64mol×0.9=9.58mol。)*按標(biāo)準(zhǔn)模型估算（需假設(shè)）：假設(shè)η=70%，則n_theoretical=n_deionized/脫鹽率/η=1291.6mol/0.9/0.7≈1994.3mol。Q_total=n_theoretical×F×nfactor=1994.3mol×96485C/mol×1mol≈192,427,000C。實(shí)際電流I=Q_total/t=192,427,000C/(3600s×24h)≈229A。對(duì)應(yīng)的電流效率η=(實(shí)際去離子數(shù)/(Q/(F×nfactor)))×100%=(1291.6mol/(192427000C/(96485C/mol×1mol)))×100%≈70%。此假設(shè)下結(jié)果合理。2.解：*總電量(Q)=500F*時(shí)間(t)=24小時(shí)=24×3600s=86,400s*法拉第常數(shù)(F)=96485C/mol*Ca2?摩爾質(zhì)量(M_Ca)=40g/mol=0.040kg/mol*假設(shè)Ca2?和Mg2?去除量相等，即去除的Ca2?摩爾數(shù)為總?cè)コ康囊话搿?總?cè)コ鼵a2?所需電荷量=n_Ca×2F（Ca2?->Ca2?+2e?）*總?cè)コ鼵a2?所需總摩爾數(shù)=n_Ca*Q=n_Ca×2F*n_Ca=Q/(2F)*n_Ca=500F/(2×96485C/mol)*n_Ca=500/1929