2025年大學(xué)《應(yīng)用化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)工程與材料科學(xué)的交叉領(lǐng)域考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述傳質(zhì)系數(shù)的定義及其影響因素。在流化床反應(yīng)器中，如何通過工程手段提高固體顆粒與流體之間的傳質(zhì)系數(shù)？二、催化劑是化工過程的核心。從化學(xué)工程角度，闡述催化劑載體材料的選擇對催化劑性能（如活性、選擇性、穩(wěn)定性、壽命）的影響機(jī)制。請列舉至少三種不同的催化劑載體材料，并說明其選擇原因。三、在聚合物材料的生產(chǎn)過程中，聚合反應(yīng)器的類型（如間歇釜、連續(xù)流動反應(yīng)器）對最終聚合物的分子量分布、分子量及其它物理性能有何影響？請結(jié)合具體原理進(jìn)行解釋。四、膜分離技術(shù)是化學(xué)工程中重要的單元操作之一。請比較氣體分離膜和液體分離膜（如反滲透膜）在基本原理、膜材料選擇、主要應(yīng)用領(lǐng)域及面臨的挑戰(zhàn)方面的異同點(diǎn)。五、簡述納米材料的特殊性質(zhì)與其尺度效應(yīng)之間的關(guān)系。在納米材料的制備過程中（例如，化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠法），化學(xué)工程師需要關(guān)注哪些關(guān)鍵過程參數(shù)，以及這些參數(shù)如何影響最終納米材料的形貌、尺寸和分布？六、以鋰離子電池正極材料（如鈷酸鋰LiCoO2）的制備為例，結(jié)合固相反應(yīng)原理和化學(xué)工程知識，分析影響其晶體結(jié)構(gòu)、顆粒尺寸和電化學(xué)性能的關(guān)鍵工藝因素有哪些？并說明其原因。七、論述化學(xué)工程原理在生物材料（如組織工程支架材料、藥物緩釋載體）的設(shè)計(jì)與制備中的應(yīng)用。請至少列舉兩個具體的應(yīng)用實(shí)例，并說明化學(xué)工程方法如何幫助優(yōu)化生物材料的性能。八、設(shè)計(jì)一種用于合成某種特定納米粒子（例如，金納米棒、二氧化鈦納米晶）的化學(xué)工程過程。請描述該過程的基本步驟、所使用的反應(yīng)器類型（需說明理由）、關(guān)鍵的操作參數(shù)以及需要控制的工程條件，并簡要說明如何控制產(chǎn)物的粒徑和形貌。試卷答案一、傳質(zhì)系數(shù)（如氣相或液相）定義為描述物質(zhì)在兩相間傳遞速率的參數(shù)，通常表示為k=J/(N/A)或k=DC/L，其中J是傳質(zhì)通量，N是傳遞的物質(zhì)的量，A是接觸面積，D是擴(kuò)散系數(shù)，L是有效擴(kuò)散層厚度。影響因素包括：1)溫度（通常升高溫度，擴(kuò)散系數(shù)增大，傳質(zhì)系數(shù)提高）；2)壓力（對氣體，壓力升高通常增大氣體密度和擴(kuò)散系數(shù)，提高傳質(zhì)系數(shù)）；3)濃度梯度（梯度越大，驅(qū)動力越大，理論上傳質(zhì)系數(shù)越高）；4)流體性質(zhì)（粘度、密度影響流動和擴(kuò)散）；5)固體顆粒性質(zhì)（粒徑、形狀、表面粗糙度影響流體繞流和接觸面積）；6)反應(yīng)器類型與操作條件（如流化床的流化狀態(tài)、攪拌強(qiáng)度）。在流化床中，通過強(qiáng)化流化狀態(tài)（提高流速，實(shí)現(xiàn)良好的湍流）、增加顆粒與流體的接觸面積（使用細(xì)顆粒、合理設(shè)計(jì)床層結(jié)構(gòu)）、降低流體粘度（如加熱）等方式可提高傳質(zhì)系數(shù)。二、催化劑載體材料通過多種機(jī)制影響催化劑性能：1)物理吸附與分散：提供大量的比表面積，吸附活性組分，防止其團(tuán)聚，增大活性中心暴露面積；2)電子效應(yīng)：改變活性組分的電子結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)其化學(xué)態(tài)和反應(yīng)活性；3)熱穩(wěn)定性：確保載體在反應(yīng)高溫下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免自身分解或與活性組分反應(yīng)；4)機(jī)械強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)：影響催化劑的物理強(qiáng)度、反應(yīng)物和產(chǎn)物的傳輸通道，進(jìn)而影響反應(yīng)速率和選擇性。載體材料的選擇需根據(jù)活性組分的性質(zhì)、反應(yīng)體系、操作條件等因素綜合考慮。例如：載體需有高比表面積和合適的孔徑分布以分散活性組分；對于高溫反應(yīng)，需選用高熱穩(wěn)定性的載體（如二氧化硅SiO2、氧化鋁Al2O3）；若反應(yīng)涉及載體表面物種，則需考慮載體的電子性質(zhì)（如酸性載體用于酸催化）。常見的載體材料有：氧化硅（SiO2），高比表面積，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛；氧化鋁（Al2O3），提供酸性位點(diǎn)，熱穩(wěn)定性好；碳（活性炭），成本低，比表面積極大，適用于需要高分散度的貴金屬催化劑；分子篩（如ZSM-5），具有規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)，可精確控制反應(yīng)選擇性。三、聚合反應(yīng)器類型對聚合物性能有顯著影響：1)間歇釜反應(yīng)器：反應(yīng)物濃度隨時間變化，轉(zhuǎn)化率均勻升高，但不同時間生成的聚合物鏈長分布較寬，導(dǎo)致分子量及其分布寬，且可能存在副反應(yīng)積累。適用于小批量、對分子量分布要求不高的產(chǎn)品。2)連續(xù)流動反應(yīng)器（如管式、微反應(yīng)器）：反應(yīng)物濃度和溫度相對均勻，停留時間分布窄，有利于形成分子量分布較窄的聚合物。通過精確控制反應(yīng)溫度、停留時間等參數(shù)，可以獲得分子量、分子量分布、支化度等性能更可控的聚合物。此外，連續(xù)流動反應(yīng)器的高剪切和/或高熱傳遞速率，有助于抑制支化、降解，并能實(shí)現(xiàn)某些在間歇反應(yīng)器中難以進(jìn)行的聚合反應(yīng)（如陽離子聚合、自由基聚合的精細(xì)調(diào)控）。因此，連續(xù)流動反應(yīng)器更利于生產(chǎn)高性能、窄分子量分布的聚合物。四、氣體分離膜和液體分離膜（反滲透膜）的主要異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：1)基本原理：均基于膜的選擇透過性，即允許特定組分（小分子/溶質(zhì)）通過，而阻止其他組分（大分子/溶劑）通過，實(shí)現(xiàn)分離；2)組成：通常由聚合物或無機(jī)材料（如陶瓷、金屬）制成；3)應(yīng)用：均可在無相變或有限相變的條件下進(jìn)行分離操作；4)影響因素：膜的滲透性能（選擇性和滲透通量）均受膜材料、膜厚度、膜孔徑/孔道結(jié)構(gòu)、操作壓力（或濃度差）等影響。不同點(diǎn)：1)基本原理側(cè)重點(diǎn)：氣體膜分離主要基于氣體分子在膜內(nèi)的溶解-擴(kuò)散或快速擴(kuò)散機(jī)制，受氣體分壓、溶解度、擴(kuò)散系數(shù)影響；液體膜分離（特別是反滲透）主要基于壓力驅(qū)動下溶劑（如水）通過致密膜的選擇性滲透，截留溶質(zhì)，溶質(zhì)濃度差起輔助作用。2)膜材料選擇：氣體膜常用聚合物（如PTFE、PVDF、聚酰胺）或致密金屬膜；液體膜（反滲透）常用具有高選擇性和耐壓性的聚合物（如醋酸纖維素、聚酰胺）或無孔陶瓷膜。3)主要應(yīng)用領(lǐng)域：氣體膜分離用于天然氣凈化（脫烴）、空氣分離（制氧/氮）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）分離等；液體膜（反滲透）主要用于海水淡化、水凈化、飲料濃縮等。4)面臨挑戰(zhàn)：氣體膜挑戰(zhàn)在于提高選擇性（分離接近大小或極性相似的氣體）、降低膜滲透率、防止膜污染；液體膜（反滲透）挑戰(zhàn)在于保持高壓下的長期穩(wěn)定性和抗污染性、降低能耗、提高產(chǎn)水率。五、納米材料的特殊性質(zhì)（如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)）與其尺度（通常在1-100納米）密切相關(guān)。尺寸減小到納米尺度，原子/分子數(shù)比例急劇增加，表面原子占比大幅上升，導(dǎo)致表面效應(yīng)顯著，材料的物理化學(xué)性質(zhì)（如催化活性、熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)吸收）發(fā)生劇烈變化。在納米材料制備過程中，化學(xué)工程師需關(guān)注的關(guān)鍵過程參數(shù)及其影響：1)前驅(qū)體選擇與濃度：影響反應(yīng)物種類、初始濃度，進(jìn)而影響納米粒子成核速率、生長方式和最終尺寸；2)溫度：影響化學(xué)反應(yīng)速率、成核與生長動力學(xué)、物質(zhì)擴(kuò)散速率，是控制尺寸、形貌和相結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)；3)壓力/氣氛：影響物質(zhì)溶解度、化學(xué)反應(yīng)平衡、物質(zhì)傳輸，對某些制備方法（如氣相沉積）尤為重要；4)溶劑/介質(zhì)：影響前驅(qū)體溶解度、分散性、反應(yīng)活性、粒子穩(wěn)定性及最終分散狀態(tài)；5)pH值/添加劑：對于溶液法，pH值影響前驅(qū)體水解/沉淀速率和粒子表面電荷，添加劑（如表面活性劑、穩(wěn)定劑）可控制粒子成核、生長、形貌和分散；6)反應(yīng)時間：決定反應(yīng)進(jìn)行程度、粒子生長時間，影響最終尺寸和尺寸分布；7)攪拌/流動狀態(tài)：影響反應(yīng)物濃度均勻性、傳質(zhì)效率、溫度均勻性，對粒子尺寸分布的均勻性有重要影響。通過精確控制這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對納米粒子尺寸、形貌（球形、棒狀、立方體等）、結(jié)晶度、分散性的調(diào)控。六、鋰離子電池正極材料（LiCoO2）制備中，影響其晶體結(jié)構(gòu)（如巖鹽結(jié)構(gòu)）、顆粒尺寸（通常0.1-10微米）和電化學(xué)性能（容量、電壓、循環(huán)壽命、倍率性能）的關(guān)鍵工藝因素及其原因：1)前驅(qū)體選擇與配比：如碳酸鋰（Li2CO3）與氧化鈷（CoO）或硝酸鈷等的化學(xué)計(jì)量比必須精確，偏差會導(dǎo)致最終材料缺陷增多、容量下降；2)合成溫度：溫度影響反應(yīng)速率、相變過程和結(jié)晶程度。溫度過高可能導(dǎo)致晶粒過度生長、相分解或表面副反應(yīng)（如CoO2生成），過低則反應(yīng)不完全、結(jié)晶度差。通常存在一個最佳溫度區(qū)間以獲得優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和性能；3)合成氣氛：通常在空氣或氧氣氣氛中進(jìn)行，以保證形成目標(biāo)氧化物結(jié)構(gòu)。氣氛壓力和純度會影響氧含量和表面狀態(tài)；4)合成時間：決定反應(yīng)進(jìn)行程度和晶粒生長時間。時間過短反應(yīng)不充分，時間過長可能導(dǎo)致晶粒過大、缺陷增多，影響性能；5)粉末制備方法：如固相法、溶膠-凝膠法、水熱法等，不同的方法影響粉末的顆粒尺寸、形貌、比表面積和均勻性，進(jìn)而影響電化學(xué)性能。例如，溶膠-凝膠法通常能獲得更細(xì)小的顆粒和更均勻的成分分布；6)燒結(jié)工藝：燒結(jié)過程中的升溫速率、保溫時間和冷卻速率對晶粒尺寸、致密度和晶體缺陷有顯著影響?？焖倮鋮s可能抑制晶粒長大并引入應(yīng)力，影響循環(huán)穩(wěn)定性。通過優(yōu)化這些工藝參數(shù)，可以制備出具有高容量、良好循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能的LiCoO2正極材料。七、化學(xué)工程原理在生物材料設(shè)計(jì)與制備中應(yīng)用廣泛，主要體現(xiàn)在：1)多孔支架材料設(shè)計(jì)（組織工程）：利用傳遞現(xiàn)象原理設(shè)計(jì)具有特定孔隙率（interconnectedporosity）、孔徑分布（poresizedistribution）和孔道結(jié)構(gòu)（channelarchitecture）的支架，以利于細(xì)胞（scaffolding）的粘附、增殖、遷移以及營養(yǎng)物質(zhì)（O2、營養(yǎng)物質(zhì)）和代謝廢物（CO2、廢物）的有效傳輸，模擬天然組織的微環(huán)境。通過控制流化床沉積、3D打印、鹽粒leaching等過程中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2)藥物緩釋載體制備：利用化學(xué)反應(yīng)工程原理控制藥物與載體材料（如聚合物）的包覆過程（如原位聚合法、溶液包埋法），調(diào)控包覆層厚度和均勻性；利用傳遞現(xiàn)象原理（如擴(kuò)散、侵蝕）設(shè)計(jì)載體結(jié)構(gòu)（如多孔、核殼結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)藥物在體內(nèi)外可控、prolonged或targeted釋放，提高藥物療效和安全性。例如，通過調(diào)整聚合物分子量、交聯(lián)度、孔隙結(jié)構(gòu)或引入特定降解位點(diǎn)來控制釋放速率。這些應(yīng)用體現(xiàn)了化學(xué)工程在優(yōu)化生物材料性能、實(shí)現(xiàn)特定生物學(xué)功能方面的關(guān)鍵作用。八、設(shè)計(jì)合成金納米棒（AuNRs）的化學(xué)工程過程：1)反應(yīng)器類型：選擇微通道反應(yīng)器。理由：微反應(yīng)器具有出色的傳質(zhì)和傳熱效率，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)物濃度和溫度的精確控制，有利于形成尺寸均一、形貌可控的納米粒子；反應(yīng)物停留時間短，易于后續(xù)分離純化，且易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。2)基本步驟與關(guān)鍵參數(shù)：a)前驅(qū)體制備與注入：將氯金酸（HAuCl4）作為金源，使用油相（如十六烷基三甲基溴化銨CTAB作為表面活性劑和模板劑，控制長軸方向）和水相（如NaOH或檸檬酸鈉作為還原劑和形狀控制器）在微反應(yīng)器入口處混合。關(guān)鍵參數(shù)：前驅(qū)體濃度、表面活性劑濃度、還原劑濃度及其配比；b)反應(yīng)溫度控制：精確控制微通道內(nèi)反應(yīng)溫度在50-80°C之間。溫度影響還原速率、成核速率和生長速率，對納米棒的長徑比和尺寸分布至關(guān)重要；c)pH值控制：維持適宜的pH值（通常在中性或弱堿性，如pH7-8），影響表面活性劑的溶解度、電荷狀態(tài)及反應(yīng)活性；d)反應(yīng)時間：嚴(yán)格控制反應(yīng)時間（如10-30分鐘），確保成核與生長過程受控；e)后續(xù)處理：反應(yīng)結(jié)束后，通過微反應(yīng)器的出口進(jìn)行產(chǎn)物收集，可能包括離心、透析或萃取等步