2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——化學(xué)產(chǎn)業(yè)綠色生產(chǎn)案例解析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請闡述綠色化學(xué)的12項原則，并選擇其中三項，結(jié)合化學(xué)產(chǎn)業(yè)中具體的例子，說明它們在推動化學(xué)產(chǎn)品設(shè)計和化學(xué)過程設(shè)計向綠色化轉(zhuǎn)型中的作用。二、某精細(xì)化工企業(yè)生產(chǎn)一種關(guān)鍵中間體，其傳統(tǒng)合成路線原子經(jīng)濟(jì)性較低，且使用有毒催化劑，產(chǎn)生含鹵素的有機(jī)廢液。請分析該工藝存在的主要環(huán)境問題。若要采用綠色化學(xué)思想進(jìn)行改進(jìn)，可以從哪些方面入手？請?zhí)岢鲋辽偃N具體的改進(jìn)策略，并簡述其原理和預(yù)期效果。三、簡述化工過程中提高原子經(jīng)濟(jì)性的主要途徑。以糠醛的工業(yè)生產(chǎn)為例，該過程涉及酸催化水解和蒸餾分離等步驟。請分析該過程中哪些環(huán)節(jié)可能影響原子經(jīng)濟(jì)性，并提出至少一種提高原子經(jīng)濟(jì)性的具體建議。四、廢水處理是化工產(chǎn)業(yè)綠色生產(chǎn)的重要組成部分。請描述化學(xué)沉淀法處理含重金屬離子（如Cr3?、Cu2?）廢水的原理。假設(shè)需要處理含Cr3?和Cu2?的混合廢水，試簡述選擇沉淀劑、確定沉淀條件（pH等）時需要考慮的關(guān)鍵因素，并說明如何通過調(diào)節(jié)條件實現(xiàn)Cr3?和Cu2?的初步分離。五、生物基化學(xué)是綠色化學(xué)的重要發(fā)展方向之一。請以生產(chǎn)生物基環(huán)氧丙烷為例，對比傳統(tǒng)方法（如異丙苯法）和生物催化法（如利用酶催化甘油轉(zhuǎn)化）在原料來源、主要反應(yīng)、環(huán)境影響等方面存在的差異。分析生物催化法作為生物基環(huán)氧丙烷生產(chǎn)技術(shù)的主要優(yōu)勢。六、生命周期評價（LCA）是評估產(chǎn)品或過程環(huán)境影響的重要工具。請簡述LCA的基本框架和主要步驟。假設(shè)要對一個采用連續(xù)流反應(yīng)器生產(chǎn)某化工產(chǎn)品的工藝進(jìn)行LCA初步評估，請列出在數(shù)據(jù)收集階段需要重點關(guān)注收集哪些類型的數(shù)據(jù)（至少列舉四類），并說明這些數(shù)據(jù)對于評估該工藝的綠色化水平有何意義。七、某化工廠產(chǎn)生大量含鹽的有機(jī)廢水，其中含有難以生物降解的有機(jī)物。請比較物理方法（如膜分離）和化學(xué)方法（如高級氧化技術(shù)AOPs）處理此類廢水的原理、優(yōu)缺點及適用場景。針對該工廠的具體情況，簡要論證選擇其中一種方法的依據(jù)。八、可持續(xù)發(fā)展要求化工生產(chǎn)不僅要考慮經(jīng)濟(jì)效益，還要兼顧環(huán)境和社會效益。請結(jié)合你所學(xué)知識，論述在評價一項新的化工工藝或技術(shù)時，除了傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，還應(yīng)考慮哪些環(huán)境和社會維度？并舉例說明如何綜合評估這些維度。試卷答案一、綠色化學(xué)原則及作用：1.預(yù)防原則：從源頭消除污染。作用：設(shè)計更安全的化學(xué)產(chǎn)品和過程，從源頭上減少或避免有害物質(zhì)的使用和產(chǎn)生。例如，采用無害或低害原料替代有毒原料，設(shè)計反應(yīng)路徑減少副產(chǎn)物生成。2.原子經(jīng)濟(jì)性：提高化學(xué)反應(yīng)的原子利用率。作用：最大限度地利用原料中的原子，減少廢物產(chǎn)生。例如，設(shè)計環(huán)加成反應(yīng)替代多步合成路線，提高合成效率。3.設(shè)計更安全的化學(xué)產(chǎn)品：設(shè)計化學(xué)產(chǎn)品時應(yīng)考慮其全生命周期對人類健康和環(huán)境的影響。作用：開發(fā)環(huán)境友好、易于降解、低毒或無毒的化學(xué)產(chǎn)品。例如，開發(fā)可生物降解塑料替代聚氯乙烯。4.減少衍生物生成：盡量使用直接合成目標(biāo)產(chǎn)物的步驟，避免產(chǎn)生不必要的中間體。作用：簡化合成路線，減少廢物和能耗。例如，使用區(qū)域選擇性的催化劑，直接合成目標(biāo)異構(gòu)體。5.催化：使用催化反應(yīng)替代高能耗的化學(xué)合成。作用：提高反應(yīng)選擇性，降低能耗，減少副產(chǎn)物。例如，使用酶催化或高效無機(jī)/有機(jī)催化劑替代高溫高壓的化學(xué)分解。6.設(shè)計可降解產(chǎn)品：設(shè)計化學(xué)產(chǎn)品使其在生命周期結(jié)束后能夠降解為無害物質(zhì)。作用：減少環(huán)境污染，防止持久性有機(jī)污染物積累。例如，設(shè)計含易水解鍵的聚合物。7.使用安全的溶劑和助劑：優(yōu)先選擇或開發(fā)低毒、低揮發(fā)、可再生或可生物降解的溶劑和助劑。作用：減少操作環(huán)境危害和廢液處理負(fù)擔(dān)。例如，使用超臨界流體或水替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑。8.能量效率：設(shè)計化學(xué)過程應(yīng)考慮熱力學(xué)和動力學(xué)，提高能量效率。作用：降低生產(chǎn)過程中的能耗，減少溫室氣體排放。例如，優(yōu)化反應(yīng)溫度和壓力，采用太陽能等清潔能源。9.使用可再生原料：優(yōu)先使用可再生資源替代不可再生資源。作用：保護(hù)有限的自然資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。例如，使用生物質(zhì)資源合成化學(xué)品。10.減少衍生物生成（補(bǔ)充，原項為5）：強(qiáng)調(diào)避免不必要的化學(xué)修飾。作用同上。11.實時分析預(yù)防污染：在生產(chǎn)過程中實時監(jiān)控，及時調(diào)整操作，防止污染產(chǎn)生。作用：提高過程控制水平，及時發(fā)現(xiàn)問題并糾正，減少事故性排放。12.事故預(yù)防：設(shè)計化學(xué)過程和設(shè)備時考慮安全因素，預(yù)防事故發(fā)生。作用：保障人員安全和環(huán)境安全。例如，采用本質(zhì)安全設(shè)計原則，增加安全聯(lián)鎖裝置。二、主要環(huán)境問題分析：*原子經(jīng)濟(jì)性低：原料中大量原子進(jìn)入副產(chǎn)物，導(dǎo)致廢物量高，資源利用率低。*使用有毒催化劑：催化劑本身可能具有毒性，存在泄漏風(fēng)險，對環(huán)境和操作人員造成危害。*產(chǎn)生含鹵素的有機(jī)廢液：鹵素有機(jī)物通常難以生物降解，具有持久性有機(jī)污染物（POPs）特性，對生態(tài)環(huán)境和人體健康具有長期危害，處理難度大，成本高。改進(jìn)策略及原理：1.多步合成路線優(yōu)化/原子經(jīng)濟(jì)性提升：通過合成路線創(chuàng)新，如使用環(huán)狀中間體、區(qū)域選擇性/立體選擇性催化，減少或消除副產(chǎn)物生成，提高原子經(jīng)濟(jì)性。原理：將更多原料原子轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物。2.開發(fā)或使用環(huán)境友好型催化劑：研發(fā)低毒或無毒的金屬催化劑、非金屬催化劑或生物催化劑（酶），或改進(jìn)現(xiàn)有催化劑的回收和循環(huán)利用技術(shù)。原理：降低催化劑本身的環(huán)境風(fēng)險，提高催化效率。3.廢物資源化/化學(xué)回收：對含鹵素的有機(jī)廢液進(jìn)行化學(xué)處理，如選擇性氧化降解、水解、熱解等，將其轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品或燃料，或?qū)U液中的鹵素進(jìn)行回收利用。原理：變廢為寶，減少廢物排放和二次污染。三、提高原子經(jīng)濟(jì)性的途徑：*選擇高選擇性的化學(xué)反應(yīng)（區(qū)域選擇性、立體選擇性）。*設(shè)計原位反應(yīng)或催化循環(huán)，避免中間產(chǎn)物分離。*使用原子經(jīng)濟(jì)性高的反應(yīng)類型（如環(huán)加成、偶聯(lián)反應(yīng)）。*優(yōu)化反應(yīng)條件，提高目標(biāo)產(chǎn)物收率。糠醛生產(chǎn)原子經(jīng)濟(jì)性問題分析及改進(jìn)建議：*影響原子經(jīng)濟(jì)性的環(huán)節(jié)：*糠醛水解生成糠醛和甲醇的過程，若副產(chǎn)物甲醇不被后續(xù)利用，則原子經(jīng)濟(jì)性不高（理論上為71%）。*蒸餾分離過程本身不消耗原子，但能耗高，且分離效率影響目標(biāo)產(chǎn)物的回收率，間接影響整體效率。*提高原子經(jīng)濟(jì)性的建議：*將副產(chǎn)物甲醇資源化：開發(fā)利用甲醇的下游化學(xué)，如將其轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)品（如甲酸、甲胺）或燃料（如甲醇燃料電池）。通過資源化利用副產(chǎn)物，提高整個生產(chǎn)過程的綜合原子經(jīng)濟(jì)性或經(jīng)濟(jì)效益。原理：將過程視為更大循環(huán)系統(tǒng)的一部分，使更多原子進(jìn)入有價值的產(chǎn)物流。四、化學(xué)沉淀法原理：向含重金屬離子的廢水中加入沉淀劑，使重金屬離子與沉淀劑中的陰離子（或與水作用生成的氫氧根離子等）反應(yīng)，生成溶解度極低的氫氧化物或鹽類沉淀物，從而實現(xiàn)與水分離。處理含Cr3?和Cu2?廢水的關(guān)鍵因素及分離策略：*關(guān)鍵因素：*沉淀劑選擇：常用氫氧化物沉淀劑（如石灰水、氫氧化鈉）或硫化物沉淀劑（如硫化鈉）。需考慮沉淀劑對目標(biāo)離子的沉淀效率和對共存離子的選擇性。*pH值控制：不同金屬離子沉淀所需的pH值不同。例如，Cr(OH)?沉淀通常在pH3-5，而Cu(OH)?沉淀在pH4-6。通過精確控制pH，可以優(yōu)先沉淀其中一種離子。*共存離子效應(yīng)：Cu2?和Cr3?離子可能相互促進(jìn)或抑制沉淀。*沉淀劑投加量：需保證足夠的沉淀劑使目標(biāo)離子完全沉淀。*反應(yīng)時間和溫度：影響沉淀物的形態(tài)和沉降速度。*初步分離策略：*通過調(diào)節(jié)pH值，使Cr3?在較低pH（如pH3-4）下優(yōu)先沉淀為Cr(OH)?，而大部分Cu2?仍保持在溶液中。*待Cr(OH)?基本沉淀后，靜置或進(jìn)行固液分離（如過濾、離心）去除Cr(OH)?沉淀。*對上清液（含Cu2?）調(diào)整pH至4-6，使Cu2?沉淀為Cu(OH)?。*再次進(jìn)行固液分離，獲得Cu(OH)?沉淀。五、傳統(tǒng)方法與生物催化法對比：|特征|傳統(tǒng)方法（異丙苯法）|生物催化法（酶催化甘油轉(zhuǎn)化）||------------|---------------------------------------|----------------------------------------||原料來源|石油基苯|生物質(zhì)基甘油（可再生）||主要反應(yīng)|苯+異丙苯<=>香料醛+異丙苯|甘油<=>3-羥基丙醛+甘油醛||環(huán)境影響|使用有毒苯，產(chǎn)生異丙苯等副產(chǎn)物，能耗高|原料可再生，酶催化條件溫和（中性、室溫），副產(chǎn)物少，環(huán)境友好||技術(shù)特點|化學(xué)催化，高溫高壓，選擇性可控|酶催化，溫和條件，高區(qū)域/立體選擇性，特異性強(qiáng)|生物催化法優(yōu)勢：1.原料可持續(xù)：利用豐富的生物質(zhì)資源（如廢棄油脂、糖類），減少對不可再生化石資源的依賴。2.環(huán)境友好：酶催化條件溫和，能耗低，通常在水相進(jìn)行，減少有機(jī)溶劑使用和廢水排放。酶本身具有高特異性，減少了副產(chǎn)物的生成。3.高選擇性：酶對反應(yīng)底物和路徑具有高度特異性，易于獲得高純度的目標(biāo)產(chǎn)物，減少后續(xù)分離純化負(fù)擔(dān)。4.生物兼容性：產(chǎn)物通常與生物體系相容性好。六、LCA基本框架與步驟：*框架：通常包含“從搖籃到墳?zāi)埂保–radle-to-Grave）或“從搖籃到大門”（Cradle-to-Gate）的范圍，涉及目標(biāo)定義與范圍界定、生命周期階段劃分、數(shù)據(jù)收集與清單分析、影響評估、結(jié)果解釋與價值判斷等環(huán)節(jié)。*主要步驟：1.目標(biāo)定義與范圍界定：明確LCA目的、系統(tǒng)邊界（包含哪些生命周期階段、輸入輸出）、評價基準(zhǔn)。2.生命周期階段劃分：將系統(tǒng)劃分為原材料獲取、生產(chǎn)、運輸、使用、廢棄處理等階段。3.數(shù)據(jù)收集與清單分析：收集各階段所有輸入（資源消耗、能源使用、排放等）和輸出（產(chǎn)品、廢物、排放物）的數(shù)據(jù)，量化環(huán)境影響。4.影響評估：將清單分析得到的物理量（如排放量）通過模型轉(zhuǎn)化為潛在的環(huán)境影響（如全球變暖潛勢、水體富營養(yǎng)化潛勢等），常用midpoint和endpoint模型。5.結(jié)果解釋與價值判斷：分析影響評估結(jié)果，識別關(guān)鍵影響因子，提出改進(jìn)建議或進(jìn)行決策支持。LCA數(shù)據(jù)收集重點及意義：*數(shù)據(jù)類型：1.投入數(shù)據(jù)：原材料種類與消耗量（特別是可再生/不可再生資源）、能源消耗量（電力、燃料種類、效率）、催化劑消耗、水耗等。2.產(chǎn)出數(shù)據(jù)：產(chǎn)品產(chǎn)量、副產(chǎn)品產(chǎn)量、廢物產(chǎn)生量與成分（固廢、液廢、氣廢，含重金屬、鹵素、VOCs等）、排放數(shù)據(jù)（CO?、SO?、NOx、POPs等）。3.過程數(shù)據(jù)：設(shè)備效率、工藝參數(shù)（溫度、壓力）、分離回收率、運輸距離與方式等。4.生命周期信息：原材料生產(chǎn)、運輸、廢物處理處置的LCA數(shù)據(jù)（若可用）。*意義：*量化環(huán)境影響：為評估該工藝在資源消耗、能源利用、污染物排放等方面的表現(xiàn)提供量化依據(jù)。*識別熱點環(huán)節(jié)：找出對環(huán)境影響最大的生命周期階段或過程步驟，為后續(xù)優(yōu)化指明方向。*比較不同方案：為比較連續(xù)流與間歇式等不同反應(yīng)器工藝，或不同綠色化改造方案的環(huán)境效益提供基礎(chǔ)。*支持決策：為工藝改進(jìn)、技術(shù)選擇、綠色認(rèn)證等決策提供科學(xué)支持。七、物理方法與化學(xué)方法對比：|方法|原理|優(yōu)點|缺點|適用場景||----------|------------------------------------------|------------------------------------------------------------|------------------------------------------------------------|--------------------------------------------||膜分離|利用膜的選擇透過性，在外力驅(qū)動下分離物質(zhì)|分離效率高，操作溫和，可連續(xù)化，無相變，設(shè)備占地小|膜污染問題嚴(yán)重，膜成本較高，通常只能進(jìn)行物質(zhì)分離，不能改變物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)|小分子/大分子分離，氣體分離，濃縮，海水淡化||高級氧化技術(shù)(AOPs)|利用強(qiáng)氧化劑（如臭氧、羥基自由基）降解有機(jī)物|能有效降解難降解有機(jī)物，反應(yīng)速率快，可在常溫常壓下進(jìn)行|通常需要較嚴(yán)格的過程控制，氧化劑可能產(chǎn)生二次污染，能耗可能較高|廢水深度處理，處理含毒害、難降解有機(jī)物廢液|選擇依據(jù)論述（假設(shè)工廠情況）：假設(shè)該工廠產(chǎn)生大量含鹽、難降解有機(jī)廢水，且對出水水質(zhì)要求較高（如需回用或達(dá)標(biāo)排放）。*膜分離適用性：膜分離能有效去除廢水中的鹽分和部分有機(jī)物，得到較純凈的水。優(yōu)點是分離效率高，得到的淡水可用于生產(chǎn)或回用，減少新鮮水取用。缺點是鹽濃度越高，膜污染越嚴(yán)重，需要預(yù)處理和清洗。對于含鹽量高的廢水，可能需要考慮反滲透等高壓膜技術(shù)，能耗和設(shè)備投資會增加。*AOPs適用性：AOPs能有效將廢水中的難降解有機(jī)物（可能包括某些鹵代烴、酚類等）礦化或轉(zhuǎn)化為可生物降解的小分子。優(yōu)點是能解決有機(jī)物難降解的問題，提高廢水的可生化性或直接達(dá)標(biāo)。缺點是處理成本（氧化劑、能耗）可能較高，且處理后的鹽分仍然存在，可能需要配合其他技術(shù)（如膜分離）。選擇建議：如果目標(biāo)是獲得高純度的淡水用于回用，且工廠有能力應(yīng)對膜污染問題或愿意投資反滲透等高壓膜技術(shù)，膜分離可能是優(yōu)先選擇，主要解決脫鹽和部分有機(jī)物去除問題。如果目標(biāo)是徹底降解難降解有機(jī)物，降低環(huán)境風(fēng)險，且對淡水回用要求不高或愿意接受較高的處理成本，AOPs是有效手段，但后續(xù)可能仍需結(jié)合膜分離等技術(shù)去除鹽分和殘留雜質(zhì)。最佳方案可能是組合工藝：AOPs預(yù)處理降解難降解有機(jī)物，再通過膜分離進(jìn)行脫鹽和純化。選擇需綜合考慮處理效果、運行成本、技術(shù)成熟度、工廠現(xiàn)有基礎(chǔ)和環(huán)保要求。八、環(huán)境和社會維度：在評價化工工藝或技術(shù)時，除了傳統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（如產(chǎn)量、成本、收率、能耗），還應(yīng)考慮以下環(huán)境和社會維度：1.環(huán)境影響：*資源消耗：能源（特別是化石能源比例）、水、土地、礦產(chǎn)等自然資源的使用量及來源（可再生/不可再生）。*污染物排放：大氣（CO?、SO?、NOx、VOCs、POPs等）、水體（COD、BOD、重金屬、持久性有機(jī)物等）、土壤（重金屬、農(nóng)藥等）的污染負(fù)荷。*生態(tài)影響：對周邊生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服