2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——生物燃料的化學(xué)生產(chǎn)與利用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪種生物質(zhì)資源通常被認為是第一代生物燃料的主要原料？(A)纖維素類農(nóng)業(yè)廢棄物(B)微藻生物質(zhì)(C)甘蔗渣(D)城市生活垃圾中的有機成分2.生物柴油的生產(chǎn)主要涉及下列哪種化學(xué)反應(yīng)？(A)酯化反應(yīng)(B)水解反應(yīng)(C)醋酸化反應(yīng)(D)氧化反應(yīng)3.與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物燃料最顯著的潛在優(yōu)勢之一是？(A)能量密度更高(B)燃燒產(chǎn)物中CO?排放量更大(C)可再生性強(D)資源分布更集中4.在纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為乙醇的過程中，通常需要經(jīng)過哪幾步關(guān)鍵化學(xué)處理？(1)纖維素酶水解(2)水解糖化(3)微生物發(fā)酵(4)酯交換反應(yīng)(A)(1)和(2)(B)(2)和(3)(C)(1),(2)和(3)(D)(1),(2),(3)和(4)5.用于生物燃料生產(chǎn)的酶催化劑，其關(guān)鍵優(yōu)勢通常包括？(1)反應(yīng)條件溫和（常溫常壓）(2)選擇性高，副反應(yīng)少(3)可再生使用(4)成本極低(A)(1),(2)和(3)(B)(1),(2)和(4)(C)(2),(3)和(4)(D)(1),(2),(3)和(4)6.燃料電池利用生物燃料時，其能量轉(zhuǎn)換效率通常高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，主要因為？(A)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能(B)能量轉(zhuǎn)換過程多，損失較大(C)在接近室溫下工作(D)能量轉(zhuǎn)換過程更接近熱力學(xué)可逆過程7.下列哪種技術(shù)屬于利用生物質(zhì)合成氣（主要含CO和H?）生產(chǎn)生物燃料或化學(xué)品的高溫、高壓化學(xué)轉(zhuǎn)化方法？(A)膜生物反應(yīng)器發(fā)酵(B)固定床費托合成(C)光合生物反應(yīng)器(D)酶法直接轉(zhuǎn)化纖維素8.評價一種生物燃料生產(chǎn)技術(shù)是否“綠色”或可持續(xù)，通常需要考慮的因素不包括？(A)原料獲取的環(huán)境影響(B)生產(chǎn)過程能耗與污染(C)燃料使用后的排放(D)市場價格競爭力9.微藻生物燃料被視為有潛力的第三代生物燃料，其主要優(yōu)勢可能在于？(1)油脂含量高(2)不與糧食作物爭奪土地資源(3)生長周期短，光合效率高(4)可在鹽堿地或海水中生長(A)僅(2)和(4)(B)(1),(2)和(3)(C)(1),(2),(3)和(4)(D)僅(3)和(4)10.催化劑在生物燃料化學(xué)生產(chǎn)中扮演著至關(guān)重要的角色，以下哪個選項描述了催化劑的一個主要作用？(A)直接提供生物質(zhì)原料(B)降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率(C)完全消耗掉反應(yīng)物(D)儲存化學(xué)能二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物燃料的主要途徑包括__________、__________和__________技術(shù)。2.生物柴油的化學(xué)性質(zhì)與柴油相似，其主要成分是脂肪酸甲酯或乙酯，這些酯類屬于__________化合物。3.為了提高纖維素水解的效率，常常需要使用多種__________酶協(xié)同作用。4.評估生物燃料整個生命周期對環(huán)境的影響，常用方法是__________。5.在生物燃料的生產(chǎn)或利用過程中，選擇合適的__________對于提高效率、降低成本至關(guān)重要。6.將生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的木煤氣（主要含CO、H?等）轉(zhuǎn)化為液體燃料或化學(xué)品的過程，通常稱為__________。7.某種生物柴油的生產(chǎn)工藝中，以動植物油脂為原料，通過酯交換反應(yīng)生成生物柴油和副產(chǎn)物甘油。該酯交換反應(yīng)通常使用強堿如__________作為催化劑。8.利用基因工程技術(shù)改造微生物，使其能夠更高效地降解纖維素并發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，屬于__________領(lǐng)域的發(fā)展方向。9.生物燃料的可持續(xù)發(fā)展需要考慮能源平衡、__________消耗、土地使用變化等多方面因素。10.常見的生物燃料利用方式包括直接__________、__________和燃料電池發(fā)電等。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述與化石燃料相比，生物燃料在環(huán)境友好性方面的主要優(yōu)點。2.簡要說明酶催化在生物燃料生產(chǎn)中的優(yōu)勢及其面臨的挑戰(zhàn)。3.什么是生物質(zhì)氣化？它與直接燃燒有何主要區(qū)別？四、計算題（6分）某生物柴油生產(chǎn)過程，以廢棄動植物油脂為原料，經(jīng)過酯交換反應(yīng)生成生物柴油。已知投入的動植物油脂（假設(shè)主要由甘油三酯構(gòu)成）質(zhì)量為1000kg，油脂的酯基轉(zhuǎn)化率為90%。假設(shè)反應(yīng)生成的副產(chǎn)物甘油選擇性為理論值的95%（即實際生成的甘油占理論生成量的95%）。試計算（1）理論上最多可生成多少千克的生物柴油？（2）預(yù)計會生成多少千克的甘油？（提示：甘油三酯與甲醇按1:3摩爾比反應(yīng)生成甲酯和甘油，甘油三酯的摩爾質(zhì)量約為890g/mol，甲酯的摩爾質(zhì)量約為310g/mol，甘油摩爾質(zhì)量約為92g/mol。）五、論述題（9分）論述生物燃料（特別是第二代和第三代生物燃料）生產(chǎn)過程中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并就如何克服這些挑戰(zhàn)提出你的見解和建議。試卷答案一、選擇題1.C2.A3.C4.C5.A6.D7.B8.D9.D10.B二、填空題1.酶法轉(zhuǎn)化；化學(xué)轉(zhuǎn)化；熱轉(zhuǎn)化2.酯3.纖維素4.生命周期評價(LCA)5.反應(yīng)器6.合成氣化學(xué)(SyngasChemistry)或費托合成/甲醇制油等7.氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)8.合成生物學(xué)(SyntheticBiology)9.水10.燃燒；內(nèi)燃機三、簡答題1.優(yōu)點：生物燃料是可再生能源，可以減少對有限化石燃料的依賴；燃燒時產(chǎn)生的CO?是植物光合作用吸收的，可實現(xiàn)碳循環(huán)；相比化石燃料，許多生物燃料燃燒產(chǎn)物毒性較低，NOx排放可能更少；原料來源廣泛，可以利用農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物等非食物資源。2.優(yōu)勢：條件溫和、選擇性高、環(huán)境友好、可生物降解、可再生。挑戰(zhàn)：酶成本較高、穩(wěn)定性（耐溫、耐酸堿、耐有機溶劑）有待提高、酶催化反應(yīng)通常較慢，可能需要優(yōu)化反應(yīng)器和工藝流程、底物專一性可能限制其應(yīng)用范圍。3.生物質(zhì)氣化是指將生物質(zhì)在缺氧或有限氧氣的條件下，通過熱解等方式轉(zhuǎn)化為包含CO、H?、CH?等可燃氣體（木煤氣）的過程。區(qū)別：氣化是化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，將固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣體燃料；直接燃燒是物理化學(xué)過程，直接將生物質(zhì)中的化學(xué)能通過高溫氧化釋放為熱能，不發(fā)生成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變；氣化產(chǎn)物（燃氣）可以進一步利用（如合成氣制燃料、燃料電池），而直接燃燒產(chǎn)物主要是CO?和H?O。四、計算題解：(1)計算生成生物柴油的理論量：-1000kg動植物油脂/890g/mol(甘油三酯摩爾質(zhì)量)=1123.5mol甘油三酯-理論上生成甲酯（生物柴油）的摩爾數(shù)為1123.5mol(假設(shè)1:1摩爾轉(zhuǎn)化，即甘油三酯全部轉(zhuǎn)化為甲酯，更準(zhǔn)確應(yīng)考慮甘油三酯結(jié)構(gòu)，但此處按題意簡化)-甲酯質(zhì)量=1123.5mol*310g/mol=349,205g=349.2kg-考慮轉(zhuǎn)化率90%：實際生成生物柴油量=349.2kg*90%=314.3kg(2)計算生成甘油的量：-理論上1000kg甘油三酯完全水解并轉(zhuǎn)化為甘油，生成甘油摩爾數(shù)=1123.5mol-理論上生成甘油質(zhì)量=1123.5mol*92g/mol=103,322g=103.3kg-實際考慮轉(zhuǎn)化率90%：理論水解甘油生成量=103.3kg*90%=92.97kg-考慮選擇性95%：實際生成甘油量=92.97kg*95%=88.7kg答：(1)理論上最多可生成約314.3kg生物柴油。(2)預(yù)計會生成約88.7kg甘油。五、論述題生物燃料（特別是第二代和第三代）生產(chǎn)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：1.原料獲取與預(yù)處理：第二代生物燃料依賴大量農(nóng)業(yè)廢棄物或能源作物，存在與糧食安全競爭、土地資源緊張、收集運輸成本高等問題。原料預(yù)處理（如纖維素水解）過程復(fù)雜、效率不高、能耗高、催化劑成本昂貴且穩(wěn)定性有待提升。2.轉(zhuǎn)化過程效率與選擇性：將復(fù)雜的多糖（纖維素、半纖維素）高效、選擇性地轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖或合成氣中間體仍具挑戰(zhàn)。酶催化效率有待提高，化學(xué)催化過程可能產(chǎn)生副產(chǎn)物。微生物發(fā)酵過程可能存在產(chǎn)物抑制、菌種性能限制等問題。3.成本控制：目前生物燃料（尤其是非糧來源）的生產(chǎn)成本，特別是與化石燃料相比，仍然偏高，主要在于原料成本、預(yù)處理成本、催化劑/酶成本、發(fā)酵/轉(zhuǎn)化過程能耗以及規(guī)模化生產(chǎn)投資等方面。4.技術(shù)集成與工程化：將多個單元操作（如收集、預(yù)處理、酶解、發(fā)酵、提取、純化）高效集成，并進行規(guī)?；?、連續(xù)化、自動化的工程化放大，存在技術(shù)和管理上的挑戰(zhàn)。5.環(huán)境影響與可持續(xù)性：雖然生物燃料有潛力減少化石燃料依賴，但其全生命周期的環(huán)境影響（如水資源消耗、土地變化生態(tài)影響、農(nóng)藥化肥使用、能源平衡等）需要全面評估和優(yōu)化，確保其真正可持續(xù)?？朔魬?zhàn)的見解與建議：1.開發(fā)更高效、低成本、環(huán)境友好的預(yù)處理技術(shù)，如協(xié)同水解、生物預(yù)處理等，降低木質(zhì)纖維素的復(fù)雜度。2.篩選和改造高性能、高穩(wěn)定性、低成本的酶催化劑，