2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——有機廢物催化轉化能源的研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內）1.下列哪種有機廢物通常被認為是最具潛力的生物質能源原料？（）A.塑料廢棄物B.城市生活垃圾（混合）C.農作物秸稈D.造紙工業(yè)廢水2.在有機廢物催化熱解過程中，通常不希望主要產物是？（）A.生物油B.氣體（如CO,H2）C.瀝青D.炭黑3.用于催化有機廢物氣化的催化劑，通常需要具備的特點不包括？（）A.高溫穩(wěn)定性B.強氧化性C.高比表面積和合適的孔結構D.高選擇性（對目標產物）4.催化劑失活的原因可能包括？（）A.積碳覆蓋活性位點B.鈍化效應C.物理磨損D.以上都是5.下列哪種轉化技術最常利用費托合成原理將含碳氣體轉化為液體燃料？（）A.生物質直燃B.甲醇制烯烴（MTO）C.合成氣催化重整D.費托合成6.有機廢物催化轉化過程中，提高反應物轉化率的常用方法不包括？（）A.增大反應物濃度B.優(yōu)化催化劑C.降低反應溫度D.延長反應時間7.下列哪種物質通常不作為生物質催化液化（生物油制備）的催化劑載體？（）A.沸石B.氧化鋁C.活性炭D.金屬絲網8.在設計有機廢物催化轉化工藝時，必須優(yōu)先考慮的因素是？（）A.產品純度最高B.反應速率最快C.經濟成本最低D.環(huán)境影響最小9.原位表征技術主要用于？（）A.分析催化劑焙燒后的最終結構B.研究反應過程中催化劑結構和性能的動態(tài)變化C.精確測定反應產物組成D.比較不同批次催化劑的活性差異10.將有機廢物轉化為能源，從環(huán)境角度最大的益處是？（）A.獲得高附加值的能源產品B.減少土地占用C.降低溫室氣體排放D.促進相關產業(yè)發(fā)展二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.催化劑在有機廢物轉化過程中，主要通過改變反應的________和________來提高反應效率。2.有機廢物催化氣化通常需要在高溫（_______K以上）和惰性氣氛下進行。3.常用的負載型催化劑是將活性組分負載在________上，以增大活性比表面積并提高穩(wěn)定性。4.評價催化劑性能的常用指標包括活性、選擇性、穩(wěn)定性和________。5.生物質熱解主要分為解吸、氣化、________三個階段。6.催化劑的本征活性通常指在________條件下測得的活性。7.費托合成可以利用CO和H2合成________、醛類和高級醇等。8.有機廢物催化轉化能源過程需要考慮能量回收和________循環(huán)利用。9.活性炭因其較大的________和發(fā)達的孔結構，有時也被用作催化反應的載體。10.光催化轉化有機廢物通常利用太陽能，需要催化劑具備合適的________和光穩(wěn)定性。三、簡答題（每小題5分，共15分）1.簡述影響有機廢物催化熱解反應速率的主要因素。2.與傳統(tǒng)燃燒處理相比，有機廢物催化轉化能源的主要優(yōu)點有哪些？3.解釋什么是催化劑的“毒化”，并列舉至少兩種可能導致催化劑毒化的物質。四、計算題（共10分）某研究小組使用一種鎳基催化劑進行生物質催化氣化實驗。在500°C、常壓下，以木屑為原料，測得反應物（假設為CH2O）的轉化速率為0.02mol/(g·s)。假設該反應對CH2O是一級反應，催化劑的質量為10g。請計算該條件下該催化反應的速率常數(shù)k。（反應速率v=k*C_A，其中C_A為反應物濃度，此處可直接用轉化速率代替，注意單位換算）五、論述題（共25分）當前，城市生活垃圾（尤其是塑料廢棄物）的快速增長對環(huán)境構成了嚴重威脅。請結合催化轉化的原理和技術，論述利用催化劑將城市生活垃圾（塑料）轉化為能源的可行性、潛在優(yōu)勢、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的未來發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.C2.D3.B4.D5.D6.C7.D8.D9.B10.C二、填空題1.活化能，反應速率2.12733.載體4.價格5.焦油6.單一7.油類8.物質9.比表面積10.能帶結構三、簡答題1.簡述影響有機廢物催化熱解反應速率的主要因素。答：主要因素包括：反應溫度（溫度升高，速率加快）、催化劑活性與數(shù)量（活性高、數(shù)量多，速率加快）、反應物性質（分子結構、易解吸性等）、催化劑與反應物的接觸狀態(tài)（接觸越充分，速率越快）、以及反應氣氛（如氧氣存在與否）等。2.與傳統(tǒng)燃燒處理相比，有機廢物催化轉化能源的主要優(yōu)點有哪些？答：主要優(yōu)點包括：產物能量密度高，便于利用；可實現(xiàn)更徹底的有機物分解，減少持久性有機污染物排放；可以將廢物轉化為有價值的化學品或燃料，實現(xiàn)資源化；相比燃燒，通常在較低溫度下進行，能耗可能更低；過程更可控。3.解釋什么是催化劑的“毒化”，并列舉至少兩種可能導致催化劑毒化的物質。答：催化劑毒化是指某些物質（毒物）吸附在催化劑的活性位點或附近，降低了催化劑的活性、選擇性或穩(wěn)定性，甚至導致催化劑失活的現(xiàn)象?？赡軐е麓呋瘎┒净奈镔|有：積碳、硫化物（如H2S）、磷化物、鹵化物（如Cl-）、某些重金屬離子（如Pd、Pt的氧化物）等。四、計算題某研究小組使用一種鎳基催化劑進行生物質催化氣化實驗。在500°C、常壓下，以木屑為原料，測得反應物（假設為CH2O）的轉化速率為0.02mol/(g·s)。假設該反應對CH2O是一級反應，催化劑的質量為10g。請計算該條件下該催化反應的速率常數(shù)k。（反應速率v=k*C_A，其中C_A為反應物濃度，此處可直接用轉化速率代替，注意單位換算）答：速率常數(shù)k=反應速率v/(催化劑表觀濃度C_A)。對于一級反應，在特定條件下v≈k*C_A，即k≈v。已知反應速率v=0.02mol/(g·s)，此速率單位已包含催化劑表觀濃度（可視為1g催化劑對應的濃度或基于催化劑總量的表觀速率）。因此，速率常數(shù)k≈0.02mol/(g·s)。*(注：嚴格來說一級反應速率常數(shù)單位應為s^-1，此處單位按題目給定的速率形式計算)*五、論述題當前，城市生活垃圾（尤其是塑料廢棄物）的快速增長對環(huán)境構成了嚴重威脅。請結合催化轉化的原理和技術，論述利用催化劑將城市生活垃圾（塑料）轉化為能源的可行性、潛在優(yōu)勢、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的未來發(fā)展方向。答：利用催化劑將城市生活垃圾（特別是塑料）轉化為能源，是應對“白色污染”和資源短缺問題的一種極具潛力的技術途徑，具有顯著的可行性和多方面優(yōu)勢，但也面臨諸多挑戰(zhàn)，未來發(fā)展方向廣闊?？尚行裕撼鞘猩罾泻写罅康挠袡C物，特別是聚烯烴等塑料，其主要成分是碳氫化合物。催化轉化技術（如催化裂解、催化氣化、費托合成等）能夠利用催化劑在較溫和或特定條件下，促使這些復雜的大分子有機物發(fā)生分解、重組，轉化為小分子氣體（如H2、CO）、液體燃料（如汽油、柴油組分）或化學品（如甲醇、氨）。已有研究表明，多種金屬、無機非金屬及負載型催化劑對塑料等有機廢物的轉化表現(xiàn)出良好的活性。因此，從原理和技術上看，利用催化劑處理城市生活垃圾轉化為能源是可行的。潛在優(yōu)勢：1.環(huán)境效益顯著：相比于簡單填埋或焚燒，催化轉化能更徹底地分解有機物，特別是塑料中的持久性有機污染物（POPs），減少土壤和地下水污染；同時，通過能量回收利用廢物，減少垃圾填埋體積，節(jié)約土地資源；部分轉化過程（如氣化）能實現(xiàn)碳的氣化，減少固態(tài)殘留物。2.資源化利用：將“廢物”轉化為有價值的能源和化學品，變廢為寶，提高了資源利用效率，符合循環(huán)經濟理念。3.能源補充：轉化產生的燃料可以替代部分化石燃料，有助于能源結構優(yōu)化和能源安全。4.處理特定廢物：對難以降解或處理成本高的有機廢物（如廢棄塑料、電子垃圾中的塑料部分）提供了一種有效的處理方案。面臨的主要挑戰(zhàn)：1.催化劑成本與穩(wěn)定性：高效、低成本、長壽命且對復雜組分具有高選擇性的催化劑亟待開發(fā)。許多高性能催化劑成本較高或易失活。2.原料復雜性與預處理：城市生活垃圾成分極其復雜多樣，雜質含量高，需要復雜的預處理（如分選、破碎、脫水）以適應催化反應要求，增加了處理成本和難度。3.催化劑中毒與失活：垃圾中的硫化物、鹵化物、氮化物以及積碳等容易導致催化劑中毒或失活，影響裝置長期穩(wěn)定運行。4.反應過程控制：塑料轉化過程可能產生焦油等副產物，需要有效的焦油處理技術和精確的反應條件控制，以優(yōu)化產物的能量和質量。5.經濟可行性：整個轉化過程的能耗、物耗、設備投資、運行成本等需要與化石能源或傳統(tǒng)處理方式進行比較，確保技術經濟上的可行性和競爭力。6.技術集成與規(guī)?；簩嶒炇壹夹g放大到工業(yè)化規(guī)模，實現(xiàn)過程自動化、智能化控制，并與其他廢物處理技術（如sorting,recycling）有效集成，是工程應用上的巨大挑戰(zhàn)。可能的未來發(fā)展方向：1.開發(fā)高效低成本催化劑：重點研發(fā)對塑料等目標物具有高活性、高選擇性、高穩(wěn)定性的新型催化劑，特別是非貴金屬催化劑和易得材料基催化劑。2.多相催化與反應器技術：發(fā)展高效的多相催化體系，結合先進的反應器設計（如微通道反應器、固定床/流化床的優(yōu)化），提高反應效率、傳質傳熱效果和過程穩(wěn)定性。3.智能化過程控制與優(yōu)化：利用人工智能、大數(shù)據等技