2025年大学《资源化学》专业题库- 农业废弃物资源化学合成新材料

2025年大学《资源化学》专业题库——农业废弃物资源化学合成新材料考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、简答题（每题5分，共20分）1.请简述农业废弃物资源化利用的意义，并列举三种常见的农业废弃物及其主要化学成分。2.热解和气化是农业废弃物化学转化的两种主要方法，请简述它们的定义、主要产物以及区别。3.在利用农业废弃物合成碳基新材料的过程中，化学改性的目的是什么？请举例说明一种常见的改性方法及其作用。4.绿色化学原则在农业废弃物资源化学合成新材料的过程中应如何体现？二、论述题（每题10分，共30分）1.论述以农业秸秆为原料，通过化学合成路线制备生物基聚合物（如聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯）的可行性，并分析其关键环节和技术挑战。2.结合具体实例，论述将农业废弃物（如畜禽粪便）转化为能源化学品（如沼气、生物油）的综合工艺流程及其环境效益。3.试述农业废弃物基吸附剂（如生物炭、改性粘土）在废水处理中的应用潜力，并分析其吸附性能的影响因素。三、计算题（每题10分，共20分）1.某热解实验中，处理100kg含水率为15%、灰分含量为10%的玉米秸秆，得到生物炭、生物油和煤气（主要成分为H2和CO）的质量分别为15kg、25kg和40kg（标准状况下）。请计算该热解过程的产率（生物炭、生物油和煤气分别占干基秸秆质量的百分比）以及生物油的产率（占输入秸秆总质量的百分比）。2.假设利用农业废弃物合成一种新型复合吸附剂，其理论吸附容量（对某污染物）为50mg/g。现需处理1000L浓度约为200mg/L的该污染物废水，要求去除率达到90%。请计算所需吸附剂的理论质量，并说明如果实际吸附剂的吸附容量只有理论值的80%，需要增加多少吸附剂才能达到同样的去除率要求。四、方案设计题（15分）某地区产生大量废弃的果壳（主要成分为纤维素、半纤维素和木质素），请设计一个以该果壳为原料，通过化学合成或改性方法制备高附加值新材料（如高比表面积吸附剂、催化剂载体或轻质结构材料）的初步方案。方案应包括主要目标产物的选择、核心化学反应或改性过程、预期性能以及至少一种关键表征方法的建议。试卷答案一、简答题1.意义：资源循环利用，减少环境污染；开发可再生能源和材料，保障资源安全；提升农业附加值，促进农村经济发展。常见农业废弃物及其主要成分：秸秆（纤维素、半纤维素、木质素）；稻壳（纤维素、半纤维素、木质素、硅）；果壳（纤维素、半纤维素、木质素、果胶、油脂）。2.定义与产物：热解是在无氧或低氧条件下，生物质高温分解生成生物炭、生物油和煤气等产物的过程。主要产物：生物炭（固体）、生物油（液体）、煤气（气体）。气化是在高温和水蒸气或氧气存在下，生物质转化为富含一氧化碳和氢气等可燃气体的过程。主要产物：合成气（CO、H2）。区别：热解是无氧或缺氧分解，主要得到固态和液态产物；气化是有氧化剂（O2或H2O）参与的反应，主要得到气态产物。3.目的：改善农业废弃物基材料（如生物炭）的物理化学性质（如比表面积、孔隙结构、表面官能团），提高其吸附、催化等性能，拓展其应用领域。常见改性方法：活化（物理或化学，如K2O活化增加孔隙）、热处理（改变热解程度和结构）、表面官能团修饰（用酸、碱、氧化剂或还原剂改性表面）、负载（负载金属或氧化物）。4.体现：源头减量（设计更友好的废弃物处理方式）；绿色溶剂（选用可再生、低毒或无害溶剂）；高效催化（开发高选择性、高活性、可重复使用的催化剂，降低能耗）；原子经济性（设计反应路线，提高目标产物产率，减少副产物）；反应条件温和（尽可能在低温低压下进行）；过程安全环保（避免使用有毒试剂，减少废物排放，实现废液回收）。二、论述题1.可行性：农业秸秆富含纤维素和半纤维素，是合成乳酸（聚乳酸单体）或通过发酵生产羟基脂肪酸酯（PHA单体）的重要原料。通过适当的预处理（去除木质素、纤维酶解等）、化学合成（如缩聚反应）或生物发酵途径，可以将其转化为高分子聚合物。关键环节：高效的生物质预处理技术（降低木质素束缚，提高单体得率）；选择性催化转化技术（高效、高选择性地合成单体或直接聚合）；聚合工艺控制（分子量、分子量分布、热稳定性）。技术挑战：原料成分复杂且杂质多，影响转化效率；单体合成或聚合过程的催化剂成本高、选择性或稳定性有待提高；规模化生产中的能耗和成本控制；所得聚合物的性能（如生物降解性、力学性能）需要进一步优化。2.工艺流程与效益：典型流程包括收集与预处理（破碎、除杂）、厌氧消化（产沼气，主要成分为CH4和CO2）、沼气净化（去除水分和杂质）、沼气利用（发电、供热或燃烧）。实例：畜禽粪便处理。效益：能源化利用（沼气发电供热可自用或并网，减少化石燃料消耗）；减量化处理（消化过程减少粪污体积和臭气，改善环境卫生）；资源化利用（沼渣可作有机肥）；环境效益（减少温室气体排放，减少病原体和污染物进入环境）。3.应用潜力与影响因素：潜力：农业废弃物基吸附剂（如生物炭、改性粘土、活性炭）来源广、成本低、环境友好，在吸附处理废水中的重金属、有机污染物、磷、氮等方面具有良好应用前景。影响因素：吸附剂的比表面积和孔隙结构（越大越好）；表面化学性质和官能团（如含氧官能团可增加极性吸附位点）；吸附质的性质（大小、极性、电荷）；溶液pH值（影响吸附剂表面电荷和吸附质存在形态）；共存离子效应（其他离子可能竞争吸附位点或改变吸附剂表面电荷）。三、计算题1.干基秸秆质量=100kg*(1-15%)=85kg。*生物炭产率（干基）=(15kg/85kg)*100%≈17.65%。*生物油产率（干基）=(25kg/85kg)*100%≈29.41%。*煤气产率（干基）=(40kg/85kg)*100%≈47.06%。*检查：17.65%+29.41%+47.06%≈94.12%(小于100%，考虑灰分未计入有效转化或计算误差)。*生物油产率（占输入秸秆总质量）=(25kg/100kg)*100%=25%。2.所需理论吸附剂质量=(废水体积*污染物浓度*去除率)/理论吸附容量=(1000L*200mg/L*90%)/50mg/g=(1000*200*0.9)/50g=180000/50g=3600g=3.6kg。*实际所需吸附剂质量=所需理论质量/实际吸附容量占比=3.6kg/80%=3.6kg/0.8=4.5kg。*增加量=4.5kg-3.6kg=0.9kg。四、方案设计题目标产物选择：高比表面积生物炭。原料：废弃果壳。核心过程：化学活化。方案：将废弃果壳进行适当破碎，然后使用KOH作为活化剂，按一定固液比将果壳与KOH溶液混合，在高温（如800-1000°C）下进行水热碳化活化反应数小时。反应后，将得到的固体用热水或稀酸洗涤，以去除残留的KOH和灰分。最后通过干燥得到活化生物炭。预期性能：所得生物炭将具有较大的比表面积（可达1000-2000m