淺析化工流程題中的綠色化學理念

湖北 陳功健

(作者單位：華中科技大學附屬中學)

2017年10月18日，習近平在十九大報告中指出，堅持人與自然和諧共生。必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。根據化學學科核心素養對高中學生發展的具體要求，《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)制定了高中化學的課程目標。其中，涉及“綠色化學”主題部分指出學生應該具備的核心素養為：“具有安全意識和嚴謹求實的科學態度；形成真理面前人人平等的意識；增強探究物質性質和變化的興趣，關注與化學有關的社會熱點問題，認識環境保護和資源合理開發的重要性，具有‘綠色化學’觀念和可持續發展意識；能較深刻地理解化學、技術、社會和環境之間的相互關系，認識化學對社會發展的重大貢獻，能運用已有知識和方法綜合分析化學過程對自然可能帶來的各種影響，權衡利弊，強化社會責任意識，積極參與有關化學問題的社會決策。”

工藝流程題關注與化學有關的科學技術、社會經濟和生態環境，它是以實際生產的工藝流程為背景素材，將工業生產中的真實情況以信息的形式給出，運用中學化學中涉及的元素化合物知識、化學反應原理、化學實驗技能、化學計算來解決化工生產實際問題的綜合類題型。由此可見，高考中熱門題型“工藝流程題”與高中化學核心素養中“綠色化學”理念聯系密切，是考查學生高中化學核心素養5“科學態度與社會責任”的重要部分。本文嘗試闡明“綠色化學”相關考點在高中化學教材和高考工藝流程題中的體現，幫助師生明晰二者的聯系。

一、“綠色化學”相關概念梳理

“綠色化學”相關概念在高中化學教與學的過程很容易被忽視，而作為高三備考很有必要梳理清楚高中化學教材中與之相關的概念。

2019年人教版高中化學必修第二冊第八章《化學與可持續發展》第三節《環境保護與綠色》中涉及“綠色化學”相關概念。

《綠色化學化工概論》中介紹了“綠色化學工藝”：指在綠色化學基礎上開發的從源頭上阻止環境污染的化學工藝。該工藝的建立和開發的指導思想是采用“原子經濟”反應，即原料中每一個原子都轉化成產品，不產生任何廢物和副產品，實現廢物的“零排放”，也不采用有毒有害的原料、催化劑和溶劑，并生產環境友好的產品。按照綠色化學的思想，最理想的“原子經濟型反應”就是反應物的原子全部轉化為期望的最終產物，這時原子利用率為100%，即期望產物的總質量與生成物的總質量之比為100%。

二、教材中“環境污染”類型歸納

教材中有許多與綠色化學相關的主題素材，可分為以下幾類：

(1)資源開發與能源利用：鋁土礦、硫鐵礦、煤等資源與能源的開發利用；從沙子到單晶硅；海水淡化；太陽能分解水制氫氣(如使用二氧化鈦催化劑)；燃料電池；化學在光伏產業中的應用；“循環經濟”與“工業生態”的實施案例。

(2)環境問題及處理：霧霾的主要成分與來源，汽車尾氣與霧霾的關系；大氣中的VOC(揮發性有機化合物)的成分與來源；煤和石油的脫硝脫硫，煙道氣體排放中污染物的吸收；采礦和金屬提煉的環境代價；水體富營養化、COD(化學需氧量)或BOD(生化需氧量)的測定；垃圾及廢棄物的分類、回收處理與循環利用；可降解塑料(如聚乳酸)。

D

B

高考題中涉及與環境污染主題相關的主要為以下幾類：

1.CO相關污染，CO是無色無臭的有毒氣體，化學性質較穩定。CO是排放量最大的大氣污染物。

2.NOx相關污染，NOx除了會導致“酸雨”外，還會參與大氣光化學過程。NO2經光解而產生活潑的氧原子，氧原子與空氣中的O2結合生成O3，O3又可把NO氧化成NO2,因而NO,NO2與O3之間存在著化學循環。

當陽光照射到含NO和NO2的空氣時，便發生如下反應：

4.光化學煙霧相關污染，含氮氧化物和碳氫化合物等一次污染物的大氣，在太陽光照射下發生光化學反應而產生二次污染物，這種由一次污染物和二次污染物的混合物所形成的煙霧污染現象，稱為光化學煙霧。

5.重金屬相關污染，重金屬離子對酶的抑制是不可逆的，重金屬離子會使蛋白質變性失活，因此重金屬離子是有毒的。

6.富營養化，含氮、磷元素的大量污水任意排入河流、湖泊和近海水域，會出現水華、赤潮等水體污染問題。

三、化學與“三廢”污染問題

1.“三廢”污染是指工業生產中產生的廢氣、廢液、廢渣對環境的污染。三廢治理是采取多種措施對工業生產排放的廢氣、廢水、廢渣進行處理和合理利用的系統工程。工業生產排出的廢氣中含有一氧化碳、二氧化碳、苯肼芘、硫化氫、氮氧化物、氟化氫、氯化氫、甲醛、氨等有害氣體；廢水中有含有原油或石油制品的廢水，含堿或硫化物的廢水，含重金屬(鉻、鎘、鎳、銅等)離子的廢水，含酸、堿、氰化物的廢水，以及熱水等；固體廢物為被丟棄的固體和泥狀物質，其中有些是從廢水和廢氣中分離出來的固體顆粒等。如果不從治理的角度，而從回收和綜合利用的角度進行處理，它們又可變成一個新的生產過程的原料。

2.大氣污染物與次生污染物的形成過程如圖1所示。

圖1 次生污染物的形成示意圖

3.化學與“污水”處理

(1)污水處理常用方法有物理法、化學法和生物法等。

(2)污水三級處理如圖2所示

圖2

4.化學與“廢渣”及生活垃圾

處理原則：無害化、減量化和資源化，達到減少環境污染和資源回收兩個目的。

四、工藝流程圖題中的綠色化學理念考查

1.工藝流程圖題的一般流程模式

工業流程題目在流程上一般分為三個過程：原料處理→分離提純→獲得產品。其流程如圖3所示：

圖3

縱觀化工生產的流程，無論是“原料預處理、除雜、凈化”，反應過程中“原料的循環利用”，還是分離、提純產品時對排放物的無害處理，都充分體現出綠色化學的核心理念。其流程如圖4所示：

圖4

2.綠色化學理念在工藝流程圖題中的體現

為幫助學生更具體地理解綠色化學理念在工藝流程題中的體現，接下來筆者以高考真題為例，解析工藝流程題對綠色化學理念考查的幾種形式。

(1)綠色化學理念之“物質循環利用”

【例1】(2021·全國乙卷·26節選)磁選后的煉鐵高鈦爐渣，主要成分有TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、CaO以及少量的Fe2O3。為節約和充分利用資源，通過如圖5所示工藝流程回收鈦、鋁、鎂等。

圖5

該工藝條件下，有關金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH見表1

表1

回答下列問題：

(6)將“母液①”和“母液②”混合，吸收尾氣，經處理得________，循環利用。

【參考答案】(NH4)2SO4

【解析】本題以處理磁選后的煉鐵高鈦爐渣為試題情境，通過化學工藝流程回收鈦、鋁、鎂，既滲透綠色化學理念中“三廢處理”，又充分體現了處理廢渣“無害化、減量化和資源化”的基本原則,實現了原料的充分利用。

分析題干信息可知，尾氣為氨氣，母液①主要成分為硫酸銨、母液②主要成分為硫酸，將母液①和母液②混合后吸收氨氣得到硫酸銨溶液，(NH4)2SO4是“焙燒”環節的反應物，可以循環使用，故答案為(NH4)2SO4。

物質循環再利用，這是綠色化學理念在工藝流程圖題中的重要考查方式。很多學生不懂得借助“綠色化學”理念，分析工藝流程中何種物質可被循環再利用?？偨Y歸納高考題中關于“循環再利用”這一綠色化學理念的考查規律，可被循環再利用的物質應該有如下特點：

①該物質在“前面的流程中出現過且往往為反應物”；②被循環再利用的物質可重復生成，沒有以沉淀、氣體等形式脫離反應體系。

例如，本題中，(NH4)2SO4是“焙燒”環節的反應物，又可以由母液①和母液②混合后重復生成。同類型的考查方式在高考真題中十分常見，不妨再看一案例。

【例2】(2021·河北省選擇性考試·15)綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用。某科研團隊設計了一種熔鹽液相氧化法制備高價鉻鹽的新工藝，該工藝不消耗除鉻鐵礦、氫氧化鈉和空氣以外的其他原料，不產生廢棄物，實現了Cr-Fe-Al-Mg的深度利用和Na+內循環。工藝流程如圖6：

圖6

回答下列問題：

(6)熱解工序產生的混合氣體最適宜返回工序________(填“①”“②”“③”或“④”)參與內循環。

【參考答案】②

【解析】本題直接指明“綠色化學在推動社會可持續發展中發揮著重要作用”，著力考查學生的高中化學核心素養5中水平2有關“綠色化學”觀念的要求：學生應具有“綠色化學”觀念，能運用所學知識分析和探討某些化學過程對人類健康、社會可持續發展可能帶來的雙重影響，并對這些影響從多個方面進行評估。

分析題干信息可知，在整個工藝流程圖中，熱解工序產生的混合氣體為二氧化碳和水蒸氣，將混合氣體通入濾渣Ⅰ中可以將氧化鎂轉化為碳酸氫鎂溶液，則混合氣體最適宜返回工序為工序②，故答案為②。

全國高考題中關于綠色化學理念中“物質循環再利用”的考題非常多，作為學生備戰高考時不必一一練習，而應該把握此類題型的命題邏輯與本質，深入理解綠色化學理念的核心，掌握此類題型的規律，遇到此類問題，定可迎刃而解。

(2)綠色化學理念之“最優試劑”

綠色化學理念強調工藝流程中應盡可能使用無毒、無害的試劑或催化劑，高考題中出現基于這一角度的考查，即選擇“最優試劑”。

【例3】(2020·全國卷Ⅲ·27節選)某油脂廠廢棄的油脂加氫鎳催化劑主要含金屬Ni、Al、Fe及其氧化物，還有少量其他不溶性物質。采用如圖7所示工藝流程回收其中的鎳制備硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O)：

(3) 該方法具有一定的適用性，可以為風機基礎安全性能評估提供依據，同時對于基礎錨桿預應力設計值及維護策略的制定具有一定參考意義。

A

圖7

溶液中金屬離子開始沉淀和完全沉淀的pH如表2所示：

表2

(3)“轉化”中可替代H2O2的物質是________。

(6)將分離出硫酸鎳晶體后的母液收集、循環使用，其意義是______________________。

【參考答案】(3)O2或空氣

(6)提高鎳回收率。

【解析】本題以某油脂廠廢棄的油脂加氫鎳催化劑為原料，采用工藝流程回收其中的鎳制備硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O),充分體現了綠色化學理念。滲透了《課程標準》中對學科核心素養的要求：依據“綠色化學”思想和科學倫理對某一個化學過程進行分析，權衡利弊，作出合理的決策。

“轉化”步驟中使用的H2O2是學生已經熟知的綠色氧化劑，依據綠色化學理念，選擇最優的替代物質，該物質應該具備的特點應為跟H2O2同樣具有氧化性，但同時具有某種優點。從這種角度考慮，最優物質應為成本較低較為廉價的空氣。

將分離出硫酸鎳晶體后的母液收集、循環使用，讓學生分析這樣做的意義。若學生不具備綠色化學理念，很難找準答題角度。本工藝流程的目標產品是硫酸鎳晶體(NiSO4·7H2O)，以綠色化學理念為依托，從提高產物的產率及原料的利用率角度考慮，即可較為容易地回答出本小題。

(3)綠色化學理念之“防止氣體污染問題”

《課程標準》在“化學與可持續發展主題”中指出高中學生應“樹立‘綠色化學’思想，形成環境保護的意識?！?/p>

基于上述綠色化學理念，在工藝流程題中，常常涉及有毒氣體的處理問題。如考查“產生Cl2污染環境”這一體現高考對綠色化學理念考查的案例。關于這一點的考查，在高考題中也常常出現。

C

【例4】(2019·全國卷Ⅰ·27節選)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如圖8：

圖8

(2)鐵屑中含有少量硫化物，反應產生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為________(填標號)。

【參考答案】C

【解析】本題以廢鐵屑來制備硫酸鐵銨為素材背景,考查了含硫有毒氣體的處理等，充分考查了學生的綠色化學理念。

鐵屑中含有少量硫化物，硫化物與硫酸反應生成硫化氫氣體，可以用氫氧化鈉溶液吸收，為了防止倒吸可以加裝倒置的漏斗，故選擇C裝置。

五、總結

《課程標準》中指出“基礎教育課程承載著黨的教育方針和教育思想，規定了教育目標和教育內容，是國家意志在教育領域的直接體現，在立德樹人中發揮著關鍵作用?！本G色化學理念便是高中教育在“立德樹人”方面的具體體現，今后很長一段時間內都會是高考試題中的高頻考點。

教師在考前復習高中化學知識的過程中，不僅要指導學生掌握綠色化學理念在高考試題中的各種考查方式，更應主動關注與化學有關的社會熱點問題，認識環境保護和資源合理開發的重要性，逐步形成“綠色化學”觀念和可持續發展意識。