含銅廢水處理與廢棄熱能利用的契合
——2023年高考山東化學卷電化學試題情境溯源與解析

□李玉璽

電鍍行業產生的電鍍廢水中含有大量銅離子，目前處理含銅廢水的常用方法有化學沉淀法、離子交換法、吸附法、膜過濾法、電化學等。然而，這些方法往往存在著二次污染、成本高、耗能大及運行困難等缺點。學者提出了一種基于電化學系統技術的熱再生氨電池，在利用低溫廢熱資源產電的同時去除銅離子。該技術在含銅電鍍廢水的處理及資源回收方面具有獨特的優勢和良好的應用前景。

山東省2023年普通高中學業水平等級考試化學卷第11題，就以這類熱再生氨電池創設真實情境，考查考生對陌生電化學裝置的分析與推測能力，基于電極反應類型確定電極名稱的邏輯推理能力、基于實際需求確定隔膜種類的論證能力、基于情境書寫總反應式的必備知識，評價考生應用原電池基本模型解決實際問題的能力與學科素養發展水平。本文通過查閱文獻資料對該試題的命題情境進行溯源，剖析熱再生氨電池的構造和工作原理，并對試題進行深度解析。

一、試題原題

2023年山東卷第11題：利用熱再生氨電池可實現CuSO4電鍍廢液的濃縮再生。電池裝置如圖所示（圖1），甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室加入足量氨水后電池開始工作。下列說法正確的是

圖1

A.甲室Cu電極為正極

B.隔膜為陽離子膜

C.電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+

D.NH3擴散到乙室將對電池電動勢產生影響

二、命題情境溯源

中文期刊中關于熱再生氨電池的最早報道，是2015年《浙江電力》中一篇名為《可再生氨電池助推廢棄熱能利用》的文章。該報道稱，有研究者將低品位廢棄熱能轉化為電能的一種有效的新技術使用到可逆轉的氨電池中。該文章對于熱再生氨電池的應用價值進行了簡單介紹。

近年來，重慶大學工程熱物理研究所、重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室的研究人員致力于熱再生氨電池的研究。該研究團隊自2018年至今，發表與熱再生氨電池相關的科研論文十余篇。其中，盧志強等的《不同負載下熱再生氨電池產電及Cu2+去除特性》一文，與上述試題的相關性最強。相關研究表明，電池負載不但影響電化學反應速率和產電性能，而且會對Cu2+去除效果產生影響。隨著負載的降低，電流強度逐漸增大，電池的產電量會逐漸提升。此外，氨滲透現象（陽極室中氨的濃度過大時通過交換膜進入陰極室）的存在極大地影響了Cu2+的去除效果。電池負載較小時，可以降低陰極氨滲透量，減弱副反應的發生，Cu2+去除率較高。

熱再生氨電池可分為電池產電部分和熱再生部分（圖2）。圖中右側為電池產電部分，陽極（即電池負極）上，氨與金屬電極發生配位反應，如式（1）所示。電子通過外電路傳輸到陰極（即電池正極），與陰極電解液中的金屬離子在陰極表面發生電沉積反應，如式（2）所示。在電池內部，SO42-通過陰離子交換膜（AEM）由陰極室進入陽極室。圖中左側為熱再生部分，通過利用低溫廢熱（≤130℃）將產電反應完成后的陽極電解液加熱，將[Cu(NH3)4]2+分解成Cu2+和氨氣，反應如式（3）所示。氨氣循環至陽極室，繼續參與放電。銅離子溶液可循環至陰極室，也可經處理作為電鍍液使用。

該研究團隊發現，熱再生氨電池放電時還伴隨著大量的副反應發生，這主要是由于氨通過交換膜滲透至陰極室導致的，因此他們研究了不同氨滲透量下陰極發生的反應。實驗表明，當陰極液中不存在氨時，陰極上僅發生Cu2+還原成銅單質的沉積反應。隨著陰極液中氨濃度增加，Cu2+的沉積反應受到抑制，當氨濃度增加到0.2mol·L-1時，陰極出現副反應。這是由于氨與Cu2+發生配合反應生成了[Cu(NH3)4]2+，[Cu(NH3)4]2+在陰極被還原成[Cu(NH3)2]+，并進而被還原成銅單質。隨著氨濃度增加到0.4mol·L-1，[Cu(NH3)2]+生成量增加，使得Cu2+的沉積反應進一步被抑制。

三、試題解析

【分析】解答電化學試題的突破口是快速判斷電極種類，關鍵點是正確書寫電極反應式。甲、乙兩室均預加相同的CuSO4電鍍廢液，向甲室中加入足量氨水時電池開始工作。甲室Cu電極的氨腐蝕反應不屬于高中化學必備知識。考生可認為甲室中的Cu2+與NH3通過配位反應形成[Cu(NH3)4]2+，減小了Cu2+的濃度。此時甲、乙兩室中因Cu2+的濃度差而產生電勢差，Cu2+濃度較小的甲室中電極電勢較低，該側電極為負極，電極反應為Cu-2e-+4NH3=[Cu(NH3)4]2+。Cu2+濃度較大的乙室中電極電勢較高，該側電極為正極，電極反應為Cu2++2e-=Cu。

【詳解】

A.由分析可知，甲室中Cu電極為負極，故A選項錯誤；

B.電池工作時陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。若隔膜為陽離子膜，甲室中的[Cu(NH3)4]2+擴散至乙室，會影響乙室的電極反應。應使用陰離子膜，使溶液中的SO42-通過隔膜進入甲室。甲室中SO42-增大，與[Cu(NH3)4]2+繼續經過低溫廢熱分解，實現CuSO4電鍍廢液的濃縮再生，故B選項錯誤；

C.由分析可知，甲室中負極反應為Cu-2e-+4NH3=[Cu(NH3)4]2+，乙室中正極反應為Cu2++2e-=Cu，兩式相加可得電池總反應為：Cu2++4NH3=[Cu(NH3)4]2+，故C選項正確；

D.NH3擴散到乙室會與C u2+反應生成[Cu(NH3)4]2+，Cu2+因濃度降低而氧化性減弱，因此會對電池電動勢產生影響，故D選項正確。

考生在解答此題的過程中，需要應用電化學模型對裝置進行分析。這樣既發展考生證據推理與模型認知核心素養，同時使考生感受到化學知識在解決能源、環境等社會熱點問題過程中的實用價值，能夠促進他們科學態度與社會責任核心素養的發展。