高考申論題
112年
[化學安全] 環境化學(含分析化學)
第 一 題
📖 題組：
四、生物質（Biomass）可產生能源及生物炭（Biochar），對於淨零碳排具有負碳的效果。生物質通常由富含氧的有機聚合物所組成，包括木質素（Lignin）、纖維素（Cellulose）及半纖維素（Hemicellulose）等三大類。下圖為生物質經過熱裂解處理後的質量變化圖： （圖表省略，為熱裂解殘留重量百分比隨溫度變化圖） 請回答下列問題：
四、生物質（Biomass）可產生能源及生物炭（Biochar），對於淨零碳排具有負碳的效果。生物質通常由富含氧的有機聚合物所組成，包括木質素（Lignin）、纖維素（Cellulose）及半纖維素（Hemicellulose）等三大類。下圖為生物質經過熱裂解處理後的質量變化圖： （圖表省略，為熱裂解殘留重量百分比隨溫度變化圖） 請回答下列問題：
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (一)
請說明木質素、纖維素及半纖維素的熱穩定性，並依上圖殘留重量的變化，說明此三種有機聚合物在30 – 200、200 – 400及400 – 900℃三個溫度區塊中的貢獻。（15分）
思路引導 VIP
看到此題，應先回想生物質三大成分的化學結構特徵（半纖維素為無定型多醣、纖維素為結晶多醣、木質素為芳香族網狀聚合物），藉此判斷其熱穩定性高低（木質素 > 纖維素 > 半纖維素）。接著對照 TGA（熱重分析）曲線，將平緩區、急遽失重區與尾段緩降區，分別對應至水分蒸發、多醣類快速分解及木質素緩慢碳化的過程進行論述。
小題 (二)
在土壤復育中，生物炭常被用來作為保水及吸附營養源或污染物的改質劑，此部分主要藉由生物質在熱裂解中產生適合的孔洞，請問如何在生物炭製備過程中產生多量且適合的孔洞結構？（10分）
思路引導 VIP
看到此題，首先應聯想到熱裂解的「操作條件（如溫度、升溫速率）」對揮發物逸散及碳骨架形成的影響。其次，必須切入關鍵技術「活化（Activation）」，分為物理活化與化學活化，這是大幅增加孔隙率與比表面積以達改質目的之核心作法。
📜 參考法條
註：log 2 = 0.301；log 3 = 0.477；log 7 = 0.845。原子量（g/mole）：氫（H）：1.01；碳（C）：12.01；氮（N）：14.01；氧（O）：16.00；氟（F）：19.0；鋁（Al）：26.98；矽（Si）：28.08；氯（Cl）：35.45；鈦（Ti）：47.87；汞（Hg）：200.59