高中化学主题2海水资源工业制碱课题1海水淡化与现代水处理技术学案鲁科版选修2.docx
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高中化学主题2海水资源工业制碱课题1海水淡化与现代水处理技术学案鲁科版选修2
课题1 海水淡化与现代水处理技术
1.认识海水淡化的重要意义,了解海水淡化的方法。
知道天然水净化和污水处理的化学原理及工艺流程。
(重点)
2.了解离子交换法和膜分离法的原理和应用。
3.了解水污染及其处理技术。
掌握中和法、沉淀法在污水处理中的应用。
(难点)
4.培养节约用水、保护水资源的意识。
海水淡化
1.蒸馏法是将水加热至105°C蒸发汽化,然后将蒸汽冷凝而得到蒸馏水的方法。
蒸馏法的特点是设备结构简单、易操作、淡水质量好,缺点是能耗大。
2.电渗析法是指利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性,在外加直流电场作用下,海水中溶解盐的离子转移到另一部分海水中使海水淡化的方法。
1.海水淡化的目的是什么?
【提示】 海水淡化的目的是利用物理或化学方法除去海水中的无机盐。
纯水的制造
1.水的硬度
(1)硬水:
溶有较多Ca2+、Mg2+的水。
(2)水的硬度:
以1L水中含10_mg_CaO(或相当于10_mg_CaO)为1度来表示。
2.水处理技术
(1)核心:
减少或除去水中的各种杂质离子。
(2)方法
①离子交换法是使离子交换树脂上的离子与水中的离子进行交换,以除去水中的阴、阳离子的方法。
阳离子交换树脂(HR)与金属离子Mn+的反应为
nHR+Mn+MRn+nH+;
阴离子交换树脂(ROH)与阴离子Ym-的反应为mROH+Ym-RmY+
mOH-;
交换树脂用酸或碱处理可重新恢复交换能力,该过程叫做树脂的再生。
②膜分离法:
包括电渗析和反渗透两种广泛应用的技术。
2.海水淡化因能耗大,成本高,不能形成规模化生产,此话对吗?
【提示】 不对,海水淡化耗能大,成本高,这是传统淡化法,现在研究出许多新的方法,如离子膜法、离子交换法等,耗能成本都大大降低,可以形成规模化生产。
水污染和污水处理
1.水污染
废水的排放使自然水体中的污染物超过其自净能力时,就会引起自然水体发生物理性质和化学性质的变化,使水质变坏。
2.污水处理
(1)物理法:
主要利用物理原理和机械作用对废水进行治理,包括沉淀、均衡调节、过滤及离心分离等方法。
(2)物理化学法:
通过物理化学过程除去污染物的方法,包括吸附、浮选、反渗透、电渗析、超过滤及超吸附等方法。
(3)化学法:
通过施用化学药剂或采用其他化学手段进行废水处理的方法,如中和法、氧化法、还原法、离子交换法。
(4)生物化学法:
利用微生物的作用,除去废水中的溶胶物质及有机物质的方法,包括活性污泥法、生物滤池法及厌气处理法等。
海水淡化的方法
【问题导思】
①海水淡化的方法有哪些?
【提示】 蒸馏法、电渗析法、离子交换法、膜分离法。
②电渗析法淡化海水的原理是什么?
【提示】 电渗析法中阴离子交换膜只允许阴离子通过,阳离子交换膜只允许阳离子通过。
在外加电场的作用下,阴离子透过阴离子交换膜迁移到阳极区,阳离子透过阳离子交换膜迁移到阴极区。
1.蒸馏法
(1)原理:
将水加热至105℃蒸发汽化,然后将蒸汽冷凝而得到蒸馏水。
(2)优点:
设备结构简单、易操作、淡水质量好。
(3)缺点:
能耗大。
2.电渗析法
(1)原理:
利用阴、阳离子交换膜对水中阴、阳离子的选择透过性,在外加直流电场作用下,海水中溶解盐的离子转移到另一部分海水中使海水淡化的方法。
(2)应用:
海水淡化、污水处理等。
3.反渗透法
(1)原理:
在含盐浓度较大的溶液一侧施加压力,可以迫使水从浓溶液一侧向稀溶液一侧渗透,将水从浓盐溶液中排出而使盐分留下。
(2)优点:
可以大量、快速地生产淡水。
(3)发展方向:
寻找理想的渗透膜,提高海水的淡化效率。
将海水淡化后做生活用水,以解决淡水资源匮乏的问题,下列淡化海水的方法中,在原理上完全不可行的是( )
A.加明矾使海水中的盐分沉淀而淡化
B.利用太阳能使海水蒸馏淡化
C.将海水缓慢降温凝固以获取淡化的饮用水
D.将海水通过离子交换树脂以除去所含离子
【解析】 明矾的成分是KAl(SO4)2·12H2O,加入到海水中只能除去悬浮杂质及OH-或Ba2+等,对Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+等无影响,起不到淡化的作用。
【答案】 A
明矾净水原理是由于Al3+水解生成AlOH3胶体吸附水中悬浮物,而不能除去水中的盐也不能杀菌消毒。
1.海水淡化可采用膜分离技术,如下图所示,对淡化膜右侧的海水加压,水分子可以透过淡化膜进入左侧淡水池,而海水中的各种离子不能通过淡化膜,从而得到淡水,对加压后右侧海水成分变化进行分析,正确的是( )
A.溶质质量增加 B.溶液质量不变
C.溶剂质量减少D.溶质质量分数不变
【解析】 右侧海水中水分子能通过淡化膜进入左侧淡水池,而各种离子不能通过淡化膜,故溶质质量不变,溶剂质量减少,溶质质量分数增大。
【答案】 C
硬水的软化
【问题导思】
①硬水和软水有什么区别?
【提示】 含Ca2+、Mg2+较多的水称为硬水;含Ca2+、Mg2+较少或不含Ca2+、Mg2+的水称为软水。
②如何区别硬水和软水?
【提示】 a.加入肥皂水振荡,有大量泡沫产生的为软水,泡沫很少且有沉淀产生的是硬水。
b.加入饱和Na2CO3溶液,无沉淀产生的是软水,有沉淀产生的是硬水。
原因是Ca2++CO
===CaCO3↓,Mg2++CO
===MgCO3↓。
③硬水软化的方法有哪些?
【提示】 加热法(除暂时硬度)、药剂法、离子交换法。
1.水的硬度
(1)硬水和软水
硬水:
含Ca2+、Mg2+较多的水。
软水:
含Ca2+、Mg2+较少或不含Ca2+、Mg2+的水。
(2)硬度的划分
暂时硬度:
水的硬度由Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2引起。
永久硬度:
水的硬度由钙、镁的硫酸盐或氯化物引起。
2.硬水的软化
(1)加热法
①适用范围:
暂时硬度的水。
②反应原理:
Ca(HCO3)2
CaCO3↓+H2O+CO2↑,
Mg(HCO3)2
MgCO3↓+H2O+CO2↑,
MgCO3+H2O
Mg(OH)2↓+CO2↑。
(2)药剂法
①适用范围:
永久硬度的水。
②原理:
把纯碱、生石灰等试剂加入到硬水中,与Ca2+、Mg2+反应形成沉淀,分离。
(3)离子交换法
①适用范围:
永久硬度的水。
②原理:
用离子交换剂除去硬水中的Ca2+、Mg2+。
如用离子交换树脂软化水的过程为:
nHR+Mn+MRn+nH+,
mROH+Ym-RmY+mOH-。
磺化煤(表示式NaR)是一种钠型离子交换剂,它能把硬水中的Ca2+、Mg2+交换除去而使水软化,现代海水的淡化方法是:
使海水按顺序通过两种离子交换树脂,其流程如图所示:
(1)现有氢型阳离子交换树脂(HR)和羟基型阴离子交换树脂(ROH),则离子交换柱中应分别装入的离子交换树脂是(填代表符号):
A柱________;B柱________。
(2)说明按上述顺序装柱的理由是____________________________________
_______________________________________________________________。
【解析】 由离子交换法的原理迁移应用到题给信息可知,阳离子交换树脂的交换原理为
Na++HRH++NaR Ca2++2HR2H++CaR2 Mg2++2HR2H++MgR2
阴离子交换树脂的交换原理为:
ROH+Cl-RCl+OH- 2ROH+SO
R2SO4+2OH- ROH+HCO
RHCO3+OH-
交换下来的H+和OH-反应生成H2O从而得到淡水。
【答案】
(1)HR ROH
(2)若相反,则首先产生OH-易与Mg2+等反应产生Mg(OH)2等沉淀,堵塞离子交换柱
2.天然水里一般含有Ca2+、Mg2+等多种离子。
人们把含有较多量Ca2+、Mg2+的水叫作硬水,含有较少量或不含Ca2+、Mg2+的水叫作软水;降低水中
Ca2+、Mg2+含量的过程叫作硬水软化。
如果硬度太高(含Ca2+、Mg2+的浓度太大)会给生产、生活带来很多不利,因此硬水的软化是水处理的重要方面之一。
离子交换法常用于工业锅炉用水的软化。
离子交换剂多种多样,磺化煤(NaR)就是一种阳离子交换剂。
(1)写出用磺化煤软化含Ca2+、Mg2+浓度较高的硬水的化学方程式:
________
_______________________________________________________________。
(2)用药剂软化法软化过的水总是含有一定浓度的Ca2+、Mg2+,其原因是____
_______________________________________________________________。
(3)参考烧水后的锅或壶中结有水垢的现象分析说明,如果用硬度太高的水作锅炉用水,主要的不利因素是_________________________________________
_______________________________________________________________。
【解析】
(2)CaCO3、Mg(OH)2在水中都有一定的溶解能力。
(3)水垢是热的不良导体。
【答案】
(1)2NaR+Ca2+CaR2+2Na+、2NaR+Mg2+MgR2+2Na+
(2)CaCO3、Mg(OH)2虽然溶解度较小,但不是绝对不溶
(3)锅炉结垢,热传递效率下降,浪费能源,甚至引起锅炉爆炸
污水处理方法
【问题导思】
①为什么用Na2S除去Hg2+的同时,也能将水中所含的Pb2+、Cu2+等重金属离子除去?
(用离子方程式表示)
【提示】 Pb2++S2-PbS↓;Cu2++S2-CuS↓。
②污水处理常用方法有哪些?
【提示】 物理法、物理化学法、化学法、生物化学法等。
1.物理法
包括沉淀、均衡调节、过滤及离心分离等方法。
2.物理化学法
主要包括吸附、浮选、反渗透、电渗析、超过滤及超吸附等方法。
3.化学法
中和法、氧化法、还原法、离子交换法等。
4.生物化学法
包括活性污泥法、生物滤池法及厌气处理法等。
(2016·全国丙卷)聚合硫酸铁(PFS)是水处理中重要的絮凝剂。
下图是以回收的废铁屑为原料制备PFS的一种工艺流程。
回答下列问题:
(1)废铁屑主要为表面附有大量铁锈的铁,铁锈的主要成分是________。
粉碎过筛的目的是________。
(2)酸浸时最合适的酸是________,写出铁锈与酸反应的离子方程式_______
_______________________________________________________________。
(3)反应釜中加入氧化剂的作用是________,下列氧化剂中最合适的是________(填标号)。
a.KMnO4B.Cl2
c.H2O2D.HNO3
(4)聚合釜中溶液的pH必须控制在一定的范围。
pH偏小时Fe3+水解程度弱,pH偏大时则________。
(5)相对于常压蒸发,减压蒸发的优点是________。
(6)盐基度B是衡量絮凝剂絮凝效果的重要指标,定义式为B=
(n为物质的量)。
为测量样品的B值,取样品mg,准确加入过量盐酸,充分反应,再加入煮沸后冷却的蒸馏水,以酚酞为指示剂,用cmol·L-1的标准NaOH溶液进行中和滴定(部分操作略去,已排除铁离子干扰)。
到终点时消耗NaOH溶液VmL。
按上述步骤做空白对照试验,消耗NaOH溶液V0mL。
已知该样品中Fe质量分数ω,则B的表达式为________。
【解析】
(1)铁屑在空气中O2、水蒸气等作用下表面生成铁锈,铁锈的主要成分为Fe2O3·xH2O。
废铁屑经粉碎机粉碎后,再“过筛”,其目的是选取细小颗粒,增大反应物接触面积,提高“酸浸”反应速率。
(2)该工艺流程的最终目的是
制备PFS固体产品[Fe2(OH)x(SO4)3-
]y,为防止引入杂质,在酸浸时最合适的酸是硫酸,铁锈与酸反应的离子方程式为Fe2O3·xH2O+6H+===2Fe3++(x+3)H2O。
(3)酸浸过程中Fe与稀硫酸反应生成FeSO4,反应釜中加入氧化剂的作用是将Fe2+氧化成Fe3+,考虑氧化过程不能引入杂质,而KMnO4、Cl2和HNO3均能引入杂质,故最合适的氧化剂是H2O2。
(4)聚合釜中溶液的pH必须控制在一定的范围,pH偏小时Fe3+水解程度弱,pH偏大时,Fe3+易生成Fe(OH)3沉淀。
(5)相对于常压蒸发,减压蒸发的优点是降低蒸发温度防止产物分解。
(6)由题意可知,进行空白对照实验,消耗cmol·L-1的标准NaOH溶液V0mL,则与样品反应的HCl的物质的量为(V0-V)×10-3L×cmol·L-1=c(V0-V)×10-3mol,故样品
中n(OH-)=c(V0-V)×10-3mol。
该样品中Fe的质量分数为ω,则样品中Fe的物质的量为(mg×ω)/(56g·mol-1)=
mol,故B的表达式为B=
=
。
【答案】
(1)Fe2O3·xH2O 选取细小颗粒,增大反应物接触面积,提高“酸浸”反应速率
(2)H2SO4 Fe2O3·xH2O+6H+===2Fe3++(x+3)H2O (3)使铁从+2价变成+3价 c
(4)形成氢氧化铁沉淀 (5)降低蒸发温度防止产物分解 (6)
3.电解法处理酸性含铬废水(主要含有Cr2O
)时,以铁板作阴、阳极,处理过程中存在反应Cr2O
+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O,最后Cr3+以Cr(OH)3形式除去。
下列说法不正确的是( )
【导学号:
28920017】
A.阳极反应为Fe-2e-===Fe2+
B.电解过程中溶液pH不会变化
C.过程中有Fe(OH)3沉淀生成
D.电路中每转移12mol电子,最多有1molCr2O
被还原
【解析】 A.电解时用铁作阳极,失去电子生成具有还原性的Fe2+,Fe2+将废水中的Cr2O
还原为Cr3+。
B.电解过程中消耗H+,溶液的pH发生变化。
C.电解过程中H2O电离出的H+参与反应,c(OH-)增大,Cr3+与Fe3+都与OH-结合为沉淀。
D.根据电极反应式Fe-2e-===Fe2+,可知每转移12mole-生成6molFe2+,6molFe2+可还原1molCr2O
。
【答案】 B
1.海水淡化主要的4种方法:
蒸馏法、电渗析法、离子交换法、膜分离法。
2.污水处理的4种方法:
物理法、物理化学法、化学法、生物化学法。
3.硬水软化的3种方法:
加热法、药剂法、离子交换法。
1.下列各组内的两种海水处理方法都能制取高纯度的水的是( )
A.蒸馏法、离子交换法 B.电渗析法、反渗透法
C.蒸馏法、反渗透法D.电渗析法、离子交换法
【解析】 在对海水进行蒸馏的过程中,蒸发的是水。
在对海水进行反渗透的过程中,能透过半透膜的是水分子。
【答案】 C
2.下列说法中,正确的是( )
A.加热法可软化各种硬度的硬水
B.海水淡化可以利用过滤法
C.反应2NaR+Ca+CaR2+2Na+的逆反应在一定条件下也能发生
D.硬水软化就是除净水中的Ca2+和Mg2+
【解析】 加热法只能软化具有暂时硬度的硬水[因Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2受热可分解为CaCO3、Mg(OH)2而除去],不能软化永久硬水;过滤法不能淡化海水;水软化是指减少或除去水中的Ca2+和Mg2+,不一定是除净。
故A、B、D项均不正确。
【答案】 C
3.工业废水中常含有不同类型的污染物,可采用不同的方法处理。
以下处理措施和方法正确的是( )
选项
污染物
处理措施
方法类别
A
废酸
加生石灰中和
物理法
B
Cu2+等重金属离子
加硫酸盐沉降
化学法
C
含苯废水
用活性炭吸附
物理法
D
含纯碱的废水
加石灰水反应
化学法
【解析】 废酸与碱中和属于化学法,A项错;Cu2+不可能用SO
沉降,B项错;活性炭吸收苯是利用了活性炭的吸附性,是物理法,C项正确;Na2CO3+Ca(OH)2===CaCO3↓+2NaOH,生成强碱NaOH,废水的碱性增强,D项错误。
【答案】 C
4.污水经过一级、二级处理后,还含有少量Cu2+、Hg2+、Pb2+等重金属离子,可加入沉淀剂使其沉淀。
下列物质不能作为沉淀剂的是( )
A.氨水B.硫化氢气体
C.硫化钠溶液D.纯碱溶液
【解析】 题目要求就是生成沉淀,后加的试剂均要求过量。
加氨水会有络合离子的生成,不能全生成沉淀,硫化氢、硫化钠与重金属离子都会有沉淀生成,纯碱加入可调节pH值使重金属离子沉淀。
【答案】 A
5.如图甲所示,某河流经工业城市Y市,a处为上游、d处为下游,经对河水检测绘制出图乙,请回答:
【导学号:
28920018】
甲 乙
(1)构成该河的污染主要分布在__________。
A.ab段 B.bc段 C.cd段 D.bd段
(2)列举造成该河污染的三种可能污染源:
①____________;②____________;③____________。
(3)对c处水样进行检测,发现其中含有Cu2+,要把Cu2+变成铜单质回收,请写出两种可行的方法:
①_____________________________________________________________;
②_____________________________________________________________。
(4)d处污染明显降低,请从物理、化学、生物三方面简单分析原因___________________________________________________________________。
【解析】 生活污水、工业废水是水体的两个主要污染源,河流经市区必定造成污染,到下游时经过沉降、生物降解、物质之间的反应使污染程度下降。
对于铜的回收只需把铜离子变成铜单质即可。
【答案】
(1)B
(2)①工业废水 ②生活污水 ③生活垃圾及工业废渣
(3)①加过量铁粉,过滤,后加盐酸,清洗干燥得铜单质
②用电解法,使用惰性电极电解,阴极上生成铜单质
(4)物理沉降、物质之间相互反应、生物降解
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