浙江省高三化学 第10单元42讲 多样化的水处理技术从自然资源到化学品复习课件 51页

第四十二讲多样化的水处理技术从自然资源到化学品\n1．知道化学在水处理中的应用；2．了解海水的综合利用，认识化学科学发展对自然资源利用的作用；3．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义；4．了解我国基本化工的生产资源、基本化工产品的主要种类和发展概况；5．举例说明金属材料、高分子材料和其他新材料的特点，了解有关的生产原理；\n6．通过调查、讨论了解煤、石油和天然气等综合利用的最新进展；7．通过实例了解精细化工产品的生产特点、知道精细化工在社会发展中的作用；8．以废旧塑料的再生利用为例，认识化学对废旧资源再生与综合利用的作用，讨论其可能的途径。\n一、知识网络\n自然资源利用技术\n\n\n二、化学在水处理中的应用及海水的综合利用1．自来水厂净化水的一般步骤混凝→沉降过滤→活性炭吸附池除味→杀菌消毒目的原理明矾净水_____________________________________[Al(OH)3(胶体)有吸附性]活性炭去除异味表面积大，吸附性强液氯杀菌消毒________________________(强氧化性)Al3＋＋3H2OAl(OH)3(胶体)＋3H＋Cl2＋H2OHCl＋HClO\n2.海水资源的综合利用(1)海水淡化：又称______，利用物理、化学、生物方法将海水中溶解的盐脱除。常用的方法有蒸馏法、____________、____________、冷冻法等。脱盐电渗析法反渗透法\n(2)海水中盐的开发和利用①海水制盐及食盐的利用用海水制盐的方法仍以__________________为主，此法初步得到的盐为粗盐。粗盐提纯后广泛应用于工业生产。a．氯碱工业：用电解饱和食盐水的方法得到NaOH、Cl2、H2，其总的反应方程式可表示为____________________________________________；工业上电解饱和食盐水的设备为__________________。离子交换膜电解槽2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑蒸发法(盐田法)通电\nb．纯碱工业：____________法______________________________________________2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑。②海水提镁工业上从海水中提镁的一种方法是，将海水抽入反应槽，加入石灰乳，使海水中的镁转化为氢氧化镁沉淀；加盐酸转化为氯化镁溶液，过滤、烘干，然后电解熔融氯化镁得到镁和氯气。③海水提溴工业上常用的一种海水提溴技术叫做吹出法，即用氯气等强氧化剂氧化海水中的溴离子，使其变成溴单质，然后用空气或水蒸气吹出。侯氏制碱NaCl＋H2O＋NH3＋CO2NaHCO3↓＋NH4Cl煅烧\n三、对化学工业生产原理、设备及生产流程的考查1．氨的合成(1)主要原理：______________________________，工业上，通常采用铁触媒为催化剂，在450℃左右和20MPa～50MPa的条件下进行氨的合成，得到的平稳混合物中氨的含量约为20%。N2＋3H22NH3\n(2)生产流程：合成氨的生产主要包括三个步骤：①造气：制备合成氨的原料气；②______：原料气净化处理；③______：将原料气进行化学合成为氨。生产流程图：净化合成\n(3)重要设备：____________。合成塔的构造除为了有利于催化，要能够安放厚层的触媒外，还要能够耐高压和调节温度。为了符合这些要求，合成塔有耐高压的厚壁。塔里主要有接触室和热交换器两部分。合成氨塔反应条件相应设备400～500℃1.反应开始需要加热，但又是放热反应，不需要持续加热，故需电加热器2．温度太高，不利于生成氨，故需要热交换器，预热H2、N2，冷却NH3高压反应是在高压下进行的，合成塔就有耐高压的坚固的钢壁，塔壳外用绝缘材料包裹催化剂反应需要催化剂，所以合成塔的上部应有触媒层\n2.氯碱生产(1)主要原理：阳极反应：___________________________(氧化反应)；阴极反应：________________________(还原反应)。电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、SO杂质，不符合电解要求，必须经过精制。(2)主要设备：①石棉隔膜电解槽；②离子膜电解槽①石棉隔膜电解槽：隔膜材料：水泥多微孔材料→石棉纤维隔膜电解槽电解饱和食盐水，隔膜的作用：能防止在阴极室内产生的氢气、NaOH溶液和在阳极室产生的氯气混合反应。2Cl－－2e－Cl2↑2H＋＋2e－H2↑\n②离子膜电解槽：是目前世界上比较先进的电解制碱技术，阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许______通过，而阻止____________通过，也就是说只允许______通过，而____________和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的______相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。阳离子阴离子和气体Na＋Cl－、OH－Cl2\n3．硫酸工业(接触法制硫酸)(1)生产工艺：分三个阶段：硫磺或硫铁矿的燃烧氧化，二氧化硫的催化氧化，三氧化硫的吸收。主要流程：\n(2)主要设备及原理：阶段设备名称原理造气阶段______4FeS2(s)＋11O2(g)2Fe2O3(s)＋8SO2(g)氧化阶段_______________________________吸收阶段______SO3＋H2O===H2SO4接触室沸腾炉吸收塔2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)高温\n4.镁和铝的冶炼(1)从海水中提取镁自然界中的镁主要以化合态的形式存在于地壳和海水(MgCl2)中。从海水中提取镁的过程分为两步：一是要从氯化镁浓度极小的海水中把氯化镁提取出来，二是把氯化镁中的镁还原出来。流程图如下：\n(2)铝的冶炼电解法冶炼包括由矿石中提取氧化铝和由氧化铝电解制取金属铝两个过程。①氧化铝的生产：从矿石中提取氧化铝的方法是使铝土矿与氢氧化钠溶液在高温下反应生成偏铝酸钠溶液，然后降温析出氢氧化铝晶体，再经净化和高温煅烧得到氧化铝。②电解氧化铝：氧化铝熔点很高，生产中要加入__________以降低电解时所需的温度，通电使氧化铝和冰晶石形成熔融体并电解，生成______和______。冰晶石铝氧气\n四、对化学工业综合经济效益的考查1．化工生产选择适宜条件的原则对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率。故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率；对气体分子数减少的反应，增大总压使平衡向增大反应物的转化率的方向移动。但压强太大，动力消耗、设备要求、成本增高，故必须综合考虑；对放热反应，升温，提高反应速率，但转化率______，若温度太低，____________又太慢，故需使用适当的___________；对吸热反应，升温，加快反应速率，又能提高转化率，但要避免反应物或生成物的过热分解；使用催化剂可大大提高反应速率，但使用时必须注意其_______________，且防止____________，延长使用寿命。降低反应速率催化剂活性温度范围催化剂中毒\n2．关于硫酸工业综合经济效益的讨论(1)环境保护与原料的综合利用。化工生产必须保护环境，严格治理“三废”，并尽可能把“三废”变为有用的副产品，实现原料的综合利用。硫酸厂的“三废”处理方法是：①尾气吸收(氨吸收法)_______________________________________________________________________。②废水处理(石灰乳中和法)_____________________________________________。③废渣利用________________________。SO2＋2NH3＋H2O(NH4)2SO3，(NH4)2SO3＋H2SO4(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2OCa(OH)2＋H2SO4CaSO4＋2H2O制砖或制造水泥\n(2)能量的充分利用。化工生产中应充分利用反应热，这对于降低成本具有重要意义。硫酸生产中的反应热不仅用于预热反应物满足自身能量的需要，而且还可以由硫酸厂向外界输出大量能量(供热发电)。(3)厂址选择和生产规模。化工厂厂址的选择，涉及原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通运输和环境保护等因素，应对这些因素综合考虑，作出合理的抉择。由于硫酸是腐蚀性液体，不便____________，因此硫酸厂应建在靠近硫酸消费中心的地区，应避开人口稠密的居民区和环境保护要求高的地区。工厂规模大小，主要由硫酸用量的多少来决定。贮存和运输\n3．绿色化学(1)节省资源，提高原料转化率和利用率。例如在合成氨工业，硝酸工业，接触法制硫酸，联合制碱法等工艺流程中采取了循环操作，体现了绿色化学中节省能源的基本原理。(2)化工生产中均介绍了_________________________以防止或减少环境污染。例如：氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸、炼钢、炼铁等均介绍了尾气处理或尾气吸收装置。尾气回收方法和处理装置\n水处理的若干问题【例1】下列物质：①明矾；②氯化铁；③绿矾；④木炭，可用做净水剂的是()A．①②B．①②③C．①③D．①②③④【解析】明矾水解生成Al(OH)3胶体，有强的吸附能力，可使水净化；氯化铁、绿矾溶于水后也能生成具有强吸附能力的Fe(OH)3胶体而具有净水作用；木炭的吸附能力很强，也可用于净水。D\n【迁移训练1】(2010·湖州质检)随着现代科学的不断发展，生产和生活所需的淡水日益增多，人类所能支配的淡水资源随时可能出现危机，这就把海水的淡化问题摆在了科学家的面前。(1)海水淡化的最早方法是蒸馏法，其原理是___________________________________________________________________________________________，蒸馏法虽然在技术和工艺方面均已比较完备，但由于使用大量燃煤，因此能耗多、排污量大。为克服蒸馏法淡化海水的缺陷，请你对蒸馏法淡化海水的工艺提出一条改进建议_____________________________________________________________________________________。蒸馏是利用加热海水时，盐不挥发而留在海水中，水蒸气经冷凝而得到淡水充分利用潮汐能、风能、太阳能等海边富有的洁净能源\n(2)使用离子交换树脂与海水中的离子进行交换也是常用的海水处理技术。已知磺化媒(代表式NaR)是一种钠型离子交换树脂，它能使海水中的Ca2＋、Mg2＋被交换而除去，其反应的离子方程式可表示为2NaR＋Ca2＋CaR2＋2Na＋。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[氢型阳离子交换树脂(HR)和羟型阴离子交换树脂(ROH)]，其流程如图所示，则图中离子交换柱中分别装入的离子交换树脂(填代表式)：A柱是______；B柱是______。聚丙烯酸钠也是一种离子交换树脂，试写出聚丙烯酸钠单体的结构简式________________________。HRROHCH2CHCOONa\n【解析】(1)海洋本身就是一个巨大的能源库，因此可充分利用潮汐能等海边富有的能源作为海水蒸馏时的热能来源。(2)要使海水淡化，必须借助离子交换树脂的作用除去海水中的Mg2＋、Ca2＋等，但若先将海水通过ROH，溶液中会生成较多的OH－，使Mg2＋转化成Mg(OH)2沉淀而堵塞交换柱，故必须先将海水通过HR。\n重要化学工业原理问题【例2】合成氨所用的H2可由煤与水反应制得，其中有一步反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH<0，欲提高CO转化率可采用的方法有：①降低温度；②增加压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是()A．①②③④⑤B．①⑤C．①④⑤D．只有⑤B\n【解析】该反应是一个气体总体积不变的放热反应，欲提高CO的转化率，可设法使化学平衡向正反应方向移动，显然降低温度可以满足这一要求，增加水蒸气的浓度，平衡向正反应方向移动，CO的转化率也可以增大；但若增加CO的浓度，平衡虽然向右移动，但CO的总量增大，其转化率反而减小。增大压强和使用催化剂的操作只能加快反应速率，缩短达到平衡的时间，而与平衡时CO的转化率无关。\n【迁移训练2】(嘉兴二模)某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图所示的装置，以下对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是()A．a为正极，b为负极；NaClO和NaClB．a为负极，b为正极；NaClO和NaClC．a为阳极，b为阴极；HClO和NaClD．a为阴极，b为阳极；HClO和NaClB\n【解析】因2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，在容器中：2NaOH＋Cl2NaCl＋NaClO＋H2O，而ClO－具有强氧化性，具有强杀菌能力。图中的导气管是让氢气排出，故上部为阴极，a为负极，连接电解池的阴极，b为正极，连接电解池的阳极。电解\n重要化学工业过程中的重要化工问题【例3】(2010·江苏南通九校联考)工业碳酸钠(纯度约为98%)中含有Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、Cl－和SO42－等杂质，提纯工艺线路如下：\n已知碳酸钠的饱和溶液在不同温度下析出的溶质如下图所示：回答下列问题：(1)加入NaOH溶液时发生的离子方程式为__________________________________________。(2)“趁热过滤”时的温度应控制在______________。(3)有人从“绿色化学”角度设想将“母液”沿流程中虚线所示进行循环使用。请你分析实际工业生产中是否可行__________，并说明理由_______________________________________\n(4)已知：①Na2CO3·10H2O(s)Na2CO3(s)＋10H2O(g)ΔH＝＋532.36kJ·mol－1②Na2CO3·10H2O(s)Na2CO3·H2O(s)＋9H2O(g)ΔH＝＋473.63kJ·mol－1写出Na2CO3·H2O脱水反应的热化学方程式_______________________________________________________________________。\n【解析】(2)根据流程图中的产物Na2CO3·H2O和Na2CO3的饱和溶液在不同温度下析出的溶质示意图，可确定过滤的温度为高于36℃。(3)母液中含有Cl－和SO42－等杂质，若循环使用，会不断增大Cl－和SO42－的浓度，而导致所得产物Na2CO3中混有杂质。(4)由反应①－②得：Na2CO3·H2O(s)Na2CO3(s)＋H2O(g)ΔH＝＋58.73kJ·mol－1\n【答案】(1)Fe3＋＋3OH－Fe(OH)3↓，MgCO3＋2OH－Mg(OH)2＋CO32－(2)高于36℃(3)不可行　若“母液”循环使用，则溶液c(Cl－)和c(SO)增大，使最后所得产物Na2CO3中混有杂质(4)Na2CO3·H2O(s)Na2CO3(s)＋H2O(g)ΔH＝＋58.73kJ·mol－1\n【迁移训练3】化工企业最大的污染来自于有害废气、废渣、废水的排放。位于渤海边的某企业为实现资源的合理综合利用，实现绿色化工生产，设计了硫酸—磷胺—水泥联产、海水—淡水多用、盐—热—电联产三大生态产业链，而这三条产业链又相互联系，一条产业链中的废物转化为另一条产业链中的原料，形成一张循环经济网络，像一个生态食物网。其流程如图所示：\n试回答下列问题：(1)设备①②③的名称是________、________、________。(2)设备①中反应发生的条件是________________________________________，该反应是________反应(填“吸热”或“放热”)，其废渣能够炼铁的原因是________________________。沸腾炉接触室吸收塔硫铁矿为粉末状，高温且通入过量空气放热废渣中含有Fe2O3\n(3)设备②的反应是________反应(填“吸热”或“放热”)，反应的条件是_________________________________，选择该条件主要考虑了哪些因_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。放热500℃左右、V2O5作催化剂、常压500℃左右是催化剂的活性温度，V2O5作催化剂，能提高反应速率，由于反应是一个体积缩小的反应，增大压强，转化率增大，但改变量不大，综合考虑各因素，常压时生产成本低，效益较好\n(4)设备③中发生的化学方程式是________________________，为了提高吸收效率，使用的吸收剂是________________，所得硫酸常称________硫酸。(5)从流程可以看出，热电厂用的冷却水是________，该过程体现了工业生产___________________________的思路。SO3＋H2OH2SO498.3%浓H2SO4发烟海水能源、资源的充分合理使用\n【解析】本题实质是围绕工业制硫酸的流程而设计的一张循环经济网络图，很明显设备①②③分别对应于硫酸工业中的沸腾炉、接触室、吸收塔。在沸腾炉内FeS2与O2发生反应生成SO2；在接触室内有催化剂存在下SO2进一步与O2化合生成SO3；SO3经吸收塔时，采用98.3%的浓H2SO4进行吸收。\n1.铀是一种带有银白色光泽的金属，化学性质很活泼，自然界中不存在游离的金属铀。铀是核反应最重要的燃料，其提炼技术直接关系着一个国家核工业或核武器的发展水平，一些核拥有国往往不愿意其他国家获得这种技术，伊朗的铀浓缩就一直受到联合国原子能机构和一些国家的反对。\n(1)铀的冶炼首先要把矿石加工成含铀60%～70%的化学浓缩物，进一步纯化转变成三氧化铀，再用炭在高温下还原成二氧化铀，其化学方程式为________________________________。(2)再将二氧化铀与无水HF反应，得到四氟化铀，反应的化学方程式为________________________。(3)最后用金属钙(或镁)还原四氟化铀，得到最终产品金属铀，反应的化学方程式为________________________。UO3＋CUO2＋COUO2＋4HFUF4＋2H2OUF4＋2CaU＋2CaF2高温\n【解析】炭在高温下还原三氧化铀得到二氧化铀和CO；二氧化铀与无水HF反应得到四氟化铀和H2O；金属钙还原四氟化铀得到金属铀和CaF2。\n2.(宁波二模)下图所示的装置是仿照工业制备硫酸的工艺流程设计出来的，用于探究工业上为何采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。\n试填写下列空白：(1)写出工业上用FeS2制取SO2的化学方程式：________________________________________。(2)写出上图中部分装置的作用：甲：①混合SO2和O2；②_____________________________________；丙和丁：________________________________。4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2干燥SO2和O2(或“观察通入SO2和O2体积比”)吸收SO3并做对照实验△\n(3)若丁装置在反应过程中出现气泡，不久就出现了白雾，而丙装置一直没有明显变化，产生这种现象的可能原因是：①丙中插入浓硫酸溶液的导管插得太深，使两个吸收瓶内的压强差较大，导致SO3从丁的水中冒了出来，与水形成酸雾；②__________________________________________________________。(4)上图装置中的甲和乙部分、丙和丁部分分别与工业制取硫酸的装置相对应，甲和乙相当于________；丙和丁相当于________。浓硫酸对SO3的吸收效果远好于水，SO3充分被浓硫酸吸收接触室吸收塔\n(5)在硫酸工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因都正确的是________(填下列各项的序号)。A．硫铁矿燃烧前需要粉碎，因为大块的硫铁矿不能在空气中燃烧B．从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中二氧化硫会与杂质反应C．二氧化硫氧化为三氧化硫时需使用催化剂，这样可以提高二氧化硫的转化率D．三氧化硫用98.3%的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，以提高三氧化硫的吸收效率D\n【解析】本装置模拟工业制硫酸的接触室和吸收塔，Cr2O3作催化剂，二氧化硫和氧气同时长进短出经过装有浓硫酸的洗气瓶，可以起到使气体混合均匀并干燥的目的，同时还可以根据气泡大小控制气流速度。工业上吸收塔中不用水来吸收三氧化硫是为了避免产生酸雾从而降低吸收效率。\n